测量学第四版顾孝烈第2章-水准测量.ppt

2-1 高程测量概述7911.一、高程原点 我国采用黄海平均海水面作为全国高程系统的基准面，在青岛设立验潮站和“青岛水准原点”,其高程为 这个高程基准面和水准原点称为：“1985国家高程基准”青岛观象山水准原点792793二、高程测量的方法 水准测量用水准仪进行高差测量,是高程测量的主要方法。三角高程测量量 用经纬仪、测距仪或全站仪测定两点间的高差。GNSS高程测量 用GNSS接收机，收取卫星信号，测定点的高程。三、地面点的高程高程高程高程高程（绝对高程、海拔）（绝对高程、海拔）-地面点到大地水准面的铅垂距离地面点到大地水准面的铅垂距离假定高程假定高程假定高程假定高程（相对高程（相对高程 ）-地面点到假定水准面的铅垂距离地面点到假定水准面的铅垂距离794高差高差 -两点间的高程之差(无论绝对高程或相对高程无论绝对高程或相对高程)795四、水准测量的等级 分一、二、三、四等（按精度要求或控制范围）一等水准测量一等水准测量:作为国家的高程控制作为国家的高程控制,建立统一的高程基准建立统一的高程基准,科学研究科学研究(地壳形变、地面沉降、精密测量）地壳形变、地面沉降、精密测量）二等水准测量二等水准测量:作为大城市的高程控制；地面沉降；作为大城市的高程控制；地面沉降；精密工程测量精密工程测量三、四等水准测量三、四等水准测量:作为小地区高程控制；普通工程测量；地形测量作为小地区高程控制；普通工程测量；地形测量 2-2 水准测量原理 测量测量A A、B B 两点间的高差两点间的高差h h，在，在A A、B B 上竖立水准尺，上竖立水准尺，用水准仪构成一条水平视线，该视线在两尺上取得读数用水准仪构成一条水平视线，该视线在两尺上取得读数 a a 和和 b b 。则。则 A A与与 B B 的高程之差：的高程之差：h hABAB =a a b b（高差高差 h h 有正有负）如已知有正有负）如已知A A点点 高程为高程为 HHA A ，则，则B B点点 的高程：的高程：HB=HA+hAB796797水准测量原理当 Da=Db 时，水准仪至两支水准尺等距水准仪至两支水准尺等距 中间法水准测量中间法水准测量（消除水准面曲率影响）798在山坡地段进行水准测量799连续水准测量（连续安置水准仪的测量方法）（连续安置水准仪的测量方法）两点间距离较长或高差较大时，在两点间设若两点间距离较长或高差较大时，在两点间设若 干个干个转点转点转点转点，分段测量高差，取各分段高差的总和。，分段测量高差，取各分段高差的总和。hAB=h1+h2+.+hn =(a1-b1)+(a2-b2)+.+(an-bn)=a-b一一.水准水准测量的量的仪器与器与工具工具79102-3 水准尺和水准仪水准尺和尺垫 单面尺单面尺水准尺仅一面有分划 双面尺双面尺(黑面,红面，尺常数 或 ）用于三等以下水准测量。塔尺塔尺可伸缩，伸足为3米、5米，用于一般工程测量。尺垫尺垫在转点上立尺用。尺垫 转转点点处处立立水水准准尺尺，用用生生铁铁铸铸成成中中间间突突起起的的三角形基座，防止立尺沉降和高程变动三角形基座，防止立尺沉降和高程变动79112.水准水准仪7912二、水准仪二、水准仪水准仪等级(精度系列)：S05 S1 S3 S10 型号下标：毫米数，表示 1公里往、返测量的高差平 均值的中误差。