02水准仪及水准测量.ppt

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1、第二章 水准测量,水准测量原理,水准仪的基本结构及使用,主要内容,1,2,第二章 水准测量,2.1水准测量原理,知识回顾： 什么是高程？,高程（标高）【elevation】指的是某点沿 铅垂线方向到绝对基面的距离，称绝对高 程。简称高程。某点沿铅垂线方向到某假定 水准基面的距离，称假定高程。,2.1水准测量原理,A后视点 a后视读数 B前视点 b前视读数,1,简单水准观测（基本高差段的距离较短或高差较小） -安置一次仪器测出基本高差段的高差,hA1,A,1.368,2.563,1,2.563,1.195,1.368,321.260,2.1水准测量原理,水准测量是利用一条水平视线，并借助水准尺，

2、测定地面两点间的高差，这样就可由已知点的高程推算出未知点的高程 A点处高程已知，A为已知点，A为后视点，A处水准尺为后视尺，A点读数为a，称后视读数 B为待测高程点，B点为前视点，B处水准尺为前视尺，B点读数为b，称前视读数 测站：每安置一次仪器，称为一个测站。,2.1水准测量原理,a后视读数；b前视读数 高差等于后视读数减去前视读数。 高程测量的实质就是测量高差。,注意：,1高差hAB本身可正可负，当a大于b时hAB为正，此时B点高于A点；当a小于b时hAB为负，即B点低于A点。 2高差hAB的书写其下标的次序是固定的，不能随意变换，hAB表示从A到B的高差；hBA则表示从B到A的高差。,提

3、问：如果已知A点高程，怎么求图上其它点的高程？（要求尽量减少仪器的搬运）,当仪器安置在一个地方,根据一个已知高程的后视点A去测定几个前视点的高程时,用这种计算各点的高程要比分别计算出各点的高差再去求高程的方法简便得多,那么：HB=HI b HB1=HIb1 HB2=HIb2 HB3=HIb3,HI=HA+ a,2.2水准仪的基本结构及使用,水准测量所使用的仪器为水准仪，工具为水准尺和尺垫。 工程测量中广泛使用的是DS3级水准仪。“3”表示该仪器每千米往返观测高差精度为3mm。,2.2.1 DS3微倾式水准仪的构造,水准仪是能够提供水平视线的仪器，主要由望远镜、水准器和基座三部分组成。,1物镜

4、2目镜 3物镜对光螺旋 4管水准器 5圆水准器 6脚螺旋7制动螺旋 8微动螺旋 9微倾螺旋 10轴座,(一).望远镜,1、望远镜的主要作用是看清不同距离的目标和提供照准目标的视线。它包括物镜、十字丝分划板、对光凹透镜（调焦透镜）和目镜等四个部分。,十字丝分划板,物镜,物镜调焦螺旋,十字丝分划板,目镜,调焦透镜,（1）构成,视准轴（望远镜提供的一条视线） 物镜光心与十字丝交点的连线，称为视准轴，用CC 表示，简称视线。,竖丝,横丝,视距丝,物镜、目镜、 调焦螺旋、 调焦透镜、 十字丝分划板,1、望远镜,十字丝交点,2、 十字丝,十字丝是照准尺子和读数用的。 竖丝 横丝（中丝） 视距丝 十字丝中心

5、(或称十字丝交点)和物镜光心的连线，称为视准轴。用c-c表示。,物镜调焦螺旋 （又称物镜对光螺旋）,水平微动,水平制动,微倾螺旋 （精确整平）,目镜调焦螺旋,图 水准仪主要螺旋,脚螺旋 （粗略整平）,制动：不动 微动：小范围动 注意：先制动再微动，不制动就不能微动,(二) 水准器,水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。水准器分为圆水准器和管水准器两种。圆水准器装在基座上，供粗略整平之用；管水准器装在望远镜旁，供精确整平视准轴之用。 管状水准器（水准管）：精平，使视准线水平 圆水准器：粗平，使竖轴竖直,管水准器,管水准器又称水准管，水准管上一般刻有间隔为2 mm的分划线，分划线

