第2章 水准测量.ppt

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1、第二章 水准测量,2-1 高程测量概述,77,1,一、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 72.2604m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,77,2,77,3,二、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 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（绝对高程、

2、海拔）- 地面点到大地水准面的铅垂距离假定高程（相对高程 ）- 地面点到假定水准面的铅垂距离,77,4,高差 - 两点间的高程之差(无论绝对高程或相对高程),77,5,四、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:   作为国家的高程控制,建立统一的高程基准,   科学研究(地壳形变、地面沉降、精密测量）,二等水准测量:   作为大城市的高程控制；地面沉降；   精密工程测量,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, 2-2  水准测量原理,测量A、B 两点间的高

3、差h，在A、B 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 a 和 b 。则 A与 B 的高程之差：hAB = a b（高差 h 有正有负）如已知A点  高程为 HA ，则B点  的高程：       HB= HA+ hAB,77,6,77,7,水准测量原理,当 Da=Db时，,水准仪至两支水准尺等距  中间法水准测量,（消除水准面曲率影响）,77,8,在山坡地段进行水准测量,77,9,连续水准测量（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  干个转

4、点，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,h1,h2,h3,h4,h5,hAB,一.水准测量的仪器与工具,77,10,2-3 水准尺和水准仪,一、水准尺和尺垫  单面尺水准尺仅一面有分划  双面尺(黑面,红面，尺常数  4.687m 或 4.787m ）  用于三等以下水准测量。,塔尺可伸缩，伸足为3米、  5米，用

5、于一般工程测量。  尺垫在转点上立尺用。,尺垫  转点处立水准尺，用生铁铸成中间突起的三角形基座，防止立尺沉降，引起高程变动。,77,11,2.水准仪,77,12,二、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      

6、;                    主要用于地形测量和普通工程测量,77,13,望远镜,望远镜,水准管,支架,支架,基座,基座,圆水准,水准管的校正螺丝像片,77,14,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,水准管校正螺丝,微倾螺旋,脚螺旋,气泡符合观察镜,S3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,77,15,微倾置平系统：  微倾螺旋  管水准器 &nb

7、sp;符合棱镜水准气泡观察镜,圆水准器,微倾螺旋,管水准器,符合棱镜,气泡观察镜,77,16,水准管及符合棱镜结构图,符合棱镜,水准管,水准气泡观察镜,圆水准器,微倾螺旋,符合棱镜系统使水准气泡两端成象在一起，便于观察。若直接用肉眼观察则因为玻璃有厚度，斜视时会产生视差，并要同时观察气泡的两端才能判断气泡是否居中。用符合棱镜系统观察，可以避免上述缺点。判断“气泡居中”的精度约可提高一倍。,77,17,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,用连接螺旋把仪器固定在三脚架上。（一）粗平   根据圆水准器气泡，用脚螺旋粗略置平仪器；（二）瞄准

8、   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；（三）精平   旋转微倾螺旋，使水准管气泡严格居中；（四）读数   按十字丝的中横丝在水准尺上读数。,77,18,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 0.875米，或 875毫米。,77,19,尺上读数 1575,水准管的校正螺丝像片,77,2

9、0,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。,77,21,根据圆水准器用脚螺旋整平仪器,（左手拇指法则）,1,2,3,3,2,1,相对转动脚螺旋1、2使气泡向右移动,转动脚螺旋3使气泡向前移动,（二）瞄准,物镜的作用：使目标成象。,77,22,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以使其前后移动,称为目镜调焦。,转动物镜调焦螺旋，使远近不同的目标都能成象于十字丝平面上，称为 物镜调焦。,视差：如果目标象没有落在十字丝面上，则当观

10、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移动。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 消除视差。,视差,77,23,视差现象：眼睛在目镜前上下左右微动时，   十字丝与目标的像也有相对移动。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，可以消除视差。,十字丝与目标像重合,十字丝与目标像未重合,符合棱镜系统 把水准气泡两 端成象在一起 便于观察。,77,24,（三）精平（用微倾螺旋使水准管气泡符合）,气泡居

11、中,气泡未居中,微倾螺旋转动方向,用符合棱镜系统观察,能精确判断“气泡居中”。,（用区格式水准尺）,77,25,（四）读数,水准尺的分划不是线划式而是区格式(1cm为一区格)。,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：1.575（1575）,瞄准与读数,77,26,对水准尺的瞄准与读数   纵丝瞄准尺子中线（望远镜正像）,a,正像望远镜，在水准尺上“从下往上”读；    倒像望远镜，“从上往下”读。    米(m)位与分米(dm)位直读标尺上的数字，厘米位(cm)为数格子而得，毫米(mm)位为估读。   &

