土木工程测量---2-水准测量1.ppt

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1、,第二章 水准测量,课程主要内容： 本章主要讲述水准测量的原理和方法、水准仪的构造及其检校、水准测量的误差来源及消除方法；水准路线施测方法及数据处理。介绍精密水准仪、自动安平水准仪、激光扫平仪的基本构造和使用方法。 基本要求： 1、掌握水准测量的原理和方法，水准路线施测方法及数据处理。 2、熟悉水准仪的构造及其检校方法。 3、分析水准测量的误差来源及消除方法。 4、了解精密水准仪、自动安平水准仪、激光扫平仪的基本构造和使用方法。,第二章 水准测量,地面点的位置是用平面坐标和高程来确定的。测量地面上各点高程的工作，称为高程测量。高程测量可分为水准测量、三角高程测量和气压高程测量三类。,2-1 水

2、准测量的原理 水准测量是利用一条水平视线，并借助水准尺，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。如图所示，欲测定A、B两点间的高差h，可在A、B两点上分别竖立带有刻划的水准尺，并在A、B两点之间安置一台能提供一条水平视线的水准仪。根据水准仪的水平视线，在A点尺上读数，设为a;在B点尺上读数，设为b;则A、B两点间的高差为： hAB=a-b。,第二章 水准测量,第二章 水准测量,如果水准测量是由A到B进行的，如图中的箭头所示，由于A点为已知高程点，故A点尺上读数a称为后视读数；B点为欲求高程的点，则B点尺上读数b为前视读数。高差等于后视读数减去前视读数。 高差的符号有正有

3、负。当高差为正值时，表示前视点B高于后视点A；当高差为负时，表示前视点B低于后视点A。所以计算高差时，一定要用后视读数减去前视读数，次序不能颠倒。 有了高差，就可根据A点高程求得B点高程，即： HB=HA+hAB=HA+(a-b) 高程测量的实质就是测量高差。 另外还可通过仪器的视线高Hi计算B点的高程，即： Hi=HA+a HB=Hi-b,第二章 水准测量,2-2 水准测量的仪器和工具 水准测量所使用的仪器为水准仪，工具为水准尺和尺垫。 我国将水准仪按其精度划分为四个等级：、和DS10。字母D和S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，其后面的数字代表仪器的测量精度。工程测量中广

4、泛使用的是DS3级水准仪。 一、 水准仪 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。,第二章 水准测量,第二章 水准测量,望远镜的主要用途是瞄准目标并在水准尺上读数。它包括物镜、十字丝、对光透镜和目镜等四个部分。十字丝是照准尺子和读数用的。它是刻在玻璃板上的两条相互垂直的细丝，竖向的一条称为竖丝，横向的一条长丝称为横丝(又称中丝)，横丝上下还有两条对称的短丝是用来测量距离的，称为视距丝。十字丝中心(或称十字丝交点)和物镜和光心的连线，称为视准轴。,第二章 水准测量,(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

5、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。 管水准器又称水准管，是由一个内壁研磨成圆弧的玻璃管制成的。水准管上一般刻有间隔为2 mm的分划线，分划线的中点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。当气泡两端对称于圆弧上中点O时，气泡即居中，此时水准管轴也就水平了。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。,第二章 水准测量,为了提高目估水准管气泡居中的精度，微倾式水准仪的水准管上方都装有由三块棱镜组成的复合棱镜系统。两个棱镜的侧面所在的平面通过水准管的纵

6、轴线，第三块棱镜为45的直角棱镜，其底为等腰直角三角形，一个直角面与左右两棱镜的侧面相靠或互相平行。它把水准管两端半个气泡的像，经过三次全反射，进入望远镜旁的放大镜内。如果气泡居中，则气泡两端的两个半边影像即合二为一，如果气泡不居中，则气泡的两个半边影像不符合。,第二章 水准测量,二、 水准尺 水准尺是水准测量时使用的标尺，是水准测量的重要工具之一，其质量的好坏将直接影响到水准测量的精度。因此，水准尺通常用干燥不易变形的木质材料或玻璃钢制成。地面水准测量常用的水准尺有直尺和塔尺两种。直尺按长度有2m和3m两种，塔尺的长度为5 m，尺上的刻划一般1cm一格，并在分米处注记。塔尺多用于地形测量，双

