3 测量操作技能
3.1 测量仪器及设备的使用
3.1.1 水准器
大地水准面和铅垂线分别是测量工作的基准面和基准线,而水准器是用来整平仪器的一种装置,它用来指示仪器的水平视线是否水平,竖轴是否铅直,之后仪器才能提供水平线和铅垂线。任何专业测量仪器都是以此为基础的。
水准器有管水准器和圆水准器两种。
1.管水准器
管水准器又叫水准管,它用于精确整平仪器。
管水准器是一个纵剖面方向的内壁磨成弧面的玻璃管,管内装入酒精和乙醚的混合液,加热融封,冷却后留有一个气泡,如图3-1 所示。因为气泡较轻,它总是处于管内最高位置。
图3-1 管水准器
管水准器管面上通常刻有间隔2mm 的分划线,管面中心即分划线的中点O,称为水准管零点。过零点作与圆弧相切的纵向切线LL称为水准管轴。当水准管气泡中心与水准管零点重合时,称为气泡居中,这时水准管轴处于水平位置。如果水准管轴与视准轴平行,当水准管气泡居中时,视准轴也处于水平位置,则仪器视线即为水平视线。
水准管相邻分划线间的圆弧所对应的圆心角τ″称为水准管分划值。
式中:R——水准管圆弧半径(mm);
ρ″——弧度秒值,206265″。
由此可见,圆弧半径愈大,水准管分划愈小,水准管灵敏度愈高,用其整平仪器的精度也愈高。
现在用的管水准器均在其水准管上方设置一组棱镜,通过内部的折光作用,我们可以从望远镜旁边的小孔中看到气泡两端的影像,并按照影像的符合情况判断仪器是否处于水平状态。若两侧的半抛物线重合为一条完整的抛物线,说明气泡居中,否则需要调节。这种水准器便是符合水准器,如图3-2 所示,是微倾式水准仪上普遍采用的水准器。
图3-2 符合水准器
2.圆水准器
(1)外形与构造。圆水准器是一个顶面玻璃内表面磨成球面的玻璃圆盒,内部也含有混合液及气泡,如图3-3 所示。圆水准器用于粗略整平仪器,使仪器的竖轴处于铅垂位置。
图3-3 圆水准器
圆水准器球面中央刻有一小圆圈,其圆心称为圆水准器零点。过零点的球面法线L′L′,称为圆水准器轴。当圆水准器气泡位于圆圈中央即气泡居中时,圆水准器轴处于铅垂位置。如果这时圆水准器轴与仪器竖轴平行,则仪器竖轴也处于铅垂位置。
当气泡不居中,气泡中心偏离零点2mm 时竖轴所倾斜的角值,称为圆水准器的分划值,通常为(8′~10′)/2mm,圆水准器精度较低,因此只用于仪器的粗略整平。
(2)检验与校正。如图3-4(a)所示,旋转脚螺旋使水准器气泡居中,然后将仪器绕竖轴旋转180°。当圆水准器气泡居中时,圆水准器轴处于铅垂位置。假设圆水准器轴与竖轴不平行,且偏移α角,那么竖轴与铅垂位置也偏差α角。
图3-4 圆水准器轴平行于仪器数轴的检验与校正
将仪器绕竖轴旋转180°,如图3-4(b)所示,圆水准器转到竖轴的左面,圆水准器轴并不铅垂,而是与铅垂线偏差2α角。
检验最终目的:使圆水准器轴L′L′平行于仪器的竖轴VV。
1)校正时,先调整脚螺旋,使气泡向零点方向移动偏离值的一半,如图3-4(c)所示,竖轴处于铅垂位置。
2)旋松圆水准器底部的固定螺钉,用校正拨动三个校正螺钉,使气泡居中,如图3-5 所示。此时,圆水准器轴平行于仪器竖轴且处于铅垂位置,如图3-4(d)所示。
图3-5 圆水准器校正螺钉
此校正需反复进行,直至仪器旋转到任何位置时,圆水准器气泡皆居中为止,最后旋紧固定螺钉。
3.1.2 钢尺及量距其他工具
1.钢尺
钢尺是由薄钢片制成的带状尺,可以卷入金属圆盒内,又称钢卷尺。钢尺性脆、易折断、易生锈,所以使用时要避免扭折、防止受潮。因为钢尺抗拉强度高,不容易拉伸,所以量距精度较高。
(1)外形及规格。钢尺是由薄钢制成的带状尺,可卷放在圆盘形的尺壳内或卷放在金属尺架上,如图3-6 所示。尺的宽度10mm~15mm,厚度约0.4mm,长度有20m、30m、50m 等几种。
图3-6 卷钢尺外形
按照零点位置的不同,可以将钢尺分为端点尺和刻划尺,如图3-7 所示,其中,端点尺是以尺的最外端作为尺的零点,它方便于从墙根起的量距工作,刻划尺是以尺前端的一刻划尺作为尺的零点,其量距精度比较高。
图3-7 端点尺和刻划尺
(2)钢尺的分划。钢尺的分划有好几种,有的以厘米为基本分划,适用于一般量距;有的也以厘米为基本分划,但尺端第一分类内有毫米分划;也有的全部以毫米以基本分划。后两种适用于较精密的距离丈量。钢尺的分米和米的分划线上都有数字注记。
(3)钢尺的特点及应用。钢尺抗拉强度高、不容易拉伸,简单又经济,且测距的精度可达到1/4000~1/1000,精密测距的精度可达到1/40000~1/10000,适合于平坦地区的距离测量。但钢尺性脆、容易折断、易生锈,使用时注意避免扭折及受潮。
2.标杆
标杆多用木料或铝合金制成,直径约3cm,全长有2m、2.5m 及3m 等几种规格。杆上涂装成红白相间的20cm 色段,非常醒目,标杆下端装有尖头铁脚,如图3-8 所示,便于插入地面,作为照准标志。
3.测钎
测钎通常用钢筋制成,上部弯成小圆环,下部磨尖,直径为3mm~6mm,长度为30cm~40cm。钎上可用涂料涂成红白相间的色段。通常6 根或11 根系成一组,如图3-9 所示。量距时,将测钎插入地面,用以标定尺端点的位置,还可作为近处目标的瞄准标志。
图3-8 标杆
图3-9 测钎
4.钢尺量距用其他辅助工具
钢尺量距用辅助量距工具外,还有垂球、弹簧秤、温度计等,如图3-10 所示。测量时,垂球用在斜坡上的投点,弹簧秤用来施加检定时标准拉力,以确保尺长的稳定。温度计用于测定量距时的温度,以便对钢尺丈量的距离进行温度校正。
图3-10 钢尺量距用辅助工具
5.光电测距仪
(1)种类。光电测距仪按其测程可分为短程光电测距仪(3km 以内)、中程光电测距仪(3km~15km)和远程光电测距仪(大于15km),见表3-1;按照其采用的光源可分为激光测距仪和红外测距仪等。
表3-1 光电测距仪测程分类与技术等级
(2)红外测距仪。
1)主机。由发射镜、接收镜、显示窗、键盘等构成。键盘上的按键具有双功能或多功能,如图3-11 所示。
图3-11 DI1000 的操作面板
2)反射棱镜。DI 系列测距仪有1 块、3 块和11 块三种反射棱镜架,分别用于不同距离的测量。棱镜架中的圆形棱镜是活动的可以从架上取下来。测距时,用经纬仪望远镜照准各种反射棱镜的位置,如图3-12 所示。DI1000 测距仪只用到1 块和3 块两种棱镜架,当所测距离小于800m 时,使用1 块棱镜;当所测距离大于800m 时,使用3 块棱镜。圆形棱镜的加常数为0。
图3-12 反射棱镜组
3)附加键盘。DI1000 可直接连接电池,利用主机上的键盘进行测距操作,也可将图3-13 所示的附加键盘串联在测距头与电池之间进行工作。附加键盘上共有15 个按键,每个按键也具有双功能或多功能。
图3-13 附加键盘
(3)构造。D2000 短程红外光电测距仪主机如图3-14 所示,主机通过连接器安置在经纬仪的上部,如图3-15 所示,经纬仪可以是普通光学经纬仪,也可以是电子经纬仪。利用光轴调节螺钉,可使主机发射一接收器光轴与经纬仪视准轴位于同一竖直平面内。此外,测距仪横轴到经纬仪横轴的高度与觇牌中心到反射棱镜的高度一致,从而使经纬仪瞄准觇牌中心的视线与测距仪瞄准反射棱镜中心的视线保持平行,如图3-16 所示。
图3-14 D2000 短程红外光电测距仪主机
1—显示窗;2—望远镜目镜;3—键盘;4—电池;
5—照准轴水平调整手轮;6—座架;
7—俯仰调整手轮;8—座架固定手轮;
9—俯仰固定手轮;10—物镜;
11—RS-232 接口
图3-15 光电测距仪与经纬仪连接图
1—测距仪;2—支架;3—经纬仪
图3-16 光电测距仪所用经纬仪瞄准觇牌中心视线与测距仪瞄准反射棱镜中心视线平行图
配合主机测距的反射棱镜如图3-17 所示,按照距离远近,可选用单棱镜(1500m 内)或三棱镜(2500m 以内),棱镜安置在三脚架上,根据光学对中器和长水准管进行对中整平。
D2000 短程红外光电测距仪的主要技术指标及功能如下:
1)D2000 短程红外光电测距仪的最大测程为2500m,测距精度可达±(3mm +2×10-6×D)(其中D为所测距离)。
2)最小读数为1mm;仪器设有自动光强调节装置,在复杂环境下测量时可人工调节光强。
3)可输入温度、气压和棱镜常数自动对结果进行改正。
