《工程测量》水准测量.ppt

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1、,内容回顾,水准测量原理 水准仪的结构：三部分 水准尺：直尺，双面注记， 红黑面差常数：4.687，4.787 DS3级微倾式水准仪的操作步骤： 安置粗平瞄准精平读数 自动安平式水准仪的操作步骤： 安置粗平瞄准读数,第五节 水准测量方法,一、水准测量外业 二、水准测量的检核 三、水准测量的内业计算,水准测量的等级,水准测量分为一等、二等、三等、四等四个等级，以一等精度最高。 上一等水准测量成果作为下一等水准测量的起算依据。 为满足测图以及一般工程测量的需要，还须进行测区的高程控制加密，采用普通水准测量方法，也称图根水准测量或等外水准测量(本章主要介绍)。,一、水准测量外业,选线（level l

2、ine） 埋设水准点（benchmark） 外业观测（observation）,1.水准路线:单一水准路线、水准网,附合水准路线,闭合水准路线,支水准路线,单一水准路线：,水准网,单节点附合网,多节点独立网,2.水准点,用水准测量方法建立的高程控制点 (Bench Mark) 。常以BM表示,其顶部通常为凸起的半球面, 用于放置水准尺。 永久性：国家、城市等级水准点 临时点：工程用水准点,点之记,3.观测步骤：一个测站上的观测程序,距离起点A大约100米处，选定转点TP1的位置 安置仪器于A、TP1中间，距离A、TP1等距离处 立水准尺于后视A点、前视TP1点上 观测后视尺、前视尺读数：粗平、

3、瞄准、精平、读数，(后视读数a1, 前视读数b1) 记录并计算高差,第一测站高差： h1=a1-b1,其余测站以此类推,h2=a2-b2 . hn=an-bn,各式相加得： h= a- b,未知点高程： HB=HA+ h,记录和计算基本格式,1.364,0.979,1.259,0.712,1.278,0.566,0.653,1.864,+0.385,+0.547,+0.712,-1.211,+0.433,54.206,54.639,4.554,4.121,二、水准测量的检核,计算检核：检查计算错误 h= a- b HB -HA = h 测站检核：检查观测误差和记录计算错误 双仪高法：变动仪高法

4、 双面尺法：红黑面尺法 线路成果检核：检查成果观测误差和记录计算错误 高差闭合差是否满足精度要求,2.测站检核两次仪器高法（双仪高法）,a1,b1,a2,b2,h1=a1-b1,h2=a2-b2,如果： f= h1-h2=6mm 那么： hAB= (h1+h2)/2,A,B,双仪高法图示,水准测量记录（两次仪器高法）,2.测站检核双面尺法,h1=a1-b1,h2=a2-b2,f= h1-（h20.100）6mm,hAB= (h1+h20.100)/2,如果：,那么：,两尺常数不一致时，考虑两尺常数差 0.100米。,水准测量记录（双面尺法）,测站,水准尺读数,点号,后视,前视,高差,( h )

5、,平均高,差,改正后,高差,高,程,（,H,）,1,A,1125,10.000,TP.1,1318,6,103,TP.2,1324,-0.006,2,6013,+0.090,-0.008,3.成果检核：线路高差闭合差的检核,由于受自然条件如温度、风力、大气折光等的影响，以及尺垫和仪器下沉引起的误差、尺子倾斜和估读的误差、仪器本身的误差等影响，成果精度必然降低。这些误差在一个测站上反映并不明显，但随着测站数的增多使误差累积，可能会超过规定的限差。也有可能会发生尺垫被移动，造成高程传递的错误。因此，用上述方法所测得的高程，虽经过测站检核和计算检核，也不能说明其高程精度符合要求。为此可以拟定某种路线

6、，获得一定的条件以检核成果的正确性。,闭合水准路线,实际上：,理论上：,令：,有：,闭合水准路线分析：,结论：闭合水准路线具有严密的检核条件。,附合水准路线,附合水准路线分析：,理论上：,实际上：,令：,有：,结论：附合水准路线具有严密的检核条件。,支水准路线,支线水准路线分析：,理论上：,实际上：,令：,有：,结论：支水准路线往返观测具有严密性。,支线水准路线不严密，必须作往返测！,小结-水准线路理论值,附合水准线路： h理论= HB - HA 闭合水准线路: h理论= HA - HA = 0 支水准线路: h理论 (往） = -h理论（返）,3,成果检核规范：线路高差闭合差,线路高差闭合差