水准仪构造(主要部分)：望远镜 水准器 支架 基座S3 水准仪外型 S3水准仪 主要用于地形测量和普通工程测量 7913S3水准仪属于微倾式水准仪 按圆水准器初步置平仪器旋转微倾螺旋 管水准器气泡居中视线水平7914微倾置平系统：微倾螺旋 管水准器 符合棱镜水准气泡观察镜791515水准管及符合棱镜结构图 符合棱镜系统使水准气泡符合棱镜系统使水准气泡两端成象在一起便于观察。两端成象在一起便于观察。若直接用肉眼观察则因为若直接用肉眼观察则因为玻璃有厚度，斜视时会产玻璃有厚度，斜视时会产生视差，并要同时观察气生视差，并要同时观察气泡的两端才能判断气泡是泡的两端才能判断气泡是否居中。否居中。用符合棱镜系统观察，可用符合棱镜系统观察，可以避免上述缺点。判断以避免上述缺点。判断“气泡居中气泡居中”的精度约可提的精度约可提高一倍。高一倍。7916符合棱镜的设置符合棱镜的观察窗口气泡居中气泡未居中三、水准仪的使用安置水准仪安置水准仪,用连接螺旋把仪器固定在三脚架上。用连接螺旋把仪器固定在三脚架上。（一）（一）粗平 根据圆水准器气泡，用脚螺旋粗略置平仪器；根据圆水准器气泡，用脚螺旋粗略置平仪器；（二）（二）瞄准 将望远镜对准水准尺，进行目镜和物镜调焦，将望远镜对准水准尺，进行目镜和物镜调焦，使十字丝和尺像清晰；使十字丝和尺像清晰；（三）（三）精平 旋转微倾螺旋，使水准管气泡严格居中；旋转微倾螺旋，使水准管气泡严格居中；（四）（四）读数 按十字丝的中横丝在水准尺上读数。按十字丝的中横丝在水准尺上读数。7917水准尺读数方法：用十字丝的横丝在 水准尺上读数：米,分米,厘米,毫米 每次读四位数,首位 米数是“0”也必须 读数和记录，例如：0875 表示是 米，或 875毫米。7918尺上读数 1575水准管的校水准管的校正螺正螺丝像片像片7919圆水准器脚螺旋（一）粗平用连接螺旋把仪器固定在三脚架上，固定两个架腿，动第三个架腿，使三脚架架头大致水平；转动脚螺旋，使圆水准器的气泡居中。7920根据圆水准器用脚螺旋整平仪器（左手拇指法则）123321使气泡向右移动使气泡向前移动（二）瞄准 物镜的作用：使目标成象。物镜的作用：使目标成象。目镜的作用：使十字丝和目标象放大。目镜的作用：使十字丝和目标象放大。十字丝固定。为了使仪器适用于不同视力的人旋转目镜可十字丝固定。为了使仪器适用于不同视力的人旋转目镜可以使其前后移动，称为以使其前后移动，称为 目镜调焦目镜调焦目镜调焦目镜调焦。转动物镜调焦螺旋，使远近不同的目标都能成象于十字丝转动物镜调焦螺旋，使远近不同的目标都能成象于十字丝平面上，称为平面上，称为 物镜调焦物镜调焦物镜调焦物镜调焦。视差：如果目标象没有落在十字丝面上，则当观测员的眼视差：如果目标象没有落在十字丝面上，则当观测员的眼睛上下左右移动时，会感到目标象与十字丝之间有相对错睛上下左右移动时，会感到目标象与十字丝之间有相对错动。这种现象称为视差，视差影响瞄准的精度。重新进行动。这种现象称为视差，视差影响瞄准的精度。重新进行目镜调焦和物镜调焦，使其都十分清晰，可以目镜调焦和物镜调焦，使其都十分清晰，可以 消除视差消除视差消除视差消除视差。7921水准管的校水准管的校正螺正螺丝像片像片7922目镜调焦环缺口和准星物镜调焦螺旋水平方向微动螺旋圆水准器水准管微倾螺旋脚螺旋气泡符合观察镜7923视差现象：改变眼睛与目镜的相对位置，十字丝与目标的像有相对移动视差产生原因：望远镜内目标像与十字丝 分划板未重合。消除视差的步骤：目镜调焦，使十字丝最清晰；物镜调焦，使目标像最清晰，消除视差。符合棱镜系统 把水准气泡两 端成象在一起 便于观察。