4)可输入垂直角自动计算出水平距离和高差。
5)可通过距离预置进行定线放样。
6)如果输入测站坐标和高程,可自动计算观测点的坐标和高程。
7)测距方式有正常测量和跟踪测量,正常测量所需时间为3s,还能显示数次测量的平均值;跟踪测量所需时间为0.8s,每隔一定时间自动复测距。
(4)使用方法。
1)安置仪器先在测站上安置好经纬仪,对中、整平后,将测距仪主机安装在经纬仪支架上,用连接器固定螺钉锁紧,在目标点安置反射棱镜,对中、整平,并使镜面朝向主机。
2)观测垂直角、气温和气压用经纬仪十字横丝照准觇牌中心,如图3-18 所示,测出垂直角α。与此同时,观测和记录温度和气压计上的读数。
图3-17 反射棱镜外形及结构图
1—圆水准器;2—光学对中器;3—觇牌;
4—单反光镜;5—标杆;6—三反光镜组;
7—准管;8—固定螺旋;9—基座
图3-18 经纬仪十字横丝照准觇牌中心图
3)测距准备按电源开关键“PWR”开机,主机自检并显示原设定的气压、温度和棱镜常数值,自检通过后将显示“good”。
若修正原设定值,可按“TPC”键后输入温度、气压值或者棱镜常数(一般通过“ENT”键)和数字键逐个输入。
4)距离测量。
①调节主机照准轴水平调整手轮和主机俯仰微动螺旋,使测距仪望远镜准确瞄准棱镜中心,如图3-19 所示。
图3-19 测距仪望远镜精确瞄准棱镜中心图
②精确瞄准后,按“MSR”键,主机将测定并显示经温度、气压和棱镜常数改正后的斜距。在测量中,若光束受挡或大气抖动等,测量将暂时被中断,等待光强正常后继续自动测量;如果光束中断30s,须光强恢复后,再按“MSR”键重测。
③斜距到平距的改算,一般在现场用测距仪进行,操作方法是:按“V/H”键后输入垂直角值,再按“SHV”键显示水平距离。连接按“SHV”键可依次显示斜距、平距和高差。
(5)数据修正。在测距仪测得初始斜距值后,还需要加上仪器常数改正、气象改正和倾斜改正等,最后求得水平距离。
1)仪器常数改正。仪器修正常数有加常数K和乘常数R两个。
仪器常数是指由于仪器的发射中心、接收中心与仪器旋转竖轴不一致而引起的测距偏差值,称为仪器加常数。
实际上,仪器加常数还包括由于反射棱镜的制造偏心或者棱镜等效反射面与棱镜安置中心不一致引起的测距偏差,称为棱镜加常数。仪器的加常数改正值8K与距离无关,并且可预置于机内做自动改正。仪器乘常数主要是因为测距频率偏移而产生的。乘常数改正值8R与所测距离成正比。在有些测距仪中可预置乘常数做自动改正。
2)气象改正。野外实际测距时的气象条件不同于制造仪器时确定仪器测尺频率所选取的基准(参考)气象条件,因此测距时的实际测尺长度就不等于标称的测尺长度,使测距值产生与距离长度成正比的系统误差。
3.1.3 水准仪
1.水准仪的种类
水准测量所使用的仪器为水准仪,它可以提供水准测量所需的水平线。国产水准仪按其精度可分为DS05、DS1、DS3 及DS10 等几种型号。D、S 分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音第一个字母,05、1、3 和10 表示水准仪精度等级。目前在工程测量中通常使用DS3型水准仪。
如果以结构和功能来分,则可分为:
(1)微倾式水准仪。利用水准管来获得水平视线的水准仪。
(2)自动安平水准仪。利用补偿器来获得水平视线的水准仪。
(3)新型水准仪。也称为电子水准仪,它配合条纹编码尺,利用数字化图像处理的方法,可自动显示高程和距离,使水准测量实现了自动化。
2.水准仪的构造
以DS3型水准仪为例介绍水准仪的构造。
DS3型微倾式水准仪,如图3-20 所示,由望远镜、水准器和基座三个主要部分组成。仪器通过基座与三脚架连接,基座下三个脚螺旋用于仪器的粗略整平。在望远镜一侧装有一个管水准器,当转动微倾螺旋时,可使望远镜连同管水准器做俯仰微量的倾斜,从而可使视线精确整平。故这种水准仪称为微倾式水准仪。仪器在水平方向的转动,由制动螺旋和微动螺旋控制。
图3-20 DS3型微倾式水准仪
1—物镜;2—目镜;3—调焦螺旋;4—管水准器;5—圆水准器;
6—脚螺旋;7—制动螺旋;8—微动螺旋;9—微倾螺旋;10—基座
(1)DS3微倾式水准仪的望远镜。微倾式水准仪的望远镜由物镜、对光透镜、十字丝分划板和目镜组成。其中,物镜由一组透镜组成,相当于一个凸透镜。按照几何光学原理,被观测的目标经过物镜和对光透镜后,呈一个倒立实像于十字丝附近。因为被观测的目标离望远镜的距离不同,可以转动对光螺旋使对光透镜在镜筒内前后移动,使目标的实像能清晰地成像于十字丝板平面上,再经过目镜的作用,使倒立的实像和十字丝同时放大而变成倒立放大的虚像。
放大的虚像与眼睛直接看到的目标大小比值,就是望远镜的放大率。DS3微倾式水准仪的望远镜放大率约为30 倍。
望远镜的构造及放大原理如图3-21 所示。为了用望远镜精确照准目标进行读数,在物镜筒内光阑处装有十字丝分划板,其类型多样,如图3-22 所示。十字丝中心与物镜光心的连线称为望远镜的视准轴,也就是视线。视准轴是水准仪的主要轴线之一。
图3-21 望远镜的构造及放大原理
图3-22 中相互正交的两根长丝称为十字丝,其中竖直的一根称为竖丝,水平的一根称为横丝或中丝,横丝上、下方的两根短丝是用于测量距离的,称为视距丝。
图3-22 十字丝分划板
(2)DS3 微倾式水准仪的水准器。水准器是水准仪的重要组成部分,它是用来整平的仪器,有圆水准器和管水准器两种。
(3)DS3 微倾式水准仪的基座。水准仪基座的作用是用来支承水准仪器上部的构件,它通过连接螺旋与三脚架连接起来。基座主要由脚螺旋、螺旋轴座和底板构成。
1)制动螺旋用来限制望远镜在水平方向的转动。
2)微动螺旋在望远镜制动后,利用它可使望远镜做轻微的转动,以方便精确瞄准水准尺。
3)对光螺旋可以使望远镜内的对光透镜做前后移动,从而能清楚地看清目标。
4)调节目镜调焦螺旋可以看清楚十字丝。
5)调节微倾螺旋可以使水准器的气泡居中,达到精确整平仪器的目的。
(4)DS3微倾式水准仪所配用的水准标尺。DS3 型水准仪配用的标尺,常常用干燥而良好的木材、玻璃钢或铝合金制成。尺的形式有直尺、折尺和塔尺,长度分别为3m 和5m。其中,塔尺能伸缩,携带方便,但是接合处容易产生误差,杆式尺比较坚固可靠。
水准尺尺面绘有1cm 或5mm 黑白相间的分格,米和分米处注有数字,尺底为零。为了便于倒像望远镜读数注的数字常倒写。
通常,三等、四等水准测量和图根水准测量时所用的水准标尺是长度整3m 的双面(黑红面)木质标尺,黑面为黑白相间的分格,红面为红白相间的分格,分格值均为1cm。尺面上每五个分格组合在一起,每分米处注记倒写的阿拉伯数字,读数视场中即呈现正像数字,并且由上往下逐渐增大,所以读数时应由上往下读。
(5)DS3微倾式水准仪所配用的尺垫。尺垫是用于水准仪器转点上的一种工具,一般由钢板或铸铁制成,如图3-23 所示。
图3-23 水准仪用尺垫示意图
使用尺垫时,应把三个尺脚踩入土中,将水准尺立在凸出的圆顶上。尺垫的作用是防止仪器下沉,稳固转点。
3.水准仪应满足的几何条件
以微倾式水准仪为例,水准仪轴线应满足的几何条件有:
(1)圆水准轴应平行于仪器的竖轴;
(2)水准仪十字丝的横丝应当垂直于仪器的竖轴;
(3)水准管轴应平行于视准轴。
微倾式水准仪的轴线如图3-24 所示。
图3-24 微倾式水准仪的轴线
4.水准仪的检验与校正
(1)普通水准仪的检验与校正。
1)一般性的检验。水准仪检验校正之前,先进行一般性的检验,检查各主要部件能否起到有效的作用。安置仪器后,检验望远镜成像是否清晰,物镜对光螺旋和目镜对光螺旋是否有效,制动螺旋、微动螺旋、微倾螺旋是否有效,脚螺旋是否有效,三脚架是否稳固等。若发现故障,应及时修理。
2)轴线几何条件的检验与校正。
①圆水准器轴应平行于竖轴(L′L′∥VV)。
a.检验。安置仪器后,转动脚螺旋使圆水准器气泡居中,如图3-25(a)所示,此时,圆水准器轴处于铅垂。将望远镜绕轴旋转180°,如果气泡仍居中,说明条件满足。如果气泡偏离中心,如图3-25(b)所示,则需要校正。
b.校正。首先转动脚螺旋使气泡向中心方各移动偏距的一半,即VV处于铅垂位置,如图3-25(c)所示。其余的一半用校正针拨动圆水准器的校正螺丝使气泡居中,则L′L′也处于铅垂位置,如图3-25(d)所示,则满足条件L′L′∥VV。