6、的中点O，称为水准管零点。水准管内充满酒精或乙醚，中间有一气泡。通过零点作水准管圆弧的切线，称为水准管轴。水准管上每2 mm分划所对应的圆心角，称为水准管分划值。分划值越小，则水准管越灵敏。,特性：气泡始终位于高处，气泡在哪处，说明哪处高。,棱镜组,小目镜,微倾螺旋,2、水准器,符合管水准器,圆水准器粗平,圆水准器分划值：气泡由零点向任意方向偏2mm，圆水准器轴相对铅垂线偏离的角值。 水准仪上圆水准器的角值为815(R=0.460.86m)。,轴座,脚螺旋,连接螺旋,底板,（三）、基座,组成： 轴座、脚螺旋（定平螺旋）、连接螺旋、底板。 脚螺旋-用来调节圆水准气泡居中，使仪器大致整平。,2.2

7、.3水准尺和尺垫,1.水准尺 水准尺通常用干燥不易变形的木质材料或玻璃钢制成。 双面尺多用双面尺的一面采用黑白相间刻划，称黑面尺或主尺，另一面采用红白相间刻划，称红面尺或副尺。双面尺必须成对使用。,1、尺面分划为1cm，每10cm处（E字形刻划的尖端）注有阿拉伯数字。 2、双面尺的红面尺底刻划：一把为4687mm，另一把为4787mm 从小数向大数读，读四位。米、分米看尺面上的注记，厘米数尺面上的格数，毫米估读。,0.730,水准仪读数,2.尺垫,尺垫是在转点处放置水准尺用的。尺垫用生铁铸成，一般为三角形，中间有一突起的半球体，下方有三个支脚。使用时用力将尺垫的三个支脚踩入土中，以防下沉，上方

8、突起的半球形顶点作为竖立标尺和标志转点之用。,2.2.4水准仪的使用,水准仪的正确操作程序： 仪器安置粗略整平瞄准水准尺 精确整平读数,1.安置脚架（置架）,打开三脚架并使其高度适中，目估使架头大致水平，然后将三脚架尖踩入土中，将水准仪用中心螺旋固定于三脚架头上 三脚架头大致水平：固定两条脚，移动第三条脚 脚架要踩实 地面倾斜较大时，可调节位于上坡一架腿长短来安置脚架。,2.粗略整平（粗平）,用脚螺旋将圆水准气泡调至居中。气泡移动的方向与左手大拇指旋转时的移动方向一致。 对向转动脚螺旋 1 、 2 使气泡移至 1 、 2 方向的中间 转动脚螺旋 3 ，使气泡居中。,粗略整平,3.瞄准水准尺,目

9、镜对光、粗瞄 将望远镜朝向明亮背景，使十字丝影像清晰，然后松开制动螺旋，转动螺旋，使用照门和准星瞄准水准尺，使水准尺进入望远镜视场，随即拧紧制动螺旋。 物镜对光、精瞄 调焦螺旋水准尺影像清晰 微动螺旋使十字丝竖丝与水准尺重合,松开制动螺旋，转动望远镜，通过镜筒上部准星、缺口概略瞄准标尺，然后拧紧制动螺旋。,概略照准,物镜对光-转动物镜对光螺旋使标尺成像清晰,精确照准-转动微动螺旋，使十字丝竖丝贴近标尺中央。,视差,为了检查对光质量，可用眼睛在目镜后上下微微晃动，若发现十字丝与目标影像有相对运动，则说明物像平面与十字丝平面不重合，这种现象称为视差。 消除方法是重新对光，直到眼睛上下移动，水准尺读

10、数不变。,视差： 眼睛在目镜一端上下移动时，十字丝和目标影象间产生的相对移动现象称为视差。,物象,目镜,产生视差的原因是对光不完善。 视差给我们测量成果带来很大的误差，因此一定要消除视差！ 消除视差的方法：精确对光（重新仔细对光）。,十字丝,物象,4.精确整平（精平）,调节微倾螺旋，使符合水准器气泡两半弧影像符合成一光滑圆弧,缓慢地转动微倾螺丝，同时由望远镜旁气泡观察窗中进行观察，当水准管气泡两端的影像吻合时，则水准管气泡居中，即表示水准仪的视准轴已精确水平。,气泡观察窗,微倾螺旋,精确整平,5.读数,在标尺竖直、气泡居中、方向正确的前提下读取中横丝的尺面读数。,1.米、分米看尺面上的注记，厘

