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!- 幻灯片1 大地测量学基础 6-1国家高程基准与国家高程控制网的建立 一、国家高程基准 1、高程基准面 通常采用大地水准面作为高程基准面。 大地水准面 1956年黄海高程系统，1985年国家高程基准。 2、水准原点------青岛 1956年黄海高程系统，水准原点的高程值72.289m 1985年国家高程基准，水准原点的高程值72.2604m 两系统相差-0.0286m 幻灯片2 二、国家高程控制网建立的基本原理 1、国家高程控制网布设的基本原则 1）从高到低、逐级控制 2）水准点分布应满足一定的密度 3）水准测量应达到足够的精度 4）一等水准网应定期复测 2、国家水准网的布设方案及精度要求 大地测量学基础 幻灯片3 3、水准路线的设计、选点和埋石 4、我国国家水准网布设概况 分三期： 1976年以前完成，以1956年黄海高程系统为基准。 1976年至1990年完成，以1985年国家高程基准为基准的一二等网。 1990年后进行的国家一等水准网的复测和局部地区二等水准。 国家一等水准网共布设289条路线，总长度93360km，全网有100个闭合环和5条单独路线，共埋设固定水准标石2万多座。 国家二等水准网共布设1139条路线，总长度136368km，全网有822个闭合环和101条附合路线和支线，共埋设固定水准标石33000多座。 大地测量学基础 幻灯片4 国家一二等水准网分等级平差，一等水准网先将大陆的进行平差，再求海南岛的结果。二等是以一等水准环为控制进行平差计算的。一等水准网每隔15～20年复测一次。 三四等水准，加密，布设成附合路线，并尽可能互相交叉，构成闭合环。 三、城市和工程建设高程控制网 大地测量学基础 幻灯片5 6-2精密水准仪与水准尺 一、精密水准仪和水准尺的特点 1、精密水准仪及分类 大地测量学基础 配重器 测微器 拓普康水准仪 测微轮 调焦螺旋 水平微动 幻灯片6 大地测量学基础 尼康S1水准仪 幻灯片7 大地测量学基础 国产S1水准仪 幻灯片8 大地测量学基础 测微器 幻灯片9 2、精密水准仪的主要特点 1）结构特点 ①高质量的望远镜光学系统。 ②坚固稳定的仪器结构。 ③高精度的测微器装置。 ④高灵敏的管水准器。 ⑤高性能的补偿器装置。 2）精密水准尺特点 ①当空气的温度和湿度发生变化时，水准尺分划之间的长度必须保持稳定，或仅有微小的变化。 ②水准尺的分划必须十分正确与精密，分划的偶然误差和系统误差都应很小。 ③水准尺在构造上应保证全长笔直，并且尺身不易发生长度和弯曲等变形。 ④在精密水准尺的尺身上应附有圆水准器装置。 ⑤为了提高对水准尺分划的照准精度，水准尺分划的形式和颜色与水准尺的颜色相协调，一般精密水准尺都为黑色条分划，和浅黄色尺面相配合，有利于观测时对水准尺分划精确照准。 精密水准尺上的分划注记形式一般有两种： 一种是尺身上刻有左右两排分划，右边为基本分划，左边为辅助分划。基本分划的注记从零开始，辅助分划的注记从某一常数K开始，K称为基辅差。K=301.55 幻灯片13 大地测量学基础 幻灯片14 另一种是尺身上两排均为基本划分，其最小分划为10mm，但彼此错开5mm。尺身一侧注记米数，另一种侧注记分米数。这种水准尺上的注记数字比实际长度增大了一倍，即5cm注记为1dm。因此使用这种水准尺进行测量时，要将观测高差除以2才是实际高差。 大地测量学基础 幻灯片15 精密水准仪测微器的读数 大地测量学基础 拓普康水准仪测微器 幻灯片16 大地测量学基础 尼康水准仪测微器 幻灯片17 二、数字水准仪简介 1、发展概况 为实现水准仪读数的数字化，人们进行了近30年尝试，如蔡司厂的RENI 002A已使测微器读数能自动完成，但粗读数还需人工读出并按键输入，与精读数一起存入存储器，因此还算不上真正的电子水准仪。 大地测量学基础 幻灯片18 1990年威特厂首先研制出数字水准仪NA2000。可以说，从1990年起，大地测量仪器已经完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高技术产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数的这一最后难关。 