武大 大地测量5

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Fundation of Geodesy,*,第五章,大地测量基本技术与方法,1,Fundation of Geodesy,5.1.1,建立国家平面大地控制网的方法,1,、常规大地测量法,三角测量法,1),网形,5.1,国家平面大地控制网,2,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,2),坐标计算原理,:,正弦定理,3),三角网的元素,:,起算元素：已知的坐标、边长和已知的方位角,.,观测元素：三角网中观测的所有方向,(,或角度,),。, 推算元素：由起算元素和观测元素的平差值推算的三角网中其他边长、坐标方位角和各点的坐标。,优点：,图形简单，结构强，几何条件多，便于检核，网的精度较高。,缺点：,易受障碍物的影响，布设困难，增加了建标费用；推算边长精度不均匀，距起始边越远边长精度越低。,3,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,导线测量法,:,优点：布设灵活，容易克服地形障碍；导线测量只要求相邻两点通视，故可降低觇标高度，造标费用少，且便于组织观测；网内边长直接测量，边长精度均匀。,缺点：导线结构简单，没有三角网那样多的检核条件，不易发现粗差，可靠性不高。,4,Fundation of Geodesy,三边测量及边角同测法,边角全测网的精度最高，相应工作量也较大。在建立高精度的专用控制网,(,如精密的形变监测网,),或不能选择良好布设图形的地区可采用此法而获得较高的精度。,国家平面大地控制网,5,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,2,、天文测量法,天文测量法是在地面点上架设仪器，通过观测天体,(,主,要是恒星,),并记录观测瞬间的时刻，来确定地面点的地理位,置，即天文经度、天文纬度和该点至另一点的天文方位角。,优点：,各点彼此独立观测，也勿需点间通视，测量误差不会积累。,缺点：,精度不高，受天气影响大。,用途,：在每隔一定距离的三角点上观测天文来推求大地方位角，控制水平角观测误差积累对推算方位角的影响。,6,Fundation of Geodesy,3,、现代定位新技术简介,GPS,测量,全球定位系统,GPS(Global Positioning System),可为各位用户提供精密的三维坐标、三维速度和时间信息。,GPS,系统的应用领域相当广泛，可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。,国家平面大地控制网,7,Fundation of Geodesy,甚长基线干涉测量系统,(VLBI),甚长基线干涉测量系统,(VLBI),是在甚长基线的两端,(,相距几千公里,),，用射电望远镜，接收银河系或银河系以外的类星体发出的无线电辐射信号，通过信号对比，根据干涉原理，直接测定基线长度和方向的一种空间技术。,长度的相对精度,10,-6,，可达,0.001,，由于其定位的精度高，在研究地球的极移、地球自转速率的短周期变化、地球固体潮、大地板块运动的相对速率和方向中得到广泛的应用。,国家平面大地控制网,8,Fundation of Geodesy,惯性测量系统,(INS),惯性测量是利用惯性力学基本原理，在相距较远的两点之间，对装有惯性测量系统的运动载体,(,汽车或直升飞机,),从一个已知点到另一个待定点的加速度，分别沿三个正交的坐标轴方向进行两次积分，从而求定其运动载体在三个坐标轴方向的坐标增量，进而求出待定点的位置，它属于相对定位，其相对精度为,(12),10,-5,，测定的平面位置中误差为,25cm,左右。,优点：完全自主式，点间也不要求通视；全天候，只取决于汽车能否开动、飞机能否飞行。,缺点：相对测量，精度不高。,国家平面大地控制网,9,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,5.1.2,建立国家平面大地控制网的基本原则,大地控制网应分级布设、逐级控制,大地控制网应有足够的精度,大地控制网应有一定的密度,大地控制网应有统一的技术规格和要求,10,Fundation of Geodesy,5.1.3,国家平面大地控制网的布设方案,1,、,常规大地测量方法布设国家三角网,1,）,一等三角锁系布设方案,国家平面大地控制网,11,Fundation of Geodesy,2,）,二等三角锁、网布设方案,国家平面大地控制网,12,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,插网法,3,）三、四等三角网,13,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,插点法,14,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,4,）我国天文大地网基本情况简介,20,世纪,50,年代初，,60,年代末基本完成，先后共布设一等三角锁,401,条，一等三角点,6 182,个，构成,121,个一等锁环，锁系长达,7.3,万,km,。