11、米数尺面上的格数，毫米估读。 2规律：读数在尺面上由小到大的方向读。故仪器若成倒像的，从上往下读；若成正像，即从下往上读。,补充：扶尺和搬站,1.扶尺 站在尺后，双手握住把手，两臂紧贴身躯，借助水准尺上的水准器将尺铅直立在测点上 使用尺垫时，应事先将尺垫踏紧，将尺立在半球顶端 2.搬站 短距离搬站时，先检查仪器中心连接螺旋是否可靠，将脚螺旋调至等高，然后收拢架腿，一手扶着基座，一手斜抱着腿架夹在腋下,安全搬站 地形复杂，应将仪器装箱搬站 严禁将仪器扛在肩上搬站,2.3水准测量一般方法及计算,2.3.1 水准点 水准点：国家测绘部门在全国各地埋设且测定了其高程的固定点，用BM表示。有永久性和临时

12、水准点两种。,2.3.2水准路线,水准路线：水准测量进行的路径 1闭合水准路线(closed leveling line) 由已知点BM1已知点BM1 2附合水准路线(annexed leveling line) 由已知点BM1已知点BM2 3支水准路线(spur leveling line) 由已知点BM1某一待定水准点A。,2.3.2水准路线,4.水准网 由多条单一水准路线相互连接构成的网状图形,2.3.3水准测量的实施,1.一般要求 测量应尽可能采用中间法，即仪器安置在距离前后视尺大致相等的地方,简单水准观测（基本高差段的距离较短或高差较小） -安置一次仪器测出基本高差段的高差,hA1,

13、A,1.368,2.563,1,2.563,1.195,1.368,321.260,2.施测程序,当两点相距较远或高差太大时，则可分段连续进行,2.施测程序,1）第一测站： 将水准尺立于已知高程的水准点上作为后视，安置水准仪和前视点。圆水准气泡居中粗平，瞄准后视尺，精平，读数。旋转望远镜瞄准前视尺，精平读数。记录、计算高差。 2）第二测站： 后尺和测站向前移动，前尺不动并转为第二测站的后尺，原后尺变为前尺，同第一站的方法一样继续向前观测。,注意,（1）起始点只有后视读数，结束点只有前视读数，中间点既有后视读数又有前视读数。 （2） a-b=h 只表明计算无误，不表明观测和记录无误。,2.3.4

14、水准测量检核,1.计算检核 2.测站检核 .双仪高法 .双面尺法 3.成果检核,1.计算检核,在水准测量计算手簿辅助计算栏中进行计算,2.测站检核变动仪器高法,变更仪器高法（双仪高法) 在一个测站上，观测一次高差hab后，将仪器升高或降低10cm左右，再观测一次高差hab。当两次高差之差（较差）满足 hhh h容 取平均值作为本站高差，否则应重测。 h容容许值，在相应规范中查。等外水准测量中容许值为6mm。,2.测站检核双面尺法,在一个测站上，用同一仪器分别观测水准尺黑面和红面的读数，获得两个高差 h黑=a黑-b黑 h红=a红-b红 若满足：h h容 取平均值作为结果，否则重测 若同一水准尺红

15、面与黑面读数（加常数后）之差，不超过3mm，且两次高差之差，不超过5mm，取其平均值作为该测站观测高差。,黑面 均以00为起点,红面 474687 484787 K尺常数,3.成果检核,通过测站检核和计算检核，只能检核读数误差和计算错误，不能排除其他诸多误差对观测成果的影响。 高差闭合差 1、闭合水准路线： 2、附合水准路线：,容许高差闭合差,对于普通水准测量，有： 适用于平原区 适用于山区 式中，fh容 高差闭合差限差，单位： mm L 水准路线长度，单位： km ； n 测站数,2.3.5水准测量的内业,1.高差闭合差 的计算与检核 2.高差改正数的计算与高差闭合差调整 3.高程计算 4.

