控制测量 第五章 高程控制测量PPT演示课件

高程是对于某一特定性质的参考面而言，没有参考面高程就失去了意义。同一点其参考面不同，高程的意义与数值就不同。布设全国统一的高程控制网，首先必须建立一个统一的高程起算基准面，所有水准测量测定的高程都以这个面为0起算，也就是高程基准面作为0高程面。,精密工程测量,第五章 精密高程控制测量,用精密水准测量联测到陆地上预先设置好的一个固定点，定出这个点的高程作为全国水准测量的起算高程，这个固定点称为水准原点。包括高程起算基准面和相对于这个基准面的水准原点，就构成了国家高程基准。我国高程基准的传递经历了由局部到全国范围逐步完善和提高的过程，国家高程控制网的建立也经历了相应的发展过程。,精密工程测量,国家高程控制网的布设的目的和任务有两项：一是在全国领土上建立统一的高程控制网（统一即高程起算数据仅能一个），为地形测图和各项建设提供必要的高程控制基础。二是地壳垂直运动、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。,精密工程测量,按以下原则布设国家高程控制网：1.从高到底，逐级控制。从高到底、从整体到局部、逐级控制、逐级加密。分为一二三四等水准测量。一等水准测量是国家高程控制网骨干，同时也为相关地球科学研究提供高程数据。二等水准测量是国家高程控制网全面基础。三四等水准测量是直接为地形测图和工程建设提供高程控制点。,精密工程测量,2.水准点分布应满足一定密度。国家各等级水准路线上，每隔一定距离应埋设稳固的水准标识，以便长期保存和使用。3.水准测量达到足够的精度。一等水准测量应当用最先进的仪器、最完善的作业方法和最严格的数据处理，以期达到尽可能高的精度。4.一等水准网应定期复测。一般15-20年复测一次。 二等水准网按实际需要不定期复测。 监测高程控制网的变化和维持完善国家高程基准和传递的措施。,精密工程测量,各等级水准测量的精度，使用每公里高差中数的偶然中误差M和每公里高差中数的全中误差MW来表示的。,精密工程测量,每公里高差中数的偶然中误差M：测段往返高差不符值，mmR：测段长度，kmn：测段数,精密工程测量,每公里高差中数的全中误差MWW：经各项改正后的闭合差，mmF：水准环长度，kmN：水准环数,精密工程测量,5.1国家高程基准5.1.1高程基准面-通常采用大地水准面作为高程基准面大地水准面1956年黄海高程系统，1985年国家高程基准。5.1.2水准原点-青岛,精密工程测量,1956年黄海高程系统，水准原点的高程值72.289m1985年国家高程基准，水准原点的高程值72.2604m两系统相差-0.0286m,精密工程测量,5.2高程控制网的布设5.2.1国家高程控制网由高级到低级、从整体到局部逐级控制、逐级加密的原则。一二三四等。我国国家水准网布设情况分三期：第一期， 1976年以前完成，以1956年黄海高程系统为基准。第二期， 1976年至1990年完成，以19 8 5 年国家高程基准为基准的一二等网。1990年后进行的国家一等水准网的复测和局部地区二等水准。,精密工程测量,精密工程测量,国家一等水准网共布设2 8 9条路线，总长度93360km，全网有100个闭合环和5条单独路线，共埋设固定水准标石2万多座。国家二等水准网共布设1139条路线，总长度13636 8 km，全网有822个闭合环和101条附合路线和支线，共埋设固定水准标石33000多座。国家一二等水准网分等级平差，一等水准网先将大陆的进行平差，再求海南岛的结果。