控制测量课件第五章高程控制测量1.ppt

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1、第五章 高程控制测量,5.1 国家高程基准 5.2 国家高程控制网建立的基本原理 5.3 城市和工程建设高程控制测量 5.4 精密水准仪 5.5 精密水准仪和水准尺的检验 5.6 精密水准测量的主要误差来源及其影响 5.7 精密水准测量的实施 5.8 跨河精密水准测量 5.9 正常水准面不平行性及其改正数计算 5.10 水准测量的概算 5.11 三角高程测量,本章提要：,本章提要,重点精密水准仪与水准尺、精密水准测量 的实施、三角高程测量 难点正常水准面不平行性及其改正数计算,本章讲述高程控制网的布设，精密水准测量、三角高程测量。目的是解决高程控制点位置的测定问题。内容涉及国家高程基准、高程控

2、制网的布设、精密水准仪与水准尺、精密水准测量的主要误差来源及其影响、精密水准测量的实施、正常水准面不平行性及其改正数计算、水准测量的概算、三角高程测量,位置适中,半日潮有规律,不在江河入海口,海面开阔、无岛礁,海底平坦，水深在10m以上,高程基准面就是地面点高程的统一起算面，因此通常采用大地水准面作为高程基准面。 大地水准面是假想海洋处于完全静止的平衡状态时的海水面延伸到大陆地面以下所形成的闭合曲面。 1956年黄海高程系统(1950-1956) 1985年国家高程基准(1952-1979) ,1988年1月1日开始启用。,.1 国家高程基准,水准原点-青岛观象山,1956年黄海高程系统，水准

3、原点的高程值72.289m 1985年国家高程基准，水准原点的高程值72.260m 两系统相差-0.0286m,主点原点、参考点和副点共6个点组成水准原点网。,国家控制网布设的目的和任务： 一是在全国领土上建立统一的高程控制网，为地形图测绘和各项建设提供必要的高程控制基础。 二是为地壳垂直运动、平均海面倾斜及其变化和大地水准面形状等地球科学研究提供精确的高程数据。,5.2国家高程控制网建立的基本原理,一、国家高程控制网的布设原则： 1.从高级到低级、逐级控制；,5.2国家高程控制网建立的基本原理,国家水准网分4个等级布设，一、二等水准测量路线是国家的精密高程控制网。一等水难测量路线构成的一等水

4、准网是国家高程控制网的骨干，同时也是研究地壳和地面垂直运动以及有关科学问题的主要依据，每隔1520年沿相同的路线重复观测一次。构成一等水准网的环线局长根据不同地形的地区，一般在1000一2000 km之间。我国一等水准网由289条路线组成，其中284条路线构成100个闭合环共计埠设各类标石近2万余座。 在一等水准环内布设的二等水准网是囚家局程控制的全面基础，其环线周长根据不同地形的地区在500750km之间。 一、二等水族测量统称为精密水准测量。 二等水准网在一等水准网的基础上布设。 三、四等水准测量直接提供地形测图和各种工程建设所必须的高程控制点。,5.2国家高程控制网建立的基本原理,2 水

5、准点应该有足够的密度；,5.2国家高程控制网建立的基本原理,3 水准测量应达到足够的精度 各等级水准测量的精度，是用每公里高差中数的偶然中误差和每公里高差中数的全中误差来表示的。,5.2国家高程控制网建立的基本原理,每公里高差中数的偶然中误差 -测段往返高差不符值，mm -测段长度，km -测段数。 每公里高差中数的全中误差来 -各项改正后的闭合差，mm -水准环长度，km -水准环数。,5.2国家高程控制网建立的基本原理,4 一等水准网应定期复测。,我国一等水准网由289条路线组成，其中284条路线构成100个闭合环，共计埋设各类标石近2万余座。全国一等水准网布设略图如图所示。,5.2.1

6、国家高程控制测量,二、 国家水准网布设方案及精度要求,国家高程控制网自1951年开始分以下几个阶段： 1951 1975：一等水准长度50000公里，精度2 3mm/km 二等水准长度140000公里,精度4mm/km 1976 1984：一等水准路线289条，构成100个闭合环， 联测42个验潮站，长度93000公里，按环闭 合差估算的精度1.03mm/km 1981 1990：重新布设国家二等水准路线136000公里， 由822闭合环或附合到一等点的附合路线构 成。由环闭合差求得精度为1. 54mm/km,1986年完成国家一等水准网的平差计算，求得每公里测量中误差为1.15mm。 197

