大地测量仪器对比及发展(经纬仪/测距仪/全站仪/GPS接收机/超站仪/水准仪)

在之前的文章中小编说到了测绘兵使用的测绘仪器,一个是RTK一个是全站仪。那么今天做一期关于大地测量仪器的文章,仔细说一说大地测量仪器的联系和发展。在说仪器之前,先为大家介绍一下大地测量的基本含义。

大地测量是为建立和维持测绘基准与测绘系统而进行的确定位置、地球形状、重力场及其随时间和空间变化的测绘活动。而由大地测量衍生出来的大地测量学,大家也要好好学习一下。

大地测量学是在一定的时间-空间参考系统中,测量和描绘地球及其他星体的一门学科。大地测量学最初的意义是陆地测量,后来发展到定义为“测量和描绘地球表面的科学”。而大地测量学的作用就不言而喻了,国民经济各项建设、防灾/减灾/救灾/环境监测、空间技术、国防建设、地球科学研究等领域有中不可替代的作用。

大地测量学就简单的说到这了,现在来谈一谈大地测量仪器的发展。

经纬仪

如果小编问经纬仪是干嘛的呢?相信大部分的测绘朋友都能回答,测角用的。对,经纬仪就是一种测角仪器。根据度盘刻度和读数方式的不同分为光学经纬仪和电子经纬仪两种,而目前最常用的是电子经纬仪。

先说一下经纬仪的历史,经纬仪最初的发明与航海有着密切的关系,因为航海和战争的原因,人们需要绘制地图和海图,而传统的三角测量法因为没有合适的仪器,导致角度测量手段有限,精度不高。

所以大约在1730年,英国机械师西森(Sisson)首先研制除了经纬仪(英国是早先的海洋霸主),后经改进成型,正式用于英国大地测量中。1904年,德国开始生产玻璃度盘经纬仪。随着电子技术的发展,60年代出现了电子经纬仪。在此基础上,70年代制成电子速测仪。

经纬仪的大致历史小编说完了,现在来逐一讲解光学经纬仪和电子经纬仪。首先是光学经纬仪。

光学经纬仪

光学经纬仪

在1904年,德国开始生产玻璃度盘经纬仪后。1920年,瑞士H.威特(H.Wild)等人制成世界上第一台Th1型光学经纬仪。光学经纬的水平度盘和竖直度盘用玻璃制成,读数设备由比较复杂的光学系统组成。

一般来说,光学经纬仪在结构上的主要特点是:①角度标准设备,度盘及其读数系统都由光学玻璃组成;②目标照准设备,望远镜均为消色差的或经过消色差矫正过的,尺寸较短的内调焦望远镜。③设有强制归心机构,像对点器、对中杆、快速安平、补偿器等。

总结一下光学经纬仪的优缺点,首先体积小、重量轻、作业方便和精度高是它的优点,缺点是工作量大,效率低,不能实现作业自动化。

电子经纬仪

电子经纬仪

因为光学经纬仪的种种缺点,所以电子经纬仪就应运而生了。

精密测角仪器,装有电子扫描度盘,在微处理机控制下实现自动化数字测角的经纬仪称为电子经纬仪。

比起光学经纬仪,电子经纬仪的优势更加明显。首先从度盘和读数系统来说,就有着本质的区别。电子经纬仪为了进行自动化数字电子测角,采用了角(模)-码(数)的光电转换系统,读数更加精确了。

其次电子经纬仪有微处理机作为中央处理单元CPU,用以实现电子测角、电子测距和计算,并将观测值及计算结果显示在显示器上。(光学经纬仪是没有显示器的),并且随着技术的发展,电子经纬仪也朝着更高的自动化和多功能化发展。

测距仪

测距仪,顾名思义就是测量距离的仪器或工具。而测距仪是一种测量长度或者距离的工具,同时可以和测角设备或模块结合测量出角度,面积等参数。

常见的测距仪从量程上可以分为短程  、中程和高程测距仪(测程3km以内为短程测距仪,测程3km~14km的为中程测距仪,测程大于15km的为远程测距仪);从测距仪采用的调制对象上可以分为:光电测距仪、声波测距仪。

