《大地测量学基础》课堂实验指导书.docx
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《大地测量学基础》课堂实验指导书
《大地测量学基础》课堂实验指导书
基本说明
1.课堂实验与理论课相互结合，同步进行；
2.本课程实验项目在2学时内完成；
3.为了使同学们在参加实验时有的放失，了解实验的目的和要求，以及实验的操作过程和方法，特编写此说明书。
实验一精密光学经纬仪认识实验
一、目的与要求：
1．掌握J2型精密经纬仪构造及使用方法；
2．掌握用J2型精密经纬仪的读数方法；
二、计划与设备：
1．实验时数2学时，实验组由2～3人组成。
2．实验设备：
J2精密经纬仪，每组一台。
三、实验内容：
在认识与掌握J2型精密经纬仪各部件的名称和构造特点基础上，操作实习其使用方法；对J2型精密经纬仪的测微器构造进行分析与了解，掌握仪器的读数方法。
四、实验方法与步骤：
1．由教师用实物讲解J2型精密经纬仪的品牌类型、构造特点、使用方法、维护及保养知识。
2.在教师指导下，认识J2型精密经纬仪的构造特点
用于大地测量的J2型精密测角仪器其基本构造原理和《数字测图原理与方法》课第二章中所介绍的J6级普通经纬仪相同。
由于大地测量方向观测值精度要求高，目标又远，因此仪器各个部件都特别精密，与普通经纬仪相比，在构造上有如下一些特点：
’
望远镜：
望远镜是经纬仪的照准设备。
为了提高望远镜的瞄准精度，望远镜必须具有较大的放大倍率。
J2型精密经纬仪为35—40倍。
此外，精密测角仪器的望远镜一般采用内对光式。
为了消除像差，望远镜还采用复合式物镜。
水平度盘和读数设备：
度盘是量测角度的标准器，它的精确程度直接影响测角的精度。
度盘的精度与度盘的格值有关，格值越小，精度越高。
但小的格值必然会使分划线数目增加，从而加大度盘的直径，增加仪器的体积和重量，这显然是不现实的。
J2型精密经纬仪采用适当增加度盘直径，使格值较小，并采用测微器来量取不足一格值的角值；J2型精密经纬仪度盘直径一般为75—160mm，格值为20′（J2）。
采用精密的光学测微器读数设备，使读数精度大大地提高，可直读1″～20″。
目前国外有些仪器的水平度盘按新度分划，圆周分为400g（新度），最小格值为l0C（新分），侧微器的最小格值为1cc（新秒）。
它的特点是十进制系统。
水准器：
水准器是安置仪器成水平或垂直状态的标准器。
为了正确地整平仪器，以消除仪器纵轴不垂直和横轴不水平引起的观测误差，或者测出它们的偏差，对观测水平角和垂直角加以改正，所以在J2精密经纬仪上均装有较精密的水准器。
其格值一般为5″～10″,有的达2″。
仪器的纵轴构造：
J2精密经纬仪采用标准式柱形（J2）轴或半运动式柱形（T3）轴。
其特征是轴心长，虽承受着较重的照准部，也能保证旋转稳定，而且照准部与水平度盘完全隔离，旋转照准部时不会引起度盘带动。
蔡司010和我国J2型经纬仪都采用标准式柱形轴，为了减少轴与轴套间的接触面积从而减少摩擦力，在轴套中间切削一段。
这种轴系能承担较重的照准部，转动平稳，但加工的工艺要求高，轴与轴套之间的间隙不能调整，转动摩擦也较大。
威特（WILD）T3和T2均采用半运动式柱形轴，照准部旋转转轴为钢制空心筒,基座轴顶安装有滚珠以减少磨擦,这种轴系优点是磨擦力小,缺点是没有调节的余地。
对照仪器逐件认识J2型光学经纬仪的外部结构并掌握其特点：
属于这个类型的仪器较多，主要有苏州第一光学仪器厂生产的J2经纬仪，东德蔡司厂抽010经纬仪，瑞土威特厂的T2经纬仪等。
这些仪器在基本结构和读数方法上是相似的。