7、：fh = h观测- h理论 fh容许 对于等外水准测量： fh容许=12n(mm) 山地 fh容许=40L(mm) 平原,高差闭合差的计算： 附合水准线路： fh =h观测-(HB - HA) 闭合水准线路: fh =h观测 支水准线路: fh =h观测(往） +h观测（返）,黑面 a-b= h黑=-0.014 红面 a-b= h红=-0.119 平均高差之和 h= (h黑+ h红+0.100)/2= -0.016,-0.016,-0.014 -0.119,7.247 30.988,7.233 30.869,计算 检核,55.352,E BMA,5,D E,4,C D,3,+0.174,+0

8、.176 +0.272,1387 6076,1563 6348,B C,2,成果检核： 高差闭合差 fh=h =-0.016m =-16 fh容,55.352,+1.547,+1.548 +1.446,0964 5754,2512 7200,BMA B,1,备注,高程/m,平均高差/m,高差/m,前视读数,后视读数,测点,测站,闭合水准线路,（对于等外水准测量）,三、水准测量的内业,目的：对测量误差进行处理（测量平差）得到未知水准点的高程的最可靠值（最或是值）。 测量误差水准路线高差闭合差 步骤： 检查外业成果 闭合差的计算与检核 高差闭合差的调整与检核 改正后高差的计算与检核 待定点高程的计

9、算与检核,水准测量的内业计算步骤,3.改正后高差的计算与检核：,或,fh =h观测- h理论 fh容许,1.高差闭合差的计算与检核：,2.高差闭合差的调整与检核：,4.待定点高程的计算与检核：,每测站或每公里高差改正数（v0)的计算,举例：附合水准路线测量,2.高差闭合差的计算与检核：在检核外业观测成果合格的条件下。,fh=hi-(HB-HA)=4.918-(62.906-58.012)=+0.024m,假设是山地等外水准测量，所以,所以，|fh| fh容|，野外测量成果符合精度要求,1.检核外业观测成果,本例总测站数为n=20,则每一测站的改正数为：,v0=- fh/ n=-24/20=-1

10、.2mm,各测段的改正数为：,vi=- (fh/ n).ni =v0.ni,如第一测段：v1=-1.27=-8mm,3.高差闭合差的调整与检核 因为在同一条水准路线上，可以认为观测条件是相同的，则各测站产生的误差的机会相等，故闭合差的调整可按与测站数成正比例的分配原则进行。但要注意改正数的符号与闭合差的符号相反。,检核： 改正数的总和应与闭合差的绝对值相等，符号相反。 v= =- fh 4.改正后的高差的计算与检核 各测段实测高差加改正数，便得到改正后的高差， 检核 改正后高差之和应与理论高差相等，否则说明计算有误。,5.待定点高程的计算 根据检核过的改正后的高差，由起始点A开始，逐点推算出各

11、未知点的高程。 =58.012+4.355=62.367m 检核： 最后算得的B点高程应与已知的B点高程相等，否则说明计算有误。,附合水准测量内业计算表,1.高差闭合差的计算与检核,2.每公里改正数计算 每测段改正数的计算与检核,举例：附合水准测量内业计算：,计算无误,4.未知点高程计算与检核,3.改正后高差的计算与检核,计算无误,实验二 水准测量,二、计划与设备 1实验安排2 学时，实验小组由4 5人组成。 2实验设备每组为水准仪一台，水准尺2根，尺垫2个，记录板1块，自备伞1把。 3实验场地选定一条闭合水准路线，其长度以安置4 6个测站为宜，中间设待定点。 4从已知水准点A出发，水准测量至

12、B、C点，然后再测至A点（或另一个水准点）。根据已知点高程（或假定高程）及各测站的观测高差，计算水准路线的高差闭合差，并检查是否超限。对闭合差进行调整，求出待定点B、C的高程。记录计算在记录纸上。,一、目的与要求 1掌握普通水准测量的观测、记录和检核的方法。 2掌握水准测量的闭合差调整及求出待定点高程。,三、方法与步骤 1背离已知点方向为前进方向，在A、B、C点间要设若干转点。第1站安置水准仪在A点与转点1（拼音缩写ZD1、英文缩写TP1）之间，前、后距离大约相等，其距离不超过100米。 2操作程序是后视A点上的水准尺，精平，用中丝读取后尺读数，记入实验报告中。前视转点1上的水准尺，并精平读数