二等是以一等水准环为控制进行平差计算的。一等水准网每隔1520年复测一次。三四等水准，加密，布设成附合路线，并尽可能互相交叉，构成闭合环。5.2.2城市和工程建设高程控制网分二三四等3个等级，首级高程控制网，一般要求设成闭合环。,精密工程测量,水准路线的设计、选点、埋石,技术设计是根据测量任务，按水准测量有关规定，结合测区实际情况在合适的比例尺地图上，拟定出最合理的水准网和水准路线的布设方案，并编写技术设计书。设计前应充分了解测区情况，收集有关资料，然后在1:50万或1:100万地形图上设计一二等水准路线。一等水准路线应交通方便、路平处布设。二等应尽量沿公路、大河及河流布设，沿线交通较为方便。,精密工程测量,技术设计的工作内容：1.收集测区有关资料2.图上设计3.绘制水准路线设计图，编写技术设计书,精密工程测量,选点：实地选点就是在技术设计的基础上，在实地确定水准路线和水准点的最后位置。选定的水准点位置应能保证埋设的标识稳定、安全和长久保存，并便于观测利用。水准点位置选定后，应在点位上埋设或树立注有点号、水准标识类型的点位标志，并填绘水准点点之记。,精密工程测量,埋石：水准标石分为基本水准标石、普通水准标石、基岩水准标石,精密工程测量,工程控制网建立的基本原理,根据工程建设的不同阶段，工程控制网一般可分为三类：测图控制网施工控制网变形观测专用控制网城市和工程测量中的高程控制网可按水准测量和三角高程测量的方法来建立。,精密工程测量,水准测量是建立工程控制网的主要方法，按等级依次分为二、三、四等。首级高程控制网不应低于三等水准，且一般要求布设成闭合环，加密时可布成附合路线、节点图形和闭合环。其主要步骤一般是：水准网图上设计、选点、标石埋设、外业观测、平差计算和成果表的编制等内容。水准网的布设应力求做到经济合理。,精密工程测量,三角高程测量建立工程高程控制网宜在平面控制网的基础上布设成高程导线附合路线、闭合环或三角高程网。但其精度较低，这是由于水准面不平行。,精密工程测量,5.3精密水准仪与水准尺5.3.1精密水准仪的构造特点,精密工程测量,1高质量的望远镜光学系统 40倍，50mm2坚固稳定的仪器结构3高精度的测微装置 直读0.1mm，估读0.01mm4高灵敏的管水准器5高性能的补偿装置,5.3.2精密水准标尺的构造特点1因瓦合金带上分划，木质尺上注记。2精密水准标尺分划的偶然中误差一般在811m。3全长笔直，并且不易弯曲，金属底板耐磨损。尺垫尺桩水准标尺有,精密工程测量,精密工程测量,精密工程测量,5.3.3 Wild N3精密水准仪,精密工程测量,精密工程测量,精密工程测量,5.3.4 Zeiss Ni004精密水准仪,精密工程测量,5.3.5国产S1型精密水准仪,精密工程测量,5.4补偿式自动安平水准仪5.4.1自动安平水准仪的补偿原理光学补偿器,精密工程测量,(5-1),如果 则 (5-2)也就是说，如果光学补偿器安置在望远镜像方光路上的f/2处，当偏转角等于两倍视准轴倾斜角时，补偿器能得到正确的补偿。同样，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。,精密工程测量,5.4.2自动安平水准仪Koni007,精密工程测量,1光学补偿器当望远镜物镜端向下倾斜一个小角度，补偿棱镜产生与视准轴相反的方向摆动同样一个小角度，如果补偿棱镜摆动前后的位移是a/2，则来自水平方向的光线A经过补偿棱镜后的前后平移为a。设补偿棱镜的悬挂长度为l,则 （5-3） 只要补偿棱镜的悬挂长等于物镜焦距的一半，就可达到正确补偿的目的。