大地测量学基础 到1994年蔡司厂研制出了电子水准仪DiNi10/20，同年拓普康厂也研制出了电子水准仪DL101/102。这意味着电子水准仪也将普及，并开始了激烈的市场竞争。 幻灯片19 电子水准仪具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点，因此它投放市场后很快受到用户青睐。 大地测量学基础 2、电子水准仪的基本原理 它采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。目前照准标尺和调焦仍需目视进行。 幻灯片20 人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（又称探测器）上，即线阵CCD器件上，供电子读数。因此，如果使用传统水准标尺，电子水准仪又可以象普通自动安平水准仪一样使用。不过这时的测量精度低于电子测量的精度。特别是精密电子水准仪，由于没有光学测微器，当成普通自动安平水准仪使用时，其精度更低。 大地测量学基础 幻灯片21 当前电子水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法： 1）相关法（徕卡NA3002/3003） 2) 几何法（蔡司DiNi10/20） 3) 相位法（拓普康DL101C/102C） 4）比例调制载码相位测量（武汉大学，叶晓明） 大地测量学基础 幻灯片22 CCD的含义：中文译为电子耦合组件(charged coupled device)，它就像传统相机的底片一样，是感应光线的电路装置，你可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投射到ccd表面时，ccd就会产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存起来。ccd像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。 大地测量学基础 幻灯片23 大地测量学基础 幻灯片24 三、自动安平水准仪 1、自动安平水准仪的补偿原理 光学补偿器 大地测量学基础 由于视准轴倾角α和偏转角β都很小，所以： 如果 ，则 也就是说，如果光学补偿器安置在望远镜像方光路上的f/2处，当偏转角β等于两倍视准轴倾斜角α时，补偿器 能得到正确的补偿。 幻灯片25 同样，若补偿器能使来自水平的光线平移量a=fα，则平移后的光线也将正确地进入十字丝分划O1处，从而得到正确补偿的目的。 大地测量学基础 幻灯片26 2、Ni002自动安平水准仪 大地测量学基础 幻灯片27 1）光学测微器 Ni002精密自动安平水准仪的测微器，是使物镜在与视线严格正交的直线导轨中移动，则视线作平移而达到测微目的。如图5-21。 2）光学补偿器 大地测量学基础 作为视线倾斜补偿的元件悬挂在位于物镜焦距的二分之一处。补偿元件是两面都镀有反射膜的平面反射摆镜3(见图5—21)，当仪器倾斜时，平面反射摆镜可以作自由摆动，最终静止在垂直位置上。 幻灯片28 大地测量学基础 由图5—23(a)可见，当视准轴水平时，来自水平方向的光线，通过物镜，经处于垂直位置的平面反射摆镜的反射，而正确投射在物镜前端的十字丝分划板上，也就是水平视线在水准标尺上的读数的分划线，构像在十字丝分划板上。 当仪器的视准轴倾斜时，平面反射摆镜经摆动后最后静止在位置S，如图5-23(b)所示。对来自水平方向的光线经平面反射摆镜的反射正确投射在十字丝分划板上，即将水平视线在水准标尺上读数的分划线构像在十字丝分划板上。由图5—23(b)看出，倾斜光线经过物镜，由静止在位置S的平面反射摆镜的反射，将不能投射在物镜前的十字丝分划板上。 幻灯片29 由于补偿器的构造和装配不够完善，平面反射摆镜最终不能完全精确地静止在垂直位置上，因而会引起平面反射摆镜倾斜的误差影响。为了有效地消除这种误差影响，平面反射摆镜可以绕轴旋转180，在作业时可以使用平面反射摆镜的两个位置进行观测，在两个摆位观测的平均值中可以消除这种误差影响，如图5-24所示。这种方法实际上和经纬仪使用盘左盘右去消除视准差是同一性质的。 