13、，记入表中。然后立即计算该站的高差。 3迁至第2站，继续上述操作程序，直到最后回到A点（或另一个已知水准点）。 4根据已知点高程及各测站高差，计算水准路线的高差闭合差，并检查高差闭合差是否超限，其限差公式为：,式中：n 测站数 L 水准路线的长度，以km为单位。 5若高差闭合差在容许范围内，则对高差闭合差进行调整，计算各待定点的高程。,四、注意事项 1在每次读数之前，要消除视差，并使符合水准气泡严格居中。 2在已知点和待定点上不能放置尺垫，但转点必须用尺垫，在仪器迁站时，前视点的尺垫不能移动。 3.上交资料：实验数据、实验报告，以小组为单位装订成册上交。实验报告见测量实验与实习附录三,水准测量

14、记录表,待定点高程计算表,自动安平水准仪不需要水准管和微倾螺旋，只有一个圆水准器，安置仪器时，只要使圆水准器的气泡居中后，借助一种“补偿器”的特别装置，使视线自动处于水平状态。,第三节 自动安平水准仪（automatic level）,一.自动安平水准仪特点,自动安平水准仪反面,自动安平水准仪正面,二.补偿器的种类,悬吊十字丝 调在焦镜筒至十字丝之间的光路中安置一个补偿器 在常规水准仪的物镜前安装单独的补偿附件,自动安平水准仪安平的工作原理,采用悬吊光学棱镜，借助重力的作用达到视线自动补偿的目的。,3-直角棱镜 4-屋脊棱镜 5-直角棱镜 8-阻尼器,自动安平水准仪的构造,原理说明：,角和角都

15、是很小的角值. 如能满足fd即能达到补偿的目的。,3-直角棱镜 4-屋脊棱镜 5-直角棱镜 8-阻尼器（空气、磁）,三.自动安平水准仪操作步骤：,1. 用圆水准器使气泡居中； 2.望远镜瞄准水准尺； 3.横丝上读数； 4.轻轻按动目镜下方的补偿器控制按钮，如果读数无变化，说明补偿器正常；如果读数变化，则需检修补偿器。,一、数字水准仪自动安平水准仪+分光镜+探测器 +条码标尺+图像处理系统 二、特点：1.读数客观； 2.精度高； 3.速度快； 4.效率高。,第四节 数字水准仪（digital levels）,Trimble DiNi 12 数字水准仪,数字水准仪及条形码尺,条码水准尺,配套使用的

16、是按一定规则编码的条码水准尺， 它的反面是普通的水准尺刻划，因此，也可进行普通水准测量。 条码水准尺一种是铟瓦带尺，其长度多为1m、2m和3m，正面刻有条码，反面无刻划；一种是用玻璃钢或铝合金制成双面尺，正面为条码分划，反面为区格数字分化，其长度多为4m和5m的多节尺。 编码法：二进制、4（16）进制、周期循环码、双向随机码,望远镜,基座 脚螺旋,自动安平补偿器,调焦螺旋 制动、微动螺旋,调焦发送器：计算概略视距值； 补偿监视器：监测安平补偿器的工作状态 分光镜 ：将由物镜进入的光分为可见光和红外光 行阵探测器：识别水准尺上的条码，进行读数,三、数字水准仪基本构造,四、数字水准仪的读数原理,当

17、用望远镜照准标尺并调焦后，标尺上的条形码影像入射到分光镜上；分光镜将其分为可见光和红外光两部份，可见光影像成像在分划板上，供目视观测； 红外光影像成像在CCD线阵光电探测器上(探测器长约6.5mm，由256个口径为25m的光敏二极管组成，一个光敏二极管就是线阵的一个像素)，探测器将接收到的光图像通过A/D转换数字信号； 传送给仪器的处理器，通过与机内事先存储好的标尺条形码本源数字信息进行相关比较，当两信号处于最佳相关位置时，即可获得水准尺上的水平视线读数和视距读数，最后将处理结果存储并送往屏幕显示。 解码：相关法、几何法、相位法,相 关 法 原 理,几 何 法 原 理,四进制码、16进制编码,