图3-25 圆水准器轴的检验与校正
②十字丝横丝应垂直于竖轴(十字丝横丝⊥VV)。
a.检验。整平仪器后用十字丝横丝的一端对准一个清晰固定点M,如图3-26(a)所示,旋紧制动螺旋,再用微动螺旋,使望远镜缓慢移动。如果M点始终不离开横丝,如图3-26(b)所示,则说明条件满足。如果离开横丝,如图3-26(c)所示,则需要校正。
b.校正。旋下十字丝护罩,松开十字丝分划板座固定螺丝,微微转动十字丝环,使横丝水平(M点不离开横丝为止),如图3-26(d)所示,然后将固定螺丝拧紧,旋上护罩。
图3-26 十字丝的检验与校正
③水准管轴应平行于视准轴(LL∥CC)。
a.检验。如图3-27(a)所示,在较平坦地段,选择相距约80m 左右的A、B两点,打下木桩标定点位,立水准尺。用皮尺丈量定出AB中间点M,在M点安置水准仪,用双仪高法两次测定A至B点的高差。当两次高差的较差不超过3mm 时,取两次高差的平均值h平均作为两点高差的正确值。将仪器置于A(后视点)2m~3m 处,再测定A、B两点间高差,如图3-27(b)所示。由于仪器距A点很近,因此可忽略i角对a2的影响,A尺上的读数a2可视为水平线的读数。因此视线水平时的前视读数b2可根据已知高差h平均和A尺读数a2计算求得:b2=a2-hAB。若望远镜瞄准B点尺,视线精平时的读数与b2相等,则条件满足,如果i″= [(-b2)/DAB]×ρ″的绝对值大于20″,则仪器需要校正。
图3-27 水准管的检验与校正
b.校正。转动微倾螺旋使横丝对准的读数为b2,然后放松水准管左右两个校正螺丝,再一松一紧调节上、下两个校正螺丝,使水准管气泡居中(符合),最后拧紧左右两螺丝,此项校正仍需反复进行,直到达到要求为止。
(2)精密水准仪的检验与校正。
1)圆水准器气泡的校正。
①目的是使圆水泡轴线垂直,以便安平。
②校正方法是用长水准管使纵轴确切垂直,然后校正,使圆水准器气泡居中。其步骤如下:拨转望远镜使之垂直于一对水平螺旋,用圆水准器粗略安平,再用微倾螺旋使长水准器气泡居中微倾螺旋之读数,拨转仪器180°,若气泡偏差,仍用微倾螺旋安平,又得一读数,旋转微倾螺旋至两读数之平均数。此时长水准轴线已与纵轴垂直。接着再用水平螺旋安平长水准管气泡居中,则纵轴即垂直。转动望远镜至任何位置,气泡像符合差不大于1mm。纵轴既已垂直,校正圆水准使气泡恰在黑圈内。在圆水泡的下面有三个校正螺旋,校正时螺旋不可旋得过紧,以免损坏水准盒。
2)微倾螺旋上刻度指标差的改正。
上述进行使长水准轴线与纵轴垂直的步骤中,曾得到微倾螺旋两数的平均数,当微倾螺旋对准此数时,则长水准轴线应与纵轴垂直,此数本应为零,若不对准零线,有指标差,可将微倾螺旋外面周围三个小螺旋各松开半转,轻轻旋动螺旋头至指标恰指“0”线时止,然后重新旋紧小螺旋。在进行此项工作时,长水准必须始终保持居中,即气泡保持符合状态。
3)长水准的校正。
①目的是使水准管轴平行于视准轴。
②步骤与普通水准仪的检验校正相同。
(3)微倾式水准仪的检验与校正。
1)水准管轴与竖轴平行关系的检验与校正。将仪器安置在三脚架上,用定平螺旋把水准盒气泡调整至圆圈的正中央,如图3-28(a)所示。将望远镜平转180°,若水准盒气泡仍居中,说明水准盒轴平行竖轴;若水准盒气泡不居中,如图3-28(b)所示,则说明两轴线间不平行。
图3-28 微倾式水准仪校正
当两轴线不平行时,先调整定平螺旋,使气泡退回偏离量的一半,如图3-28(c)所示;然后用拨针调整水准盒的校正螺丝使气泡居中,如图3-28(d)所示。重复以上步骤,直到望远镜处于任何方向时,气泡均在圆圈中央为止。
2)水准管轴与视轴平行关系的检验与校正(图3-29)。
①检验。
a.在地面适当处选定A、O、B三点,要求AO=BO,且在35m~40m 之间。
b.将仪器置于O点,在A、B两点立尺,分别读取尺读数a、b,如图3-29(a)所示。则A、B两点间的正确高差hAB=a-b。由于AO=BO,因此i角误差x对hAB无影响。
c.将仪器移至近A尺(或B尺)2m 的O′点,分别在A、B尺上读取a1、b1,如图3-29(b)所示。现在由于仪器距A尺很近,即使i角较大,它在A尺上的读数误差也很小,与其在B尺上引起的读数误差相比,可以忽略不计。因此,可认为a1不受i角影响,而b1则充分反映着i角误差。当仪器不存在i角时,B尺上的正确读数b1应为=a1-hAB。
故i角在B尺读数上产生的误差为Δb=b1-。
②校正。旋转微倾螺旋,将十字丝交点正对到正确读数上。此时,视准轴正处于水平状态,而水准管轴处于倾斜状态,即符合气泡偏离。用拨针调整水准管正端的上下校正螺丝,抬高或降低水准管这一端,使偏离的气泡居中,这时水准管处于水平状态,即达到水准管轴平行视准轴的目的。
图3-29 微倾式水准仪检验
5.水准仪的使用方法
DS3微倾式水准仪的使用操作程序:安置水准仪→粗略整平(粗平)→照准和调焦→精确整平→读数。详见表3-2。
表3-2 水准仪的使用方法
续表3-2
续表3-2
续表3-2
续表3-2
6.自动安平水准仪简介
(1)外形及结构。自动安平水准仪是一种不用水准管而能自动获得水平视线的水准仪,它与DS3微倾式水准仪的区别在于无水准管和微倾螺旋,但在望远镜的光学系统中装置了补偿器。
自动安平水准仪外形如图3-30 所示。
图3-30 自动安平水准仪外形
国产自动安平水准仪的型号是在DS 后加字母Z,即为DSZ05、DSZ1、DSZ3、DSZ10,其中Z 代表“自动安平”汉语拼音的第一个字母。
(2)使用原理。自动安平水准仪与微倾式水准仪一样,也是利用脚螺旋使圆水准器气泡居中,从而完成仪器的整正,再使用望远镜照准水准尺,用十字丝横丝读取水准尺读数,即获得水平视线读数。
因为自动安平水准仪安装的补偿器有一定的工作范围,即能起到补偿作用的范围,所以使用自动安平水准仪时,要防止补偿器贴靠周围的部件,不处于自由悬挂状态。有的仪器在目镜旁有一按钮,它可以直接触动补偿器。读数前可以轻按此按钮,以检查补偿器是否处于正常工作状态,也可以消除补偿器有轻微的贴靠现象。如果每次触动按钮后,水准尺读数变动后又能恢复原有读数则表示工作正常。但若仪器上没有这种检查按钮则可用脚螺旋使仪器竖轴在视线方向稍微倾斜,如果读数不变则表示补偿器工作正常。使用自动安平水准仪时应十分注意圆水准器的气泡居中。
(3)优势。自动安平水准仪测量时无须精平,这样可以缩短水准测量的观测时间,且对于施工场地地面的微小振动、松软土地的仪器下沉及大风吹刮等原因引起的视线微小倾斜,自动安平水准仪的补偿器能随时调整,最终给出正确的水平视线读数,因此,自动安平水准仪具有观测精度高、速度快的优点,被广泛应用在各种等级的水准测量工作中。
7.电子水准仪简介
(1)外形构造。电子水准仪也可称为数字水准仪,是在自动安平水准仪的基础上发展起来的,也可说是自动安平水准仪的升级版,是从光学时代跨入电子时代的产物。
电子水准仪的标尺采用的是条形编码尺,图3-31 所示为NA3003 型电子水准仪外形及所用条形编码尺。
图3-31 NA3003 型电子水准仪外形及所用条形编码尺
(2)电子水准仪的观测精度。以图3-31 的NA3003 型电子水准仪为例,其分辨力为0.01mm,每千米往返测得的高差数中偶然误差为0.4mm。
(3)电子水准仪的使用原理。与电子水准仪配套使用的水准标尺为条形编码尺,一般由玻璃纤维或铟钢制成。在电子水准仪中还装有行阵传感器,它可识别水准标尺上的条形编码。当电子水准仪摄入条形编码后,经过处理器转变为相应的数字,再通过信号转换和数据化,在显示屏上直接显示中丝读数和视距。
(4)优势。
1)读数客观。不存在误读、误记和人为读数误差、出错现象。
2)精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经处理后取平均值得出来的,因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能,可以削弱外界条件影响,不熟练的作业人员也能进行高精度测量。
3)效率高。只需调焦和按键就可以自动读数,减轻了劳动强度。视距还能自动记录、处理、检核,并能输入电子计算机进行后处理,可实现内外业一体化。
8.精密水准仪简介