12、nbsp;水准尺读数精度关键在估读的毫米位！,77,27,倒像望远镜    对双面尺读数,双面尺红黑面读数差为 6295 -1608 = 4687，              称为“尺常数”,77,28,倒像望远镜在区格式水准尺上的各种读数：,77,29,四、自动安平水准仪,（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。3.操作方便，有利于观测得的速度和精度。,DSZ2自动安平水准仪,7

13、7,30,目镜,目镜,物镜,测微螺旋,物镜调焦螺旋,水平方向微动螺旋,测微平行玻璃板,物镜调焦螺旋,圆水准器,DSZ2水准仪,DSZ2加装测微器,77,31,（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：,视准轴水平,视准轴倾斜,使水平视线经补偿器仍到达十字丝中心,水平视线,Zeiss Reni 002A 精密自动安平水准仪,77,32,物镜,物镜调焦螺旋,测微螺旋,操作按钮,圆水准器观察镜,水平方向微动螺旋,脚螺旋,目镜调焦螺旋,002A自动安平水准仪内部结构   （光学部件的光路和补偿器）,77,33,目镜,物镜,重力补偿器,

14、圆水准器,测微系统,反射镜,电池,77,34,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）水准点永久性水准点埋设要求：    地基稳固    地点隐蔽    能长期保存    便于观测,77,35,代表高程的球面标志,（二）水准路线,1.支水准路线2.闭合水准路线3.附合水准路线,77,36,高程已知点  和待定点  的各种布置形式:,二、水准测量方法,（一）两次仪器高法 (安置两次仪器，高差 > 10cm)已知 HA，求 HB

15、，两次测得高差：,77,37,a1,b,a2,b2,h1 = a1 - b1,h2 = a2 - b2,h1- h2 = f 5mm,1,容许高差之差：,两次高差取平均,A,B,h,两次仪器高操作方法       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（

16、顺序）：          后视    前视    (改变仪器高）          前视    后视   上述观测顺序简称为“后前前后”,77,38,77,39,表2-2   水准测量记录(两次仪器高法),一站的操作程序:,后视读数,前视读数,计算第一次高差,计算第二次高差,计算平均高差,前视读数,后视读数,二、水准测量方法,（二）双面尺法    用黑红双面水准尺，在尺子两面读数。  

17、已知HA,求HB,77,40,a1,b1,a2,b2,h1= a1- b1,h2= a2- b2,h1- h2 = f 5mm,A,B,h,双面尺法操作方法   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黑面高差；前、后视尺的红面读数计算出红面高差，   两次高差之差应小于5mm；同一尺的红黑面读数之差应小于尺常数3mm；否则，该测站读数应重测。   观测成果合格，则取红、黑面高差的平均数。,77,41,观测步骤（顺序）：     瞄准后视点水准尺黑面分划精平读数；     瞄准前视点水准尺黑面分划精平

18、读数；     瞄准前视点水准尺红面分划精平读数。     瞄准后视点水准尺红面分划精平读数； 上述观测顺序简称为：“后前前后”,77,42,表2-3    水准测量记录（双面尺法）,一站的操作程序:,后视黑面尺,前视黑面尺,计算黑面高差,计算红面高差,计算平均高差,前视红面尺,后视红面尺,计算尺常数,计算尺常数,三、水准测量成果整理,（一）高差闭合差计算,0,（闭合水准线路）,HB HA= H终H始,（附合水准线路）,无,（支水准）,支水准路线无闭合差，所以应采用往、返观测计算闭合差：,77,43,77,44,A,1,2,3,B,+

19、2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,HA=45.286m,HB=49.579m,高差闭合差计算数例:（图2-25）,高差闭合差的允许值：,（L以公里为单位）,77,45,（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(改正每测段的高差观测值)：,每公里改正值(L为路线总长),测段改正值（ l  i为测段长(km),77,46,水准测量成果整理数例：,表2-4,2-5  水准仪的检验和校正,水准仪的轴线：  望远镜视准轴水准管轴纵轴圆水准轴,77,47,一、水准仪的

20、轴线及其应满足的条件：,水准仪轴线的定义:,视准轴：十字丝中心与物镜光心的连线CC1 水准管轴：经过水准管零点的切线 L L1 纵轴:仪器旋转轴      V V1 圆水准轴:经过圆   水准管球面中   心的法线 L' L1,77,48,水准仪轴线应满足的条件:（1）圆水准器轴平行   于仪器纵轴：       LL1 V V1（2）十字丝的横丝   垂直于纵轴 （3）水准管轴平行   于视准轴：      L L1   C C1,77