7、面尺多用于三、四等水准测量。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，两根尺黑面的起始读数为零，而红面的起始读数则分别为4.687 m和4.787 m。,第二章 水准测量,三、 尺垫 有时两个水准点之间的距离较远或高差较大，直接测定其高差有困难时，应在中间设立若干个中间点(称为转点)传递高差。而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，上方突起的半球形顶点作为竖立标尺和标志转点之用。,正像望远镜观测标尺读数,第二章 水准测量,四、

8、水准仪的使用 水准仪的正确操作程序包括仪器安置、粗略整平、瞄准、精确整平和读数等。 1 安置水准仪 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。,第二章 水准测量,2 粗略整平(粗平) 粗略整平工作是用脚螺旋将圆水准器的气泡调整居中。先将圆水准器放在适当位置，然后用双手同时向内或向外(即以相反方向)旋转脚螺旋，使一个升高、一个降低。当气泡未居中而处于a处；同时按图上箭头所示向内旋转1、2两个脚螺旋，使气泡由a移动到b处；再转动脚螺旋3，使气泡居中。这项工作要反复进行，直至仪器旋转到任何方向，气泡都居中为止。在整平的过程中，须记住左手

9、拇指规则：“左手拇指旋转脚螺旋的运动方向，就是气泡移动的方向”，不可盲目地转动脚螺旋。,第二章 水准测量,第二章 水准测量,3 瞄准水准尺 (1) 在瞄准水准尺之前，先进行目镜对光。把望远镜对着明亮的背景(如白墙或天空等)，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。 (2) 松开制动螺旋，转动望远镜，利用望远镜筒上的缺口和准星，瞄准水准尺，然后再拧紧制动螺旋。 (3) 转动物镜对光螺旋进行对光，使尺子的影像看得十分清晰，并转动微动螺旋，使尺子的像靠近十字丝竖丝的一侧，以便于读数。 (4) 消除视差。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

10、丝平面不重合，这种现象称为视差。视差对观测成果的精度影响很大，必须加以消除。消除方法是重新对光，直到眼睛上下移动，水准尺读数不变。,第二章 水准测量,第二章 水准测量,4 精确整平(精平) 用水准管作精确整平。因水准管灵敏度比较高，每当望远镜转到不太水平的另一个方向时，水准管气泡必然会偏离中央，因此必须再一次调整微倾螺旋，使气泡两端的影像符合，然后才能在尺子上读数。,第二章 水准测量,5 读数 在望远镜视线精确水平后的瞬间，应立即利用中丝在尺上读数。由于尺子在望远镜中的像是倒立像，所以应从上向下读数(即从小数往大数读)，并估读至毫米。必须读出四个数字。读数完毕后应再检查一下水准管气泡是否仍然居

11、中。 每次读数时水准仪的视线必须是严格水平的。但视准轴是否水平，是根据水准管气泡是否居中来判定的，所以水准仪应首先满足“水准管轴平行于视准轴”这个必要条件。,第二章 水准测量,2-3 水准测量及其成果整理 一、水准点 水准点：用水准测量的方法测定的高程控制点。水准点应控照水准测量等级，根据地区 气候条件与工程需要，每隔一定距离埋设不同类型的永久性或临时性水准标志或标石水准点标志或标石应埋设于土质坚实、稳固的地面或地表以下合适的位置，便于长期保存又利于 观测与寻找。 二、水准路线 水准路线就是由已知水准点开始或在两已知水准点之间按一定形式进行水准测量的测量 路线。水准路线一般可布设如下几种形式：

12、,第二章 水准测量,1)支水准路线 从一已知高程的水准点BMA开始，沿待测的高程点1、2进行水准测量，称为支水准路线，对于支水准路线应进行往返观测。 2)闭合水准路线 从一个已知高程的水准点BMA开始沿各待测高程点1、2、3进行水准测量，然后又回到原水准点BMA，称为闭合水准路线。 3)附合水准路线 从一个已知高程的水准点BMA开始，沿各待测高程点1、2、3进行水准测量，最后附合至另一已知水准点BMB点上称为附合水准路线。 4)水准网 若干条单一水准路线相互连接构成网形，称为水准网。,第二章 水准测量,三、水准测量 (一)、高差法 如图，已知水准点BMA的离程HA=19.153m，欲测定水准点