16、算例,2.高差改正数的计算与高差闭合差调整,.高差改正数 计算 改正条件： 改正原则：将 反号按测程L或测站n成正比例分配。（各站产生误差机会相同） 设路线有i个测段（两水准点间的水准路线，i1，2，3），第i测段的水准路线长度为 （以km计），或测站数为 ，总里程或总测站数为L或n，则测段高差改正数为：,高差改正数计算注意：,改正数凑整至mm，按 进行验算。 如因凑整引起的微小不符值，可将其加分配在任一测段上。,.调整后高差计算,.高程计算,4.算例,【例】如图为按图根水准测量要求施测某附合水准路线观测成果略图。 BM-A 和 BM-B 为已知高程的水准点，图中箭头表示水准测量前进方向，路线

17、上方的数字为测得的两点间的高差 ( 以 m 为单位 ) ，路线下方数字为该段路线的长度 ( 以 km 为单位 ) ，试计算待定点 1 、 2 、 3 点的高程。,第一步计算高差闭合差： 第二步计算限差： 因为 ， 可进行闭合差分配。 第三步计算每 km 改正数： 第四步计算各段高差改正数： 。四舍五入后， 有： V 1 =- 8mm ， V 2 =- 11mm ， V 3 =- 8mm ， V 4 =- 10mm 。 第五步计算各段改正后高差后，计算 1 、 2 、 3 各点的高程。 改正后高差 = 改正前高差 + 改正数 V i H 1 =H BM-A +(h 1 +V 1 )=45.286

18、+2.323=47.609(m) H 2 =H 1 +(h 2 +V 2 )=47.609+2.802=50.411(m) H 3 =H 2 +(h 3 +V 3 )=50.411-2.252=48.159(m) HBM-B =H 3 +(h 4 +V 4 )=48.159+1.420=49.579(m),例题：一闭合水准路线，顺序为A123A，其中A-1之间有12站，高差h1=+1.428m，1-2之间有14站，高差h2=-2.346m，2-3之间有10站，高差h3=+2.487m，3-A之间有9站，高差h4=-1.509m，已知A点高程Ha=40.238m，试进行闭合水准路线成果的计算。,

19、练习：下图为某附合水准路线测量示意图，A、B为高程已知点，1、2、3为高程待测点，HA=50.000m,HB=40.210m，h1、h2、h3、h4为各测段观测高程，n1、n2、n3、n4为各测段测站数，请完成附合水准路线成果计算表。 ,n为测站数和。,练习：在下表中进行附合水准测量成果整理，计算高差改正数、改正后高差和高程。,2.4.1水准测量误差,误差：由于人眼鉴别能力有限，仪器构造不完善，以及外界环境变化，使得观测值与真值之间存在一定差值，即误差。误差存在是不可避免的。 测量的误差来源： 仪器误差：仪器构造可能不完善 观测条件 观测误差：感觉器官鉴别能力有限 外界环境影响：风、温度等,2

20、.4水准测量误差及仪器检校,2.4.1.1 仪器误差,1.视准轴不平行水准管轴的误差（i角） 前后视距相等（中间法） 2.水准尺误差 包括尺长误差、分划误差、零点误差 检定合格才能使用 精度要求高时进行尺长误差改正 零点误差设偶数站消除,2.4.1.2 观测误差,1.水准管气泡居中的误差 -水准管分化值，DS3一般为20 D-视线长，以mm为单位，=206265 由上式可知该误差随视距增大而增大，观测时应使用微倾螺旋使气泡两个半像严格重合。 2.估读误差 V-望远镜放大率，一般为2832 3.水准尺倾斜的误差 倾斜将使读数增大，可安装圆水准器，读数时取水准尺上最小读数。,2.4.1.3外界环境

21、因素的影响,1.地球曲率和大地折光的影响。 2.仪器和水准尺升降的影响。 3.大气温度和风力的影响,1.地球曲率和大地折光的影响,1.地球曲率对高程的影响地球曲率差c： 2.大气折光差r： 共同影响为： 1 可以用“中间法”消除或减弱 2 可以选择良好的观测时间，并控制视线高出地面一定的高度和视线长度,2.仪器和水准尺升降的影响,在观测过程中，由于仪器的自重随时间下沉，或由于土壤的弹性会使仪器上升，使读数减小或增大。 按“后、前、前、后”或“前、后、后、前”的观测程序，取平均值消弱其影响。 观测时选择坚实的地面作为测站和转点，踏实脚架和尺垫，缩短测站观测时间，采取往返观测等，可以减小此项影响。