大地测量学基础 幻灯片30 四、普通精密水准仪 1、Wild N3精密水准仪 大地测量学基础 幻灯片31 2、Zeiss Ni004精密水准仪 大地测量学基础 幻灯片32 3、国产S1水准仪 大地测量学基础 幻灯片33 6-3精密水准仪和水准标尺的检验 一、精密水准仪的检验 作业前应检验的项目： ⑴检视 ⑵概略水准器的检校 ⑶光学测微器隙动差和分划值的测定 ⑷气泡式水准仪交叉误差的测定 ⑸气泡式水准仪i角检校 ⑹双摆位自动安平水准仪摆差2C的测定 新购仪器，望远镜调焦透镜运行误差的测定；倾斜螺旋隙动差、分划误差和分划值的测定；自动安平仪器补偿误差和磁致（磁性感应）误差的测定。 1、光学测微器隙动差和分划值的测定 测定光学测微器分划值的基本思想：利用一根分划值经过精密检定的特制分划尺和测微器分划尺进行比较求得。 测定测微器分划值的具体方法： 首先在选定相距5～6m的两点处，分别安置水准仪和树立特制分划尺。特制标尺在水准尺上可以上下移动，水准尺应置于稳固的尺桩和尺台上。本项检验应选在成像清晰的时间段进行，往返观测，5个测回组成一个观测组，共观测3组。具体步骤： 1）整置仪器，瞄准水准标尺，使用倾斜螺旋使气泡居中，在一个测回中严格保持倾斜螺旋的位置不变； 2）旋转测微螺旋，使测微器读数在10小格附近，指挥扶尺者将特制尺上下移动，直到楔形丝夹准一个分格，然后固定特制分划尺，并在一个测回中保持不变； 3）进行往测：旋进测微螺旋，用楔形丝先后夹准特制分划尺两相邻分划线，读取并记录分划线编号和相应测微器读数； 4）进行返测：返测应在往测后立即进行，按相反的次序旋出测微器螺旋使楔形丝夹准往测时所用的相邻的分划线，读取并记录分划线编号和相应的测微器读数。 每完成两个测回，应将特制分划尺稍加移动，或变更仪器高度，以便削减特制分划尺分划线系统误差的影响。按规范要求，实测格值与名义格值之差，即测微器分划线偏差应小于0.001mm，否则应送厂检修。 光学测微器隙动差的测定：比较旋进和旋出测微螺旋，照准特制分划尺上同一分划线在测微器分划尺的读数，如果读数差Δ超过2格时，表明测微器效用不正确，其主要原因是由于测微器装置不完善。所以为了避免这种误差的影响，一般规定在作业时只采用旋进方向进行读数。 2、视准轴与水准轴相互关系的检验与校正 视准轴与水准轴必须满足相互平行这一重要条件，但一般视准轴与水准轴既不在同一平面内，也不互相平行，而是二条空间直线，在垂直平面上投影的交角，称为i角误差，在水平平面上投影的交角，称为φ角误差，也叫交叉误差。 ⑴i角误差检验与校正 幻灯片37 测定方法：P232 大地测量学基础 要求 幻灯片38 规范规定的检验方法： 大地测量学基础 幻灯片39 ⑵交叉误差的检验 步骤：1）仪器安置（如图） 大地测量学基础 2）整平，旋转微倾螺旋是符合气泡符合。 3）将照准方向一侧的脚螺旋1升高2周，2作等量降低，此时观察并记录水准气泡的偏移方向和大小； 4）旋转1、2复位，气泡两端恢复符合位置； 5）将照准方向一侧的脚螺旋2升高2周，1作等量降低，此时观察并记录水准气泡的偏移方向和大小。 结果分析： 当垂直轴向两侧倾斜时，水准气泡的影像仍保持符合，则仪器不存在i角误差和交叉谆差；若水准气泡同向偏移且偏移量相等，则仅有i角误差，而没有交叉误差；若同向偏移但偏移量不相等，则i角误差大于交叉误差；若异向偏移且偏移量不相等，则交叉误差大于i角误差；若异向偏移且偏移量相等，则仅有交叉误差，而没有i角误差。 根据上面的分析，若仪器垂直轴向两侧倾斜，水准气泡有异向偏移情况，则有交叉误差存在，水准规范规定偏移量大于2mm时，须进行交叉误差的校正。 校正的方法是：先将水准器侧方的一个改正螺旋松开，再拧紧另一侧的一个改正螺旋，使水准气泡向左右移动，直至气泡影像符合为止。 3、倾斜螺旋隙动差和分划值的测定 测定倾斜螺旋分划值的基本思想： 大地测量学基础 幻灯片41 室内进行，在距离D处竖立水准标尺，气泡符合，旋转倾斜螺旋，当水准标尺上读数由移至之间的距离为Δl时倾斜螺旋转了Δg格， 大地测量学基础 而倾斜螺旋一个分格的值μ为 4、调焦透镜运行误差的测定 场地的选择：以A为圆心30m为半径作圆，在圆弧上依次布设0、1、2、3、4、5点，使各点至0的弦长分别为10m、20m、30m、40m、50m。在各点打入木桩，以便立尺。 幻灯片42 大地测量学基础 观测过程： 1）在A点上整置仪器，观测各点以求各点对0点的高差 ，往返观测构成一测回，要求观测4测回，各测回要求用脚螺旋变更仪器高，4测回中不能变动焦距 。 