輸電線路測量儀器--水準儀、經緯儀、全站儀及GPS測量使用基本理論與方法

01

高程測量原理與儀器操作

1.1高程測量原理

1.1.1 高程測量概念

根據已知點高程，測定該點與未知點的高差，然後計算出未知點的高程的方法。

1.1.2 高程測量的方法分類

1、水準測量

2、三角高程測量

3、GPS測量

利用水準儀提供的「水平視線」，測量兩點間高差，從而由已知點高程推算出未知點高程。

圖中：

A——後視點

a——後視讀數

B——前視點

b——前視讀數

1.1.3 視線高程

線測A、B兩點間高差，然後得B點的高程。

1.1. 4 轉點的概念

若A、B 兩點間布設一些過渡點（轉點）1、2、3…，將其分為n段，則用水準儀分別測得各段高差為h1， h2… hn，則有：

1.2水準測量的儀器與工具

水準儀按精度分為：DS05、DS1、DS3，其中DS3表示每公里往返測高差中誤差。

1.2.1 水準儀組成

在經典全站儀的基礎上安裝軸系步進電機，可自動驅動全站儀照準部和望遠鏡的旋轉。在計算機的在線控制下，機動型系列全站儀可按計算機給定的方向值自動照準目標，並可實現自動正、倒鏡測量。

1) 望遠鏡

物鏡、目鏡、十字絲（上、中、下絲）三個部分組成。

2) 水準器

圓水準器：用於整平。

水準管： 用於精平。

特性：氣泡始終向高處移動。

3) 基座

作用：把儀器固定在三腳架上，下部腳螺旋用於整平儀器

1.2.2 水準尺主要有單面尺、雙面尺和塔尺

1） 尺面分劃為1cm，每10cm處（E字形刻劃的尖端）注有阿拉伯數字。

2） 雙面尺的紅面尺底刻劃：一把為4687mm，另一把為4787mm。

1.2.3 尺墊

放在轉點上，以防水準尺下沉。

1.3水準儀的使用

操作程序：粗平—瞄準—精平—讀數

1.3.1 粗平

調節腳螺旋，使圓水準氣泡居中。

1) 方法：

對向轉動腳螺旋1、2——使氣泡移至1、2方向中間——轉動腳螺旋3，使氣泡居中。

圖 粗平的操作方法示意圖

2) 規律：

氣泡移動方向與左手大拇指運動的方向一致。

1.3.2 瞄準

1) 方法：先用準星器粗瞄，再用微動螺旋精瞄。

2) 視差：

概念：眼睛在目鏡端上下移動時，十字絲與目標像有相對運動。

產生原因：目標像平面與十字絲平面不重合。

消除方法：反覆交替調節目鏡和物鏡對光螺旋。

1.3.3 精平

1）方法：如圖所示，調節微傾螺旋，使水準管氣泡成像拋物線符合。

2） 說明：自動安平水準儀，不需進行精平。

1.3.4 讀數

精平後，用十字絲的中絲在水準尺上讀數。

1) 方法：

米、分米看尺面上的註記，厘米數尺面上的格數，毫米估讀。

2) 規律：

讀數在尺面上由小到大的方向讀。故儀器若成倒像的，從上往下讀；若成正像，即從下往上讀。

3) 水準儀讀數實例

02

角度測量原理與經緯儀操作

2.1角度測量概念

2.1.1 水平角定義

從空間一點出發的兩條空間直線在水平投影面上的夾角。

範圍：順時針0⁰~360⁰

計算公式：

β=右(終)邊c-左(始)邊a

當c≥a時 β= c – a

當c360⁰ – a

2.1.2 豎直角定義

在同一豎直面內，瞄準目標的視線與水平視線的夾角。

其範圍：a=0⁰~±90⁰ ，仰角為正，俯角為負。

2.2光學經緯儀的使用

經緯儀是測角的儀器，按精度，有： DJ6、DJ2、DJ1，其中「DJ6」表示經緯儀「一測回方向觀測中誤差為6」。

2.2.1 DJ6經緯儀的構造

經緯儀主要由照準部、水平度盤、基座組成

1). 照準部

照準部(水平)制動、微動

望遠鏡(豎直)制動、微動

圓水準器

水準管

望遠鏡：目鏡調焦，物鏡調焦，粗瞄準器，十字絲

讀數顯微鏡

豎直度盤

光學對點器

2）. 水平度盤

水平度盤由光學玻璃製成順時針0⁰~360⁰刻度；

水平度盤與照準部相互脫離；

3). 基座

作用：把儀器固定在三腳架上，下部腳螺旋用於整平儀器.

