武汉大学数字测图原理与方法全套课件第五章

二 、光学经纬仪
光学经纬仪是采用光学度盘，借助光学放大和光学测微 器读数的一种经纬仪。图5-4是北京光学仪器厂生产的J6级 光学经纬仪。图5-5是苏州第一光学仪器厂生产的J2光学经 纬仪。图5-6是原瑞士威特厂生产的T3光学经纬仪，它的一 测回方向观测中误差为0.7秒。 1、光学经纬仪的主要部件 (1) 望远镜 测量望远镜是用于精确瞄准远处测量目标， 与水准仪上的望远镜一样，经纬仪上的望远镜也是由物镜、 调焦透镜、十字丝分划板和目镜等组成。 (2) 水准器 同水准仪一样，水准器有管状水准器(又称 水准管)和圆水准器。 (3) 水平度盘和竖直度盘 光学经纬仪的水平度盘和竖直 度盘用玻璃制成，在度盘平面的圆周边缘刻有等间隔的分划 线，两相邻分划线间距所对的圆心角称为度盘的格值，又称 度盘的最小分格值。一般J6光学经纬仪的度盘格值为1°， J2光学经纬仪的度盘格值为20’，精密光学经纬仪度盘格值 更小。不足一个分格值的角值采用光学测微器测定。
以常用J6光学经纬仪的竖盘注记（顺时针方向）形式 为例，由图5-24可知盘左、盘右视线水平时竖盘读数，当 望远镜视线上倾，盘左时读数L减少；盘右时读数R增加， 见图5-24。根据上述一般公式可得到这种竖盘的竖角计算 公式为5-8和5-9。 2、 竖盘指标差 在推导竖角计算公式时，认为当视线水平且竖盘指标 水准管气泡居中时，其读数是 的整倍数。但实际上这个 90 条件有时是不满足的。这是由于竖盘指标偏离了正确位置， 使视线水平时的竖盘读数大了或小了一个数值，称这个偏 离值为竖盘指标差。 当指标偏移方向与竖盘注记方向一致时，则使读数增 大一个值，取正号；反之，指标偏移方向与竖盘注记方向 相反时，则使读数减小一个值，取负号。 用盘左、盘右观测取平均值计算竖角 ，其角值不受竖 盘指标差的影响。
图5-2 竖直角测量原理
根据竖直角的基本概念， 测定竖直角必然也与观测水平 角一样，其角值也是度盘上两 个方向读数之差。所不同的是 两方向中必须有一个是水平方 向。不过任何注记形式的竖直 度盘(简称竖盘)，当视线水平 时，其竖盘读数应为定值，正 常状态时应是90°的整倍数。 所以在测定竖直角时只需对视 线指向的目标点读取竖盘读数， 即可计算出竖直角。
1、测回法
2、方向观测法
三、竖直角观测
在三角高程测量和斜距化为平距的计算中，都用到竖直角。 1竖角（高度角）的计算 竖盘注记形式有顺时针方向和逆时针方向两种。注记形式不同，由竖盘 读数计算竖角的公式也不同，但其基本原理是一样的。 竖角是在同一竖直面内目标方向与水平方向间的夹角。所以要测定竖角， 必然与观测水平角一样也是两个方向读数之差。不过任何注记形式的竖盘， 当视线水平时，不论是盘左还是盘右，其读数是个定值，正常状态应该是 90°倍数。所以测定竖角时只需对视线指向的目标进行读数。 计算竖角的公式无非是两个方向读数之差，问题是哪个读数减哪个读数 以及视线水平时的读数为多少。 以仰角为例，只需先将望远镜放在大致水平位置观察竖盘读数，然后使 望远镜逐渐上倾，观察读数是增加还是减少，就可得出竖角计算的一般公式： (1)当望远镜视线上倾，竖盘读数增加，则竖角＝瞄准目标时竖盘读数视线水平时竖盘读数； (2)当望远镜视线上倾，竖盘读数减少，则竖角＝视线水平时竖盘读数瞄准目标时竖盘读数。
Байду номын сангаас
竖盘注记形式较多，目前常见的注记形式为全圆注记， 注记方向有顺时针与逆时针两类，图5-8和图5-9为比较多 见的两种注记形式。当视线水平，竖盘指标水准管气泡居 中时，盘左位置竖盘指标正确读数分别为0°(图5-8(a))和 90°(图5-9(a))。
图5-8 竖盘注记（逆时针方向）
图5-9 竖盘注记（顺时针方向）
经纬仪安置包括对中和整平。对中的目的是使仪器的水 平度盘中心与测站点标志中心在同一铅垂线上；整平的目的是 使仪器的竖轴竖直，并使水平度盘居于水平位置。安置经纬仪 可使用垂球或光学对中器进行对中。 安置好经纬仪后，即可开始观 测。角度测量时照准的目标通常是 竖立在目标点上的测钎、花杆、觇 牌等。照准目标要注意消除视差， 水平角观测时应尽可能瞄准目标的 下部，见图5-21。使用光学经纬仪 测角应按前述的光学经纬仪读数方 图5-21 瞄准目标 法读数。