13、B高程，观测步骤为： 1. 选择一坚固的点作临时水准点，编号为BM.A，并假定其高程为19.153m。 2. 从BMA开始，选择一适当地点作第一测站，安置水准仪，须能观测到BM.A和TP.1点的立尺。用圆水准器粗略整平仪器。 3. 后视BM.A的立尺，精确调平仪器后，读后视数1.632m，记入记录表内。 4. 前视TP.1点的立尺，读前视读数1.271m，记入记录表内。并计算该站高差h=a-b=+0.361m。第测站的工作结束。 5.转点TP.1上的尺垫保持不动，将水准尺轻轻地转向下一站的仪器方向为这站的后视水准仪迁至测站，BMA点司尺员持尺前进选择合适的转点TP2为前视，同样方法测出高差读数

14、与高差均记录在表相应栏内。 按上法依次连续进行水准测量，直至测到B点为止。 计算方法： h1=a1-b1 h2=a2-b2 hn=an-bn hAB=h1+h2+hn=h 可用下式进行高差计算正确性的检核： hAB=(a1-b1)+(a2-b2)+ +(an-bn)= a-b 如果A为已知高程点，其高程为H，则B点高程为：HB=HA+hAB=HA+a-b,第二章 水准测量,第二章 水准测量,测站检核方法 （） 改变仪器高的方法: 在每一测站测得高差后，改变仪嚣高度(即重新安置与整平仪器)再测一次高 差，当两次测得高差的差值在5mm以内时，取两次高差平均值作为该站测得的 高差值。 （）双面尺法

15、仪器高度不变，读取每一根双面尺的黑面与红面的读数，分别计算双面尺的 黑面与红面读数之差。 （二）、视线高法 1.选择一坚固的点作临时水准点，编号为BM.A，并假定其高程为365.427m。 2.从BM.A开始，选择一适当地点作第一测站，安置水准仪，须能观测到BM.A和TP.1点的立尺。用圆水准器粗略整平仪器。 3.后视BM.A的立尺，精确调平仪器后，读后视数1.632m，记入记录表内。并计算视线高，视线高为后视点高程加后视读数，故第测站的视线高 H视=HBM+365.427+0.823=366.250m 4.前视TP.1点的立尺，读前视读数0.145m，记入记录表内。并计算前视点高程 H前=H

16、视-b=366.025-0.146=366.105m。第测站的工作结束。 5.同法可求得各测站的视线高和各测点的高程。,第二章 水准测量,第二章 水准测量,四、水准测量成果整理 当水准测量外业观测结束后，首先应复查与检核记录手簿，并按水准路线布设形式进行成果整理，其内容包括：水准路线高差闭合差计算与校核；高差闭合差的分配和计算改正后的高差；计算各点改正后的高程。 （1）高差闭合差的计算与校核 支水准路线 支水准路线，沿同一路线进行了往返观测，由于往返观测的方向相反，因此往测和返测的高差绝对值相同而符号相反，即往测高差总和h与返测高差总和h的代数和在理论上应等于零，但由于测量中各种误差的影响，往

17、测高差总和与返测离差总和的代数和不等于零，高差闭合差fh=h往h返 闭合水准路线 闭合水准路线，因起点和终点均为同一点BMA，构成一个闭合环，因此闭合水准路线所测得各测段高差的总和理论上应等于零。h理=0。设闭合水准路线实际所测得各测段高差的总和为h测其高差闭合差为: fh=h测h理=h测,第二章 水准测量,附合水准路线 附合水准路线，因起点BMA和终点BMB的高程HA、HB知两点之间的高差是固定值因此附合水准路线所测得的各测段高差的总和理论上应等于起至点高程之差: fh=h测-（HB-HA） 由于水准测量中仪器误差、观测误差以及外界的影响使水准测量中不可避免地存在着误差高差闭合差就是水准测量

18、观测误差中上述各误差影响的综合反映。为了保证观测精度，对高差闭合差应作出一定的限制，即计算所得高差闭合差应在规定的容许范围内。计算高差闭合差fh不超过容许值fh容，否则应查明原因返工重测。直至符合要求为止。对于普通水准测量，规定容许高差闭合差fh为: fh容=40L （mm） L为水准路线总长度，以km为单位。 在山丘地区，当每公里水准路线的测站数超过16站时，容许高差闭合差可用下式计算： fh容=20n （mm） n为水准路线的测站总数。,第二章 水准测量,2)高差闭合差的分配和计算改正后的高差 当计算出的离差闭合差在容许范围内时，可进行高差闭合差的分配，分配原则是：对于闭合或附合水准路线，