一等导线点,312,个，构成,10,个导线环，总长约,1,万,km,。,1982,年完成天文大地网的整体平差工作。网中包括一等三角锁系，二等三角网，部分三等网，总共约有,5,万个大地控制点，,30,万个观测量的天文大地网。平差结果：网中离大地点最远点的点位中误差为,0.9m,，一等观测方向中误差为,0.46,。,15,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,2,、现代技术建立国家大地测量控制网,一般可把,GPS,网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度的,GPS,网,(A,、,B,级网），另一类是区域性的,GPS,网（,C,、,D,、,E,级网）。,1,）,EPOCH 92,中国,GPS,大会战,全网由,27,个点组成，平均边长,800km,，使用,4,台,MINI-MAC2816,、,13,台,Trimble 4000 SST,和,17,台,Ashtech,MDX C/A,双频接收机观测，平差后在,ITRF 91,地心参考框架中的定位精度优于,0.1m,，基线相对精度达到,10-8,。,16,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,2,）,96 GPS A,级网,96 GPS A,级网共包括,33,个主站，,23,个副站，与,92 GPS A,级网点重合,21,个。,96 GPS A,级网观测时共使用了,53,台双频,GPS,接收机，其中,14,台,Astech,MD12,，,17,台,Trimble 4000 SSE,8,台,Leica,200,6,台,Rogue 8000,8,台,Astech,Z12,。经数据精处理后基线分量重复性水平方向优于,4mm+3ppm,，垂直方向优于,8mm+4ppm,，地心坐标分量重复性优于,2cm,。全网整体平差后，在,ITRF93,参考框架中的地心坐标精度优于,10cm,基线相对精度达到,10-8.,17,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,3,）国家高精度,GPS B,级网,全网由,818,个点组成，分布全国各地,(,除台湾省外,),。东部点位较密，平均站间,50,70km,中部地区平均站间,100km,，西部地区平均站间距,150km,。外业自,1991,年至,1995,年结束，主要使用,Ashtech,MD 12,和,Trimble 4000 SSE,仪器观测。经数据精处理后，点位中误差相对于已知点在水平方向优于,0.07m,，高程方向优于,0.16m,，平均点位中误差水平方向为,0.02m,，垂直方向为,0.04m,，基线相对精度达到,10-7,。,18,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,4,）全国,GPS,一、二级网,军测部门建立，一级网由,40,余点组成，相邻点间距平均为,683km,。自,1991,年,5,月至,1992,年,4,月进行，使用,10,台,MINIMAC 2816,接收机作业。网平差后点位中误差，绝大多数点在,2cm,以内。二级网由,500,多个点组成，二级网是一级网的加密。,5,）中国地壳运动观测网络,地震局、总参测绘局、科学院和国家测绘局联合建立，主要是服务于中长期地震预报，兼顾大地测量的目的，该网络是以,GPS,为主，以,SLR,和,VLBI,以及重力测量为辅，由三个层次的网络组成，即,25,站连续运行的基准网、,56,站定期复测的基本网和,1000,站复测频率低的区域网。,19,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,3,、 国家平面大地控制网的布设,包括以下工作：技术设计，实地选点，建造觇标，标石埋设，外业测量，平差计算等,1,）技术设计,收集资料,实地踏勘,图上设计,编写技术设计书,2,）实地选点：,选点图，点之记，选点工作技术总结。,20,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,3,）建造觇标,(,传统大地测量法,),寻常标,双锥标,21,Fundation of Geodesy,国家平面大地控制网,4,）标石埋设,大地点的坐标，实际上指的就是标石中心的坐标。,22,Fundation of Geodesy,大地控制网优化设计,5.1.4,大地控制网优化设计简介,1,、 概述,最优化就是在相同的条件下从所有可能方案中选择最佳的一个。,2,、控制网的设计目标,控制网设计的目标，指的是控制网应达到的质量标准，它是设计的依据和目的，同时又是评定网的质量的指标。质量标准包括,精度标准、可靠性标准、费用标准、可区分标准及灵敏度标准,等，其中常用的主要是前,3,个标准。