精密水准仪(precise level)主要用于国家一等、二等水准测量和高精度的工程测量中,例如建(构)筑物的沉降观测、大型桥梁工程的施工测量和大型精密设备安装的水平基准测量等。
精密水准仪与其他水准仪的主要区别是它须配有精密水准尺。精密水准尺一般是在木质的槽内安有一根因瓦合金带。带上标有刻划,数字标注在木尺上,精密水准尺的分划有1cm 和0.5cm 两种。
精密水准仪所用精密水准尺如图3-32 所示。精密水准仪的使用方法与一般水准仪基本相同,只是读数方法有些差异。
图3-32 精密水准尺
(1)在水准仪精平后,十字丝中丝往往不恰好对准水准尺上某一整分划线。
(2)要转动测微轮使视线上、下平行移动,十字丝的楔形丝正好夹住一个整分划线,如图3-33 所示。
图3-33 DS1型水准仪读数视场
3.1.4 小平板仪和大平板仪
1.小平板仪
(1)构造。小平板仪主要由三脚架、平板、照准仪和对点器等组成,如图3-34所示。照准仪,如图3-35 所示。为了置平平板,照准仪的直尺上附有水准器。用这种照准仪测量距离和高差的精度很低,所以常与经纬仪配合使用,进行地形图的测绘。
图3-34 小平板仪
图3-35 照准仪
平板仪安置在测站上,包括对点、整平和定向三项工作。由于它们之间的互相影响,很难一次就把平板仪安置好,必须先用目估法将平板粗略定向、整平和对点,再以相反的顺序进行精确的对点、整平和定向。如图3-36 所示。
图3-36 对点和直线定向
1)对点。对点就是使图上已知点和地面上相应的测站点位于同一铅垂线上。
2)整平。整平的目的是使图板处于水平位置。
3)定向。定向就是使图上的已知方向线与地面上相应的方向线一致或平行。
定向误差对于测定点位的精度影响较大,用已知直线定向时,其定向精度与定向用的直线长度有关,直线越长,定向精度越高。
(2)使用方法。
1)如图3-37 所示,先将经纬仪置于距测站点A点1m~2m 处的B点,量取仪器高i,测出A、B两点间的高差,根据A点高程,求出B点高程。
2)然后将小平板仪安置在A点,经对点、整平、定向后,用照准仪直尺紧贴图上口点瞄准经纬仪的垂球线,在图板上沿照准仪的直尺绘出方向线,用尺量出AB的水平距离,在图上按测图比例尺从A沿所绘方向线定出B点在图上的位置b。
图3-37 小平板仪与经纬仪联合测图
3)测绘碎部点M时,用照准仪直尺紧贴a点瞄准点M,在图上沿直尺边绘出方向线am,用经纬仪按规距测量方向测出规距间隔和竖直角,以此求出BM的水平距离和高差。根据B点高程,即可计算出M点高程。
4)用两脚规按测图比例尺制图b点量BM长度与am方向线交于m点,m点即是碎部点M在图上的相应位置。
5)将尺移至下一个碎部点,用同样方法进行测绘,待测绘出一定数量的碎部点后,即可根据实地的地貌勾绘等高线,用地物符号表示地物。
2.大平板仪
(1)构造。大平板仪由平板、三脚架、基座和照准仪及其附件组成,如图3-38 所示。
图3-38 大平板仪构造
照准仪主要由望远镜、竖盘、直尺组成。望远镜和竖盘与经纬仪的构造相似,可用来作视距测量。直尺代替了经纬仪上的水平度盘,直尺边和望远镜的视准轴位于同一竖直面内,望远镜瞄准后,直尺在平板上划出的方向线即为瞄准的直线方向。
如图3-39 所示,大平板仪的附件如下:
1)对点器。用来对点,使平板上的点和相应的地面点位于同一条铅垂线上。
2)定向罗盘。初步定向,使平板仪图纸上的南北方向接近于实际的南北方向。
3)圆水准器。用来整平平板仪的平板。
图3-39 大平板仪的附件
(2)使用方法。
1)大平板仪的安置
①初步安置。将球面基座头柄穿入脚架与螺纹盘连接,并用仪器箱内准备的扳棍拧紧,然后将绘图板通过螺纹与上盘连接可靠。再将图板用目估法大致定向、整平和对点,初步安置在测站点上,随后进行精确安置。
②对点。将图纸上展绘的点置于地面上相应点的铅垂线上。对点时,用对点器金属框尖部对准图板上测站点对应的点,然后移动脚架使垂球尖对准地面上测站点。
③整平。置圆水准器装于图板中部,松开上手柄约半圆,调整图板使圆水泡居中,轻轻拧紧上手柄。
④定向。将图板上已知方向调整至与地面上相应方向一致。可先用方框罗盘初步定向,再用已知直线精密定向。
a.罗盘定向。用方框罗盘定向时,半方框罗盘的侧边切于图纸坐标格网的纵坐标丝,转动图板直到磁针两端与罗盘零指针标线对准为止。
b.用已知直线定向。将平板安置于A点,用已知直线AB定向,可将照准仪的直尺边紧贴在图板上相应的直线ab处,转动图板,使照准仪瞄准地面上B点,然后固定图板。图板定向对测图的精度影响极大,一般要求定向误差不大于图上的0.2mm。
2)大平板仪的使用。测图时,将大平板仪安置在测站点上,量取仪器高,即可测绘碎部点,用照准仪的直尺边紧贴图上的测站点,照准碎部点上所立的尺,沿直尺边绘出方向线(也可使照准仪的直尺边离开图上的测站点少许,照准碎部点上所立的尺,拉开直尺的平行尺使尺边通过图上的测站点,沿平行尺绘方向线),在尺上读取读数,由读数计算视距。使竖盘指标水准管气泡居中,读取竖盘读数,计算竖直角。根据视距测量公式即可计算出碎部点至测站点水平距离及碎部点的高程:
式中:D——碎部点至测站点的水平距离;
K——常数,等于100;
n——视距间隔,上、下丝读数之差;
Hp——碎部点高程;
H1——测站点高程;
α——竖直角;
i——仪器高;
υ——中丝读数。
3.1.5 经纬仪
1.经纬仪的种类
光学经纬仪是采用光学玻璃度盘和光学测微器读数的设备,电子经纬仪则是采用光电描度盘和自动显示系统。国产经纬仪按精度可分为DJ07型、DJ1型、DJ2型、DJ6型、DJ15型和DJ60型六个等级。“D”、“J”分别表示“大地测量”、“经纬仪”汉语拼音的第一个字母,07、1、2、6、15、60 分别表示该仪器一测回水平方向观测值中误差不超过的秒数。其中DJ07、DJ1型、DJ2型属于精密经纬仪,DJ6型、DJ15型和DJ60型则属于普通经纬仪。
2.经纬仪的构造
图3-40 所示为一架DJ6型光学经纬仪。国内外不同厂家生产的同一级别的仪器,或同一厂家生产的不同级别的仪器其外形和各种螺旋的形状、位置尽管不尽相同,但是作用基本一致。
图3-40 DJ6型光学经纬仪外形
1—基座;2—脚螺旋;3—轴套制动螺旋;4—脚螺旋压板;5—水平度盘外罩;
6—水平方向制动螺旋;7—水平方向微动螺旋;8—照准部水准管;9—物镜;
10—目镜调焦螺旋;11—瞄准用的准星;12—物镜调焦螺旋;13—望远镜制动器;
14—望远镜微动螺旋;15—反光照明镜;16—度盘读数测微轮;17—复测机钮;
18—竖直度盘水准管;19—竖直度盘水准管微动螺旋;20—度盘读数显微镜
DJ6型光学经纬仪包括照准部、度盘和基座三大部分。
(1)照准部。照准部由竖直度盘、望远镜、制动微动螺旋、读数设备、竖盘指标水准管和光学对中器等组成。
(2)水平度盘。光学经纬仪有水平度盘和竖直度盘,都是光学玻璃制成,度盘边缘全圆周刻划0°~360°,最小间隔有1°、30′、20′三种。水平度盘装在仪器竖轴上,套在度盘轴套内,通常按顺时针方向注记。在水平角测角过程中,水平度盘不随照准部转动。为了改变水平度盘位置,仪器设置有水平度盘转动装置,包括两种结构。
(3)基座。经纬仪基座与水准仪基座的构成和作用基本类似,包括脚螺旋、轴座、三角压板、底板等。
利用中心连接螺旋将经纬仪与脚架连接起来。在经纬仪基座上还固连一个竖轴套和轴座固定螺旋,用于控制照准部和基座之间的衔接。中心螺旋下有一个挂钩,用于挂垂球。
3.经纬仪的读数方法
光学经纬仪的水平度盘和竖直度盘的度盘分划线通过一系列的棱镜和透镜,成像于望远镜旁的读数显微镜内。观测者通过显微镜读取度盘读数。DJ6型经纬仪,常用的有分微尺测微器和单平板玻璃测微器两种读数方法。
(1)分微尺测微器及读数方法。分微尺测微器的结构简单,读数方便,具有一定的读数精度,故广泛用于DJ6型光学经纬仪。从这种类型经纬仪的读数显微镜中可以看到两个读数窗,注有“┴”(或“V”)的是竖盘读数窗,注有“一”(或“H”)的是水平度盘读数窗。两个读数窗上都有一个分成60 小格的分微尺,其长度等于度盘间隔1°的两分划线之间的影像宽度,因此1 小格的分划值为1′,可估读到0.1′。
读数时,先读出位于分微尺60 小格区间的度盘分划线的度数,再以度盘分划线为指标,在分微尺上读取不足1°的分数,并估读秒数(秒数只能是6 的倍数)。在图3-41中,水平度盘的读数为157°03′30″,竖直度盘读数为78°58′30″。