7924（三）精平（用微倾螺旋使水准管气泡符合）气泡居中气泡未居中微倾螺旋转动方向用符合棱镜系统观察，判断“气泡居中”的精度可以提高。（用区格式水准尺）7925（四）读数水准尺的分划不是线划式而是区格式的。区格的边缘是分划的位置，区格内的毫米数用“估读”方法。水准尺读数：（1575）瞄准与瞄准与读数数7926 bc对水准尺的瞄准与读数（望远镜正像）a读数读数 07450745读数读数 62546254读数读数 15351535读数：读数：正像望远镜，在水准尺上正像望远镜，在水准尺上“从下往上从下往上”读；读；倒像望远镜，倒像望远镜，“从上向下从上向下”读：读：米米(m)(m)位与分米位位与分米位(dm)(dm)位直读标尺上的数字，位直读标尺上的数字，厘米位厘米位(cm)(cm)为数格子，毫米为数格子，毫米(mm)(mm)位为估读。位为估读。而而水准尺读数精度关键在毫米位！水准尺读数精度关键在毫米位！双面尺红黑面读数差为双面尺红黑面读数差为 62956295 -1608-1608 =46874687，称为称为“尺常数尺常数”。7927倒像望远镜倒像望远镜 对对双面尺读数双面尺读数7928在区格式水准尺上的各种读数 （倒像双面尺配合水准仪倒像望远镜）7929四、自动安平水准仪（一）（一）自动安平水准仪的特点1.没有水准管和微倾螺旋，望远镜和支 架连成一体；2.测量时，只需根据圆水准器粗平仪器，视线的精平由补偿器完成。7930（二）自动安平水准仪基本原理 （利用重力的补偿器使视线精平）补偿条件：DSZ2 自动安平水准仪79317932Zeiss Koni007自动安平水准仪补偿器结构补偿器结构Zeiss Reni 002A精密自动安平水准仪7933002A自动安平水准仪内部结构（光学部件的光路和补偿器）7934目镜目镜物镜物镜 重力重力补偿器补偿器圆水准器7935用自动安平水准仪沿山区道路进行精密水准测量2-4 水准测量的方法及成果处理一、水准点和水准路线（一）（一）水准点水准点永久性水准点埋设要求：永久性水准点埋设要求：地基稳固地基稳固 地点隐蔽地点隐蔽 能长期保存能长期保存 又便于观测又便于观测7936（二）水准路线1.1.支水准路线支水准路线2.2.闭合水准路线闭合水准路线3.3.符合水准路线符合水准路线7937（高程已知点和待定点的各种布置形式）二、水准测量方法（一）（一）两次仪器高法两次仪器高法 (安置两次仪器，高差安置两次仪器，高差 10cm)10cm)已知已知 H HA A，求，求 H HB B，两次测得高差：两次测得高差：7938a1bab2h1=a1-b1 h2=a2-b2h1-h2=f 5mm21容许高差之差：高差取平均 两次仪器高法 每站观测两次高差，以检核观测数据的正确性,两次不同仪器高度的水平视线，对后视和前视水准尺读数。(改变仪器高度应在10cm以上)两 次 高 差 之 差 应 小 于 5mm，否 则 应 重 测；观测成果合格，则取两次高差之平均数，观测步骤（顺序）：后视 前视 (改变仪器高）前视 后视 上述观测顺序简称为:“后后前前前前后后”79397940测站点号水准尺读数高 差平距高差改正后高差高程后 视前 视1BM.A113413.4281011TP11677-0.5431554-0.543-0.5432TP114441624TP21324+0.1201508+0.116+0.118表表2-2 2-2 水准测量记录水准测量记录(两次仪器高法两次仪器高法)二、水准测量方法（二）（二）双面尺法（用黑红双面水准尺，在尺子两面读数）（用黑红双面水准尺，在尺子两面读数）已知HA，求HB7941a1b1a2b2h1=a1-b1h2=a2-b2h1-h2=f 5mm双面尺法 读取每一支水准尺的黑面和红面分划读数，读取每一支水准尺的黑面和红面分划读数，前、后视尺的黑面读数计算出一个高差，前、后视尺的黑面读数计算出一个高差，前、后视尺的红面读数计算出另一个高差，前、后视尺的红面读数计算出另一个高差，两次高差之差应小于两次高差之差应小于5mm5mm，否则应重测。