,23,Fundation of Geodesy,1,）,精度标准,:,方差,-,协方差阵,Dxx,整体精度标准指标,：,N,最优,，,Dxx,的范数,Dxx=,min, A,最优,，,tr,(,Dxx,)= =,1,+,2,+,+,r,= min, D,最优,，,det,(,Dxx,)= ,1,2,r,min, E,最优,，,max= min, S,最优,，,max-min= min,局部精度指标：,点位误差椭圆，相对误差椭圆，未知数某些函数的精度,大地控制网优化设计,24,Fundation of Geodesy,2,）,可靠性标准,网的可靠性，指控制网能够发现观测值中存在的粗差和抵抗残存粗差对平差结果的影响的能力。,B,为设计矩阵,多余观测分量,.,内部可靠性：,在显著水平 下，以检验功效 发现粗差的下界为,外部可靠性：,不可发现的粗差对平差结果影响的大小。,大地控制网优化设计,25,Fundation of Geodesy,其中： 为非中心化参数，,3,）,费用标准, 最大原则：在费用一定条件下，使控制网的精度和可靠性最大或者能满足一定限制下使精度最高。, 最小原则：在使精度和可靠性指标达到一定的条件下，使费用支出最小。,大地控制网优化设计,26,Fundation of Geodesy,大地控制网优化设计,3,、 优化设计的分类和方法,1),网的优化设计可分为零、一、二、三类。,零类设计,(,基准设计,),。固定参数是,B,和,P,，待求参数是,X,和,Qxx,。就是在控制网的网形和观测值的先验精度已定的情况下，选择合适的起始数据，使网的精度最高。,一类设计,(,图形设计,),。固定参数是,P,和,Qxx,，待定参数为,B,。就是在观测值先验精度和未知参数的准则矩阵已定的情况下，选择最佳的点位布设和最合理的观测值数目。通常，在传统的大地网图形设计中就是解决这个问题。,27,Fundation of Geodesy,大地控制网优化设计,二类设计,(,权设计,):,固定参数是,B,，,Qxx,，待定参数,P,在控制网的网形和网的精度要求已定的情况下，进行观测工作量的最佳分配,(,权分配,),，决定各观测值的精度,(,权,),，使各种观测手段得到合理组合。,三类设计,(,加密设计,):,固定参数是,Qxx,和部分,B,，,P,，待定参数为部分,B,和,P,，是对现有网和现有设计进行改进，引入附加点或附加观测值，导致点位增删或移动，观测值的增删或精度改变。,28,Fundation of Geodesy,大地控制网优化设计,2,）优化设计的方法,1),、解析法：,解析法具有计算机时较少，理论上较严密等优点；但其数学模型难于构造，具有最优解有时不符合实际或可行性差。,2),、模拟法：,模拟法是对经验设计的初步网形和观测精度，模拟一组数据与观测值输入计算机，按间接,(,参数,),平差，组成误差方程和法方程，求逆而得到未知参数的协因数阵,(,或方差协方差阵,),，计算未知参数及其函数的精度，估算成本，或进一步计算可靠性等信息；与预定的精度、成本和可靠性要求等相比较；根据计算所提供的信息和设计者的经验，对控制网的基准、网形、观测精度等进行修正。,29,Fundation of Geodesy,5.2,国家高程控制网建立的基本原理,国家高程基准,高程基准面,水准原点,1956,年黄海高程系统,:,水准原点高程为,72.289m,1985,国家高程基准,:,水准原点的高程为,72.260,米。,1987,年经国务院批准，于,1988,年,1,月正式启用,国家高程控制网,30,Fundation of Geodesy,5.2.1,国家高程控制网的布设原则,目的和任务有两个：,1),建立统一的高程控制网，为地形测图和各项建设提供必要的高程控制基础；,2),为地壳垂直运动、平均海面倾斜及其变化和大地水准面形状等地球科学研究提供精确的高程数据。,从高到低、逐级控制,一等水准测量是国家高程控制网的骨干，同时也为相关地球科学研究提供高程数据；二等水准测量是国家高程控制网的全面基础；三、四等水准测量是直接为地形测图和其他工程建设提供高程控制点,。,国家高程控制网,31,Fundation of Geodesy,水准点满足一定的密度,水准标石类型,间距（,km,）,布设具体要求,一般地区,经济发达地区,荒漠地区,基岩水准标石,500,只设于一等水准路线上，大城市和断裂带附近应增设，基岩较深地区可适当放宽，每省（市、自治区）至少两座。,基本水准标石,40,20-30,60,设于一二等水准路线上及交叉处，大、中城市两侧及县城附近。尽量设置在坚固岩层上。,普通水准标石,4-8,2-4,10,设于各等级水准路线上，以及山区水准路线高程变换点附近，长度超过,300,米的遂道，跨河水准测量的两岸标尺附近。,国家高程控制网,32,Fundation of Geodesy,水准测量达到足够的精度,各等级水准测量的精度，是用每公里高差中数的偶然中误差,和每公里高差中数的全中误差来表示的。