图3-41 分微尺测微器读数
(2)单平板玻璃测微器及读数方法。单平板玻璃测微器主要由平板玻璃、测微尺、连接机构和测微轮组成。转动测微轮,单平板玻璃与测微尺绕轴同步转动。当平板玻璃底面垂直于光线时,如图3-42(a)所示,读数窗中双指标线的读数是92° +α,测微尺上单指标线读数为15′。转动测微轮,使平板玻璃倾斜一个角度,光线通过平板玻璃后发生平移,如图3-42(b)所示,当92°分划线移到正好被夹在双指标线中间时,可以从测微尺上读出移动α之后的读数为17′28″。
4.经纬仪应满足的几何条件
如图3-43 所示,经纬仪的主要轴线有竖轴VV、横轴HH、视准轴CC和水准管轴LL。检验经纬仪各轴线之间应满足的几何条件有:
(1)水准管轴LL应垂直于竖轴VV;
(2)十字丝纵丝应垂直于横轴HH;
(3)视准轴CC应垂直于横轴HH;
图3-42 单平板玻璃测微器读数
图3-43 经纬仪轴线图示
(4)横轴HH应垂直于竖轴VV;
(5)竖盘指标差为零。
通常仪器经过加工、装配、检验等工序出厂时,经纬仪的上述几何条件是满足的,但是,由于仪器长期使用或受到碰撞、振动等影响,都能导致轴线位置的变化。所以,经纬仪在使用前或使用一段时间后,应进行检验,若发现上述几何条件不满足,则需要进行校正。
5.经纬仪的使用方法
(1)安置仪器。安置仪器是将经纬仪安置在测站点上,包括对中和整平两项内容。对中的目的是使仪器中心与测站点标志中心位于同一铅垂线上;整平的目的是使仪器竖轴处于铅垂位置,水平度盘处于水平位置。
安置仪器可按初步对中整平和精确对中整平两步进行。
1)初步对中整平用锤球对中时,其操作方法如下:
①将三脚架调整到合适高度,张开三脚架安置在测站点上方,在脚架的连接螺旋上挂上锤球,若锤球尖离标志中心太远,可固定一脚并移动另外两脚,或将三脚架整体平移,使锤球尖大致对准测站点标志中心,并注意使架头大致水平,然后将三脚架的脚尖踩入土中。
②将经纬仪从箱中取出,用连接螺旋将经纬仪安装在三脚架上。调整脚螺旋,使圆水准器气泡居中。
③若锤球尖偏离测站点标志中心,可旋松连接螺旋,在架头上移动经纬仪,使锤球尖精确对中测站点标志中心,然后旋紧连接螺旋。
用光学对中器对中时,其操作方法见表3-3。
表3-3 光学对中器对中的方法
续表3-3
续表3-3
2)精确对中整平。
①对中时先旋松连接螺旋,在架头上轻轻移动经纬仪,使锤球尖精确对中测站点标志中心,或使对中器分划板的刻划中心与测站点标志影像重合;然后旋紧连接螺旋。锤球对中误差通常可控制在3mm 以内,光学对中器对中误差一般可控制在1mm 以内。
②整平。先转动照准部,使水准管平行于任意一对脚螺旋的连线,如图3-44(a)所示,两手同时向内或向外转动这两个脚螺旋,使气泡居中,注意气泡移动方向始终与左手大拇指移动方向一致;然后将照准部转动90°,如图3-44(b)所示,转动第三个脚螺旋,使水准管气泡居中。再将照准部转回原位置,检查气泡是否居中,如果不居中,按照上述步骤反复进行,直至水准管在任何位置,气泡偏离零点不超过一格为止。
图3-44 经纬仪的整平
对中和整平,一般都需要经过几次“整平—对中—整平”的循环过程,直至整平和对中均符合要求。
(2)瞄准操作。
1)松开望远镜制动螺旋和照准部制动螺旋,将望远镜朝向明亮背景,调节目镜对光螺旋,使十字丝清晰。
2)利用望远镜上的照门和准星粗略对准目标,拧紧照准部及望远镜制动螺旋;调节物镜对光螺旋,使目标影像清晰,并注意消除视差。
3)转动照准部和望远镜微动螺旋,精确瞄准目标。测量水平角时,应用十字丝交点附近的竖丝瞄准目标底部,如图3-45 所示。
图3-45 瞄准
(3)读数。
1)打开反光镜,调节反光镜镜面位置,使读数窗亮度适中。
2)转动读数显微镜目镜对光螺旋,使度盘、测微尺及指标线的影像清晰。
3)根据仪器的读数设备,按经纬仪读数方法进行读数。
6.经纬仪的检验与校正
(1)检验与校正水准管轴垂直于竖轴。
1)先整平仪器,照准部水准管平行于任意一对脚螺旋,转动该对脚螺旋使气泡居中,照准部旋转180°,如果气泡仍居中,说明此条件满足,否则需要校正。
2)如图3-46(a)所示,设水准管轴与竖轴不垂直,倾斜了α角,将仪器绕竖轴旋转180°后,竖直位置不变,此时水准管轴与水平线的夹角为2α,如图3-46(b)所示。
3)校正时,先相对旋转这两个脚螺旋,使气泡向中心移动偏离值的一半,如图3-46(c)所示,此时竖轴处于竖直位置。再用校正针拨动水准管一端的校正螺钉,使气泡居中,如图3-46(d)所示,此时水准管轴处于水平位置。
图3-46 水准管垂直于竖轴的检验和校正操作图示
此检验与校正需反复进行,直到照准部旋转到任意位置气泡偏离零点都不超过半格为止。
(2)检验与校正十字丝竖丝垂直于仪器横轴。
1)首先整平仪器,用十字丝交点精确瞄准一明显的点状目标P,如图3-47 所示。
图3-47 十字丝竖丝的检验
2)制动照准部和望远镜,同时转动望远镜微动螺旋使望远镜绕横轴做微小俯仰,如果目标点P始终在竖丝上移动,说明条件满足,如图3-47(a)所示,否则,需要校正,如图3-47(b)所示。
3)旋下十字丝分划板护罩,用小改锥松开十字丝分划板的固定螺丝,微微转动十字丝分划板,使竖丝端点至点状目标的间隔减小一半。
4)再返转到起始端点,如图3-48 所示。反复上述检验与校正,使目标点在望远镜上下俯仰时始终在十字丝竖丝上移动为止。
(3)检验与校正视准轴垂直于横轴。
1)首先整平经纬仪,使望远镜大致水平,用盘左照准远处(80m~100m)一明显标志点,读盘左水平度盘读数L,再用盘右照准标志点,读水平度盘读数R,如果L与R的读数相差180°,说明条件满足。
2)若读数相差不为180°,差值为两倍视准轴误差,用2C来表示。
3)校正时,在盘右位置按公式R正= [R+(L±180°)],计算出盘右的正确读数。
4)转动水平微动螺旋,使水平度盘置于正确读数R正,此时望远镜十字丝交点已偏离了目标点。
5)旋下十字丝分划板护盖,稍微松开十字丝环上下两个校正螺丝,再拨动十字丝环的左右两个螺丝,一松一紧(先松后紧),推动十字丝环左右移动,使十字丝交点精确对准标志点。
反复进行上述操作,直到符合要求为止。此外,如果采用盘左、盘右观测并取其平均值计算角值时,可以消除此项误差的影响。
(4)检验与校正横轴垂直于竖轴。
1)在距一垂直墙面20m~30m 处,安置经纬仪,整平仪器,如图3-49 所示。
图3-48 十字丝竖丝的校正
图3-49 横轴垂直于竖轴的检验与校正图示
2)盘左位置。瞄准墙面上高处一明显目标P,仰角宜在30°左右。
3)固定照准部。将望远镜置于水平位置,按照十字丝交点在墙上定出一点A。
4)倒转望远镜成盘右位置,瞄准P点,固定照准部,再将望远镜置于水平位置,定出点B。如果A、B两点重合,说明横轴垂直于竖轴;不然,需要校正。
5)校正时,在墙上定出A、B两点连线的中点N,仍以盘右位置转动水平微动螺旋,照准N点,转动望远镜,仰视P点,此时十字丝交点必然偏离P点,设为P′点。
6)打开仪器支架的护盖,松开望远镜横轴的校正螺钉,转动偏心轴承,升高或降低横轴的一端,使十字丝交点准确照准P点,最后拧紧校正螺钉。
此项检验与校正也需反复进行。
现代新型经纬仪已不需要此项校正。
(5)检验与校正竖盘水准管。
1)安装经纬仪,等待仪器整平后,用盘左、盘右观测同一目标点A。
2)分别使竖盘指标水准管气泡居中,读取竖盘读数L和R,计算竖盘指标差x,若x值超过1′时,则需要校正。
3)校正时,先计算出盘右位置时竖盘的正确读数R0=R-x,原盘右位置瞄准目标A不动。
4)转动竖盘指标水准管微动螺旋,使竖盘读数为R0,此时竖盘指标水准管气泡不再居中了,用校正针拨动竖盘指标水准管一端的校正螺钉,使气泡居中。
此项检校需反复进行,直到指标差小于规定的限度为止。
竖盘指标差如图3-50 所示。
图3-50 竖盘指标差图
7.DJ2型光学经纬仪
DJ2型光学经纬仪精度较高,一般用于国家三等、四等三角测量和精密工程测量。DJ2型光学经纬仪主要有以下特点:
(1)轴系间结构稳定,望远镜的放大倍数较大,照准部水准管的灵敏度较高。