今天小编就主要说一说常用的激光测距仪,属于光电测距仪的一种。激光测距仪是利用向目标物体发射一束激光,测定目标物将激光反射回来的时间,从而计算出仪器与目标物的距离。

激光测距仪的精度主要取决于仪器计算激光发出到接收之间时间的计算准确度,根据所采用的技术和应用场合激光测距仪可以分为精度是1米左右的常规激光测距仪(主要用于户外运动,狩猎等)和用于测绘、土地丈量、建筑、工程应用、军事等对精度要求较高场合的高精度型激光测距仪。

但是随着GPS技术的发展,作为长距离测量的微波测距仪和激光测距仪,正在逐步退出历史舞台。特别是微波测距仪,市场上已不多见。而已激光和红外作光源的全站仪,几部全部都是中、短程测距仪。

全站仪

全站仪(Total station)是全站型电子速测仪的简称,是电子经纬仪、光电测距仪及微处理器相结合的光电仪器,那么该如何理解呢?

首先,将装有电子扫描度盘,在微处理机控制下实现自动化数字测角的经纬仪称为电子经纬仪。然后,将电子经纬仪、电子测距仪及电子记录手簿组合在一起,在同一微处理机控制和检核下,同时兼有观测数据的自动获取和改正、计算和记录多种功能的测距经纬仪称为电子速测仪。

因为电子速测仪可以在测站上同时自动测得斜距、水平角和垂直角,并能计算出地面点三维空间坐标,因此人们又称它为地面三维电子全站仪。

全站仪的发展经历了从组合式即光电测距仪与光学经纬仪组合,或光电测距仪与电子经纬仪组合,到整体式即将光电测距仪的光波发射接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合为同轴的整体式全站仪等几个阶段。

最初速测仪的距离测量是通过光学方法来实现的,我们称这种速测仪为“光学速测仪”。实际上,“光学速测仪”就是指带有视距丝的经纬仪,被测点的平面位置由方向测量及光学视距来确定,而高程则是用三角测量方法来确定的。

随着电子测距技术的出现,大大地推动了速测仪的发展。用电磁波测距仪代替光学视距经纬仪,使得测程更大、测量时间更短、精度更高。人们将距离由电磁波测距仪测定的速测仪笼统地称之为“电子速测仪”(Electronic Tachymeter)。

然而,随着电子测角技术的出现。这一“电子速测仪”的概念又相应地发生了变化,根据测角方法的不同分为半站型电子速测仪和全站型电子速测仪。半站型电子速测仪是指用光学方法测角的电子速测仪,也有称之为“测距经纬仪”。

这种速测仪出现较早,并且进行了不断的改进,可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪,对斜距进行化算,最后得出平距、高差、方向角和坐标差,这些结果都可自动地传输到外部存储器中。

全站型电子速测仪则是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统,测量结果能自动显示,并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。由于全站型电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化,所以人们也通常称之为全站型电子速测仪或简称全站仪。

目前的测绘仪器市场上,瑞士徕卡公司的全站仪可以说是业内标杆,国内的话,苏一光的全站仪也是不错的。

GPS接收机

简单说一下GPS接收机的含义,GPS接收机是接收全球定位系统卫星信号并确定地面空间位置的仪器。具体关于GPS接收机,可以参考小编之前的几篇文章。《什么是RTK?》《一文读懂:“美国GPS现代化计划”》《发射时间推迟4年,这个号称史上最强的GPS III卫星为何物?》

放一张GPS接受机的图,下面可能要用到。

超站仪

TPS与GPS的集成——超站仪(Super station instrument)。先说一下超站仪的由来,电子经纬仪与电磁波测距仪的集成产生了电子全站仪。这种电子全站仪在大地测量及工程测量中发挥着重要作用,但也有一定的局限性。比如,必须在有控制点的情况下才能进行施工放样及测图等,另外作业影响也有限。

然后GPS的优点是大家公知的,不过小编也要在说一下,GPS测量相对于全站仪来说在大范围的控制测量更省时省力,并且对控制点不一定要求互相通视,其授时定位功能也更为优越。

但是GPS也是由缺点的,因为是基于GPS卫星测量的,所以必须保持对卫星通视条件下才能作业,即接收机要面向天空。因此在一些特殊的区域,像城市楼厦林立的地方会受到干扰而不能作业。