,一等水准网应定期复测,水准测量等级,一等,二等,三等,四等,M,的限值,0.45mm,1.0mm,3.0mm,5.0mm,M,W,的限值,1.0mm,2.0mm,6.0mm,10.0mm,33,Fundation of Geodesy,5.2,国家水准网的布设方案及精度,我国的水准测量分为四等，各等级水准测量路线必须自行闭合或闭合于高等级的水准路线上，与其构成环形或附合路线，以便控制水准测量系统误差的积累和便于在高等级的水准环中布设低等级的水准路线。,一等闭合环线周长，在平原和丘陵地区为,1 000,1 500km,，,一般山区为,2 000km,左右。,二等闭合环线周长，在平原地区为,500,750km,山区一般不超过,1 000km,。,三、四等水准用于加密，根据高等级水准环的大小和实际需要布设，其中环线周长、附合路线长度和结点间路线长度，三等水准分别为,200km,、,150km,和,70km,；,四等分别为,100km,、,80km,和,30km,。,国家高程控制网,34,Fundation of Geodesy,水准测量等级,一等,二等,三等,四等,M,的限值,0.45,1.0,3.0,5.0mm,M,W,的限值,1.0,2.0,6.0,10.0mm,国家高程控制网,每公里高差中数偶然中误差：,每公里高差中数的全中误差：,35,Fundation of Geodesy,国家高程控制网,5.2.3,水准路线的设计、选点和埋石,1,、 技术设计,技术设计是根据任务要求和测区情况，在小比例尺地图上，拟定最合理的水准网或水准路线的布设方案。,一等水准路线应沿路面坡度平缓、交通不太繁忙的交通路线布设，二等水准路线尽量沿公路、大河及河流布设，沿线交通较为方便。,水准路线应避开土质松软的地段和磁场甚强的地段，并应尽量避免通过大的河流、湖泊、沼泽与峡谷等障碍物。,36,Fundation of Geodesy,2,、 选 点,图上设计完成后，须进行实地选线，其目的在于使设计方案能符合实际情况，以确定切实可行的水准路线和水准点的具体位置。选定水准点时，必须能保证点位地基稳定、安全僻静，并利于标石长期保存与观测使用。水准点应尽可能选在路线附近的机关、学校、公园内。不宜在易于淹没和土质松软的地域埋设水准标石，也不宜在易受震动和地势隐蔽而不易观测的地方埋石。,水准点点位选定后，应填绘点之记，绘制水准路线图及结点接测图。,国家高程控制网,37,Fundation of Geodesy,3,、,埋,石,按用途区分，水准标石有基岩水准标石、基本水准标石和普通水准标石三种类型。,各类水准标石的制作材料和埋设规格及其埋设方法等，在,国家一、二等水准测量规范,都有具体的规定和说明。,5.2.4,水准路线上的重力测量,因精密水准测量成果需进行重力异常改正，故在一、二等水准路线沿线要进行重力测量。,国家高程控制网,38,Fundation of Geodesy,规范规定,：,高程大于,4 000m,或水准点间的平均高差为,150,250m,的地区，一、二等水准路线上每个水准点均应测定重力。高差大于,250m,的测段，在地面倾斜变化处应加测重力。,高程在,1 500,4 000m,或水准点间的平均高差为,50,150m,的地区，一等水准路线上重力点间平均距离应小于,11km,；,二等水准路线上应小于,23km,。,在我国西北、西南和东北边境等有较大重力异常的地区，一等水准路线上每个水准点均应测定重力。,在由青岛水准原点至国家大地原点的一等水准路线上，应逐点测定重力，以便精确求得大地原点的正常高。,国家高程控制网,39,Fundation of Geodesy,5.2.5,我国国家水准网的布设概况,我国国家水准网的布设，按照布测目的、完成年代、采用技术标准和高程基准等，基本上可分为三期：,第一期主要是,1976,年以前完成的，以,1956,年黄海高程基准起算的各等级水准网；,第二期主要是,1976,年至,1990,年完成的，以“,1985,国家高程基准”起算的国家一、二等水准网；,第三期是,1990,年以后进行的国家一等水准网的复测和局部地区二等水准网的复测，现已完成外业观测和内业平差计算工作，成果已提供使用。,国家高程控制网,40,Fundation of Geodesy,工程测量控制网,5.3.1,工程测量控制网的分类,测图控制网,施工控制网,变形观测专用控制网,5.3.2,工程平面控制网的布设原则,分级布网，逐级控制,要有足够的精度,要有足够的密度,要有统一的规格,41,Fundation of Geodesy,城市或工程,GPS,网的主要技术要求,(,注：当边长小于,200m,时，边长中误差应小于,20mm,。,),等级,平均距离（,km,）,a(mm),B(,ppm,),最弱边相对中误差,二等,9,10,2,1/120000,三等,5,10,5,1/80000,四等,2,10,10,1/45000,一级,1,10,10,1/20000,二级,1,15,20,1/10000,工程测量控制网,42,Fundation of Geodesy,以,城市测量规范,为例，它对控制网测设的主要技术要求都有具体的规定，其中电磁波测距导线的主要技术要求为：,等级,闭合环或附合导线长度,(km),平均边长,(m),测距中误差,(mm),测角中误差,(),导线全长相对闭合差差,三等,15,3000,18,1.5,1/60000,四等,10,1600,18,2.5,1/40000,一级,3.6,300,15,5,1/14000,二级,2.4,200,15,8,1/10000,三级,1.5,120,15,12,1/6000,工程测量控制网,43,Fundation of Geodesy,工测控制网同相应等级的国家网比较，平均边长显著地缩短。