威特T2的外部结构和内部光路与T3完全类似。
蔡司010的外部结构和内部光路与苏光J2基本相似。
蔡司010、苏光J2经纬仪外部结构的主要部件有：
望远镜制动螺旋；测微器手轮；望远镜垂直微动螺旋；望远镜水平微动螺旋；脚螺旋；度盘换象钮；照准部制动螺旋；准心；望远镜目镜；读数显微镜目镜；安平水准器；圆水准器；光学对点器目镜；指标水准器观察棱镜；水平度盘位置变换钮。
蔡司010经纬仪水平度盘直径84mm，格值20′。
竖直度盘直径为6cm，格值20′。
仪器望远镜物镜直径为53mm，望远镜长度为135mm，最短视距2m。
望远镜的放大倍率为3l倍。
照准部水准器格值为20″/2mm，垂直度盘水准器格值也为20″/2mm。
仪器本身重量为5．3kg。
内部光路
蔡司010经纬仪的内部光路：
与威特T2经纬仪的反射式光路不同，蔡司010经纬仪的读数光路为透射式光路。
3．操作仪器掌握仪器各部件使用方法和读数方法
以T2为例，2″级光学经纬仪的度盘格值为20′，读数使用测微器进行，由于测微器采用两块平行玻璃板系统将度盘读数区成象于读数窗内，当转动测微轮时，度盘上、下两排分划线作相对等量移动，因此上、下分划线最大的移动量为10′，所以在秒盘上只刻出10′的距离即可。
为读数方便，又把10′的距离分划成60分格（大格），每一分格又分成l0小格，共有600小格，故每小格代表1″。
T2光学经纬仪可直接读至1″，估读到0.1″。
J2光学经纬仪水平度盘成像的基本情况如右图示，其度盘读数为91°10′，测微器读数为7′16.0″,最后读数为91°17′16.0″。
读数步骤为：
调节测微轮使度盘对径分划影像重合，在度盘读数区读取盘读数为91°10′，在测微器读取不足10′部分，即7′16.0″，两部分相加得最后读数91°17′16.0″
读数时通过旋测微轮使对径分划重合两次，测微器读数应取两次读数的均值。
J1型仪器如威特T3（新）光学经纬仪，其测微器的构造与T2相同，读数方法也相同。
但因T3度盘格值为4′，测微器量度范围是2′，共分60大格，即每大格代表2″，一大格又分为10小格，所以测微器秒盘格值为0.2″，读数时通过旋测微轮使对径分划重合两次，读取两次测微器（秒盘）读数，小数点前的取均值，小数点后的相加作为秒盘读数的最终值，此最终值与度盘读数相加即为度盘的最后读数。
右图为T3（新）光学经纬仪读数，度盘读数为73°26′，秒盘的两次读数分别为：
第一次：
1′58″.9
第二次：
1′58″.8
最后读数为：
73°27′59″.7
五、实验场地
场地应选择具有开阔视野，在2km左右距离附近有可供仪器瞄准的目标（如较标准的避雷针、天线等）的地方作实验场地。
六、实验结果整理
实验应获得一定的观测数据，含用正倒镜瞄准目标读数的结果，并比较其较差，较大时说明瞄准或读数有误，应进行分析找到原因，并重新读数。
七、实验报告要求：
1．实验过程简述，附图、表等。
2．仪器正倒镜读数记录、分析与评价，体会；
实验报告格式
实验题目：
仪器型号：
仪器编号：
实验日期：
实验过程简述及实验成果：
对实验成果的评价与分析：
体会：
专业班级组别：
姓名：
教师评语及成绩：
八、注意事项
1实验前认真阅读测量实验需知，不折不扣的执行仪器保护的有关规定。
2实验过程中仪器旁必须始终有人看护。
3操作仪器一定要轻柔，不得野蛮操作，不知道或不太清楚如何操作时，须先向指导教师问询后再操作。
九、实验考题
1说出J2型精密经纬仪各部件的名称和构造特点。
2说明J2型精密经纬仪的基本操作方法
3叙述J2型精密经纬仪的测微器构造特点，简述读数方法。