(2)在DJ2型光学经纬仪读数显微镜中,只能看到水平度盘和竖直度盘中的一种影像,读数时需要通过转动换像手轮,使读数显微镜中出现需要读数的度盘影像。
(3)DJ2型光学经纬仪采用对径符合读数装置,相当于取度盘对径相差180°处的两个读数的平均值,这种读数装置可以消除偏心误差的影响,提高读数精度。
图3-51 是DJ2型光学经纬仪的外形图。
图3-51 DJ2型光学经纬仪外形
1—竖盘反光镜;2—竖盘指标水准管;3—竖盘指标水准管微动螺旋;4—光学对点器;
5—水平度盘反光镜;6—望远镜制动螺旋;7—瞄准器;8—测微手轮;9—望远镜微动螺旋;
10—换像手轮;11—水平制动螺旋;12—水平度盘位置变换手轮;13—轴座连接螺旋;
14—水平制动螺旋;15—照准部水准管;16—读数显微镜
8.电子经纬仪
(1)电子经纬仪外形及结构。电子经纬仪是在光学经纬仪的基础上发展起来的新一代测角仪器,电子经纬仪与光学经纬仪的根本区别在于它用微机控制的电子测角系统代替光学读数系统。
电子经纬仪使用电子测角系统,能将测量结果自动显示出来,实现了读数的自动化和数字化。采用积木式结构,可以与光电测距仪组合成全站型电子速测仪,配合适当的接口,可将电子手簿记录的数据输入计算机,实现数据处理和绘图自动化。
DJD2 电子经纬仪外形如图3-52 所示。
(2)电子经纬仪测角原理。电子经纬仪测角是从特殊格式的度盘上取得电信号,按照电信号再转换成角度,并且自动地以数字形式输出,显示在电子显示屏上,并记录在储存器中。电子测角度盘根据取得电信号的方式不同,可分为编码度盘测角、光栅度盘测角和电栅度盘测角等。
图3-52 DJD2 电子经纬仪外形
1—粗瞄准器;2—物镜;3—水平微动手轮;4—水平制动手轮;5—液晶显示屏;
6—基座固定手轮;7—提手;8—仪器中心标志;9—水准管;10—光学对点器;11—通信接口;
12—脚螺旋;13—手提固定螺钉;14—电池;15—望远镜调焦手轮;16—目镜;
17—垂直微动手轮;18—垂直制动手轮;19—键盘;
20—圆水准器;21—底板
(3)电子经纬仪的特点。
1)装有内置驱动马达及CCD 系统的电子经纬仪还可自动搜寻目标。
2)竖盘指标差及竖轴的倾斜误差可自动修正。
3)可按照指令对仪器的竖盘指标差及轴系关系进行自动检测。
4)可自动计算盘左、盘右的平均值及标准偏差。
5)有的仪器可预置工作时间,到规定时间则自动停机。
6)有与测距仪和电子手簿连接的接口。与测距仪连接可构成组合式全站仪;与电子手簿连接,可将观测结果自动记录,没有读数和记录的人为错误。
7)可单次测量,也可跟踪动态目标连续测量,但跟踪测量的精度较低。
8)若电池用完或操作错误,可自动显示错误信息。
9)根据指令,可以选择不同的最小角度单位。
10)读数在屏幕上自动显示,角度计量单位(360°六十进制、400g 百进制、6400 密位一制)可自动换算。
9.圆曲线的计算与测设
图3-53 圆曲线测设元素
(图中转角α=圆心角α,弦切角=1/2 圆心角,切线T⊥R半径,secα=1/cosα)
(1)计算圆曲线的测设元素。道路在转弯处是曲线形的,各项曲线元素如图3-53 所示。圆曲线的曲线半径R、线路转折角α、切线长T、曲线长L、外矢距E,是计算和测设曲线的主要元素,从图3-53 中几何关系可知,若α、R为已知,则各曲线元素的计算公式如下:
切线长公式:
曲线长公式:
外矢距公式:
切曲差公式:
这些元素值利用电子计算器很快算出,也可用R和α为引数由专用表(曲线测设用表)查取。
(2)计算曲线主点的桩号。
图3-53 中:
终点桩号可用切曲差来验算,公式为:
(3)曲线测设。曲线元素计算后,便可进行主点测设。图3-54 在交点JD5安置经纬仪,后视来向相邻交点JD0,自测站起沿此方向量切线长T,得曲线起点ZY,打一木桩,经纬仪顺时针测α+180 前视去向相邻交点JD6,自测站沿此方向量取切线长T,测出终点YZ。经纬仪前视JD5 点不动,顺时针测两切线夹角β的平分角β/2,此时视线指向圆心,在视线方向自JD5量外矢距E、测出曲线中点QZ。
图3-54 圆曲线主点测设
若JD5有障碍不能设桩或不通视,可在来向方向自JD0 量出ZY桩位,ZY=JD5-T-JD0,再利用弦切法、偏角法测出曲线中点QZ。
3.1.6 全站仪
1.全站仪的构造
全站仪由电子测距、电子测角、电子补偿和计算机处理装置四大部分组成,如图3-55、图3-56 所示。全站仪本身就是一个带有特殊功能的计算机控制系统。由计算机处理器对获取的水平角、倾斜距离、垂直角、竖盘指标差、轴系误差、棱镜常数、气温、气压等信息加以处理,从而获得各项改正后的观测数据和计算数据。
图3-55 GTS-335 全站仪
图3-56 全站仪的组合框架图
仪器的只读存储器固化了测量程序,测量过程由程序完成。
全站仪的测角部分为电子经纬仪,可以测定垂直角、水平角、设置方位角;测距部分为光电测距仪,可以测定两点之间的距离;补偿部分可以实现仪器垂直轴倾斜误差对水平角、垂直角测量影响的自动补偿改正;中央处理器接受输入命令、控制各种观测作业方式、进行数据处理等。
2.全站仪的等级
全站仪的测距精度依据国家标准分为三个等级,小于5mm 为Ⅰ级仪器,标准差大于5mm 小于10mm 为Ⅱ级仪器,大于10mm 小于20mm 为Ⅲ级仪器。
3.全站仪的功能
(1)测量水平角。全站仪能进行角度的测量,具体方法为:
1)按角度测量键,使全站仪处于角度测量模式,照准第一个目标A。
2)设置A方向的水平度盘读数为0°00′00″。
3)照准第二个目标B,此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角。
(2)测量距离。全站仪能对距离进行测量,具体方法为:
1)测距前需将棱镜常数输入仪器中,所测距离进行改正。
2)光在大气中的传播速度会随大气而变化,15℃和760mm Hg 是仪器设置的一个标准值,此时的大气改正为0ppm。实测时可输入温度,全站仪会自动计算大气改正值(也可为正值),并对测距结果进行改正。
3)量仪器高、棱镜高并输入全站仪内。
4)照准目标棱镜中心,按测距键,距离测完成时显示斜距、平距与高差。
(3)测量坐标。全站仪还能进行坐标测量,具体方法为:
1)当设定后视点的坐标时,全站仪会自动计算后视方向的方位角,且能够设定后视方向水平度盘读数为其方位角。
2)设置棱镜常数。
3)设置大气改正值或气温、气压值。
4)再量仪器高、棱镜高并输入全站仪。
5)最后,照准目标棱镜,按坐标测量键,全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标。
4.全站仪的检测
全站仪作为一种现代化的计量工具,必须依法对其进行计量检定,以确保量度的统一性、标准性及合格性。检定周期最多不能超过一年。对全站仪的检定分为三个方面,对测距性能的检测、对测角性能的检测和对其数据记录、数据通信及数据处理功能的检查。
对全站仪的检测主要有以下几方面:
(1)光电测距单元性能测试:测试光相位均匀性、周期误差、内符合精度、精测尺频率,加、乘常数及综合评定其测距精度。需要时,还可以在较长的基线上进行测距的外符合检查。
(2)电子测角系统检测:主要是光学对中器和水准管的检校,照准部旋转时仪器基座方位稳定性检查,测距轴与视准轴重合性检查,仪器轴系误差(照准差C,横轴误差i,竖盘指标差I)的检定,倾斜补偿器的补偿范围与补偿准确度的检定,一测回水平方向指标差的测定和一测回竖直角标准偏差测定。
(3)数据采集与通信系统的检测:主要检查内存中的文件状态,检查储存数据的个数和查阅记录的数据;剩余空间;对文件进行编辑、输入和删除功能的检查;数据通信接口、数据通信专用电缆的检查等。
5.键盘的基本操作
全站仪的键盘如图3-57 所示。
图3-57 全站仪的键盘示意图
(1)电源开关键。
开机:按【①】。
关机:长按【①】 超过2 秒。
(2)功能键。
【F1】~【F4】:按【F1】~【F4】 选取对应的功能,该功能键随模式不同而改变。
【ESC】:取消输入或返回至上一状态。
【SFT】:功能切换键,用于键盘数字字母输入切换及进入快捷键功能。
【BS】:删除光标左侧的一个字符。
【PAGE】:翻页键。
【】:选取选项或确认输入的数据。
(3)快捷键。
【SFT】 +【★】:先按【SFT】 再按【★】 进入星键功能界面。