,布设工测控制网时，应尽量与国家控制网联测。这样可使工测控制网纳入到国家坐标系中，以便于各有关部门互相利用资料，而不造成重复测量和浪费。,在布设专用控制网时，则要根据专用控制网的特殊用途和要求进行控制网的技术设计。,工程测量控制网,44,Fundation of Geodesy,1,、,水准测量建立工程高程控制网,水准测量是建立工程高程控制网的主要方法。城市和工程建设的水准测量的实施，和国家等级水准测量相似，其主要步骤一般是：水准网图上设计、选点、标石埋设、外业观测、平差计算和成果表的编制等内容。,2,、三角高程测量建立工程高程控制网,高程导线各边的高差测定宜采用对向观测。需检查如下限差：, 由两个单方向算得的高程不符值；, 由对向观测所求得的高差较差；, 由对向观测所求得的高差中数，计算闭合环线或附合路线的高程闭合差。,工程测量控制网,45,Fundation of Geodesy,5.6,精密角度测量方法,精密角度测量仪器介绍：,1.,精密光学经纬仪的主要特点,角度标准设备,度盘及其读数系统由光学玻璃组成，水平度盘和垂直度盘有读数显微镜和光学测微器，并实现双面,(,对径,),读数。,目标照准设备,望远镜均为消色差的或经过消色差校正。一般给出目标的倒像，但现代望远镜大多数给出目标的正像；一般制动及微动螺旋分离设置。,设有强制归心机构，精密光学对点器，经纬仪有垂直度盘指标自动归零补偿器，从而提高了仪器精度和测量效率。,经纬仪由优质有机材料和合金制造。,46,Fundation of Geodesy,1,垂直水准器观测棱镜；,2,垂直度盘照明反光镜；,3,望远镜调焦螺旋；,4,十字丝校正螺旋；,5,垂直度盘水准器微动螺旋；,6,望远镜目镜；,7,照准部制动螺旋；,8,仪器装箱扣压垛；,9,水平度盘照明反光镜；,10,望远镜制动螺旋；,11,十字丝照明转轮；,12,测微螺旋；,13,换像螺旋；,14,望远镜微动螺旋；,15,照准部水准器；,16,测微器读数目镜；,17,照准部微动螺旋；,18,水平度盘变位螺旋的护盖；,19,脚螺旋调节螺丝；,20,脚螺旋；,21,基座底板,47,Fundation of Geodesy,2.,精密电子经纬仪的主要特点,1),角度标准设备：,采用编码度盘及编码测微器的绝对式,采用光栅度盘并利用莫尔干涉条纹测量技术的增量式。,2),微处理器，主要功能：,控制和检核各种测量程序；,实现电子测角，并计算竖轴倾斜引起的水平角及竖直角的改正。,实现电子测距和计算，对所测距离进行地球曲率和气象改正，并进行相应的数据处理如水平距离、高差及坐标增量的计算等。,将观测值及计算结果显示在显示器上或自动记录在电子手簿上或存储器内。,48,Fundation of Geodesy,49,Fundation of Geodesy,3),竖轴倾斜自动测量和改正系统是供仪器自动整平及整平剩余误差对水平盘读数和竖盘读数的自动改正。,4),现代电子经纬仪具有自动观测功能,(,带有马达伺服装置和,CCD,摄像镜头，能够自动搜索目标,、,精密照准、按程序进行测量和记录,),。,50,Fundation of Geodesy,5.6.1,精密测角的误差来源及影响,1,、,外界条件的影响,大气层密度的变化对目标成像稳定性的影响,早晨太阳升起时，目标成像也仅有轻微的波动；,日出以后，有一段时间，大约,1,3h,，,成像较稳定；,12,15,h,，,成像波动较大；,日落前有一段成像稳定而有利于观测的时间；,夜间大气层一般是平衡的。,51,Fundation of Geodesy,水平折光的影响,光线通过密度不均匀的空气介质时，经过连续折射后形成一条曲线，并向密度大的一方弯曲，当来自目标,B,的光线进入望远镜时，望远镜所照准的方向为这条曲线在望远镜,A,处的切线方向，弦线与切线交角,，,称为微分折光。微分折光可以分解为纵向和,水平两个分量，由于大气温,度的梯度主要发生在垂直面,内，所以微分折光的纵向分,量是微分折光的主要部分。,微分折光的水平分量影响着,视线的水平方向。,52,Fundation of Geodesy,照准目标的相位差,53,Fundation of Geodesy,温度变化对视准轴的影响,假定在一个测回的短时间观测过程中，空气温度的变化与时间成比例，那么可以采用按时间对称排列的观测程序来削弱这种误差对观测结果的影响。,外界条件对觇标内架稳定性的影响,假定在一测回的观测过程中，觇标内架或三脚架的扭转是匀速发生的，因此采用按时间对称排列的观测程序也可以减弱这种误差对水平角的影响。,54,Fundation of Geodesy,2.,仪器误差的影响,水平度盘位移的影响,照准部旋转不正确的影响,照准部水平微动螺旋作用不正确的影响,垂直微动螺旋作用不正确的影响,3.,照准和读数误差的影响,照准误差受外界因素的影响较大,与照准目标的形状和清晰度密切相关。