，否则应重测。观测成果合格，则取其平均数。观测成果合格，则取其平均数。观测步骤（顺序）：观测步骤（顺序）：瞄准后视点水准尺黑面分划瞄准后视点水准尺黑面分划精平精平读数；读数；瞄准前视点水准尺黑面分划瞄准前视点水准尺黑面分划精平精平读数；读数；瞄准前视点水准尺红面分划瞄准前视点水准尺红面分划精平精平读数。读数。瞄准后视点水准尺红面分划瞄准后视点水准尺红面分划精平精平读数；读数；上述观测顺序简称为：上述观测顺序简称为：“后后前前前前后后”79427943测站点号水准尺读数高 差平均高差改正后高差高 程后 视前 视1BM.A11253.6885911（4785）TP1（4786）0876+0.2495661+0.250+0.2502TP113186103（4786）BM.B（4785）1006+0.3125792+0.311+0.3124.253 表2-3 准测量记录（双面尺法）三、水准测量成果整理（一）高差闭合差计算0（闭合水准）HB HA=H终-H始（附合水准）无（支水准）支水准路线无闭合差，所以采用往、返观测79447945A123B-HAHB高差闭合差计算数例：高差闭合差的允许值高差闭合差的允许值（L L以公里为单位）以公里为单位）7946（二）高差闭合差的分配 按水准路线测段长度为比例分配 高差闭合差：每公里分配值测段分配值，l i为测段长（km）7947水准测量成果整理数例：2-5 水准仪的检验和校正水准仪的轴线：望远镜视准轴望远镜视准轴水准管轴水准管轴纵轴纵轴圆水准轴圆水准轴7948一、水准仪的轴线及其应满足的条件水准仪的轴线:视准轴视准轴：十字丝分划中心 与物镜光心的连线 CC1 水准管轴水准管轴：经过水准管 零点的切线 L L1 纵轴纵轴:仪器旋转轴 V V1 圆水准轴圆水准轴:经过圆水准管 零点的法线 L L17949 水准仪应满足的条件:（1 1）圆水准器轴平行）圆水准器轴平行 于仪器纵轴：于仪器纵轴：LLLL1 1 V V V V1 1（2 2）十字丝的横丝）十字丝的横丝 垂直于纵轴垂直于纵轴 （3 3）水准管轴平行）水准管轴平行 于视准轴：于视准轴：L L1 C C17950（水准仪主要条件）（水准仪主要条件）1二、水准仪检验和校正（一）圆水准器的检验与校正（一）圆水准器的检验与校正 1.1.圆水准器检验：圆水准器检验：圆水准器检验：圆水准器检验：（如何发现误差？）（如何发现误差？）（1 1）将圆水准器气泡居中；（）将圆水准器气泡居中；（2 2）将仪器绕纵轴旋转）将仪器绕纵轴旋转180180度。如度。如果气泡仍然居中，则圆水准器轴平行仪器纵轴。否则，圆水准果气泡仍然居中，则圆水准器轴平行仪器纵轴。否则，圆水准器轴不平行仪器纵轴。器轴不平行仪器纵轴。7951 2.圆水准器校正：圆水准器校正：转动校正螺丝，使气泡返回移动量的一半。（气泡移动量一半代表纵轴的倾斜度。）重复上述检验和校正一重复上述检验和校正一 二次，使误差尽可能二次，使误差尽可能小。