4正倒镜读数相差较大的原因可能在哪些？
5为什么要用对径分划重合法读数？
实验二精密经纬仪进行方向观测实验
一、目的与要求：
1．掌握用方向观测法测水平方向。
2．掌握用中丝法或三丝法观测垂直角。
3．了解水平方向和垂直角观测限差。
二、计划与设备：
1．实验时数2学时，实验组由2～3人组成。
2．实验设备：
J2精密经纬仪。
三、实验内容
在测站点对中、整平仪器，选取4个或4个以上观测目标进行方向观测法测量水平角，每人一测回，并记录观测成果；
限差执行《城市测量规范》四等网角度测量要求；
四、方法与步骤：
1）方向观测法观测水平角。
方向观测法的程序和规则
操作程序方向观测法是在一测回内把测站上所有观测方向，先盘左位置依次观测，再盘右位置依次观测，取盘左、盘有平均值作为各方向的观测值。
如图所示，测站点O周围有待测目标A、B、C、D、E，首先选择其中一个方向（如A）作为起始方向。
用盘左位顺时方向旋转照准部，依次照准A、、c、D、E、A，读取观测值，称为上半测回；然后纵转望远镜，用盘右位置逆时针方向旋转照准部，仍从A开始，依次照准E、D、C、B、A并读数，称为下半测回。
上、下两个半测回合起来称为一个测回。
A方向常称为零方向，要求每半测回观测闭合到零方向检查观测过程中水平度盘有无方位变动，上、下半测回观测均构成一个闭合圆这种闭合操作称为“归零”。
当方向数不超过3个时，由于半测回持续时间较短，可以不归零。
观测规则
（1）选择距离适中、通视良好、成像清晰的方向为零方向（起始方向）。
在方向观测法中，每半测回都闭合至零方向，每一测回的各方向观测值都是相对于零方向而言的，所以零方向选择的质量，对所有观测方向值的精度都有影响。
（2）观测前，应认真调好焦距，消除视差。
在一个测回观测过程中，不得重新调焦，以免引起视准轴变动，在转动望远镜时，应防止用手触动调焦螺旋。
（3）上、下半测回照准目标的次序相反，并使每一目标的观测操作时间大致相等，以消除或减弱与时间成比例、均匀变化的误差影响。
观测过程中，如个别方向（其数目不应超过观测方向总数的1／3）的目标暂不清晰，可临时放弃，待清晰时补测。
补测时只须联测零方向。
（4）每一测站点均应进行多测回观测。
其测回数目取决于测量等级和选用的仪器。
各个测回应均匀地分布在度盘和测微尺的不同位置上。
J2型仪器度盘位置变换表
等级
三等
四等
内容
三角
导线
三角、导线
测回数
9
10
6
1
00033
00050
2
201140
301230
3
402247
602410
4
603353
903550
5
804500
1204730
6
1005607
1505910
7
1200713
8
1400830
9
1802927
（5）观测过程中，应保持仪器的垂直轴始终居于铅垂位置。
为此，在观测过程中水准管气泡中心偏离整置不得超过l格。
气泡位置接近这一限度时，应在测回之间重新整置仪器。
观测手簿的记录首先根据上表，对好零方向所在的度盘位置和测微器位置，然后依次进行各方向的观测，远镜后下半测回观测各目标的读数记录，这时照准部逆转，所以记录由下往上，角一方向仍读数2次，取平均值作为观测值。
在观测过程中，记录者应及时进行下列计算
（1）归零差A的计算归零差即半测回中起始方向观测的闭合差，分别按上、下半测回计算，并记入手簿末行。
（2）两倍视准轴误差2c的计算当进行下半测回观测时，对各方向要随时算出2c记入表中2c栏内。
（3）各方向平均值的计算在计算出2c后，同时计算出每一方向的盘左、盘右中数。
（4）方向值计算