,55,Fundation of Geodesy,5.6.2,精密测角的一般原则, 观测应在目标成像清晰、稳定的有利于观测的时间进行，以提高照准精度和减小旁折光的影响。, 观测前应认真调好焦距，消除视差。在一测回的观测过程中不得重新调焦，以免引起视准轴的变动。, 各测回的起始方向应均匀地分配在水平度盘和测微分划尺的不同位置上，以消除或减弱度盘分划线和测微分划尺的分划误差的影响。, 在上、下半测回之间倒转望远镜，以消除和减弱视准轴误差、水平轴倾斜误差等影响，同时可以由盘左、盘右读数之差求得两倍视准误差,2 c,，,借以检核观测质量。,56,Fundation of Geodesy, 上、下半测回照准目标的次序应相反，并使观测每一目标的操作时间大致相同，即在一测回的观测过程中，应按与时间对称排列的观测程序，其目的在于消除或减弱与时间成比例均匀变化的误差影响，如觇标内架或三脚架的扭转等。, 为了克服或减弱在操作仪器的过程中带动水平度盘位移的误差，要求每半测回开始观测前，照准部按规定的转动方向先预转,1,2,周。, 使用照准部微动螺旋和测微螺旋时，其最后旋转方向均应为旋进。,为了减弱垂直轴倾斜误差的影响，观测过程中应保持照准部水准器气泡居中。,57,Fundation of Geodesy,5.7,精密的电磁波测距方法,本节的主要内容,:,1),了解相位法与脉冲法测距的基本原理,2),了解测距仪采用间接测尺频率测距的基本原理,3),掌握仪器检验的几种方法以及相关计算,4),熟练掌握测距成果的归算,5),掌握测距误差来源以及精度估算方法与基本思想,1,电磁波测距仪的分类,按载波和光源来分,:,光电测距仪,(,光波为载波,),微波测距仪,(,无线电波为载波,),58,Fundation of Geodesy,电磁波测距仪的分类和分级,测距原理：相位式测距仪（固定频率、可变频率）、脉冲式测距仪,测程：长,(,十,10km,以上,),、中,(,数公里至,10km),、短,(3km),载波源：红外、激光、微波,载波数：单频、双频,反射目标：合作目标、漫反射目标,精度：高精度、一般精度、低精度,重要指标：精度、测程,59,Fundation of Geodesy,5.7.1,电磁波测距基本原理,1.,电磁波测距基本原理公式,2.,相位式测距原理公式,60,Fundation of Geodesy,5.7.2 N,值解算的一般原理,1.,可变频率法,61,Fundation of Geodesy,2.,固定频率法,为解决扩大测程和提高精度的矛盾，既得到距离的单值解，同时具有高精度和远测程，相位式测距仪一般采用一组测尺共同测距，即用精测频率测定余长以保证精度，设置多级频率,(,粗测频率,),来解算,N (,通常称为多级固定频率测距仪,),而保证测程，从而解决“多值性”问题。,测尺频率,15MHz,1.5MHz,150kHz,15kHz,1.5kHz,测尺长度,精 度,10m,1cm,100m,10cm,1km,1m,10km,10m,100km,100m,62,Fundation of Geodesy,5.7.3,距离观测值的改正,1.,气象改正,Dn,这是电磁波测距的重要改正，因为电磁波在大气中传输时受气象条件的影响很大。,此项改正的实质是大气折射率对距离的改正。因折射率与气压、气温、湿度有关，因此习惯上我们称为气象改正。,测距仪的调制频率是根据测距仪选定的参考大气条件设计的，设与参考大气条件相应的折射率为，故仪器测算出来的距离为：,实际距离为：,63,Fundation of Geodesy,单一波长的光，巴雷尔,-,西尔色散公式：,A=2 876.0410;B=16.28810,；,C=0.13610;n,为在温度,0,，气压,760 mmHg,，,湿度,0%,，含,0.03%CO,的标准大气压条件下的折射率。,64,Fundation of Geodesy,群折射率为,一般大气条件下光的折射率,例如,DI20,测距仪的红外波长,=0.835m,，,参考大气条件,15,o,C,760mmHg:,65,Fundation of Geodesy,2.,仪器加常数改正和乘常数改正,1),仪器加常数改正,因测距仪、反光镜的安置中心与测距中心不一致而产生,的距离改正，称仪器加常数改正,包括测距仪加常数和反光镜,加常数。在测距仪的调试时，常通过电子线路补偿，使,其为,0,，但实际上不可能严格为零，即存在剩余值，故有时又称为,剩余加常数。当多次或用多种方法测定并确认仪器存在明显,的加常数时，应在测距成果中加入仪器加常数改正：,66,Fundation of Geodesy,2),乘常数改正,因测距仪的基准频率等因素产生的尺度参数成为乘常数。,设 为标准频率，假定无误差,为实际工作频率,令频率偏差,67,Fundation of Geodesy,3),六段法测定仪器加常数的基本原理,68,Fundation of Geodesy,为提高测距精度，应增加多余观测，故采用全组合观测,法，共测,21,个距离值。