所以这个时候,人们发挥了他的聪明才智,将两种技术(GPS与全站仪)集成起来,可以更好的发挥它们的优点和补偿各自的缺点。

这就超站仪,它长这样:

上面是GPS接收机,下面是全站仪。看着比较怪异,见过的人少,用过的人可能更少。

超站仪集合全站仪测角功能、测距仪量距功能和gps定位功能,不受时间地域限制,不依靠控制网,无须设基准站,没有作业半径限制,单人单机即可完成全部测绘作业流程的一体化的测绘仪器。

主要由动态PPP、测角测距系统集成。它克服了目前国内外普通使用的全站仪、GPS、RTK技术的众多缺陷。超站仪可以说是测绘人天马行空的想象力而研发的一款产品,不过说实话小编也没见过实物。

水准仪

水准仪(level)是建立水平视线测定地面两点间高差的仪器。原理为根据水准测量原理测量地面点间高差。

水准仪是在17~18世纪发明了望远镜和水准器后出现的。20世纪初,在制出内调焦望远镜和符合水准器的基础上生产出微倾水准仪。20世纪50年代初出现了自动安平水准仪;60年代研制出激光水准仪;90年代出现电子水准仪或数字水准仪。

我国在1975年进行珠峰测量时,就是用水准仪一步一步测量的,从青岛到珠穆朗玛峰有数千公里,每30米一测使用水准仪进行测量。感兴趣的可以参考小编之前的文章《测绘人披星戴月,万里河山走遍,不是福是奉献》

在大地测量的高差测量仪器中,主要使用气泡式的精密水准仪、自动安平的精密水准仪、数字水准仪以及相应的水准尺等。

说一下水准仪的型号,可能有人在购买水准仪时,看着水准仪的型号标注不知道是什么意思,小编在这里简单的为大家科普一下。

国产水准仪系列标准有DS05、DS01、DS3、DS10、DS20等5个等级。其中“D”和“S”分别为“大地测量”和“水准仪”的拼音首字母,“05”、“1”、“3”、“10”、“20”为该仪器仪毫米为单位的每千米往返高差中数的偶然中误差标称值。

自动安平水准仪在“DS”后加“Z”,“Z”是“自动安平”的拼音第一次个字母。例如用于我国一等水准测量的水准仪最低型号为DS05或DSZ05,二等为DS1或DSZ1。

总的来说,水准仪的特点:读数客观,精度高,速度快,效率高。而且目前对于测量高程,水准仪仍是首选仪器。

总结

曾经有人说,有了全站仪是不是可以取代经纬仪和测距仪,有了超站仪是不是可以取代全站仪和GPS接收机。其实经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪、GPS接收机、超站仪等大地测量仪器都有各自的优缺点,只有各自的适用领域,没有相互取代的说法。

最后,小编总结一下这些仪器的发展历程:

17世纪,意大利科学家伽利略发明了望远镜,人们运用这一发明制造除了水准仪、经纬仪、平板仪等一系列光学测量仪器,为测绘科学掀开了崭新的一页。

人们使用这些光学仪器颗进行高差的测量、水平角、垂直角的测量,完成水准测量、三角网的控制测量、野外绘图等大量测绘工作,是测绘水平得到极大的提高。

20世纪60年代以来,随着科学技术的发展带来了测量技术的革命。应用现代光学、电子学技术研制了激光测距仪。测距仪的应用,逐渐结束了钢尺量距的历史,这不仅大大提高了测量精度和工作效率,还大大降低了野外劳动强度。在控制测量中,使原来单一的三角网发展为边角网和测边网。

70年代以后,以电子计算机为代表的信息技术飞速发展,促使测量仪器的发展产生了质的飞跃。电子经纬仪、全站仪、数字化水准仪先后应运而生买不进实现了测量数据的自动数字显示,还完成了测量数据的存储和运输,迈出了测量自动化、数字化的步伐,90年代以来,GPS测量技术的应用,是传统的大地测量进入了空间大地测量的新时代。

GPS的应用突破了传统大地测量通过测量角度、距离、高差来计算大地平面坐标和高程的概念,而是直接获取平面和高程3维坐标。无论从精度上和作用范围上都大大地超过了传统大地测量的技术。

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