记录要明确、字迹工整、纸面整洁、格式统一。
凡更正错误，均应将错字整齐划去，其上方填写正确的文字或数字，禁止涂擦。
观测限差为了保证观测成果的精度，根据误差理论和大量实验结果，对同类观测量之间的差规定一个界限，称为限差。
在限差以内的观测成果认为合格，超限成果则不合格，应舍去并重新进行观测。
《规范》中对方向观测的各项限差规定
等级
仪器型号
两次重
合读数
/（″）
半测回
归零差
2C互差
同一方向
测回间互差
二三四等三角及三四等导线
J1
1
6
9
6
J2
3
8
13
9
观测成果的取舍和整理
成果的取舍与重测
重测：
在基本测回（即规定数目的测回）完成以后，通过对成果的综合分析，发现其中超出限差规定而重新观测的完整测回。
对于测错方向、读记错误、对错度盘、碰动仪器、上半测回归零差超限、气泡偏离过大以及其它原因末测完的测回，均可随即重新观测，它们都不叫“重测”。
在一个测站上，若n为方向数，m为测回数，则该测站全部方向测回总数为（n-1）m；其中因超限而重测的，应进行重测数的统计。
统计方法是：
在基本测回观测结果中，重测一个超限方向算作一个方向测回；因零方向超限而重测的整个测回算作n-1个方向测回。
按照《规范》规定，重测的原则是：
（1）一个测回内2c互差或同一方向的测回互差超限时，应重测超限方向并联测零方向。
测回互差超限重测时，除明显孤值外，原则上应重测观测结果中最大和最小值的测回。
（2）零方向的2C互差或下半测回的归零差超限，该测回应全部重测。
一测回中的重测向数超过测站方向数的1／3时（包括3个方向有1个方向重测），亦应重测全部测回，重测数仍按超限方向数计算。
（3）全部基本测回中，重测的方向测回数不应超过全部方向测回总数的1／3，否则基本测回作废，全部成果重测。
（4）基本测回成果和重测成果均应抄入记簿。
但重测与基本测回成果不取中数，每一回每一方向只取一个符合限差的结果，参加测站平差。
水平角观测法记录表
测站仪器高仪器观测者：
记录者；
目标
读数
2C
一测回平均方向值
归零方向值
盘左
盘右
°
′
″
°
′
″
″
°
′
″
°
′
″
Δ左=
Δ右=″
五、实验场地
场地应设有测站点标桩，视野开阔，并在2km左右距离处，有较均匀分布于全圆视角范围内的四个以上观测目标，野外成像条件好，便于观测。
六、实验结果整理
水平角观测结果应严格按测量表记录的要求记录与计算，观测限差应符合《城市测量规范》中关于四等网测角作业要求的规定，记录与结果应附于实验报告中。
七实验报告要求：
1实验过程简述，附图、表等。
2实验记录、计算成果，体会；
实验报告格式
实验题目：
仪器型号：
仪器编号：
实验日期：
实验过程简述：
对实验成果的评价：
体会：
专业班级组别：
姓名：
教师评语及成绩：
八、实验注意事项
1水平角观测时应选择成像清楚、边长中等的方向作观测的起始方向。
2应严格对中整平仪器。
3记录格式要规范。
九、实验考题
1一测回观测过程中是否可以重新整平仪器。
2半测回归零差是多少？
实验三归心元素的测定
一、目的与要求：
1.通过实验深入理解归心元素的含义;
2.学会图解法测定归心元素的方法.
实习程序和要求：
1.每组领取一套仪器及工具,到指定到指定三角点上;
2.在距标石中心5-7cm范围内作一标志,作为仪器中心;
3.指定周围一个三角点观测时的零方向（最好与实际观测的零方向一致）;
4.将小平板置于三角点上,按控制测量书所述方法,将标石中心,标石柱（或照准圆筒）中心及仪器中心投影到归心用纸上;
5.按图解法量取归心元素数值;
6.检查并判定归心元素测定精度是否达到要求.