7、6年 1990年完成的水准网称为国家第二期水准网。 一等水准网的环长在1000 2000km之间，二等水准网的环长在500 750km之间.,5.2国家高程控制网建立的基本原理,5.2国家高程控制网建立的基本原理,5.2.3 水准路线的设计、选点和埋石 1、技术设计 一等水准路线应沿路面坡度平缓、交通不太繁忙的交通路线布设，二等水准路线尽量沿公路、大河及河流布设，沿线交通较为方便。 水准路线应避开土质松软的地段和磁场甚强的地段，并应尽量避免通过大的河流、湖泊、沼泽与峡谷等障碍物。 2、选点 水准点点位选定后，应填绘点之记，绘制水准路线图及结点接测图。 3 、埋石 5.2.4 水准路线上的重力测

8、量 因精密水准测量成果需进行重力异常改正，故在一、二等水准路线沿线要进行重力测量。,5.2国家高程控制网建立的基本原理,5.3 城市和工程建设高程控制测量,一、城市和工程建设高程控制网概述 城市测量和工程测量技术规范规定：水准测量依次分为二、三、四等3个等级。,二、水准测量的实施,图上设计应遵循以下原则： （1）水准路线应尽量沿坡度小的道路布设，以减弱前后视折光误差的影响。尽量避免跨越河流、湖泊、沼泽等障碍物。 （2）水准路线若与高压输电线或地下电缆平行，则应使水准路线在输电线或电缆50m以外布设，以避免电磁场对水准测量的影响。 （3）布设首级高程控制网时，应考虑到便于进一步加密。 （4）水准

9、网应尽可能布设成环形网或结点网，个别情况下亦可布设成附合路线。水准点间的距离：一般地区为24km；城市建筑区和工业区为12km。 （5）应与国家水准点进行联测，以求得高程系统的统一。 （6）注意测区已有水准测量成果的利用。,5.3 城市和工程建设高程控制测量,工程测量中常用的普通水准标石是由柱石和盘石两部分组成，标石上面嵌设有铜材或不锈钢金属标志。,点位的稳固安全，并能长期保存，便于施测。 一般要求离铁路的距离应大于50m，离公路的距离应大于20m。,5.4 精密水准仪与水准尺,.4. 精密水准仪的构造特点 .4. 精密水准标尺的构造特点 .4. Wild N3精密水准仪 .4. Zeiss

10、Ni 004精密水准仪 .4. 国产S1型精密水准仪,我国水准仪系列及基本技术参数,1.精密水准仪的分类 水准仪系列按精度分类有S05型,S1型,S3型等。S是“水”字的意思, 数字表示偶然中误差，Z表示自动安平。,5.4.1 精密水准仪和水准尺的构造特点,5.4.1 精密水准仪和水准尺的构造特点,2.精密水准仪的结构特点 1）高质量的望远镜光学系统 一般精密水准仪的放大倍率应大于40倍，物镜的孔径应大于50mm。影像更清晰。 2）坚固稳定的仪器结构 主要构件均用特殊的合金钢制成，并有起隔热作用的防护罩。 3）高精度的测微器装置 精密水准仪必须有光学测微器装置，一般精密水准仪的光学测微器可以读

11、到0.lmm，估读到0.Olmm。,5.4.1 精密水准仪和水准尺的构造特点,4.高灵敏的管水准器 一般精密水准仪的管水准器的格值为10“/2mm。 5.高性能的补偿器装置,3.精密水准尺的结构特点,（1）当空气的温度和湿度发生变化时，水准标尺分划间的长度必须保持稳定，或仅有微小的变化。 因瓦合金带的长度不会受木质尺身伸缩变形影响。,5.4.1 精密水准仪和水准尺的构造特点,（2）水准标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）水准标尺在构造上应保证全长笔直，并且尺身不易发生长度和弯扭等变形。,（4）在精密水准标尺的尺身上应附有圆水准器装置，作业时扶尺者借以使水准标

12、尺保持在垂直位置。在尺身上一般还应有扶尺环的。 （5）为了提高对水准标尺分划的照准精度，水准标尺分划的形式和颜色与水准标尺的颜色相协调。 在精密水准测量作业时，水准标尺应竖立于特制的具有一定重量的尺垫或尺桩上。尺垫和尺桩的形状如下图所示。,5.4.1 精密水准仪和水准尺的构造特点,线条分划精密水准标尺的分格值有l0mm和5mm两种。 1）分格值为10mm如图（a）所示， 基本分划注记从0300cm， 辅助分划注记从300600cm， 基辅差（尺常数）3.0155。 2）分格值为5mm如图（b）所示， 两排分划彼此错开5mm , 左边是单数，右边是双数，没有辅助分划。 右边是米数，左边是分米数，