7952圆水准器校正螺丝圆水准器校正螺丝(4)(4)（二）十字丝的检验和校正 1.1.检验：检验：检验：检验：用圆水准器使纵轴垂直后，用十字丝的横丝照准某一用圆水准器使纵轴垂直后，用十字丝的横丝照准某一清晰目标清晰目标P P。用微动螺旋左右转动望远镜。用微动螺旋左右转动望远镜,如果十字丝如果十字丝的横丝一直不离开目标，则横丝水平。否则需要校正。的横丝一直不离开目标，则横丝水平。否则需要校正。2.2.校正：校正：校正：校正：松开十字丝环松开十字丝环的固定螺丝，的固定螺丝，转动十字丝环，转动十字丝环，使横丝水平。使横丝水平。7953（三）水准管轴平行于视准轴的检验和校正影响影响影响影响：如果水准管轴不平行视准轴（其夹角为如果水准管轴不平行视准轴（其夹角为 )，则读数误差：，则读数误差：则此误差对高差的影响为则此误差对高差的影响为检验检验检验检验：在正常视线长在正常视线长2 2 倍的两端固定两根水准尺，其间距为倍的两端固定两根水准尺，其间距为2S2S。仪器架于中点，测量两端点的高差作为标准值仪器架于中点，测量两端点的高差作为标准值 把仪器移至一个端点，再测量两端点的高差把仪器移至一个端点，再测量两端点的高差 7954水准管轴不平行视准轴的校正 如果如果 h h2 2h h 表明水准管轴不平行视准轴，引起远尺表明水准管轴不平行视准轴，引起远尺读数读数 h h2 2 有误差。而近尺上的读数有误差。而近尺上的读数,由于距离很近由于距离很近,受水受水准管轴不平行视准轴误差的影响很小，因此准管轴不平行视准轴误差的影响很小，因此h h1 1是正确的是正确的。水准管轴的校正：水准管轴的校正：转动微倾螺旋转动微倾螺旋,使望远镜中横丝对准远尺正确的读数：使望远镜中横丝对准远尺正确的读数：7955这时水准管轴随着倾斜，这时水准管轴随着倾斜，用水准管的上下校正螺用水准管的上下校正螺丝使气泡重新居中。丝使气泡重新居中。或不用微倾螺旋，而拨动十字丝上下校正螺丝使横丝或不用微倾螺旋，而拨动十字丝上下校正螺丝使横丝对准正确读数。对准正确读数。17956 水准管校正水准管校正方法1：校正水准管 计算计算A A尺水平视线读数：尺水平视线读数：a a2 2=h h +b b2 2 转动微倾螺旋，使横丝瞄准读数：转动微倾螺旋，使横丝瞄准读数：a a2 2 校正水准管气泡居中，校正水准管气泡居中，LLLL水平（水平（LL/CCLL/CC）重复检验直至符合要求。重复检验直至符合要求。1水准管的校水准管的校正螺正螺丝像片像片7957水准管的一端用校正针拨动上下一对水准管的校正螺丝水准管的校正水准管的校水准管的校正螺正螺丝像片像片7958需要校正十字丝时，逆时针转动而卸下望远镜目镜罩，即可看到十字丝校正螺丝。79592134下十字丝下十字丝校正螺丝校正螺丝上十字丝上十字丝校正螺丝校正螺丝方法2：校正十字丝 调整十字丝环上、下校正螺丝，使横丝对准读数 a2,使 CC水平,从而使 LL/CC。保持水准管气泡居中,即 LL水平；卸下望远镜目镜罩；十字丝环十字丝环（一）精密水准尺精密水准尺特点：精密水准尺特点：木质尺身木质尺身 因瓦钢带因瓦钢带 分划式长度刻划分划式长度刻划 左右两列注字左右两列注字79602-6 精密水准仪和电子水准仪一、精密水准仪和水准尺水准管格值小水准管格值小(=(=7 710),10),气泡长气泡长,符合精度高；符合精度高；望远镜放大倍率大：望远镜放大倍率大：V V 30304040瞄准精度高：瞄准精度高：（15/15/V V）测微器精细测微器精细,读数读数精度高：精度高：高倍率放大高倍率放大高倍率放大高倍率放大 