,精密工程测量,2 光学测微器,精密工程测量,5.4.3自动安平水准仪Ni004,精密工程测量,1光学测微器（物镜测微器）,精密工程测量,精密工程测量,2光学补偿器（平面反射摆镜）,精密工程测量,精密工程测量,5.5精密水准仪和水准标尺的检验,水准仪和水准标尺各部件间关系不正确或部件效用不正确，都会影响水准测量成果的精度。此外，外界条件的影响，也会使水准仪和水准标尺各部件间关系发生变化。定期对所用的水准仪和水准标尺检验是必要的。,精密工程测量,水准仪和水准标尺检验的目的：为了研究和分析仪器存在误差的性质及对水准测量的影响规律，依据误差的影响程度从而对水准测量的仪器进行必要的校正，或在水准测量作业时采取相应的措施，以减弱或消除仪器误差对观测成果的影响。,精密工程测量,5.5.1精密水准仪的检验作业前应检验的项目：检视概略水准器的检校光学测微器隙动差和分划值的测定气泡式水准仪交叉误差的测定气泡式水准仪i角检校双摆位自动安平水准仪摆差2C的测定新构仪器，望远镜调焦透镜运行误差的测定；倾斜螺旋隙动差、分划误差和分划值的测定；自动安平仪器补偿误差和磁致（磁性感应）误差的测定。,精密工程测量,精密工程测量,1.检视,不同仪器的概略整平水准器可能形式上稍有不同（圆水准器或正交的两个水准管），但都必须满足仪器整平后，水准轴平行或正交于仪器垂直轴的要求。检校方法为：,精密工程测量,2.圆水准器安置正确性的检验与校正,测微器本身效用是否正确、测微器的分划尺的分划值是否正确都会直接影响观测值的精度。测定分划值的思想是：用一根特制的分划尺和测微器分划尺进行比较求得。,精密工程测量,3.光学测微器隙动差和分划值的测定,精密工程测量,水准仪的视准轴与水准轴必须满足相互平行这一重要条件。每次作业前和作业期间都必须要进行此项检验。水准轴和视准轴是两条空间直线，在垂直面上投影的交角称为i角误差；在水平面上投影的交角称为交叉误差。,精密工程测量,4.视准轴与水准轴相互关系的检验与校正,精密工程测量,i角误差,精密工程测量,精密工程测量,精密工程测量,角误差,精密工程测量,交叉误差检验步骤：.仪器置于距水准尺50m处，仪器两个脚螺旋连线与照准方向垂直。.整平仪器,使用微倾螺旋精密符合气泡,锲形丝夹准一分划线,记下标尺和测微器读数,并在整个检验过程中保持不变,即通过这个方法保持视准轴方向不变。.将视线一侧脚螺旋升高2周,另一侧脚螺旋等量降低,保持锲形丝夹准原目标,观察并记录长水准气泡偏移方向和大小。,精密工程测量,精密工程测量,.将脚螺旋反向进行操作,观察并记录长水准气泡偏移方向和大小。.进行、项操作时，气泡保持符合，则不存在交叉误差和i角误差；若气泡同向偏离且偏移量相等，则仅有i角误差，没有交叉误差；若同向偏离，且偏移量不等，则i角误差大于交叉误差；若异向偏离，且偏移量不等，则交叉误差大于i角误差；若异向偏离且偏移量相等，则只有交叉误差，没有i角误差。交叉误差校正：调整气泡校正螺旋，使气泡居中。,精密工程测量,5.倾斜螺旋隙动差和分划值的测定,倾斜螺旋的作用是在水准标尺上读数前将水准气泡影像精确符合，另外，在进行跨河水测量时，要用倾斜螺旋测定视线的微小倾角，要用到倾斜螺旋分划值参数。倾斜螺旋旋进和旋出照准同一个分划时，其读数之差，记为倾斜螺旋隙动差，对于一二等精密水准测量，隙动差应小于2。,对于内对光望远镜来说，在调焦时，仪器的等效光心移动的轨迹理论设计应该是一条直线，如果在调焦时，等效光心移动的轨迹不是一条直线，则说明调焦透镜移动时有晃动，说明调焦透镜运行误差使调焦透镜运行不准确。