1、第 3章 角度测量 测量地面点连线的水平夹角及视线方向与水平面的竖直角，称角度测量 (angular observation)。角度测量是测量的基本工作之一。角度测量所使用的仪器是经纬仪 (theodolite)和全站仪 (total station)。水平角测量用于求算点的平面位置，竖直角测量用于测定高差或将倾斜距离改化为水平距离。3.1 角度测量原理(1) 水平角测量原理 水平角 (horizontal angle)是指地面一点到两个目标点连线在水平面上投影的夹角，它也是过两条方向线的铅垂面所夹的两面角。 为了测量水平角，应在过 B点的上方水平地安置一个有刻度的圆盘，称为水平度盘 (hor
2、izontal circle)；水平度盘的中心应位于过 B点的铅垂线上；经纬仪还必须有一个能够瞄准远方目标的望远镜；同济大学出版社 制作 覃辉 望远镜应可以在水平面和铅垂面内旋转，通过望远镜分别瞄准高低不同的目标 A和 C。 (2) 竖直角测量原理 竖直角 (vertical angle)是指在同一竖直面内，视线与水平线的夹角。 视线在水平线上方的称为仰角，角值为正；视线在水平线下方的称为俯角，角值为负。同济大学出版社 制作 覃辉 为了测量竖直角，经纬仪必须在铅垂面内安置一个有圆盘，称为竖直度盘或竖盘 (vertical circle)。 竖直角也是两个方向在度盘上的读数之差，与水平角不同的是
3、，其中有一个是水平方向。 水平方向的读数可以通过竖盘指标管水准器或竖盘指标自动补偿装置来确定； 经纬仪设计时，一般使视线水平时的竖盘读数为 0或 90的倍数，这样，测量竖直角时，只要瞄准目标，读出竖盘读数并减去仪器视线水平时的竖盘读数就可以计算出视线方向的竖直角。n 3.2光学经纬仪的结构及其度盘读数 规范给出的国产光学经纬仪 (optical theodolite)按其精度划分的型号有： DJ07、DJ1、 DJ2、 DJ6、 DJ30， 其中字母 D、 J分别为 “大地测量 ”和 “经纬仪 ”汉语拼音的第一个字母， 07、 1、 2、 6、 30分别为该仪器一测回方向观测中误差的秒数。 瑞
4、士 Leica公司的光学经纬仪按其精度划分的型号为： T4、 T3、 T2、 T1、 T16，其中字母 T为单词 “Theodolite”(经纬仪 )的第一个字母，以秒为单位的一测回方向观测中误差分别为 0.5、 1、 2、 6、 16。n 3.2.1 DJ6级光学经纬仪的结构 根据控制水平度盘转动方式的不同， DJ6级光学经纬仪又分为方向经纬仪和复测经纬仪。 地表测量中，通常使用方向经纬仪，复测经纬仪主要应用于地下工程测量。 图 3-3是北京光学仪器厂生产的 DJ6级方向光学经纬仪。 一般将光学经纬仪分解为基座 (tribrach)、 水平度盘 (horizontal circle)和照准部
5、(alidade)三部分。 同济大学出版社 制作 覃辉n 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 同济大学出版社 制作 覃辉n (1) 基座n 基座上有三个脚螺旋，一个圆水准气泡，用
6、来粗平仪器。n 水平度盘旋转轴套套在竖轴套外围，拧紧轴套固定螺旋，可将仪器固定在基座上；旋松该螺旋，可将经纬仪水平度盘连同照准部从基座中拔出。n (2) 水平度盘n 水平度盘是一个圆环形的光学玻璃盘片，盘片边缘刻划并按顺时针注记有 0360的角度数值。n (3) 照准部n 照准部是指水平度盘之上，能绕其旋转轴旋转的全部部件的总称，它包括竖轴、 U形支架、望远镜、横轴、竖直度盘、管水准器、竖盘指标管水准器 (vertical index bubble tube)和读数装置等。n 照准部的旋转轴称为仪器竖轴，竖轴插入基座内的竖轴轴套中旋转；n 照准部在水平方向的转动，由水平制动、水平微动螺旋控制；