22、 仪器下沉：后前前后观测 尺垫下沉：往返观测取中值,3.大气温度和风力的影响,选择有利的观测时间 撑伞遮阳,2.4水准测量误差及仪器检校,水准仪轴线应满足的几何条件是： 1、圆水准轴 L L / 竖轴 VV 2、十字丝中横丝应垂直于竖轴（即： 竖轴 VV ） 3、水准管轴 LL/ 视准轴 CC,1）、圆水准器的检验与校正,1、检验：气泡居中后，再将仪器绕竖轴旋转 180 ，看气泡是否居中。 2、校正：用脚螺旋使气泡向中央移动一半 , 用校正针梢松圆水准器背面中心固紧螺旋，再用拨针拨动三个“校正螺旋”，使气泡居中。最后将中心固紧螺旋拧紧。,1）、圆水准器的检验与校正,检验原理 若圆水准器的水准轴

23、不与竖轴平行而有一夹角，则将仪器绕竖轴旋转180，圆水准器的水准轴将偏离竖轴2角度。,2）、十字丝横丝的检验与校正,1、检验： 整平后，用横丝的一端对准一固定点 P ，转动微动螺旋，看 P 点是否沿着横丝移动。 2、校正 ：用螺丝刀松开目镜筒固定螺钉，转动目镜筒（十字丝座连同一起转动），使横丝向P点移动偏移值的一半，然后拧紧固定螺旋。,3）、水准管轴平行于视准轴的检验与校正（i角）,1、检验： （1）平坦地上选 A 、 B 两点，约 80100m 。在两端钉木桩或放尺垫A、B，并立上标尺。 （2）在中点 I架上仪器，变动仪高两次测定A、B间的高差h1和h2，若较差hh1h23mm，取其平均值

24、作为两点间的正确高差。 （3）将仪器搬至前视尺B附近（约3米），精平仪器后在A、B尺上读数 、 ， 得 （4）若 , 则水准管轴不平行于视准轴，有 i 角。 因为 hAB为正确高差 b3 的误差可忽略不计，故有： 对于 S 3 水准仪，若 i 角大于 20时，需校正。,3）、水准管轴平行于视准轴的检验与校正,仪器位于A、B处中点时，由i角影响产生的读数相等，可以抵消。 当仪器位于B点附近时，由于i和DB都很小，i角对b的读数影响可以忽略不计，而对a的读数影响随DA的增大而随之增大，在高差计算中无法消除其影响。,2.校正,正确 读数为： 转动微倾螺旋，使横丝对准 ，此时，CC处于水平，而水准管轴

25、气泡必不居中。用校正针松动符合水准器左右两校正螺丝，拨动上下两校正螺丝使气泡严密居中，而后拧紧左右校正螺丝。 先松后紧，边松边紧，最后固紧。,2.6三、四等水准测量,2.6.1主要技术指标,红黑面高差之差：三等3mm，四等5mm 每测站观测次序 三等：后前前后 四等：后后前前； 也可：后前前后,2.6.2一个测站的观测程序,三、四等水准测量采用成对双面尺观测。 安置水准仪，粗平。 1.瞄准后视尺黑面，读取下、上、中丝，记入手簿（1）、（2）、（3）栏。 2.瞄准前视尺黑面，读取下、上、中丝，记入手簿（4）、（5）、（6）栏。 3.瞄准前视尺红面，读取中丝的读数，记入手簿（7）栏。 4.瞄准后视尺红面，读取中丝的读数，记入手簿（8）栏。 “后、前、前、后”,三四等水准测量手簿,第二章总结 水准测量注意事项,1.仪器 检核三项（i角最重要） 仔细消除视差 2.视线 不宜长 后长 3.观测 双面尺 后前前后 读数前最后一个动作居中气泡 4.测站 偶数站 往返测 5.尺 必要时检定 直 6.记录计算：严格检核,作业,P39 1 3 6 7 10,谢谢！,