在六段法中，点号一般取为,0,、,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,，则须测定如下距离：,69,Fundation of Geodesy,3.,波道曲率改正,电磁波在近距离上的传播可看成是直线，但当距离较远时，因受大气垂直折射的影响，就不是一条直线，而是一条半径为,的弧线，实际测得的距离就是弧线,D,，,我们把弧长,D,化为弦长,D,的改正称为第一速度改正。实际测距时，一般只是在测线两端测定气象元素，由此求出测线两端折射率的平均值，代替严格意义下的测线折射率的积分平均值。这种以测线两端点的折射率代替测线折射率而产生的改正，叫第二速度改正。,70,Fundation of Geodesy,4.,归心改正,5.,周期误差改正,71,Fundation of Geodesy,5.7.4,测距的误差来源和精度表达式,1.,测距的主要误差来源,2.,测距的精度表达式,m=a+b,D,72,Fundation of Geodesy,5.8,精密水准测量的方法,精密水准仪和水准尺,气泡式的精密水准仪、自动安平的精密水准仪、数字水准仪以及相应的因瓦合金水准尺,1,、,WildN,3,精密水准仪简介,：,望远镜物镜的有效孔径为,50mm,，,放大倍率为,40,倍，管状水准器格值为,10/2mm,。,N,3,精密水准仪与分格值为,10mm,的精密因瓦水准标尺配套使用，标尺的基辅差为,301.55cm,。,在望远镜目镜的左边上下有两个小目镜，它们是符合气泡观察目镜和测微器读数目镜,73,Fundation of Geodesy,1,、,WildN,3,精密水准仪简介,(,续,),1,望远镜目镜,2,水准气泡反光镜,3,倾斜螺旋,4,调焦螺旋,5,平行玻璃板测微螺旋,6,平行玻璃板旋转轴,7,水平微动螺旋,8,水平制动螺旋,9,脚螺旋,10,脚架,主要特征：,倾斜螺旋，平行玻璃板测微器,74,Fundation of Geodesy,1,、,WildN,3,精密水准仪简介,(,续,),转动倾斜螺旋，使符合气泡观察目镜的水准气泡两端符合，则视线精确水平，此时可转动测微螺旋使望远镜目镜中看到的楔形丝夹准水准标尺上的,148,分划线，也就是使,148,分划线平分楔角，再在测微器目镜中读出测微器读数,653,(,即,6.53mm),，,故水平视线在水准标尺上的全部读数为,148.653cm,。,75,Fundation of Geodesy,2.,自动安平水准仪简介,1,测微器,2,圆水准器,3,脚螺旋；,4,保护玻璃,5,调焦螺旋,6,制动扳把,7,微动螺旋,8,望远镜目镜,9,水平度盘读数目镜,主要特征：光学补偿器自动安平,Koni007,76,Fundation of Geodesy,2.,自动安平水准仪简介,(,续,),光学补偿器,光学补偿器,6,是一块等腰直角棱镜，用弹性薄簧片悬挂形成重力摆，以摆轴为中心可以自由摆动，在重力作用下，最后静止在与重力方向一致的位置上,77,Fundation of Geodesy,光学补偿器的原理,当仪器整平时,，补偿棱镜在位置,，使来自水平方向的光线,A,转向,180,，最后进入十字丝分划板横丝，此时补偿棱镜仅起转向作用，不起补偿作用。,当仪器向前倾,，即望远镜物镜端向下倾斜一个小角度,时，望远镜目镜随同十字分划板向上位移,a,，,此时，补偿棱镜产生与视准轴倾斜相反的方向摆动，在重力的作用下最后静止在位置,。 当补偿棱镜摆动最后静止在位置,时，将来自水平的光线,A,，,经,180,转向后平移了距离,a,，,再经过转向和成像的倒置而正确地进入仪器倾斜后的十字丝分划板横丝处，从而,达到了补偿的目的,。,2.,自动安平水准仪简介,(,续,),78,Fundation of Geodesy,精密水准尺,精密水准尺的分划印刷在因瓦合金钢带上，由于这种合金的温度膨胀系数很小，长度准确而稳定。因瓦合金钢带不受木质尺身伸缩的影响，以一定的拉力将其引张在木质,尺身的凹槽内。水准尺的分划为线条式，,水准尺的分划值有,10mm,和,5mm,两种，与所用水准仪的测微器相配合,。,79,Fundation of Geodesy,10mm,分划的精密水准尺如图,(a),两排分划，右边注记为,0,300cm,，称为基本分划；左边注记为,300,600cm,，称为辅助分划。基本分划与辅助分划相差一个常数,301.55cm,，称为,基辅差,，又称,尺常数,。,5mm,分划的精密水准尺如图,(b),两排分划，错开,5mm,。左边是单数分划，右边是双数分划，右边注记是米数，左边注记是分米数，分划注记恒比实际数值大了一倍，读数应除以,2,才为实际的高度。,80,Fundation of Geodesy,3.,电子数字水准仪简介,主要特征：,由传感器识别条形码水准标尺上的条形码分划，经信息转换处理获取观测值，并以数字形式显示或存储在计算机内。,81,Fundation of Geodesy,观测时，经自动调焦和自动置平后，水准标尺条形码分划影像射到分光镜上，并将其分为两部分：其一是可见光，通过十字丝和目镜，供照准用；其二是红外光射向探测器，它将望远镜接收到的,光图像信息,转换成,电影像信号,，并传输给信息处理机，与机内原有的关于水准标尺的条形码本源信息进行相关处理，从而得出水准标尺上水平视线的读数。