§5.2 经纬仪 Theodolite
一、 经纬仪的基本构造及分类 经纬仪基本构造，如图5-3所 示。 望远镜与竖盘固连，安装在仪 器的支架上，这一部分称为仪器的 照准部，属于仪器的上部。望远镜 连同竖盘可绕横轴在垂直面内作转 动，望远镜的视准轴应与横轴正交， 横轴应通过竖盘的刻划中心。照准 部的竖轴 (照准部旋转轴)插入仪器 基座的轴套内(图5-3)，照准部可 作水平旋转。
2、 读数设备 水平度盘分划和竖直度盘分划经读数光学系统，成像在 读数显微镜中，图5-10是我国统一设计的J6光学经纬仪的读 数系统光路图。 通常用于光学经纬仪的读数设备和读数方法有： (1) 分微尺读数装置(2) 双平板玻璃光学测微器（3）移 动光楔测微器 很多J6光学经纬仪都采用分微尺读数装置。它是在显微镜 读数窗与场镜上设置一个带有分微尺的分划板，度盘上的分划 线经显微镜物镜放大后成像于分微尺之上。分微尺分划间的长 度等于度盘的一格，即1°的宽度。图5-11是读数显微镜内所 见到的度盘和分微尺的影像，上面注有“水平”(或H)的窗口 为水平度盘读数窗，下面注有“竖直”(或V)的窗口为竖盘读 数窗。其中长线和大号数字是度盘上的分划线及其注记，短线 和小号数字为分微尺的分划线及其注记。每个读数窗内的分微 尺分成60小格，每小格代表1’，每10小格注有数字，表示10’ 的倍数，因此在分微尺上可直接读到1’，估读到0.1’，即6”。 这里需要注意的是分微尺上的0分划线是指标线，它所指度盘 上的位置就是应该读数的地方。
图5-4 J6光学经纬仪 1、望远镜制动螺旋； 2、望远镜微动螺旋； 3、物镜；4、物镜调焦螺旋；5、目 镜；6、目镜调焦螺旋；7、光学瞄准器；8、度盘读数显微镜；9、度盘读数显微镜 调焦螺旋；10、照准部管水准器；11、光学对中器；12、度盘照明反光镜；13、 竖盘指标管水准器；14、竖盘指标管水准器观察反射镜；15、竖盘指标管水准器微 动螺旋；16、水平方向制动螺旋；17、水平方向微动螺旋；18、水平度盘变换螺 旋与保护卡；19、基座圆水准器；20、基座；21、轴套固定螺旋；22、脚螺旋
三、 电子经纬仪 随着光电技术、计 算机技术的发展，20世 纪60年代出现了电子经 纬仪。电子经纬仪的轴 系、望远镜和制动、微 动构件与光学经纬仪类 似，它与光学经纬仪的 根本区别在于用微处理 机控制的电子测角系统 代替光学读数系统，能 自动显示测量数据。
§5.3 角度观测方法 Methods of determining Angles 一 、 经纬仪的安置
第五章 角度、距离测量与全站仪
Angle Measurement, Distance Measurement and Total Station
5.1 Principles of Angle measurement 5.2 Theodolite 5.3 Methods of determining Angles 5.4 Errors sources and precision in determining horizontal angles 5.5 Test and adjustment of the theodolite 5.6 Distance measurement 5.7 Error analysis of electro-optical distance measurement 5.8 Test of electro-optical distance measuring instruments 5.9 Total station and automatic total station system 5.10 Trigonometric leveling
二、 水平角观测