楔形丝夹准分划楔形丝夹准分划楔形丝夹准分划楔形丝夹准分划 平行玻璃测微平行玻璃测微平行玻璃测微平行玻璃测微7961（二）精密水准仪7962WILD N3、精、精密水准尺密水准尺WILD N3 精密水准仪精密水准尺7963精密水准仪和水准尺水准尺：因瓦钢带水准尺：因瓦钢带 +分划式刻划分划式刻划读数：高倍瞄准读数：高倍瞄准 +平行玻璃板测微分划尺平行玻璃板测微分划尺79647965二、二、电子水准仪和条码水准尺（电子水准仪又称数字水准仪）电子水准仪功能：具有自动安平功能；自动显示水平视线读数和视距；通过物镜获取水准尺图象，通过 仪器的图像处理系统，将图象信息 转换成数字显示，和数据记录；能与计算机实现数据通讯。因此，基本避免了人为的观测误差（视差、水准器精平误差、瞄准误 差、读数误差和记录差错）。电子水准子水准仪图7966电子水准仪 SDL30M条条码码尺尺测量键测量键7967要求竖丝要求竖丝位于条码位于条码带上带上电子水准仪对条码尺的瞄准7968条码水准尺的竖立、支撑和尺垫放置。7969天宝 Dini12 精密电子水准仪7970 Dinil2 的主要特点:水准测量精度 /km /km；PCMCIA 数据存贮或在线数据存贮,静态的30cm电子视场;补偿器置平精度：0.2/0.5 望远镜放大倍率：32/26字母与数字键盘；能进行线路平差计算。7971 主要特点:0.4mm PCMCIA 卡数据存贮 和内部数据存贮 120的电子视场 补偿器置平精度：0.3/0.5 放大倍率：32/30 字母数字输入键盘 5m 标尺 120的视场角 Topcon DL-101/102电子水准仪7972主要特点主要特点测量精度：0.6mm 内部数据存贮：2000个点观测数据电子视场：120补偿器置平精度：0.3放大倍率：32 索佳 SDL30 电子水准仪其改进型号为SDL1X7973遥控器遥控器7974电子水准仪SDL1X的测量屏幕(与传统的水准测量记录格式相似)B-后视F-前视 BFFB-后,前,前,后2-7 水准测量的误差分析 水准测量测量误差主要有四种：水准测量测量误差主要有四种：仪器轴系误差影响；仪器轴系误差影响；仪器置平误差影响；仪器置平误差影响；水准仪下沉影响；水准仪下沉影响；水准尺倾斜和下沉影响。水准尺倾斜和下沉影响。水准仪的轴系误差影响水准仪的轴系误差影响 主要是准管轴与视准轴不平行主要是准管轴与视准轴不平行(i(i角误差角误差)LLLL CCCC 观测时尽量使前后观测时尽量使前后 视距相等。视距相等。7975水准仪置平误差的影响设 为气泡不居中误差，引起读数误差：7976必须精平仪器，使水准管气泡严格居中。对于自动安平水准仪，必须注意补偿器的自由悬挂。水准尺倾斜和下沉影响水准尺倾斜和下沉影响 水准尺必须竖直，水准尺在视线方向倾斜，观测者不会发觉。视线越高，影响越大。当观测者瞄准水准尺时，尺上的圆水准器气泡必须居中。水准尺下沉，使尺上读数增大，产生读数误差。水准测量的转点需用尺垫，尺垫必须踩实，才能避免沉降。7977外界环对水准测量的影响外界环对水准测量的影响1.日光和风力的影响 日光照射到水准仪时，使仪器部件受热不匀，产生不规则膨胀，破坏仪器轴线的正常关系，使置平、读数产生误差。因此，必须撑伞防晒。2.大气折光的影响 日光照射地面，使近地空气升温产生对流，视线通过时产生折射，使望远镜中成像不稳定。成像晃动时，应停止观测。7978测量学第二章 水准测量与水准仪7979放映结束