2.2.2J6經緯儀讀數方法

（1）分微尺的分劃值為1ˊ，估讀到 0.1ˊ(6")。

（2）「H」——水平度盤讀數， 「V」——豎直度盤讀數。

2.2.3J2光學經緯儀的構造

如圖與J6相比，增加了：

(1)、測微輪——讀數時，對徑分劃線影像符合。

(2)、換像手輪——水平讀數和豎直讀數間的互換。

(3)、豎直讀盤反光鏡——豎直讀數時反光。

2.2.4DJ2的讀數方法

一般採用對徑重合讀數法——轉動測微輪，使上下分劃線精確重合後讀數。

2.2.5經緯儀的安置

（1）大致水平大致對中

眼睛看著對中器，拖動三腳架兩個腳,使儀器大致對中,並保持「架頭」大致水平。

（2）伸縮腳架粗平

根據氣泡位置，伸縮三腳架兩個腳，使圓水準氣泡居中。

（3）腳螺旋精平——左手大拇指法則。

1）轉動儀器，使水準管與腳螺旋1、2連線平行。

2）根據氣泡位置運用法則，對向旋轉腳螺旋1、2 。

3）轉動儀器900，運用法則，旋轉腳螺旋3 。

4）架頭上移動儀器，精確對中 。

5）腳螺旋精平 。

6） 反覆（4）、（5）兩步。

2.3角度測量方法

角度測量方法包括：測回法、方向觀測法

2.3.1測回法

(1)、適用：2個方向的單角（∠AOB）

(2)、步驟：（邊講邊操作示範）

（a）盤左瞄準左邊A，配度盤至0⁰0X′，讀取a₁。

（b）順時針旋轉瞄準右邊B，讀取b₁。

則上半測回角值:β₁= b₁-a₁

（c）倒鏡成盤右，瞄準右邊B，讀取b₂。

（d）逆時針旋轉瞄準左邊A，讀取a₂。

則下半測回角值:β₂= b₂-a₂

（e）計算角值

若：β₁-β₂≤±40"（圖根級）

則有：

β = （β₁+β₂）/2

(3)、測回法記錄格式

度盤配置方法:

若觀測N個測回，各測回間按180⁰/N的差值來配置度盤。

測回法小結

2.3.2方向觀測法

(1)．適用：

在一個測站上需要觀測兩個以上方向。

(2)．步驟：（有四個觀測方向）

（a）上半測回

選擇一明顯目標A作為起始方向（零方向），用盤左瞄準A，配置度盤，順時針依次觀測A、B，C，D，A。

（b）下半測回

倒鏡成盤右，逆時針依次觀測A，D，C，B，A。

同理各測回間按1800/N的差值，來配置水平度盤

(3)．計算、記錄

（a）半測回歸零差:

J2 ≤ 12 " ；J6 ≤ 18 " 。

（b）2C值（兩倍照準誤差）:

2C=盤左讀數－（盤右讀數±180°）。

一測回內2C互差：J2≤18 " ；J6不作要求。

（c）各方向盤左、盤右讀數的平均值：

平均值=[盤左讀數+（盤右讀數±180o）]/2

注意：零方向觀測兩次，應將平均值再取平均。

（d）歸零方向值

將各方向平均值分別減去零方向平均值，即得各方向歸零方向值。

（e）各測回歸零方向值的平均值

同一方向值各測回間互差:J2 ≤ 12" ；J6 ≤ 24" 。

2.3.3豎直角的計算公式

(1) 順時針註記

α左=90°-L α右=R-270°

故一測回豎直角 α=（α_左+α_右）/2

(2)逆時針註記

α左= L -90° α右=270°- R

故有:一測回豎直角: α=（α_左+α_右）/2

2.3.4經緯儀放樣方法

經緯儀常用的放樣方法有極坐標法和交會法，極坐標法需要經緯儀和鋼捲尺配合放樣，其具體過程如下圖所示：

1）分別計算出測站點到後視點和待測量點的方位角，確定出放樣的轉角α ，並計算出待測量點到測站點的距離S。

2）將經緯儀架在測站點上，後視後視點，轉動轉角α ，確定出待測量點的方向。

3）順著測站點到待測量點的方向上用鋼捲尺拉出距離S，確定處待測量點。

角度交會法

(1)、適用：不便量距時

(2)、方法：

（a） 計算測設元素β₁、 β₂。

（b）撥水平角，交出P點。

測設時，通常先沿AP、BP 的方向線打「十字樁」， 然後交會出P點位置。

注意交會角 30°<><>0°

距離交會法

(1)、適用：距離較短，便於量距時。

(2)、方法：

（a）計算平距AP、BP。

（b）量取AP、BP，交會出點P。

2.4經緯儀的檢驗與校正

經緯儀的主要軸線:

(1)、豎軸VV

(2)、水準管軸LL

(3)、橫軸HH

(4)、視准軸CC

(5)、圓水準器軸L』L』

2.4.1、經緯儀軸線應滿足的條件

(1)、VV⊥LL ——照準部水準管軸的檢校。

(2)、HH⊥十字絲豎絲——十字絲豎絲的檢校

(3)、HH⊥CC ——視准軸的檢校

(4)、HH⊥VV——橫軸的檢校

(5)．豎盤指標差應為零 ——指標差的檢校

(6)．光學垂線與VV重合 ——光學對中器的檢校

(7). L『』L『』∥VV——圓水準器的檢驗與校正(次 要)

2.4.2 光學對中器的檢校

（1）檢驗：精密安置儀器後，將刻劃中心在地面上投下一點，再旋轉照準部，每隔120°投下一點，若三點不重合，則需校正。

（2）校正：用撥針使刻劃中心向三點的外接圓心移動一半。

2.4.3圓水準器的檢校

（1）檢驗：精平（水準管氣泡居中）後，若圓水準氣泡不居中，則需校正。

（2）校正：用圓水準氣泡校正螺絲使其居中。

03全站儀功能3.1全站儀介紹

3.1.1 全站儀的發展

3.1.2全站儀的構造

常用全站儀

徠卡全站儀

拓普康 全站儀

索佳 全站儀

尼康 全站儀

賓得 全站儀

南方 全站儀

稜鏡

3.2全站儀的功能

3.2.1 角度測量

（1）功能：

測水平角

豎直角

（2）方法：與經緯儀相同。

若要測出水平角∠AOB，則：

當精度要求不高時——只需半測回:

瞄準A點——置零（0SET）——瞄準B點，記下水平度盤HR的大小。

當精度要求高時：——可用測回法

步驟同用經緯儀操作，配置度盤時，可以用「置盤」（H SET）

3.2.2 距離測量

（1）功能：

可測量平距、高差和斜距（全站儀 鏡點至稜鏡鏡點間高差及斜距）

（2）方法：

照準稜鏡點，按MEAS。

3.2.3坐標測量

（1）功能：

測出目標點的(X,Y,H)

（2）原理

a)平面坐標（X，Y）測量原理

b）高程（Z）測量原理

(3) 方法

a) 輸入測站X，Y，H，儀器高i，稜鏡高t。

b) 瞄準後視點，將水平度盤讀數設置為測站至後視點的坐標方位角。

c) 瞄準目標稜鏡點，按MEAS（測量）鍵。

3.2.4點位放樣

（1）功能：

根據設計的待放樣點P及已知點的坐標，在實地標出P點的平面位置及填挖高度。

（2）原理

a）先在待放樣點的大致位置立稜鏡對其進行觀測，測出當前稜鏡位置的坐標。

b）將當前坐標與放樣點的坐標相比較，計算出其差值。距離差值dD和角度差dHR或縱向差值ΔX和橫向差值ΔY。

c）根據顯示的dD、dHR或ΔX、ΔY，逐漸找到放樣點的位置。

3.3全站儀中線測設及斷面測量簡介

基本原理

中線測設：計算中樁坐標——全站儀點位放樣（極坐標法）

縱斷面測量：全站儀測量點的高程（三角高程測量）

橫斷面測量：確定橫斷面點位——全站儀測量點的高程（三角高程測量）

3.3.1中樁坐標的計算

（1）直線段中樁

由起始點坐標和樁號里程，按「坐標正算」公式，可計算出各中樁的坐標。

（2）曲線段中樁

根據曲線要素按照「坐標正算」公式計算出曲線上各中樁的坐標。

3.3.2中樁的實地放樣

架全站儀在（導線）控制點上，利用全站儀「點位放樣」功能，放樣出各中樁。

3.3.3中樁高程測量（縱斷面測量）

中樁高程測量是在中樁放樣的同時進行的。在中樁位置立稜鏡，輸入儀器高和稜鏡高，即可利用全站儀「三維坐標測量」功能，在（導線）控制點上，測出中樁處的地面高程。

3.3.4橫斷面測量

橫斷面測量也可在中樁測設、縱斷面測量的同時進行。關鍵在於如何將稜鏡立在中樁的橫斷面方向上。其方法主要是：

在大致橫斷面方向上的變坡點處立稜鏡，測出點的平面坐標。

注意：

在使用全站儀觀測角度的時候，為了消除視差的影響，必須使十字絲與稜鏡中心重合。

十字絲與稜鏡是否重合辨別方法是：上下左右晃動眼睛，十字絲始終與稜鏡的中心相重合，若二者有相對的移動，則說明有視差，就會影響觀測結果的精度，這樣就要需要重新調整十字絲和望遠鏡的清晰度。