7、n 望远镜在纵向的转动，由望远镜制动、望远镜微动螺旋控制；n 竖盘指标管水准器的微倾运动由竖盘指标管水准器微动螺旋控制；n 照准部上的管水准器，用于精平仪器。同济大学出版社 制作 覃辉n 水平角测量需要旋转照准部和望远镜依次瞄准不同方向的目标并读取水平度盘的读数；n 在一测回观测过程中，水平度盘是固定不动的；n 为了角度计算的方便，在观测开始之前，通常将起始方向 (称为零方向 )的水平度盘读数配置为 0左右，这就需要有控制水平度盘转动的部件。有两种控制水平度盘转动的结构： n 1) 水平度盘位置变换螺旋：方向经纬仪使用。n 2) 复测装置：复测经纬仪 (repetition theodolit
8、e)是用复测扳手代替水平度盘位置变换螺旋来控制控制水平度盘的转动。同济大学出版社 制作 覃辉n 3.2.2 DJ6级光学经纬仪的读数装置n 光学经纬仪的读数设备包括度盘、光路系统和测微器。n 水平度盘和竖直度盘上的分划线，通过一系列棱镜和透镜成像显示在望远镜旁的读数显微镜内。 DJ6级光学经纬仪的读数装置可以分为测微尺读数和单平板玻璃读数两种。n (1) 测微尺读数装置n 测微尺 (micrometer)读数装置的光路见图 3-6所示。n 将水平玻璃度盘和竖直玻璃度盘均刻划为 360格，每格的角度为 1，顺时针注记。n 照明光线通过反光镜 1的反射进入进光窗 2，其中一路光线通过编号为 12、
9、 13、 15、 16的光学组件将水平度盘 14上的刻划和注记成像在平凸镜 8上；另一路光线通过编号为 3、 5、 6、 7的光学组件将竖直度盘 4上的刻划和注记成像在平凸镜 8上；n 在平凸镜 8上有两个测微尺，测微尺上刻划有 60格。n 仪器制造时，使度盘上一格在平凸镜 8上成像的宽度正好等于测微尺上刻划的 60格的宽度，因此测微尺上一小格代表 1。n 通过棱镜 9的折射，两个度盘分划线的像连同测微尺上的刻划和注记可以被读数显微镜观察到，其中 10是读数显微镜的物镜， 11是读数显微镜的目镜。读数装置大约将两个度盘的刻划和注记放大了 65倍。 同济大学出版社 制作 覃辉n 图 3-7为读数
10、显微镜视场，n 注记有 “水平 ”(有些仪器为 “Hz”或 “ ”)字样窗口的像是水平度盘分划线及其测微尺的像，n 注记有 “竖直 ”(有些仪器为 “V”或“”) 字样窗口的像是竖直度盘分划线及其测微尺的像。n 读数方法为：以测微尺上的 “0”分划线为读数指标， “度 ”数由落在测微器上的度盘分划线的注记读出，测微尺的 “0”分划线与度盘上的 “度 ”分划线之间的、小于 1的角度在测微尺上读出；n 最小读数可以估读到测微尺上 1格的十分之一，即为 0.1或 6。n 图 3-7的水平度盘读数为21454.7，竖直度盘读数为7905.5。n 测微尺读数装置的读数误差为测微尺上一格的十分之一，即0.
11、1或 6。 同济大学出版社 制作 覃辉n (2) 平板玻璃测微尺 (parallel plate micrometer)读数装置n 在图 3-6中，平板玻璃安置在水平度盘反光棱镜 16和竖直度盘反光棱镜 7之前的位置。n 读数原理是：将玻璃度盘刻划为 720格，每格的角度为 30，顺时针注记。n 来自两个度盘的、包含有度盘刻划和注记的光线 1通过平板玻璃 5，经反光棱镜 9转向后连同测微尺 7上的分划一起成像在读数指标面 8上，再经反光棱镜 10进入读数显微镜，通过读数显微镜 11、 12就可以观察到读数指标面上的度盘刻划和注记及测微尺刻划和注记的影像。n 当度盘刻划影像不位于双指标线中央时，
12、旋转测微螺旋 2，带动齿轮 3进而带动扇形齿 4使平板玻璃 5和测微尺 7绕轴 6旋转，度盘刻划影像移动偏距位于双指标线中央位置，所移偏距则在测微尺上记录下来。 同济大学出版社 制作 覃辉n 仪器制造时，使度盘刻划影像移动 1格也即 0.5或 30时，对应于测微尺上移动 90格，则测微尺上 1格所代表的角度值为 306090=20，按估读到测微尺 1格的十分之一，即为 2。n 它比测微尺读数装置的读数误差要小。 n 平板玻璃测微尺读数装置的读数窗视场见图 3-9所示。n 它有 3个读数窗口，其中下窗口为水平度盘影像窗口，中间窗口为竖直盘度影像窗口，上窗口为测微尺影像窗口。 n 读数时，先旋转测微螺旋，使两个度盘分划线中的某一个分划线精确地位于双指标线的中央， 0.5整倍数的读数根据分划线注记读出，小于 0.5的读数从测微尺上读出，两个读数相加即为度盘的读数。 同济大学出版社 制作 覃辉