19、按与路线长度或按路线测站数成正比的原则，将高差闭合差反其符号进行分配。 vhi=- fh/LLi vhi=- fh/nni 式中 L水准路线总长度，Li为表示第i测段的路线长； n准路线总测站数，ni为表示第i测段路线测站数； 3)计算各点改正后的高程 根据已知水准点高程和各测段改正后的离差，依次推求各点改正后的高程，作为最后成果。最后一点高程值应与闭合或附合水准路线的已知水准点高程值完全一致。,第二章 水准测量,第四节 DS3水准仪的检验与校正 水准仪检验就是查明仪器各轴线是否满足应有的几何条件，只有这样水准仪才能真正提供一条水平视线，正确地测定两点间的高差。如果不满足几何条件，且超出规定的

20、范围，应进行仪器校正。校正的目的是使仪器各轴线满足应有的几何条件。 一、 水准仪的轴线及应满足的几何条件 水准仪轴线应满足以下几何条件： 1.园水准轴应平行于仪器竖轴 2.十字丝中丝应垂直于仪器竖轴(中丝应水平)； 3.水准管轴应平行于视准轴。,第二章 水准测量,二、 水准仪的检验与校正 1.园水准器轴平行于仪器竖轴的检验与校正 检验方法 安置水准仪后，转动脚螺旋使园水准器气泡居中，如图，然后将仪器绕竖袖旋转180 后，如果园气泡仍旧居中，表示该几何条件满足，不必校正。如果园气泡偏离中心，表示诙几何条件不满足，需要进行校正。 校正 用脚螺旋使气泡向零方向移动偏离长度的一半，然后用校正针调整园水

21、准器下的三个校正螺丝，使气泡居中。这时，园水准器轴便平行于仪器竖轴。 ,第二章 水准测量,2.十字丝横丝垂直于仪器竖轴的检验与校正 检验方法 若十字丝横丝已垂直于仪器竖轴当竖轴铅垂时，横丝应水平。安置水准仪整平后，用 十字丝交点瞄准某一明显的点状目标P（如图），拧水平制动螺旋，缓慢地转动微动螺旋，从望远镜中观测P点在左右移动时是否始终沿着横丝移动，如始终在横丝上移动则表示横丝是水平的，否则需要校正。 校正方法 校正方法因十字丝装置的形式不同面异。用螺丝刀松开十字丝环的四个固定螺丝，按中丝倾斜的反方向小心地转动十字丝环，直至横丝水平，再重复检验，最后固紧十字丝环的固定螺丝，旋上十字丝环外罩。,第

22、二章 水准测量,3.水准管轴平行于视准轴的检验与校正 检校方法1 (1)在平坦地区选择相距约80m的A、B两点(可打下木桩或安放尺垫)，并在A、B两点中间处选择一点O，且使DA=DB。 (2)将水准仪安置于O点处，分别在A、B两点上竖立水准尺，读数分别为a1、b1，则A、B两点间正确高差为: HAB=(a1-x1)(b1-x2)=a1-b1 为了确保观测的正确性也可用两次仪器高法测定高差Hab，若两次测得离差之 差不超过3mm，取平均作为最后结果。 将水准仪搬到靠近B点处（约距B点3m），精平仪器后，瞄准B点水准尺，读 数为b2，再瞄准A点水准尺，读数为a2，则A、B两点的高差为: hAB=a

23、2-b2 若hAB= hAB，表明水准管轴平行于视准轴，几何条件满足。若hAB hAB 则有i角差，A的正确读数应为a2=b2+Hab，i=（a2- a2）/DAB 如果i角绝对值大于20，则需要进行校正。,第二章 水准测量,检校方法2 (1)在平坦的场地上，选择位于同一直线上的三点A、B、D，用钢尺量得 AB=BD=20.6m, 如图，并在A、B两点打下木桩或安放尺垫。 ( 2)将水准仪安于AB的中点C，整平并使符合水准气泡居中后，分别在A、B 水准尺上各 瞄准读数四次设其平均值分别为a1、b1。若水准管轴不平行于视 准铀面有i角存在，由于 仪器至A、B的距离相等，读数平均值a1和b1都含有