調整時，先把十字絲跳到最清晰，然後調節望遠鏡，不時的晃動眼睛，直到十字絲與稜鏡中心沒有相對的移動便可讀數。

04測量計算基本常識4.1幾個基本公式

4.1.1坐標方位角的推算

α_前=α_後+α_左±180°

或：α_前=α_後-α_左±180°

注意：若計算出的方位角>360°，則減去360°；

若為負值，則加上360°。

4.1.2坐標正算公式

由A、B兩點邊長DAB和坐標方位角αAB，計算坐標增量。見圖有：

ΔX_AB =D_AB×cosα_AB

ΔY_AB =D_AB×sinα_AB

其中：

ΔX_AB=X_B-X_A

ΔX_AB=Y_B-Y_A

4.1.3坐標反算公式

由A、B兩點坐標來計算α_AB、D_AB

α_AB的具體計算方法如下：

(1)Δx_AB=x_B-x_{A ；ΔyAB=yB-yA}

(2)

（3）根據Δx_AB、Δy_AB的正負號判斷α_AB所在的象限。

4.2曲線要素與坐標的計算

4.2.1圓曲線的要素（已知轉角α及半徑R）

根據需要及時進行，一般巡視全線、某線段或某部件。

切線長:T=Rtg(α/2)

曲線長:L=Rα(π/180°)

外距 :E=R(sec(α/2)-1)

曲差 :D=2T-L

4.2.2主點裡程的計算

ZY里程=JD里程-T； YZ里程=ZY里程+L

QZ里程=YZ里程-L/2； JD里程=QZ里程+D/2

4.2.3圓曲線中樁坐標計算

1）方位角法

如圖所示，已知曲線起點的坐標（X,Y),起點處的切線方位角為β，圓曲線的半徑為R，轉角為α，則曲線上任意一點Pi的坐標計算如下：

任意點到起點的圓曲長為：

l=任意點樁號-ZY樁號

對應的圓心角為：ψ=l/(Rπ)·180°

則任意點Pi與起始點連線的方位角和距離分別為：

Pi點坐標為：

2）切線支距法

如圖所示，以ZY或YZ為坐標原點，切線為X軸，過原點的半徑為Y軸，建立坐標系，則Pi點在改坐標系中的坐標為：

特點：

測點誤差不積累。

宜以QZ 為界，將曲線分兩部分進行測設。

為了在已知坐標的測量控制點上進行曲線放樣，必須將在過ZY點的切線直角坐標系中的曲線坐標轉換到測量坐標中去。

ZY點切線在控制點坐標系中的方位角為β，曲線位於ZY點切線的右側，ZY點的測量坐標為XZH和YZH,則曲線任意點P在測量坐標系中的坐標為：

如果曲線位於ZY點切線的左側，則曲線任意點P在測量坐標系中的坐標為：

05GPS定位原理及應用5.1GPS的定義

全球定位系統GPS（Global Positioning System）,是一種可以授時和測距的空間交會定點的導航系統,可向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。

GPS的特點：

1、全球，全天候工作：能為用戶提供連續，實時的三維位置，三維速度和精密時間。不受天氣的影響。

2、定位精度高：定位精度可達厘米級和毫米級。

3、功能多，應用廣：隨著人們對GPS認識的加深，GPS不僅在測量，導航，測速，測時等方面得到更廣泛的應用，而且其應用領域不斷擴大。

5.2GPS的組成

GPS定位系統由GPS衛星空間部分、地面控制部分和用戶GPS接收機三部分組成。

5.2.1 空間部分

由21顆工作衛星和3顆備用衛星。

GPS衛星圖片

5.2.2地面控制部分

1個主控站:科羅拉多.斯平士。

3個注入站:阿森松群島、 迭哥伽西亞、卡瓦加蘭。

5個監控站： 以上主控站、注入站及夏威夷。

5.2.3用戶接收部分

組成

---用戶

---接收設備

接收設備

---GPS信號接收機

---其它儀器設備

5.3GPS定位的方法

按參考點的不同位置劃分為：

（1）絕對定位（單點定位）：在地球協議坐標系中，確定觀測站相對地球質心的位置。

（2）相對定位：在地球協議坐標系中，確定觀測站與地面某一參考點之間的相對位置。

按用戶接收機作業時所處的狀態劃分：

（1）靜態定位：在定位過程中，接收機位置靜止不動，是固定的。靜止狀態只是相對的，在衛星大地測量中的靜止狀態通常是指待定點的位置相對其周圍點位沒有發生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內可以忽略。

（2）動態定位：在定位過程中，接收機天線處於運動狀態。

在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態和動態兩種形式。

動態定位

靜態定位

GPS的測量原理

下周預告：主要介紹各品牌的全站儀器的使用

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