18、粗读数,精读数 -视线高 -视距,五、使用方法,液晶显示窗,数 据 存 储 卡,控 制 键 盘,六、激光水准仪（laser level）,DSJ3系列是在普通DS3水准仪上加设一套半导体激光发射系统，为DS3水准仪提供了一条可见的红色水平激光束。它与原水准仪望远镜视准线保持同轴、同焦。,广泛地用于隧道挖掘、管道铺设、水坝工程、船舶制造、飞机制造、大型机械安装、桥梁施工、各种室内装潢等平面操平。,第六节 水准仪的检验与校正 Inspection and correction,微倾式水准仪的轴线之间应该满足的三项几何条件：,1、圆水准器轴平行于竖轴 2、十字丝横丝垂直于竖轴 3、水准管轴平行于视准

19、轴,其中第三个是主要条件.,一、 圆水准器轴应与仪器的旋转轴平行的 检验与校正,1检验原理：如图 2. 检验方法：粗平，转动仪器180度，看圆水准器是否居中。 3. 校正:圆水准器下部的校正螺钉,圆水准器下部的校正螺钉,二、 十字丝横丝垂直于竖轴的检验和校正,1、检验:安置好仪器，粗平后，用十字丝横丝对准一个明显的点状目标，固定制动螺旋，转动水平微动螺旋。若p点沿横丝移动，则条件满足，不需校正，否则校正。 2、校正：,a2,a2,b2,a1,b1,三、水准管轴平行于视准轴的检验和校正,1、检验：场地安排如图：,h,2、步骤,(1) 在AB中点S1处安置水准仪，精确测定A、B两点之高差（测站检核

20、，两次高差互差3mm以内，取其平均值hAB作为最后结果。) hAB。 （2）安置仪器于S2处，离B点约3m左右，精平后读得B点水准尺上读数为b2,因为仪器离B点很近，两轴不平行引起的读数误差可以忽略不计。根据b2和AB两点的正确高差hAB算出A点尺上应有读数为： （3）然后，瞄准A点水准尺，读出水平视线读数a2,如果a2与a2相等，则说明两轴平行，否则，存在i角，其值为：,对于DS3级微倾水准仪，i角不得大于20，如果超限，则需要校正。 校正：校正水准管校正螺钉、校正十字丝,校正水准管,校正水准管,a. 计算A尺水平视线读数： a2=b2+h b. 转动微倾螺旋，使横丝瞄准读数 a2 ：CC水

21、平 c. 校正水准管气泡居中：LL水平（LL / CC） d. 重复检验直至符合要求。,a.保持水准管气泡居中即LL水平； b.调整十字丝环上、下校正螺丝，使横丝对准 读数 a2即CC水平，从而LL / CC。,校正十字丝,自动安平水准仪的检验和校正(自学）,视准轴位置正确性的检验 自动安平补偿性能的测定 自动安平精度的测定,数字水准仪的检定(自学）,光学水准仪、自动安平水准仪的检验； 电子视准轴的检验： Foerstner、Naebauer、Kukkamaek、Japan,第七节 水准测量误差分析及注意事项,一、水准测量误差分析 1.仪器误差 2.观测误差 3.外界环境的影响 二、水准测量注

22、意事项 1.观测 2.立尺 3.记录,1.仪器误差,(1)水准仪校正后的残余误差：如i角误差。 对一测站高差的影响 例如： 允许前后视之差10m，则当i角残余误差为20时，其影响为：,人眼的估读误差：1/10的刻划，即1cm的1/10，即为1mm； 所以保持前后视距之差10m。,(2)水准尺误差：刻划误差，零点差，尺长变化等 A、尺要检验合格：刻划、尺长、弯曲情况； B、尺的零点差：磨损，测段以偶数站结束。,2. 观测误差,(1) 瞄准误差：如视差，应该消除。 (2) 读数误差：水准尺上估读毫米的误差，与望远镜放大倍率、人眼分辨能力、视线长度有关。,(3) 气泡居中误差：水准管分划值为，居中误