在角度观测中，为了消除仪器的某些误差，需要用盘 左和盘右两个位置进行观测。盘左又称正镜，就是观测者 对着望远镜的目镜时，竖盘在望远镜的左边；盘右又称倒 镜，是指观测者对着望远镜的目镜时，竖盘在望远镜的右 边。常用的水平角观测方法有测回法和方向观测法两种。 测回法仅适用于观测两个方向形成的单角，一个测站上需 要观测的方向数在2个以上时，要用方向观测法观测水平方 向值。
图5-3 经纬仪基本结构
照准部水准器的水准轴与竖轴正交，与横轴平行，当水 准气泡居中时，仪器的竖轴应在铅垂线方向，此时仪器处在整 平状态。 水平度盘安置在水平度盘轴套外围，水平度盘不与照准 部旋转轴接触。水平度盘平面应与竖轴正交，竖轴应通过水平 度盘的刻划中心。 水平度盘的读数设备安置在仪器的照准部上，当望远镜 旋转照准目标时，视准轴由一目标转到另一目标，这时读数指 标所指示的水平度盘数值的变化就是两目标间的水平角值。 经纬仪依据度盘刻度和读数方式不同，分为游标经纬仪、 光学经纬仪及电子经纬仪。目前主要使用电子经纬仪，光学经 纬仪已较少使用，而游标经纬仪早已淘汰。 我国大地测量仪器的总代号为汉语拼音字母“D”，经纬 仪代号为“J”。经纬仪的类型很多，我国经纬仪系列是按野外 “一测回方向观测中误差”这一精度指标划分为DJ07、DJ1、 DJ2、DJ6、DJl5五个等级。例如“DJ6”表示经纬仪野外 “一测回方向观测中误差”为，简写为“J6”。
角度测量是确定地面点位的基本测量工作之一，包括水平角测量和 竖直角测量，用于角度测量的仪器是经纬仪。 一、 水平角测量原理 所谓水平角，就是相交的两直线之间的夹角 在水平面上的投影，角值0°～360°。例如在 图5-l中，角AOC为直线 OA与OC之间的夹角， 测量中所要观测的水平角是AOC角在水平面上 的投影，即 A1 B1C1 ，而不是斜面上的 AOC 。 由图可以看出， A1 B1C1就是通过OA与OC的两 竖面所形成的两面角。此两面角在两竖面交线上 任意一点可进行量测。设想在竖线 OB1上的O点放 置一个按顺时针注记的全圆量角器(称为度盘)， 使其中心正好在 OB1 竖线上，并成水平位置。从 OA竖面与度盘的交线得一读数a，再从OC竖面 图5-1 水平角测量原理 与度盘的交线得另一读数b，则圆心角 ， ba 这个 就是水平角 A1 B1C1 的值。
§5.1 角度测量原理 §5.2 经纬仪 §5.3 角度观测方法 §5.4 水平角观测的误差和 精度 §5.5 经纬仪的检验和校正 §5.6 距离测量 §5.7 光电测距误差分析 §5.8 光电测距仪的检验 §5.9 全站仪和自动全站仪 §5.10 三角高程测量
§5.1 角度测量原理
Principles of Angle measurement
图5-7 竖盘的构造 1、竖直度盘；2、竖盘指标管水准器 反射镜；3、竖盘指标管水准器；4、 竖盘指标管水准器校正螺丝；5、望 远镜视准轴；6、竖盘指标管水准器 支架；7、横轴；8、竖盘指标管水准 器微动螺旋
图5-7为J6光学经纬仪竖盘构造 的示意图，图中，竖盘固定在横轴的 一端，当望远镜转动时，随望远镜在 竖直面内一起转动。在竖盘上进行读 数的指标是在读数窗上。竖盘指标水 准管与竖盘转向棱镜、竖盘照明棱镜、 显微物镜组固定在微动架上。竖盘分 划的影像，通过竖盘光路成像在读数 窗上。望远镜转动时(竖盘随着转动)， 传递竖盘分划的光路位置并不改变， 所以可在读数窗内进行读数。但是， 若转动竖盘指标水准管微动螺旋，可 使光路产生变化，从而使呈像在读数 窗上的竖盘部位发生变化，即读数发 生变化。在正常情况下，当竖盘指标 水准管气泡居中时，竖盘指标就处于 正确位置。所以每次竖盘读数前，均 应先调节竖盘指标水准管使气泡居中。
二、 竖直角测量原理 竖直角是同一竖直面内目标方 向与一特定方向之间的夹角。目标 方向与水平方向间的夹角称为高度 角，又称为竖角，一般用 表示。 视线上倾所构成的仰角为正，视线 下倾所构成的俯角为负，角值都是 由0°～90°。另一种是目标方向 与天顶方向(即铅垂线的反方向)所 构成的角，称为天顶距，一般用Z 表 示 ， 天 顶 距 的 大 小 从 0° ～ 180°，没有负值，见图5-2。