21、,49,1,二、水准仪检验和校正,（一）圆水准器的检验与校正 1.圆水准器检验：（如何发现误差？）（a）将圆水准器气泡居中；（b）将仪器绕纵轴旋转180度。如果气泡仍然居中，则圆水准器轴平行仪器纵轴。否则，圆水准器轴不平行仪器纵轴。,77,50,2.圆水准器校正  先略松固定螺丝，然后      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  二次，使误差尽可能小，   最后转紧固定螺丝。,77,51,圆水准器校正螺丝(4),圆水准器固定螺丝(3),（二）十字丝的检验和校

22、正,1.检验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P。用微动螺旋左右转动望远镜,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。   2.校正松开十字丝环的固定螺丝，转动十字丝环，使横丝水平，转紧固定螺丝。,77,52,水准管的校正螺丝像片,77,53,十字丝的校正,（三）水准管轴平行于视准轴的检验和校正,检验：在相距6080m的A、B两点上竖立水准尺，水准仪架于中点C，两次测量两点的高差作为标准值h1，把仪器移至一个端点B，再测量两端点的高差h2 。,77,54,水准管轴不平行视准轴的校正,如果 h2h 表明水准管轴不平行视准轴，引起远尺读数 h2 有误差

23、。而近尺上的读数受视准轴误差的影响很小，因此h1是正确的。校正方法有二：,77,55,这时水准管轴随着倾斜，用水准管的上下校正螺丝(图中4,5)使气泡重新居中。,1,1.校正水准管(方法一)    转动微倾螺旋，使望远镜中横丝对准远尺的正确读数：,2.校正十字丝(方法二)    拨动十字丝上下校正螺丝使横丝对准正确读数。,水准管的校正螺丝像片,77,56,校正水准管   (方法一),水准管的校正端,77,57,2,1,3,4,十字丝下校正螺丝,十字丝上校正螺丝,校正十字丝(方法二),调整十字丝环上、下校正螺丝，使横丝对准读数 a2,使 CC水平

24、,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,（一）精密水准尺,精密水准尺特点：  木质尺身  因瓦钢带        分划式长度刻划  左右两列注字,77,58,2-6 精密水准仪和电子水准仪,一、精密水准仪和水准尺,特点:水准管格值小(=10),气泡符合精度高；望远镜放大倍率大：  V 3040瞄准精度高：  （15/ V）测微器精细,读数精度高：高倍放大 楔形丝夹准分划 平行玻璃测微,77,59,（二）精密水准仪,77,60,WILD N3、精密水准尺,

25、WILD  N3 精密水准仪,精密水准尺,WILD N3 水准仪的内部结构,77,61,精密水准仪的水准尺读数,水准尺：因瓦钢带上印制分划式刻划水准仪读数：高倍瞄准，平行玻璃板测微,77,62,精密水准尺,测微平行玻璃,测微螺旋,测微尺,77,63,N3精密水准仪读数示例:,用测微螺旋使楔形丝夹准尺上某一分划望远镜视场读数1.94m,测微器视场读数0.00368m,水准尺完整读数1.94368m,77,64,二、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  

26、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）。,电子水准仪图,77,65,电子水准仪 SDL30M,条码水准尺,测量键,显示屏,目镜,操作按钮,77,66,电子水准仪对条码尺的瞄准,77,67,条码水准尺的竖立、支撑和尺垫放置。,77,68,天宝 Dini12 精密电子水准仪,77,69,Dinil2 的主要特点: 水准测量精度 0.3mm / km 0.7mm / km；PCMCIA 数据存贮或在线数据存贮,静态的30cm电子视

27、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。,77,70,主要特点测量精度：   0.6mm 1.0mm/km 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SDL1X,电子水准仪SDL1X在进行遥控观测,77,71,遥控器,观测视线,77,72,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  (Back) &nb

28、sp;F -前视 (Forward),BFFB观测次序为 后,前,前,后,后视屏幕,前视屏幕,自动计算屏幕(1),自动计算屏幕(2),2-7 水准测量的误差分析,水准测量测量误差主要有四种： 仪器轴系误差影响 仪器置平误差影响 水准仪下沉影响 水准尺倾斜和下沉影响,77,73,水准仪的轴系误差影响  主要是准管轴与视准轴不平行(i角误差)     LL CC  观测时尽量使前后视距相等，以抵消轴系误差。,水准仪置平误差的影响,设水准管分划值 202mm ，水准气泡偏离居中0.5格,则100m的视距引起读数误差：   1000.520/20626

29、50.005m5mm,77,74,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。,77,75,外界环境对水准测量的影响,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；视线必须高出地面0.2m以上。,77,76,测量学第二章  水准测量与水准仪,77,77,放映结束,