【SFT】 +【-】:先按【SFT】 再按【-】 进入测距回光信号检测。
(4)光标操纵键。
◀▶▲▼:操作该键可上下左右移动光标,用于数据输入、选取选择项。
(5)字母数字键。
【0】~【9】:在输入数字时,输入按键对应的数字;输入字母时,先按【SFT】 切换至输入状态,然后输入按键上方对应的字母,按第一次输入第一字母,按第二次输入第二字母,按第三次输入第三字母。
【.】:输入数字中的小数点。
【-】:输入数字中的负号。
6.全站仪的使用方法
(1)安置仪器。使用时,首先在测站点安置电子经纬仪,在电子经纬仪上连接安装光电测距仪,在目标点安置反光棱镜,用电子经纬仪瞄准反光棱镜的觇牌中心,操作键盘,在显示屏上显示水平角和垂直角。
(2)测量。用光电测距仪瞄准反光棱镜中心,操作键盘,测量并输入测量时的温度、气压和棱镜常数,然后置入天顶距(即电子经纬仪所测垂直角),即可显示斜距、高差和水平距离。最后,再输入测站点的坐标方位角及测站点的坐标和高程,即可显示照准点的坐标和高程。
(3)数据处理并绘图。全站仪的电子手簿中可储存上述数据,最后输入计算机进行数据处理和自动绘图。
目前,全站型电子速测仪已逐步向自动化程度更高、功能更强大的全站仪发展。其使用注意事项如下:
1)使用全站仪前,应认真阅读仪器使用说明书。先对仪器有全面的了解,然后着重学习一些基本操作,如测距、测角、数据存储、测坐标、系统设置等。在此基础上再掌握其他如导线测量、放样等测量方法。然后可进一步学习掌握存储卡的使用。
2)凡迁站都应先关闭电源并将仪器取下装箱搬运。
3)电池充电时间不能超过专用充电器规定的充电时间,否则有可能将电池烧坏或者缩短电池的使用寿命。若用快速充电器,通常只需要60min~80min。电池若长期不用,则一个月之内应充电一次。存放温度以0~40℃为宜。
4)仪器安置在三脚架上之前,应检查三脚架的三个伸缩螺旋是否已旋紧。在用连接螺旋将仪器固定在三脚架上之后才能放开仪器。在整个操作过程中,观测者决不能离开仪器,以防发生意外事故。
5)严禁在开机状态下插拔电缆,电缆、插头应保持清洁、干燥。插头如果有污物,需进行清理。
6)在阳光下或阴雨天气进行作业时,应打伞遮阳、避雨。
7)望远镜不能直接照准太阳,以免损坏测距部的发光二极管。
8)仪器应保持干燥,遇雨后应将仪器擦干,放在通风处,待仪器完全晾干后才能装箱。仪器应保持清洁、干燥。由于仪器箱密封程度很好,因此箱内潮湿会损坏仪器。
9)电子手簿(或存储卡)应定期进行检定或检测,并进行日常维护。
10)全站仪长途运输或长久使用及温度变化较大时,宜重新测定并存储视准轴误差及整盘指示差。
7.全站仪的检验与校正
(1)检验与校正照准部水准管轴垂直于竖轴。
1)检验时先将仪器大致整平,转动照准部使其水准管轴与任意两个脚螺旋的连线平行,调整脚螺旋使气泡居中。
2)将照准部旋转180°,如果气泡仍然居中,说明条件满足;不然,应进行校正。
3)使水准管轴垂直于竖轴,用校正针拨动螺钉气泡向正中间位置退回一半。为使竖轴竖直,再用脚螺旋使气泡居中即可。此项检验与校正必须反复进行,直到满足条件。
(2)检验与校正十字竖丝垂直于横轴。
1)检验时用十字丝竖丝瞄准一清晰小点,使望远镜绕横轴上下转动,如果小点始终在竖丝上移动则条件满足,否则需要校正。
2)校正时松开四个压环螺钉,转动目镜筒,使小点始终在十字丝竖丝上移动。校好后将压环螺钉旋紧。
(3)检验与校正视准轴垂直于横轴。选择一个水平位置的目标,盘左、盘右观测之,取它们的读数(常数180°)的差即得两倍的C。
式中:a左——盘左读数;
a右——盘右读数。
(4)检验与校正横轴垂直于竖轴。
1)选择较高墙壁附件处安置仪器,以盘左位置瞄准墙壁高处一点P(仰角最好大于30°)放平望远镜在墙壁上定出一点m1,倒转望远镜盘右位置再瞄准P点,又放平望远镜在墙壁上定出另一点m2。若m1、m2重合则条件满足,否则需要校正。
2)校正时瞄准m1、m2的中点后,固定照准部,向上转动望远镜,此时十字丝交点将不对准P点,抬高或降低横轴的一端,使十字丝的交点对准P点。此项检验也要反复进行,直到条件满足为止。
以上四项检验与校正,以(1)、(3)、(4)最为重要。在观测期最好经常进行,每项检验完毕后须旋紧有关的校正螺钉。
3.1.7 GPS 卫星定位系统
1.GPS 卫星定位系统的概念及特点
GPS(Global Positioning System)即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,利用该系统,用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;此外,利用该系统,用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS 计划始于1973 年,已于1994 年进入完全运行状态。
近十多年来,GPS 定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓及软硬件的开发等方面均取得了迅速的发展,使得GPS 精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域,特别是在大地测量学及其相关学科领域,如地球力学、海洋大地测量学、地球物理勘探和资源勘察、工程测量、变形监测、城市控制测量、地籍测量等方面都得到了广泛应用。
GPS 定位系统的应用特点:全天候、高精度、多功能、高效率、操作简便、应用广泛等。
(1)定位精度高。应用实践已经证明,GPS 相对定位精度在50km 以内可达10-6,100km~500km 可达10-7,1000km 可达10-9。在300m~1500m 工程精密定位中,1 小时以上观测的解,其平面位置误差小于1mm,与ME-5000 电磁波测距仪测定的边长比较,其边长较差最大为0.5mm,较差中误差为0.3mm。
(2)观测时间短。随着GPS 系统的不断完善和软件的不断更新,目前,20km 以内相对静态定位,仅需15min~20min;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与参考站相距在15km 以内时,流动站观测时间只需1min~2min,就可以实时定位。
(3)测站间不需要通视。GPS 测量不要求测站之间相互通视,只需要测站上空开阔即可,因此可节省大量的造标费用。因为无须点间通视,点的位置可按照需要选择,密度可疏可密,使选点工作变得非常灵活,也可省去传统大地网中的传算点、过渡点的测量工作。
(4)可提供三维坐标。传统大地测量通常是将平面与高程采用不同方法分别施测,而GPS 可同时精确测定测站点的三维坐标(平面位置和高程)。目前通过局部大地水准面精化,GPS 水准可满足四等水准测量的精度。
(5)操作简便。随着GPS 接收机的不断改进,自动化程度越来越高,有的已达“傻瓜化”的程度,接收机的体积越来越小,重量越来越轻,极大地减轻了测量工作的劳动强度,使野外测量工作变得轻松。
(6)全天候作业。目前,GPS 观测可以在一天24 小时内的任何时间进行,不受起雾刮风、阴天黑夜、雨雪等气候变化的影响。
(7)功能多、应用广。GPS 定位系统不仅可用于测量、导航、变形监测,还可用于测速、测时。其中,测速的精度可达0.1m/s,测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域非常广泛并不断扩大,有着极其广阔的应用前景。
2.GPS 卫星定位系统的组成及原理
(1)GPS 的空间星座部分。GPS 卫星定位系统的空间星座部分由24 颗卫星组成,卫星均匀分布在6 个相对于赤道的倾角为55°的近似圆形轨道上,轨道面之间夹角为60°,每个轨道上4 颗卫星运行,它们距地面表面的平均高度约为20200km,运行周期为11h 58min。这种星座布局(如图3-58 所示)可确保位于任一地点的用户在任一时刻均可收到4 颗以上卫星的信号,实现瞬时定位。
图3-58 GPS 星座布局
GPS 卫星的主体呈圆柱形,两侧有太阳能帆板,能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星都配有4 台原子钟,可为卫星提供高精度的时间标准。
