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第七章 定向测量doc

发布时间:2019-06-22 14:05 来源:未知 编辑:admin

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  第七章 定向测量 直线定向 在数学上,两点确定一条直线,而在测量学中,还要研究直线定向,所谓直线定向,就是确定一条直线与标准方向之间的角度关系。“北”被视为基准方向或基本方向,在测量学中所说的“北”通常是指三北方向,即:真北、磁北和坐标北。 一、三北方向 1.真北方向 真子午线是经过地面某点的真子午面与地球表面的交线,真子午线北端所指的方向就是真北方向,或者说真子午线的切线北方向为真北方向。由于所有的真子午线的北端指的是共同的点(北极),所以,地面各点的真北方向是互不平行的。真北方向的确定,一般用天文测量方法或陀螺经纬仪测量方法测定。 2.磁北方向 罗盘的磁针静止时所指的方向称为磁子午线方向,其中指向北极的方向为磁北方向。磁北的方向一般用罗盘来确定。 3.坐标北方向 我国采用的是高斯平面直角坐标系,用3°带或6°带的中央子午线作为坐标纵轴,因此在该带内的直线定向,可以用该带的坐标纵轴方向作为基准方向,坐标纵线北端所指的方向为坐标北方向。与真北方向不同的是,地面各点的坐标北方向是互相平行的。 二、三北的关系 我国位于北半球,三北虽然都指向北方,可实际上他们之间是有差异的。 1.磁偏角 罗盘磁针静止时指向北极的方向是磁北方向,该方向是地球磁场的南极方向,这个方向与北极方向并不一致,就是说,同一点的磁北与真北并不吻合,磁北方向和真北方向之间的夹角称为磁偏角。用表示,磁北在真北以东称为东偏,取正值,反之称为西偏,取负值(图7-1)。 图7-1 三北关系 2.子午线收敛角 地球上各点的真子午线互不平行,中央子午线经高斯投影后成为坐标的纵轴,其他的子午线投影后成为曲线。同一点的坐标北方向和真北方向之间的夹角称为子午线收敛角,用表示。坐标北在真北以东为东偏,取正值,反之为西偏,取负值。子午线.磁坐偏角 同一点的磁北方向偏离坐标北方向的夹角称为磁坐偏角,以坐标纵轴为准,磁北在坐标北以东取正值,反之取负值。 三、直线.方位角 三北方向是直线定向的基准,在测量学中,直线的方向用方位角来表示。由基准方向的的北端起,沿顺时针方向旋转到某一直线的角度,称为该直线的方位角。以真子午线北方向为基准方向的称为线中的;以磁子午线北方向为基准方向的称磁方位角,如图中7-1;以坐标北方向为基准方向的称为坐标方位角,如图7-1。由于三北方向存在着角度差关系,因此,这三种方位角之间可以互相换算。由于在高斯投影后的平面坐标系中常用到坐标方位角,所以关于坐标方位角的理论与推算是学习的重点内容。 由方位角的定义可知,坐标方位角的范围在~,在计算中,如果方位角不在这个范围内,可以通过加减(为正整数)将其化为这个范围,即 (7-1) 若直线AB的坐标方位角为,直线BA的方位角为,则称为直线AB的方位角的反方位角,与之相对应,就称为正方位角,正、反方位角差值为,因此: (7-2) 图7-2 正、反方位角 2.象限角 坐标方位角的范围在~,这就不符合人们的计算习惯,为此,测量学中引入了象限角的概念。所谓象限角,是指直线与标准方向所夹角度中的锐角,其取值范围为:~,用表示。 图7-3 象限角 方位角和象限角的定义可以,二者之间存在着固定的换算关系,如表7-1所示。 表7-1 方位角与象限角的换算关系 直线象限(方向) 方位角范围 由求 由求 Ⅰ(NE) = = Ⅱ(SE) = Ⅲ(SW) Ⅳ(NW) 在图7-3中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示测量直角坐标系的第一、第二、第三、第四象限,NE、SE、SW、NW分别为坐标系北东、南东、南西、北西四个象限。从表7-1可以看出,只有第Ⅰ象限方位角等于象限角,这正是高斯投影后y轴向西平移500km的原因。 坐标方位角的推算 坐标方位角的推算就是由已知方向和相关水平夹角来推算直线的坐标方位角。坐标方位 角的推算在角度传递中具有重要的作用,它是导线测量中角度推算的理论基础,掌握坐标方位角的推算十分必要。坐标方位角的推算实质上就是数学中的角度推算,计算比较灵活,所以没有必要死记一般性原理,只要能做到具体问题具体分析就可以了。 一、共点直线坐标方位角的推算 坐标方位角是以坐标北为基准进行的顺时针角度拨转,它与经纬仪或全站仪的角度拨转方向一致,形成了观测和计算的吻合,共点直线的方位角计算实际上就是角度拨转问题,它是推算方位角的基础。如果某两条直线),则可以通过这点作坐标纵轴的平行线,然后就根据已知条件来进行推算。