,3.,电子数字水准仪简介,(,续,),82,Fundation of Geodesy,精密水准仪的主要特点, 高质量的望远镜光学系统, 坚固稳定的仪器结构, 高精度的测微器装置, 高灵敏的管水准器, 高性能的补偿器装置,4.,精密水准仪和水准尺的主要特点,83,Fundation of Geodesy,精密水准尺的主要特点, 当空气的温度和湿度发生变化时，水准标尺分划间的长度必须保持稳定；, 水准标尺的分划必须十分正确与精密，分划的偶然误差和系统误差都应很小；, 水准标尺在构造上应保证全长笔直，并且尺身不易发生长度和弯扭等变形 ；, 在精密水准标尺的尺身上应附有圆水准器装置，作业时扶尺者借以使水准标尺保持在垂直位置；,4.,精密水准仪和水准尺的主要特点,(,续,),84,Fundation of Geodesy,5.8.1,精密水准测量的误差来源及影响,1.,仪器误差,1) i,角的误差影响,-,二等水准测量：前后视距差应,1 m,。,前后视距累积差，应,3m,。 ,85,Fundation of Geodesy,2,）,角误差的影响,-,当仪器的垂直轴倾斜时，如与视准轴正交的方向倾斜一个角度，那么这时视准轴虽然仍在水平位置，但水准轴两端却产生倾斜，从而水准气泡偏离居中位置。这时，仪器在水平方向转动，水准气泡将移动。当重新调整水准气泡居中进行观测时，视准轴就会偏离水平位置而倾斜，显然它将影响在水准标尺上的读数。,86,Fundation of Geodesy,3),水准标尺每米长度误差的影响,在精密水准测量作业中必须使用经过检验的水准标尺。设,f,为水准标尺每米间隔平均真长误差，则对一个测站的观测高差,h,应加的改正数为,-,一个测段应加的改正数为：,87,Fundation of Geodesy,4,),两水准标尺零点差的影响,两水准标尺的零点误差不等，设,a,b,水准标尺的零点误差分别为,a,和,b,，,它们都会在水准标尺上产生误差。,-,水准测量作业中各测段的测站数目应安排成偶数，且在相邻测站上使两水准标尺轮流作为前视尺和后视尺。,88,Fundation of Geodesy,2.,外界因素引起的误差,3.,观测误差,精密水准测量的观测误差，主要有水准器气泡居中的误差，照准水准标尺上分划的误差和读数误差,-,89,Fundation of Geodesy,3.,观测误差,精密水准测量的观测误差，主要有水准器气泡居中的误差，照准水准标尺上分划的误差和读数误差,-,90,Fundation of Geodesy,5.8.2,精密水准测量的实施,1.,精密水准测量作业的一般规定,(1),仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等，其差应小于规定的限值：二等水准测量中规定，一测站前、后视距差应小于,1.0m,，,前、后视距累积差应小于,3m,。,(2),在两相邻测站上，应按奇、偶数测站的观测程序进行观测。对于往测奇数测站按“后前前后”，偶数测站按“前后后前”的观测程序在相邻测站上交替进行。返测时，奇数测站与偶数测站的观测程序与往测时相反，即奇数测站由前视开始，偶数测站由后视开始。,(3),每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准标尺应互换位置，并应重新整置仪器。,每一测段的水准测量路线应进行往测和返测,(4),一个测段的水准测量路线的往测和返测应在不同的气象条件下进行，如分别在上午和下午观测。,91,Fundation of Geodesy,2.,精密水准测量观测,1),测站观测程序,往测,:,奇数测站照准顺序,后视尺基本分划； 前视尺基本分划；,前视尺辅助分划； 后视尺辅助分划；,往测,:,偶数测站照准顺序,前视尺基本分划；后视尺基本分划；,后视尺辅助分划；前视尺辅助分划。,返测,:,奇、偶数测站照准标尺顺序分别与往测,偶、奇数测站相同,。,92,Fundation of Geodesy,2),测站的记录与计算,(9)=(1)-(2),(10)=(5)-(6),(11)=(9)-(10),(12)=(11)+,前站,(12),(14)=(3)+ K -(8),(13)=(4)+ K -(7),(15)=(3)-(4),(16)=(8)-(7),(17)=(14)-(13),=(15)-(16),(18)=(15)+(16),93,Fundation of Geodesy,5.8.3.,水准测量的概算,概算的主要内容：观测高差的各项改正数的计算和水准点概略高程表的编算等。,1.,水准标尺每米长度误差的改正数计算,当一对水准标尺每米长度的平均误差,f,大于,0.02 mm,时，就要对观测高差进行改正，大小为：,fh,2.,正常水准面不平行的改正数计算,3.,水准路线闭合差计算,94,Fundation of Geodesy,4.,高差改正数的计算,5.,计算水准点的概略高程,95,Fundation of Geodesy,