GPS 卫星的基本功能是:接收并存储来自地面控制系统的导航电文;在原子钟的控制下自动生成测距码和载波;采用二进制相位调制法将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户;按照地面控制系统的命令调整轨道,调整卫星钟,修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。
(2)GPS 的地面控制部分。GPS 的地面控制部分由5 个监测站、1 个主控站、3 个注入站以及通信和辅助系统组成。主控站位于美国科罗拉多州的联合空间工作中心,3 个注入站分别位于大西洋、印度洋、太平洋的3 个美国军事基地上,5 个监测站除了位于1 个主控站和3 个注入站以外,还在夏威夷设了1 个监测站。
监测站设在科罗拉多、阿松森群岛、迪戈加西亚、卡瓦加兰和夏威夷。站内设有高精度原子钟、双频CPS接收机、气象参数测试仪和计算机等设备。主要任务是完成对CPS 卫星信号的连续观测,并将算得的卫星状态数据、站星距离、导航数据、气象数据传送到主控站。
主控站设在美国科罗拉多联合空间执行中心。它负责协调管理地面监控系统,还负责将监测站的观测资料联合处理推算各个卫星的轨道参数、状态参数、时钟改正、大气修正参数等,并将这些数据按一定格式编制成电文传输给注入站。此外,主控站还可以调整偏离轨道的卫星,使之沿预定轨道运行或起用备用卫星。
注入站设在迪戈加西亚、阿松森群岛、卡瓦加兰。其主要作用是将主控站要传输给卫星的资料以一定的方式注入卫星存储器中,供卫星向用户发送。
(3)GPS 的用户设备部分。用户设备包括GPS 接收机和相应的数据处理软件。GPS接收机一般包括接收机天线、主机和电源。随着电子技术的发展,现在的GPS 接收机已经高度集成化和智能化,实现了将接收天线、主机和电源全部制作在天线内,并能自动捕获卫星和采集数据。
GPS 接收机的任务是捕获卫星信号,跟踪并锁定卫星信号,对接收到的信号进行处理,译出卫星广播的导航电文,进行相位测量和伪距测量,实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。
GPS 接收机按用途分为导航型、测地型和授时型接收机;按使用的载波频率分为单频接收机(用L1载波)和双频接收机(用L1、L2载波)。
GPS 卫星定位是以GPS 卫星和用户接收机天线之间距离的观测量为基础,并按照已知的卫星瞬时坐标,从而确定用户接收机所对应的电位,即待定点的三维坐标(x,y,z)。实际上,GPS 定位的关键是测定用户接收机到GPS 卫星之间的距离。
3.GPS 卫星定位系统的定位方法
(1)GPS 伪距定位法。若设GPS 卫星发射的测距码信号到达接收机天线所经历的时间为t,该时间乘以光速c,即是卫星到接收机的空间几何距离,计算公式为:
实际上,由于卫星时钟与接收机时钟难以严格同步,测距码在大气传播时还要受大气电离层折射及大气对流层的影响,产生了延迟误差。所以实际上求得的距离并非真正的站星几何距离,也叫“伪距”,用表示。
伪距与空间几何距离ρ之间的关系为:
式中:δρI——电离层延迟改正;
δρT——对流层延迟改正;
———卫星钟差改正;
δtan——接收机钟差改正。
(2)GPS 单点定位法。用GPS 卫星还可以发射的载波作为测距信号,因为载波的波长比测距波长要短得多,因此对载波进行相位测量,可以获得高精度的站星距离。
那么,站星之间的真正几何距离P与卫星坐标(xs,ys,zs)和接收机天线相位中心坐标(x,y,z)之间有下面的关系:
公式中,卫星的瞬时坐标(xs,ys,zs)可根据接收到的卫星导航电文得知,此公式中只有x、y、z三个未知数。当接收机同时对3 颗卫星进行距离测量,从理论上可以推算出接收机天线相位中心的位置。这样的话,GPS 单点定位的实质,即是空间距离后方交会,如图3-59 所示。
图3-59 GPS 单点定位的基本原理图
实测时,为了求得测站上的未知数(修正接收机的计时误差要用到接收机钟差,也是一个待求未知数),需要同时观测4 颗卫星。
单点定位法的优点是只需要一台接收机即可,数据处理也比较简单,定位速度也快,但是测量精度低,仅能测到米级的精度。
(3)GPS 相对定位法。相对定位法是位于不同地点的若干台接收机同步跟踪相同的GPS 卫星,以确定各台接收机间的相对位置。
由于同步观测值之间存在着许多数值相同或相近的误差影响,它们在求相对位置过程中得到消除或削弱,因此,使相对定位可以达到很高的精度,此方法目前应用较广泛。
4.GPS 卫星定位的实测程序
GPS 定位的实测程序主要是:方案设计→选点建立标志→外业观测→成果检核→内业数据。
(1)选点建立标志。点位应选在交通方便、利于安装接收设备并且视场开阔的地方。
GPS 点应避开对电磁波接收有强烈吸收、反射等干扰影响的金属和其他障碍物体,例如电台电视台、高压线、高层建筑和大范围水面等。
点位选定后,再按要求埋设标石,绘制点之记。
(2)外业观测。安置天线观测时,天线需安置在点位上。安置天线的操作程序为对中→整平、定向→量天线高。操作过程如下:
在离开天线不远的地面上安装接收机。
再接通接收机到电源、天线、控制器的连接电缆。
预热和静置接收机,然后启动接收机采集数据。
接收机自动形成观测数据,并保存在接收机存储器中,以便随时调和处理。
(3)测量成果检核及数据处理。按照《全球定位系统(GPS)测量规范》GB/T 18314—2009 要求,对各项检查内容严格检查,确保准确无误。由于GPS 测量信息量大,数据多,采用的数字模型和解算方法有很多种,实际工作中,一般是应用电子计算机通过一定的计算程序完成数据处理工作。
5.GPS 卫星定位的应用
由于GPS 是一种全天候、高精度的连续定位系统,且具有定位速度快、费用低、方法灵活多样和操作简便等特点,使其在测量、导航及其相关学科领域,得到了极其广泛的应用。
GPS 定位技术在测量中的应用主要包括以下方面:
(1)控制测量方面的应用。GPS 定位技术可用于建立新的高精度的地面控制网,检核和提高已有地面控制网的精度,对已有的地面控制网实施加密,以满足城市规划、测量、建设和管理等方面的需要。
(2)航空摄影测量方面的应用。用GPS 动态相对定位的方法可代替常规的建立地面控制网的方法,实时获得三维位置信息,从而节省大量的经费,而且精度高、速度快。
(3)海洋测量方面的应用。主要用于海洋测量控制网的建立、海洋资源勘探测量、海洋工程建设测量等。
(4)精密工程测量方面的应用。主要应用于桥梁工程控制网的建立、隧道贯通控制测量、海峡贯通与联接测量以及精密设备安装测量等。
(5)工程与地壳变形监测方面的应用。主要应用于地震监测、大坝的变形监测、建筑物的变形监测、地面沉降监测、山体滑坡监测等。
(6)地籍测量方面的应用。可用GPS 快速静态定位或RTK 技术来测定土地界址点的精确位置,以满足城区5cm、郊区10cm 的精度要求,既减轻了工作量又确保了精度。
在导航方面,由于GPS 能以较好的精度瞬时定出接收机所在位置的三维坐标,实现实时导航,因而GPS 可用于飞机、舰船、导弹以及汽车等各种交通工具和运动载体的导航。目前,它不仅广泛用于海上、空中和陆地运动目标的导航,而且在运动目标的监控与管理,以及运动目标的报警与救援等方面,也获得了成功的应用。如在智能交通系统中,利用GPS 技术可实现对汽车的实时监测与调度,对运钞车的监控,及各专业运输公司对车辆的监控等。
GPS 定位技术在航天器的姿态测量、航空、弹道导弹的制导、近地卫星的定轨,以及气象和大气物理的研究等领域,也显示出了广阔的应用前景。
另外,利用GPS 还可以进行高精度的授时,因此GPS 将成为最方便、最精确的授时方法之一。它可以用于电力和通信系统中的时间控制。例如目前已生产出的GPS 手表,可提供导航、定位、计时等多种功能的服务。
尤其要提出的是,全球定位系统(GPS)与地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)相结合是当今地理信息科学发展的主要趋势。它可以充分发挥空间技术和计算机技术互补的优势,使地理信息科学应用于军事、国民经济、科研等各个领域乃至日常生活,产生不可估量的社会效益和经济效益。