24、误 差x。正确高差为: h=a1-b1=（a1-x）-（b1-x）=a1-b1 (3)将仪器移至D，同样分别测得A、B尺上的各四次读数的中数a2、b2，设不 受I角影响的 的正确读数分别为a2、b2，而受i角影响的读数误差分2、 Zq，则高差: h=a2-b2=（a2-2）-（b2-）=a2-b2-=（a2-b2）-（a1-b1） i=/DB=206265/（20.61000）=10,第二章 水准测量,校正方法 水准仪不动，瞄准A尺，旋转微倾螺旋，使十字丝横丝对准A 尺的正确读数a2，此时符合水准气泡就不再居中了，但视线已处于水平位置。用校正针拨动于目镜端的水准管上、下两个校正螺丝，使符合水准

25、气泡严密居中。此时，水准管轴处于水平位置，达到了水准管轴平行于视准轴的要求。 校正时，应先稍松动左右两个校正螺丝，再根据气泡偏离情况，遵循先松后紧的规则，拨动上、下两个校正螺丝，使符合气泡居中。校正完毕后，再重新固紧左右两个校正螺丝。,第二章 水准测量,第五节 水准测量误差分析及注意事项 1、水准测量误差按其来源分为：仪器误差、观测与操作者的误差以及外界环境的影响等三个方面。 一、仪器误差 （1）仪器校正后的残余误差。仪器检验与校正不甚完善以及其他方面的影响，使仪器尚存在一些残余误差，其中最主要的是水准管轴不完全平行于视准轴的误差(又称为i角残余误差)。在测量中，若保持同一测站上前后视距相等，

26、即可消除i角残余误差对高差的影响。（ (2)水准测量的重要工具，它的误差(分划误差及尺长误差等)也影响着水准尺的读数及高差的精度。因此，水准尺应尺面子直，分划准确、清晰，有的水准尺上安装有园水准器于水准尺竖直，还应注意水准尺零点差。 二、 观测误差 1.水准管气泡居中误差 2.水准尺读数误差 3.视差影响 4.水准尺倾斜误差,第二章 水准测量,三、外界环境的影响 1.仪器下沉 2.尺垫下沉 3.地球曲率的影响 4.大气折光的影响 5.温度的影响 四、水准测量的注意事项 1.测站和转点都应选在土质结实的地方，并尽可能前、后视距相等。 2.观测者不要离开仪器，并用伞挡住阳光，避免太阳光直射仪器。

27、3.每次读数前要使符合气泡居中。 4.水准尺必须扶直，不得前、后，左、右倾倒，在转点立尺时，应先放尺垫并踩实，然后将尺立于尺垫上，前后视观测中尺垫都不能碰动。 5.读数和记录要清晰，读数和记录要采取回报制。 6.记录后要立即计算，经检核无误后，方可迁站。,第二章 水准测量,2-6 数字水准仪简介 数字水准仪是一种新型水准仪，其原理是将编了码的水准尺影像进行一维图像处理，用传感器代替观测者的眼睛，从望远镜中看到水准尺间隔的测量信息，由微处理机自动计算出水准尺上的读数和仪器至立尺点间的水平距离，并以数字的形式将测量结果显示出来。 1990年，瑞士威特厂研制成功世界上第一台数字式水准仪NA2000，

28、从而拉开了数字式水准仪发展的序幕。随后，威特厂又推出了用于精密水准测量的NA3000电子数字式水准仪。德国的蔡司公司和日本的拓普康公司也分别研制出同类产品投放市场。,第二章 水准测量,数字水准仪的构造包括传统水准仪的光学系统和机械系统，因此它同样可以作为光学水准仪使用。此外，这种水准仪还包括信息处理系统，这是与普通光学水准仪不同的地方。与数字水准仪配套使用的水准尺，一面印有条形码图案，另一面和普通水准尺分划相同。水准尺的影像通过一个光束分离器而分解成红外光部分和可见光部分。调焦透镜的位置和自动安平补偿器的功能均由电子装置自动监控。电子数字式水准仪的主要优点是操作简便，能自动观测和记录，并将测量结果以数字的形式显示出来。,第二章 水准测量,