13、整个注记从0.15.9m， 实际分格值为5mm，所测得的高差值必须除以2才是实际的高差值。,5.4.1 精密水准仪和水准尺的构造特点,5.4.2 精密普通水准仪,1.WildN3精密水准仪 有效孔径为50mm 放大倍率为40倍 管状水准器格值为10“/2mm。 与分格值为l0mm的水准标尺配套 标尺的基辅差为301.55cm。,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因瓦合金水准尺,Wild N3精密水准仪,5.4.2 精密普通水准仪,水准尺读数148 测微器读数653(即6.53mm)， 全部读数为148.653cm。,N3读数方法,5.4.2 精密普通水准仪,仪器转轴

14、位于靠近物镜的一端。使用倾斜螺旋精确整平视准轴时，将会引起视准轴高度的变化。如果前后视精确整平视准轴时，倾斜螺旋的转动量不等，就会在高差中带来这种误差的影响。,因此，在实际作业中规定：只有在符合水准气泡两端影像的分离量小于lcm时（垂直轴基本在垂直位置），才允许使用倾斜螺旋来进行精确整平视准轴。但有些仪器转轴的装置，位于过望远镜中心的垂直几何轴线上。,1） N3精密水准仪的倾料螺旋装置,转动范围是7周,5.4.2 精密普通水准仪,光学测微器由平行玻璃板、测微器分划尺、传动杆和测微螺旋等部件组成。 测微分划尺上有100个分格，它与10mm相对应，即每分格为0.lmm，可估读至0.0lmm。每10

15、格有较长分划线并注记数字，每两长分划线间的格值为lmm。,2) N3精密水准仪的测微器装置,5.4.2 精密普通水准仪,测微分划上读数为5mm，而不是0。最后读数为148cm+6.50mm-5mm 即 =148.650cm-5mm 故，每次读数中应减去常数（初始读数) 5mm，但在计算高差时能自动抵消这个常数。,2.Zeiss Ni 004精密水准仪,该仪器的主要特点是对热影响的感应较小，这是因为望远镜、管状水准器和平行玻璃板的倾斜设备等部件，都装在一个附有绝热层的金属套筒内。,有效孔径为56mm 望远镜放大倍率为44倍 目镜视场内有左右两组楔形丝 管水准器格值为10/2mm。 测微器范围是1

16、0mm。,5.4.2 精密普通水准仪,测微器的分划鼓直接与测微螺旋相连（见右图），通过放大镜在测微鼓上进行读数，测微鼓上有100个分格，所以测微鼓最小格值为0.1mm。从望远镜目镜视场中所看到的影像如右图所示，视场下部是水准器的符合气泡影像。,Ni 004精密水准仪与分格值为5mm的精密因瓦水准尺配套使用。在右图中，使用测微螺旋使楔形丝夹准水准标尺上197分划，在测微分划鼓上的读数为340，即3.40mm，水准标尺上的全部读数为197.340cm。,Zeiss Ni 004精密水准仪,5.4.2 精密普通水准仪,3. 国产S1型精密水准仪,DS1型精密水准仪由北京测绘仪器厂生产。 仪器物镜的有

17、效孔径为50mm， 望远镜放大倍率为40倍， 管状水准器格值为10“/2mm。 测微螺旋范围10mm，测微器分划尺有100个分格，最小格值为0.1mm。,5.4.2 精密普通水准仪,望远镜目镜视场中，视场左边是水准器的符合气泡影像，测微器读数显微镜在望远镜目镜的右下方。 该仪器与分格值为5mm的精密水准标尺配套使用。 图中，楔形丝夹准198分划，测微器读数150，即1.50mm，全部读数为198.150cm。,国产S1型精密水准仪,5.4.2 精密普通水准仪,博飞AL132-C水准仪,型号：AL132-C产品名称：自动安平水准仪技术参数：标准偏差 1mm 望远倍率 32 成像 正像 最短视距

18、0.5m 补偿范围 15 有效孔径 40mm 视场角 1.5,1.自动安平水准仪的补偿原理,5.4.3 补偿式自动安平水准仪,如果 则 若补偿器能使来自水平的光线平移量a=f，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。,2.自动安平水准仪Koni007,与分格值为5mm的精密因瓦水准尺配套使用。,5.4.3 补偿式自动安平水准仪,1)光学补偿器 光学补偿器6是一块等腰直角棱镜，用弹性薄簧片悬挂形成重力摆，以摆轴为中心可以自由摆动， 在重力作用下，最后静止在与重力方向一致的位置上,5.4.3 补偿式自动安平水准仪,2 ）光学测微器,5.4.3 补偿式自动安平水准仪,棱