二、计划与设备：
1．实验时数2学时，实验组由15～20人组成。
2．实验设备：
电子经纬仪三台、小平板一个、归心投影纸若干、小平板仪一个、三角觇标一个。
三、实验内容
采用图解法测定归心元素：
偏心距和偏心角。
四、方法与步骤：
1.图解法
当偏心距e小于0.3~0.5m时，可采用图解法。
其实质是将标石B、仪器Y、照准点T3个中心垂直投影于一水平面上，再用直尺量取eY、eT，用量角器量取θY、θT。
具体程序为：
（1）在标石上方安置小平板。
在测板上粘贴一张归心投影用纸，并用罗盘在纸上绘出指北线。
（2）在距离标石约1.5倍觇标高的地面上，选择3点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别安置仪器。
3点与标石中心互成120º（或60º）角，每一个投影位置均能直接看到标石、仪器和照准标志3个中心位置。
（3）在每一点整好仪器后，先用盘左位置依次照准3个中心（标石、仪器、照准标志），每照准一个中心后均俯仰望远镜对准测板，指挥描绘者在投影纸上标出前后两点。
为消除仪器视准轴误差与水平轴倾斜误差的影响，在盘左位置投影以后，再用盘右位置依次照准3个中心，对每一中心同样标出前后两点。
如果照准圆筒直径较大难以判断中心位置时，可照准其左、右两边缘，用取读数中值的方法决定中心位置。
（4）如果仪器有误差，则盘左、盘右的投影点不会重合，取两对点的中点连成一条投影线，3个仪器位置对每一个中心投影点均可作出3条投影线。
如没有误差存在，3条投影线应交于一点，该点即为相应中心点的垂直投影点。
（5）由于投影误差的影响，3条投影线通常不恰好交于一点，形成一个示误三角形。
示误三角形的大小标志着投影质量的高低。
《规范》规定，投影示误三角形的最长边，对标石B、仪器Y的投影不得大于5mm，对于标志中心T的投影不得大于10mm。
最后示误三角形的中心点作为相应中心的垂直投影点。
（6）连结BY与BT并量取偏心距eY、eT（至毫米）。
为获得θY、θT，（量至15′），应在仪器和照准标志的中心投影点Y、T描绘两个本站观测方向，其中一个最好是观测零方向。
所描绘的两个方向间的夹角与观测值之差，当偏心距小于0.3m时，不应超过±2º；当偏心距大于0.3m时，不应超过土1º。
用此检查描绘方向的正确性。
对归心投影用纸需进行整饰。
所有的投影原始点和描绘方向线不能有任何更改，一切符号、注记均应填写清楚。
如果受测站周围地形限制，无法摆设3个仪器位置时，可选择两个与标石中心互成90º的位置进行投影。
在每一位置上，先投影1次，然后稍移动仪器位置，再投影1次。
这样两个仪器位置就形成4条投影线，可交出一个示误四边形。
四边形的长对角线，对于B、Y不得大于5mm，对T不得大于10mm。
如符合要求，则取四边形的中心点作为投影点位置。
2．直接法
当测站点偏心距较大时，投影纸无法容纳，需采用直接法测定测站点归心元素。
而照
准点偏心距通常不大，此时仍用图解法测定照准点归心元素。
（1）水平方向观测之后（或前），仪器位置不动，拉平钢尺，一端对准标石中心取读数，另一端用经纬仪光学对点器在钢尺上取读数，两读数相减即为测站点偏心距。
要用钢尺不同部位量1则两次，较差不应超过l0mm，取两次中值为eY。
（2）经纬仪位置仍然不动，直接观测测站点偏心角。
观测两个测回，取至10″，两测回
结果之中值即为θY。
归心元素测定以后，即可按式（4—11）和式（4—12）计算归心改正数。
这项工作通常是在三角测量概算中进行的。
五、实验场地
在三角觇标下，并有联测方向。
六、实验结果整理
最后把归心投影纸进行整饰，填写全部表格，然后上交，作为实习成果。
七、实验报告要求：
1实验过程简述，附图、表等。
实验报告格式
实验题目：
仪器型号：
仪器编号：
实验日期：
实验过程简述：
实验成果的评价：
体会：
专业班级组别：
姓名：
教师评语及成绩：
八、实验注意事项
1注意瞄准与读数的正确性。
2选择的瞄准目标要清蜥。
九、实验考题