2）在0点上整置仪器，观测各点，往返观测4个测回，方法同上。 幻灯片43 计算方法： ⑴计算各点（1,2,3,4,5）对于0点的高差Hi(i=1,2,3,4,5) 大地测量学基础 Hi=L0-Li L0和Li是仪器在A点时照准点0和其余各点4测回（各点共8个）读数的中数。 ⑵计算0点仪器视线高度hi hi=Hi+Mi Mi是仪器在0点时照准其余各点4测回（各点共8个）读数的中数。 ⑶计算0点仪器视线的平均高度hm 如果调焦时，视准轴方向保持不变且与水准轴平行，则 幻灯片44 如果视准轴与水准轴不平行，而存在i角，则各hi与hm不等，其差数Δi=hi-hm；如果调焦透镜运行正确，则Δi将由两部份误差影响组成：一是i角的影响，当距离为si时，其误差为sitgi或siK；另一部是观测误差和其它误差的影响δ。对于各点可列出下列方程式 大地测量学基础 法方程式 由于 ，解得 幻灯片45 规范规定： 大地测量学基础 5、双摆位自动安平水准仪摆差2c的测定 双摆位自动安平水准仪Ni004，观测时如果摆镜不能完全精确地静止在垂直位置，则会引起由于摆镜倾斜而对观测产生影响。 要求2c≤40″ R2a为摆2位置时A标尺读数（5次）的平均值；R1a为摆1位置时A标尺读数（5次）的平均值；R2b为摆2位置时B标尺读数（5次）的平均值；R1b为摆1位置时B标尺读数（5次）的平均值。 幻灯片46 6、自动安平水准仪补偿误差的测定 检验步骤： 大地测量学基础 二、精密水准标尺的检验 作业前检验项目： 1、水准标尺分划面弯曲差的测定 2、标尺名义米长及分划偶然中误差的测定 3、一对水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定 6.4精密水准测量的主要误差来源及其影响 水准测量误差一般可分： 1仪器误差： 2外界因素： 3观测误差：一、视准轴与水准轴不平行的误差 1、i角的误差影响 ⑴与视距成正比。 ⑵一个测站的影响： 大地测量学基础 ⑶一个测段的影响 ⑷视距差的规定，视距累积差的规定： 设i=15″，δs=0.1mm由上式可得： 2、φ角误差的影响 3、温度变化对i角的影响 在观测的较短时间内，由于受温度的影响，i角与时间成比例地均匀变化，采用观测方法： 奇数站：后（基）——前（基）——前（辅）——后（辅） 偶数站：前（基）——后（基）——后（辅）——前（辅） 大地测量学基础 二、水准标尺长度误差的影响 1、水准标尺每米长度误差的影响 f水准标尺每米间隔平均真长误差 对一个测站高差应加的改正数 对一个测段高差应加的改正数 幻灯片50 2、两水准标尺零点差的影响 大地测量学基础 a标尺零点差为Δa，b标尺零点差为Δb. 设偶数站 三、仪器和水准标尺（尺台或尺桩）垂直位移的影响 1、仪器下沉 2、水准标尺（尺台或尺桩）下沉 进行往返测，高差取平均后水准标尺（尺台或尺桩）下沉的误差影响可大大减少。往返测尽可能路线相同。 6.5精密水准测量的实施 一、精密水准测量作业的一般规定 (1)观测前30分钟，应将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致；观测时应用测伞遮蔽阳光；迁站时应罩以仪器罩。 (2)仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等，其差应小于规定的限值。 (3)对气泡式水准仪，观测前应测出倾斜螺旋的置平零点，并作标记，随着气温变化，应随时调整置平零点的位置。对于自动安平水准仪的圆水准器，须严格置平。 (4)同一测站上观测时，不得两次调焦；转动仪器的倾斜螺旋和测微螺旋，其最后旋转方向均应为旋进，以避免倾斜螺旋和测微器隙动差对观测成果的影响。 (5)在两相邻测站上，应按奇、偶数测站的观测程序进行观测，对于往测奇数测站按“后前前后”、偶数测站按“前后后前”的观测程序在相邻测站上交替进行。返测时，奇数测站与偶数测站的观测程序与往测时相反，即奇数测站由前视开始，偶数测站由后视开始。这样的观测程序可以消除或减弱与时间成比例均匀变化的误差对观测高差的影响，如i角的变化和仪器垂直位移等影响。 (6)在连续各测站上安置水准仪时，应使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，而第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。 (7)每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准标尺应互换位置，并应重新整置仪器。在水准路线上每一测段仪器测站安排成偶数，可以削减两水准标尺零点不等差等误差对观测高差的影响。 (8)每一测段的水准测量路线应进行往测和返测，这样，可以消除或减弱性质相同、正负号也相同的误差影响，如水准标尺垂直位移的误差影响。 (9)一个测段的水准测量路线的往测和返测应在不同的气象条件下进行，如分别在上午和下午观测。 (10)使用补偿式自动安平水准仪观测的操作程序与水准器水准仪相同。观测前对圆水准器应严格检验与校正，观测时应严格使圆水准器气泡居中。 (11)水准测量的观测工作间歇时，最好能结束在固定的水准点上，否则，应选择两个坚稳可靠、光滑突出、便于放置水准标尺的固定点，作为间歇点加以标记，间歇后，应对两个间歇点的高差进行检测，检测结果如符合限差要求(对于二等水准测量，规定检测间歇点高差之差应(1.0mm)，就可以从间歇点起测。若仅能选定一个固定点作为间歇点，则在间歇后应仔细检视，确认没有发生任何位移，方可由间歇点起测。 二、精密水准测量观测 1．测站观测程序 往测时，奇数测站照准水准标尺分划的顺序为： 后视标尺的基本分划；前视标尺的基本分划；前视标尺的辅助分划；后视标尺的辅助分划。 往测时，偶数测站照准水准标尺分划的顺序为： 前视标尺的基本分划；后视标尺的基本分划；后视标尺的辅助分划；前视标尺的辅助分划。 返测时，奇、偶数测站照准标尺的顺序分别与往测偶、奇数测站相同。 按光学测微法进行观测，以往测奇数测站为例，一测站的操作程序如下： (1)置平仪器。气泡式水准仪望远镜绕垂直轴旋转时，水准气泡两端影像的分离，不得超过1cm，对于自动安平水准仪，要求圆气泡位于指标圆环中央。 (2)将望远镜照准后视水准标尺，使符合水准气泡两端影像近于符合(双摆位自动安平水准仪应置于第1摆位)。随后用上、下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数(如表5-4中的(1)和(2))。视距读取4位，第四位数由测微器直接读得。然后，使符合水准气泡两端影像精确符合，使用测微螺旋用楔形平分线精确照准标尺的基本分划，并读取标尺基本分划和测微分划的读数(3)。测微分划读数取至测微器最小分划。 (3)旋转望远镜照准前视标尺，并使符合水准气泡两端影像精确符合(双摆位自动安平水准仪仍在第1摆位)，用楔形平分线照准标尺基本分划，并读取标尺基本分划和测微分划的读数(4)。然后用上、下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数(5)和(6)。 (4)用水平微动螺旋使望远镜照准前视标尺的辅助分划，并使符合气泡两端影像精确符合(双摆位自动安平水准仪置于第Ⅱ摆位)，用楔形平分线精确照准并进行标尺辅助分划与测微分划读数(7)。 (5)旋转望远镜，照准后视标尺的辅助分划，并使符合水准气泡两端影像精确符合(双摆位自动安平水准仪仍在第Ⅱ摆位)，用楔形平分线精确照准并进行辅助分划与测微分划读数(8)。 大地测量学基础 幻灯片58 2、水准测量限差要求： 大地测量学基础 三等 ≦3 ≦6 ≤1.0 ≤1.5 幻灯片59 3、水准测量的精度 大地测量学基础 6.6精密跨河水准测量 一、跨河水准测量的特点及跨越场地的布设 特点：由于跨越障碍物的视线较长，使观测时前后视线不能相等，仪器i角误差的影响随着视线长度的增长而增大，致使由短视线后视减长视线前视读数所得高差中包含有较大的i角误差影响；跨越障碍的视线大大加长，必然使大气垂直折光的影响增大，这种影响随着地面覆盖物、水面情况和视线离水面的高度等因素的不同而不同，同时还随空气温度的变化而变化，因而也就随着时间而变化；视线长度的增大，水准标尺上的分划，在望远镜中观察就显得非常细小，甚至无法辨认，因而也就难以精确照准水准标尺分划和无法读数。 幻灯片60 跨河水准测量场地如按图5-45布设或5-46或5-47 大地测量学基础 幻灯片61 二、观测方法 大地测量学基础 1、光学测微法 2、倾斜螺旋法 大地测量学基础 幻灯片63 3、经纬仪倾角法 大地测量学基础