19、镜测微器,3.自动安平水准仪Ni002,特点：没有水平方向制动， 目镜可以在仪器上沿水平 方向转动。,与分格值为5mm的精密因瓦水准尺配套使用。,5.4.3 补偿式自动安平水准仪,精密高差测量仪器Ni002自动安平水准仪 每公里往返测高差中误差m=0.4mm/km 放大倍率为44倍,5.4.3 补偿式自动安平水准仪,2 光学补偿器（平面反射摆镜）,自动安平水准仪 国产 达到DS1一级水准（需DS2+测绘器）,5.4.4 电子水准仪,也称“数字水准仪”,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，通过仪器的理系统，将图象信息转换成数字显示。 能与计算机实现数据通讯。

20、 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、估读数误差。,5.4.4 电子水准仪,一、“电子水准仪”的特点,条码尺,测量键,5.4.4 电子水准仪,索佳 SDL30M,数字电子水准仪是通过阅读标尺上的条码来完成测量的, 所以数字水准仪的第一个技术门槛就是条纹图象的识别。 距离越远, 图象压缩越小。 数字水准仪的图象识别技术都是模糊识别算法或叫图象相关算法, 即通过对图象信号的宏观分析逐步确立图象微观细节。 在图象识别完成以后, 条码的码序及条纹的边沿坐标信息都已经确立, 获得测量结果的后续计算处理过程当然就大同小异了。 由于图象和实物的几何比例关系随距离不同而变化无常, 这就增

21、加了一个物象比未知量。 leica早期的仪器使用调焦传感器来粗略测量标尺与仪器间的距离就是这一思想的体现。由于这个粗略距离很不精确, 这一方法仅只能减少80%左右的运算量, 测量速度仍然不理想, 其他公司陆续发明了让标尺的不重复条码影象信号中包含周期波谱(重复信号)的编码方法, 通过对周期波谱的周期测量进而精确测量出标尺与仪器间距离, 把二维相关变成了一维相关。测量速度大大提高。,二、“电子水准仪”的原理,5.4.4 电子水准仪,电子水准原理主要是相关法、几何法、相位法、RAB原理及叶氏原理。 原理的共同性: 都使用了光学水准仪的光路原理, 也都使用了条形码标尺, 条码明暗相间, 通过改变明暗

22、条码的宽度实现编码, 且条码不存在重复的码段。但它们的编码规则也有非常明显的个性区别, 从这些区别是可以看出它们的解码原理的区别的。如图所示。,二、“电子水准仪”的原理,解码环节也还是有共同性的。 所有的电子水准原理的解码过程都存在粗测、精测和精粗衔接这些步骤过程。且这些过程和普通的光学模拟水准仪仍然有相似之处。如图所示。 粗测 确定光电传感器所截获条码片段在标尺上的位置, 这一过程也就是图象识别过程。 精测 确定电子中丝在所截获的条码片段中的位置。 精粗衔接 根据精测值和粗测值求得电子中丝在标尺上的位置 即测量结果。 而不同之处在于粗测的实现过程(图象识别)以及精测、粗测都要涉及到的物象比的

23、确立过程。,相关法测量原理：由传感器识别条形码水准标尺上的条形码分划，经信息转换处理获取观测值，并以数字形式显示或存储在计算机内。,5.4.4 电子水准仪,观测时，经自动调焦和自动置平后，水准标尺条形码分划影像射到分光镜上，并将其分为两部分：其一是可见光，通过十字丝和目镜，供照准用；其二是红外光射向探测器，它将望远镜接收到的光图像信息转换成电影像信号，并传输给信息处理机，与机内原有的关于水准标尺的条形码本源信息进行相关处理，从而得出水准标尺上水平视线的读数。,5.4.4 电子水准仪,Leica仪器使用相关法。相关法的优点是思想方法简单, 而缺点是由于粗测值和距离(物象比)二个未知量同时进行二维

24、相关运算搜索, 由于相关法是比较实在的由所有像素参与的对可能结果的“穷举式表决”, 实现了可靠的解码。但由此带来的运算量非常巨大, 于是导致了测量速度慢和对微处理器的速度要求高以及能耗大等缺陷。 为解决测量速度慢的问题, 早期的Leica仪器在望远镜的调焦旋钮上安装传感器以实现视距(物象比)的粗略测量以缩小相关算法的搜索范围, 也有仪器则采用面阵光电传感器通过测量标尺条码的横向长度来实现视距(物象比)的粗略测量以缩小相关算法的搜索范围。,相关法的直接黑白编码原理,5.4.4 电子水准仪,几何法 几何法的解码原理区别于相关法的地方是通过载码的引入减少了标尺上黑白条纹宽度的种类, 解决了相关法的测