1为什么用三个方向而不用两个方向进行交绘？
2什么时候采用示误三角形，而什么时候用示误四边形？
实验四精密光电测距仪的使用实验
一、目的与要求：
1．掌握光电测距仪使用方法。
二、计划与设备：
1．实验时数2学时，实验组由３～5人组成。
2．实验设备：
DI20精密光电测距仪一台或相当精度的全站仪一台。
三、实验内容
对照本指导书掌握仪器各部件的正确操作方法，测记气象参数并输入仪器或查表取得仪器气象改正值，对仪器进行测距气象改正，测距一测回，并将观测成果化算成水平边。
四、方法与步骤：
1．了解光电测距仪的构造特点
大地测量主要使用高精度、中、远程光电测距仪如DI20，该仪器采用相位式测距原理。
通过测定电磁波在所测直线两端点间往返传播的时间和电磁波在空气中传播的速度c，求得距离D，如图示，待测距离为A，B两点间的间距，将一台发射和接收光波的测距仪主机放于端点A，在端点B放反射棱镜，A，B等高则AB间的水平距离D可表示为：
D＝
如A，B点不等高，所测距离为斜距。
可通过垂直角观测，将斜距归算为平距D并计算高差h。
其中光在真空中的传播速度（光速）是测距的一个重要的物理参数，科学实验获得的光速的精确数值为C0=299792458±1．2m／s（标准气象状态下，一般气温t=15°C，气压p=101。
3Kpa）。
测距时需要光在大气中的传播速度，其计算式为：
式中：
n为大气折射率，它是光的波长
，大气温度t和大气气压P等的函数：
随大气的温度、气压而变化，会使测距产生误差。
在光电测距中，须测定作业地周围的大气温度和气压，对所测距离作气象改正。
由于光速已知，其误差甚小，决定测距精度的主要因素是时间t的测定精度，相位式测距仪采用高精度的间接测时手段——相位测时，克服了脉冲式测距仪脉冲计数引起的测距误差，是一种比脉冲式测距能进一步提高测距精度的方法。
相位式光电测距仪采用周期为T的高频电振荡对测距仪的发射光源进行连续振幅调制，使光强随电振荡的频率而周期性地变化。
调制光波（调制信号）被发射后经反射又被接收，发射光与接收光产生相位移或称相位差Δφ。
设在光波往返过程中，调制光相位变化了N个整周NT及一个非整周期ΔT，则传播时间即为：
t=NT+ΔT
调制频率（每秒振荡次数）为f，则振荡一次的时间即周期T＝1／f，因调制光的波长：
λ=CT=C/f
光速C=λf=λ/T
整周期中相位差的变化为2π，不足整周期ΔT：
则由式（2-51）有：
代入式（2-48）并顾及式（2-52），则有：
式（2-53）即为相位式光电测距仪的基本公式，其含义可这样理解，λ/2为光尺整尺尺长，N则为整光尺数，Δφ/2π为不足整光尺的余长。
某种光源调制光的光尺长度λ/2由调制信号的频率f来决定。
因电子元件老化等原因使调制频率与设计不一样时，设计光尺长也会有变化，会对测距造成影响，这种影响类似尺长误差，其影响与距离的长度成正比。
其改正方法是通过检定测距仪，测得到尺长改正比例系数，称为测距仪的乘常数R，在测距计算中利用乘常数可改正尺长误差。
进行相位比较能测定往、返调制光波相位差的尾数Δφ部分，对整周数N则用两种调制频率一个高频、一个中频，通过高频尺也称精尺，精确测定距离尾数；中频尺也称粗尺测定米以上的距离值。
另外，因仪器及反射棱镜的更换等原因，仪器显示距离与实际距离间存在一个与所测距离长短无关的常数差，称为测距仪的加常数C0，通过测距仪的检定，可以求得加常数C，便于在所测距离中加以改正。
2．使用测距仪进行距离测量
图所示为瑞士威特厂生产的DI20测距仪，该测距仪的功能键有三个，一为ON/OFF/unit键，其作用是：
开关机和单位设置；用于单位设置时，按该键5秒，显示器空白时松开，按另一功能键DIST/TRK/mm键，依次显示“m360·s”表示60进制/米；“m400·s”表示400g/米；“Ft360·s”表示英尺/60进制，选择后按ON/OFF/unit键
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