例如,在图7-4中,已知直线的坐标方位角为,观测了水平角和,要求推算直线 的坐标方位角。 由图7-4 可以看出: 因在推算路线前进方向的右侧,该转折角称为右角;在左侧,称为左角。从而可归纳出推算坐标方位角的一般公式为: (7-3) (7-4) 这个一般性公式可以简述成“左加右减”,需要注意的是,在计算时,一定要看清已知条件,还要分清左角还是右角。 图7-4 坐标方位角的推算 二、连续递推计算 在进行导线测量时,需要进行方位角的连续递推,这种推算,其基本原理与共点直线方位角的推算原理一样,只不过是需要连续地推算,在推算的最后一条边,往往是已知边(边的两个端点是已知控制点),用以检核观测角度地正确性。连续递推时一般采用全左角或全右角的递推方式,因为这样能避免频繁使用“左加右减”这一原则带来的交替计算,从而提高了计算速度和准确性。 如果一条已知直线与第一条直线的夹角为,假设一共推算了条直线,所观测的左角分别为,右角为别为,则第直线)计算方位角时,要注意几点:第一,当不在~时,利用(7-1)将其归化到~;第二,如果已知直线是的形式,前系数是,如果是的形式,则前系数是。总之,在连续推算方位角时要灵活运用,不要死记硬背。 坐标正、反算 坐标的正、反算是建立在测量平面直角坐标系(高斯坐标)中的。坐标正算是由已知点坐标推算未知点坐标的过程,坐标反算是由已知点推算距离和方位角的过程。坐标正、反算在测量学中具有重要的地位,坐标正算是三角测量和导线测量的重要理论基础。 一、测量坐标系 测量坐标系是经过高斯投影而得到的平面直角坐标系。在测量平面直角坐标系中,横轴为轴,代表东方向,纵轴为,代表北方向,两轴交点是坐标原点。、轴正向所夹的区域为第一象限,沿顺时针方向,分别为第二、三、四象限,这与数学坐标系是不同的,测量坐标系之所以用 、来分别代表纵、横轴,是因为在测量学中,角度多数是沿顺时针方向拨转的,这显然有利于计算,虽然测量坐标系交换了纵、横轴,但是其本质并没有改变,数学坐标系中能用的公式,在测量坐标系中仍然可以使用。 二、坐标增量 在学习坐标正算之前,首先要学习了解坐标增量的概念。所谓坐标增量,就是某点从位置移动到位置时的坐标增加量,其中沿着轴的增加量为,沿着轴的增加量为。如果点的坐标为(,),点的坐标为(,),根据定义,有下式成立: , (7-6) 图7-5 坐标增量及正、反算 坐标增量、可正可负,它取决于直线的坐标方位角,因此,如果的大小确定,便能确定增量、的正负,反之亦然。坐标增量与坐标方位角的关系相见表7-2。 表7-2 坐标增量与坐标方位角的关系 象限 方位角范围 坐标增量 示意图 Ⅰ ~ Ⅱ ~ Ⅲ ~ Ⅳ ~ 三、坐标正算 根据已知点坐标、已知点到未知点的所构成直线的坐标方位角和水平距离,计算未知点的坐标,这种计算过程称之为坐标正算。 设已知点的坐标为(,),点到的水平距离为,直线),点的坐标求解如下: (7-7) 很显然,只要知道、,就可以推算出点的坐标。根据三角关系(图7-5),可得到坐标增量、: 因此,点坐标的计算公式为: (7-8) 以上就是坐标正算的公式,这个公式计算的关键,就是坐标增量的计算。在计算中应注意已知条件,尤其是水平距离与的对应关系。 【例1】如图7-10所示,已知A、B、C顺次连成一条折线,其中直线AB的坐标方位角=,B点的坐标为B(561565.520,4584308.011),,=142.356(m),求C点的坐标。 解:由题意可知,= 而 因此561565.520+142.356×cos()=561707.695 4584308.011+142.356×sin()=4584300.842 所以,C点的坐标为C(561707.695,4584300.842)。 四、坐标反算 根据两已知点的坐标,反算出两点的水平距离和坐标方位角,称为坐标反算。 在图7-5中,已知、点的坐标分别为(,)和(,),求直线的水平距离和坐标方位角,很显然,由图7-5可以得到如下三角函数关系: 由于象限角的取值范围为~,的计算公式为 (7-9) 在计算后还要转化成,具体转化方法参见表7-1和表7-2。注意:由于取值范围是~,因此在计算前首先要根据、的正负来判断其所在的象限,然后据表7-1求出,不能直接用代替求取方位角。 水平距离可以用两点距离公式计算,即: (7-10) 也可以用下式计算或检核: (7-11) 【例2】已知在高斯坐标系下A、B的坐标分别为A(561875.656,4584347.443)和B(561820.511,4584306.492),试求A、B的坐标方位角和距离。 