23、差一般为0.15，符合式水准器，气泡居中精度可以提高一倍，故居中误差m为,2. 观测误差,（4）扶尺误差：水准尺倾斜，读数增大，如果水准尺倾斜角.,=330，尺上1m处，产生2mm读数误差.,(1)仪器下沉，视线下沉， 观测顺序：“后-前-前-后”，,3.外界环境的影响:,黑尺读数： h黑a1b1 红尺读数： h红a2 b2 黑红均值： ha1b1a2b2,结论：抵消或减弱。熟练，加快观测速度,（2）标尺的沉降误差(leveling rod settlement) 每次搬站，尺垫下沉，则下一站后视读数 a2a2 同理，a3 a3 即：系统误差抵消。 结论：往返观测。,3.外界环境的影响:,3.

24、外界环境的影响:,(3) 强光直射的影响 仪器各部件受热不均匀； 影响仪器整平。 结论： 撑伞遮阳。 (4)地球曲率和大气折光的影响:球气差(f=c-r),地球曲率和大气折光的影响,把水准面看作圆球面,地球曲率对水准尺上读数的影响分别用 c1，c2(ME,NF)表示-称为球差改正。,由于大气折光的影响，实际视线不是水平直线，而是曲线。实际视线的形状十分复杂，但当视线不太长时，可将其当做圆弧看待。大气折光的影响分别用r1, r2 (MM,NN)表示-称为气差改正。,地球曲率对一根水准尺上读数的影响,大气折光对一根水准尺上读数的影响,设通过仪器中心的水准面的半径为，仪器至水准尺的弧长为，地球曲率对

25、水准尺上读数的影响为c。,设弯曲视线的曲率为 ，此处k为折光系数。由于R远远大于R，故k小于1。,地球曲率与大气折光对读数的联合影响用f表示，称为球气差改正，简称两差改正。,地球曲率和大气折光的影响,球气差f:,当前、后视距离D1,D2相等时，f1与f2互相抵消。,二、水准测量注意事项,造成水准测量中的事故或精度达不到要求而返工的原因往往是由于对工作不熟悉和不够细心。为此要求测量人员除了对工作应极端负责以外,还应注意水准测量的要点。今将观测、记录和立尺工作中的注意事项分述如下：,二、水准测量注意事项,(1)观测之前仪器必须经过认真的检验和校正。 (2)仪器放到三脚架头上后，应立即把连接螺旋旋紧

26、，以免仪器从三脚架上掉下来，且做到人不离仪； (3)仪器应安置在土质坚实之处，并将三脚架踩紧，防止仪器下沉； (4)水准仪至前、后视水准尺的距离应尽量相等；,1、观测,(5)每次读数标望远镜必须严格消除视差；水准管气泡要严格居中，读数时要仔细、果断、迅速，大数(米、分米、厘米)不要读错，毫米数要估读正确；读数后还要检查精平. (6)晴天阳光下，应撑伞保护仪器； (7)搬站时，将三脚架收拢，用一只手握住三脚架，另一只手托住仪器，稳步前进；远距离搬运时，仪器应装箱，扣上箱盖，防止仪器受意外损伤。,二、水准测量注意事项,(1)转点应选在土质坚实的地方，立尺前必须将尺垫踏实。 (2)水准尺必须竖直，水

27、准尺上如无水准管，当尺上读数在15m以上时，应采用摇尺法，使观测员读取尺上最小读数。 (3)水准仪搬站时，作为前视点的立尺员应保护好作为转点的尺垫，使不受碰动，保持稳定。,2、立尺,二、水准测量注意事项,3、记录,(1)听到观测员读数后，要正确记入相应的后视或前视栏，并要边记边回报数字，记录应记在规定的表格中，不得转抄； (2)字体要清晰、端正，如果记录有错，不准用橡皮擦，应在错误数据上划斜线后再重写。 (3)每站高差必须当场计算，检核合格后，才通知观测员搬站。,二、水准测量注意事项,小结,水准测量的原理， 水准仪的构造和基本操作， 水准测量的实施，外业和内业 水准测量的误差分析。 作业： P50-52 2，3，4，16，20,水准测量实验、预习、思考 ：,4月18日上课改实验：到实验楼1楼领仪器做实验。提前十分钟到。 预习：实验报告，实验指导书实验2， 思考： 课后思考题,