25、量速度慢的问题。其所谓的相似三角形空间变换几何关系如图所示不是其真正特点,实际上, 几何法是利用载码调制来实现解码运算量的减少。可以看出这样的条码的宽度种类仅有二种宽度, 比相关法中的16种宽度大大减少, 条纹也粗得多,5.4.4 电子水准仪,除相关法外, 相位法、几何法、RAB原理和叶氏原理都使用和利用了载码调制编码解码, 通过载码波谱的使用以实现快速图象识别, 也由于相位法的波谱相对复杂, 必须以傅里叶变换来解码, 而后3种原理则只需相对简单的算法就可以获得载码成像的周期波谱信息。而实践应用也证实了后三种原理的实际测量速度效果也的确比相位法和相关法明显快捷。,技术指标,索佳 SDL30M,

26、三、常见“电子水准仪”,拓普康电子水准仪DL-111C（国家DS1级）,5.4.4 电子水准仪,要求竖丝 位于条码 带上，否 则不能读 数,要求尺子立直（以圆气泡为准），否则拒绝工作。,5.4.4 电子水准仪,大屏幕的液晶显示屏 具有程序测量功能 调焦才能读数 对标尺倾斜没有影响,徕卡高精度数字水准仪DNA03,5.4.4 电子水准仪,5.4.4 电子水准仪,5.4.4 电子水准仪,精密光学水准仪 每公里测量标准偏差1.0mm,拓普康电子水准仪DL-111C（国家DS1级）,三、光学水准仪与电子水准仪的异同,用SDL30M在其标称的测量范围内做了不同视距的测量精度其值与全站仪距离测量结果。视距

27、测量的误差基本呈递增曲线，但是当视线接近标尺的底部和顶部时,标尺的图像只能部分地覆盖传感器,这时的仪器读数精度显著降低。一般情况下,数字水准仪的读数应限定在距标尺两端s001(s为视距)的范围内。例如, 3m标尺在20m距离时的读数范围为02-28m。,调焦成像质量对标尺读数的影响 在视距10-100m范围进行实验。调焦相当清晰时,进行30次读数测量,然后分别前进和倒退旋转调焦手轮,使标尺像处在模糊状态(可看到标尺轮廓,但分不清分划),各进行30次测量。 结论：在一定范围内,调焦质量不影响测量精度。但是在模糊状态由于搜索的初始值相差较大,增加了搜索次数,使测量时间延长。另外仪器对于视距与标尺像

28、的大小失去较大的对应关系后,仪器就会产生搜索混乱,以致不能工作。,倾角与读数误差的关系。 标尺前后倾斜,观测的中丝读数都呈变大趋势,变化量在0-1.5mm间,且与视距长短无关。 左、右倾角在2以内时,误差曲线平缓,读数误差在1mm以内; 超过2时,读数误差急剧上升。标尺离开正确状态很大的范围,都可以进行测量,从而产生错误的结果。 可见用数字电子水准仪进行精密水准测量,受扶尺质量的影响要比观测员整平仪器的影响大得多。,用SDL30M与N3按二等精度施测。 单位权标准差为:,1)数字水准仪是电子读数( CCD ),这使得其读数比较稳定,离散小。而光学水准仪靠人工读数,人为因素比较大,相对不稳定。故

29、而在中、近距离时,数字水准仪的综合精度比光学水准仪的好,在同等条件下测量精度更高,而且节省了不少时间,减少了工作量,应该是水准测量仪器发展的趋势,但是它对测量人员的综合素质要求更高,还需要英语和使用电脑软件方面的相关知识。 2)无论数字水准仪还是光学水准仪,在中、近距离,数字水准仪的误差更小,但在远距测量时,由于数字水准仪读取整个条形码尺可视段及编码规则限制的特点,导致了一些识别误差,这使得在远距离处,其读数会受到一定的影响,在读取标尺两端时甚至会出现无法读数的现象,有时其精度不如光学水准仪可靠。 3)为消除补偿器的剩余误差,应采用正确的观测顺序,观测顺序:奇数站为“后前前后”,偶数站为“前后后前”。进行水准测量时,严格照准条码分划线的中心位置。 4)由于光线对数字水准仪的观测速度与精度影响较大,所以合理安排作业时间,避免日照与观测方向处于同一方向上。,再见！,