解:=561820.511-561875.656=-55.1450 =4584306.492-4584347.443=-40.9510 因在第三象限,此时 68.687(m) 又68.687(m) 因此=,=68.687(m) 坐标正、反算是测量学中最简单、最基本、最重要的内容,在熟练掌握后,读者可以根据自己所掌握的某一种计算机语言进行简单编程。 罗盘仪及其使用 罗盘是利用磁针来确定直线方向的仪器,它所测定的方向是磁北方向。由于磁北极并不 在椭球体的轴线上,而且它随着时间的推移而改变,所以罗盘的磁针所测的磁北方向精度并不高。况且,磁针还经常受地磁极的影响而产生磁倾角,例如,在北半球,磁针的北端向下倾斜,在南半球,情况恰恰相反。受精度所限,罗盘通常只用于概略定向。 一、罗盘仪的构造 罗盘仪的结构比较简单(图7-6(a)),其主要构成部分有照准设备、度盘、磁针、球臼螺旋和连接部件(图7-6(b)~图7-6(d))。照准设备主要是望远镜和竖直刻度盘,度盘是一个容纳磁针的水平刻度盘,可读出角度的大小,磁针位于度盘中心的指针上,通常它可以自由旋转,但为了保护顶针,在使用完罗盘仪后,应将磁针制动螺旋向下旋,使杠杆把磁针抬起,免得遭受磨损。 (a) (b) (c) (d) 图7-6 罗盘仪的构成 1-目镜;2-竖直微动螺旋;3-顶针螺丝;4-物镜;5-竖直刻度盘;6-水平刻度盘;7-磁针;8-连接部件;9-球臼螺旋 罗盘仪度盘分划通常以或为单位,其中,按逆时针方向标注从到的罗盘,称为方位罗盘(图7-6(c))。有两个相对的,向两个方向分别注记到的罗盘称为象限罗盘(图7-6(d))。象限罗盘一般除了标有南北字样外,通常还标有东西字样,而且其东西方向与实际情况正好相反。 二、罗盘仪测定磁方位角 以方位罗盘为例,若欲确定直线),其使用过程如下: 图7-7 罗盘仪测定磁方位角 对中。在三脚架头下方悬挂垂球,移动三脚架使垂球尖对准地面A点中心,即为对中,对中容许误差为2mm。 整平。松开球臼螺旋,用手前后、左右、仰俯罗盘,使罗盘盒内的水准器气泡居中,然后拧紧球臼螺旋,松开磁针制动螺旋,让磁针自由转动。 瞄准目标。拨动罗盘仪,利用罗盘照准设备瞄准B点,转动目镜使十字丝清晰,调节物镜对光螺旋使目标像清晰,然后转动竖直微动螺旋并轻微转动罗盘盒,使十字丝交点精确对准目标。 读数。磁针自由静止后,正对磁针并顺注记增大方向读出磁针北端所指读数,即为直线中,直线AB的磁方位角=。 把罗盘仪搬至B点安置,瞄准A点,测出AB边的反方位角,若正反方位角的差值在179o~181o之间,取其平均值作为AB边的磁方位角。 三、使用罗盘仪的注意事项 罗盘仪是利用磁针来定向的,因此,在使用罗盘仪时,要注意以下事项: 1.避免与磁性物体接触,因为这样会影响磁针的磁性。 2.读数前辨清磁针的南北极,读数中要等磁针稳定后进行,要正视度盘,不可斜视,读数后要将磁针升起固定。 3.应尽量少在高压电线、铁矿等地点进行定向,因为在这种环境下,测得的读数很可能不准。 4.为了消除罗盘的偏心差并防止读错,可以同时读出磁针南、北端所指读数,然后取平均值,也可以让不同的人进行多次读数,以减小误差。 本章小结 本章的核心和重点是坐标方位角和坐标正、反算,方位角是指由基准方向的的北端起,沿顺时针方向旋转到某一直线的角度,基准方向为“三北”:真北、磁北、坐标北,其中以坐标北为基准方向构成的方位角叫坐标方位角,是测量学中最常用的方位角形式。关于坐标方位角的重点内容是正反坐标方位角关系、方位角与象限角关系、方位角的推算和坐标正、反算。其中坐标正反算是测量学中最常用、最基本的理论,是需要重点掌握的内容。本章在最后讲述了罗盘仪的基本构造和应用 。 一、本章的基本概念 真北,磁北,坐标北,直线定向,坐标方位角,反方位角,象限角,坐标正算,坐标反算 二、本章基本公式 正、反方位角公式: 方位角和象限角的关系:见表7-1 方位角连续地推公式: 坐标正算公式: 坐标反算公式:, 对于基本概念,基本理论和基本公式应做到充分理解并应用到实际,不要拘泥于公式的形式,要活学活用,根据实际情况切实解决实际问题,坐标正反算为基本内容,要求熟练掌握。 思考题 什么叫直线定向?它与直线定线有何区别? 什么叫坐标方位角?它的取值范围如何? 根据图7-1,分析真方位角、磁方位角、坐标方位角三者的关系。 已知:=,=,,,试求坐标方位角。 5.已知M、O、N顺次连成一条折线,其中直线OM的坐标方位角=,O点的坐标为O(1543.598,4418.963),,=346.295(m),求N点的坐标。 6.已知A、B点的坐标分别为A(561256.321,4584023.154)、B(561187.526,4583798.521),试求直线AB的距离及方位角,并对距离进行检查。 7.简述罗盘仪的结构和使用方法。

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