,精密工程测量,6.调焦透镜运行误差的测定,观测方法（1）在A点上整置仪器，观测各点以求各点对0点的高差一测回 共测4个测回，各测回间应用脚螺旋变更仪器高，4测回中不能变动焦距。,精密工程测量,（2）在0点上整置仪器，按1 2 3 4 5 的顺序观测各点（往测），由于视距不等，每次都要仔细调焦，再进行返测。共测4个测回，各测回间应用脚螺旋变更仪器高。,精密工程测量,计算方法计算各点（1,2,3,4,5）对于0点的高差Hi(i=1,2,3,4,5) Hi=L0-Li (5-10) L0和Li是仪器在A点时照准点0和其余各点4测回（各点共8个）读数的中数。 计算0点仪器视线高度hihi=Hi+Mi (5-11)Mi是仪器在0点时照准其余各点4测回（各点共8个）读数的中数。计算0点仪器视线的平均高度hm (5-12),精密工程测量,如果调焦时，视准轴方向保持不变且与水准轴平行，则如果视准轴与水准轴不平行，而存在i角，则各hi与hm不等，其差数i=hi-hm； 如果调焦透镜运行正确，则i将由两部份误差影响组成：一是i角的影响，当距离为si时，其误差为sitgi或siK；另一部是观测误差和其它误差的影响。对于各点可列出下列方程式,精密工程测量,法方程式 (5-14) 由于 ，解(5-14)得 （5-14、15）将K，代入(5-13)，得，而调焦透镜运行误差 (5-17),精密工程测量,精密工程测量,规范规定任一,对于双摆位自动安平水准仪，观测时如果摆镜不能完全精确地静止在垂直位置，则会引起由于摆镜倾斜而对观测产生影响。一般按照摆镜绕摆轴旋转180的两个摆位进行观测，取其观测结果的平均数来削弱这种误差的影响。,精密工程测量,7.双摆位于自动安平水准仪摆差2c的测定,精密工程测量,R2a为摆2位置时A标尺读数（5次）的平均值R1a为摆1位置时A标尺读数（5次）的平均值R2b为摆2位置时B标尺读数（5次）的平均值R1b为摆1位置时B标尺读数（5次）的平均值,精密工程测量,对于一、二等水准测量，要求2c40,精密工程测量,8. 自动安平水准仪补偿误差的测定,由于补偿器的装配技术不完善等原因，补偿器对垂直轴倾斜时无法给出争取的补偿量，会出现补偿不足或补偿过量的现象。 如图，是仪器及望远镜倾斜角值，k是补偿器给出的补偿倾斜值，是无法补偿的剩余误差部分，r是单一观测方向时读数影响，则 2r是一个测站观测高差的影响。,精密工程测量,定人法整平圆水准器。补偿误差的检验是通过比较的方法进行的。,精密工程测量,由仪器垂直轴各方向倾斜时所测得的高差与高差精确值相减：,倾斜1时，以秒为单位的补偿误差：,对于一等水准测量，不大于0.10；对于二等水准测量， 不大于0.20。,精密工程测量,5.5.2精密水准标尺的检验,一二等水准测量规范规定，作业前检验项目为：.标尺检视；.圆水准器检校；.标尺分划面弯曲差测定;.标尺名义米长及分划偶然中误差测定;.标尺尺带拉力测定;.一对标尺零点不等差及基辅分划读数差测定.实践中第项检验是专业机构完成,第项误差可以通过观测程序完全消除,第项教材和规范中均未涉及检验方法.对于新购置的水准标尺还须进行标尺中轴线与标尺底面垂直性等项目的检验。,1水准标尺分划面弯曲差的测定尺面如有弯曲，观测时将使读数失之过大。弯曲的尺l伸直可认为BC，而观测的情况是L。,精密工程测量,尺长变化l与弯曲差f的关系式：,尺长一般3m，每米改正数：,2 标尺名义米长及分划偶然中误差的测定一对水准标尺平均（每）米真长，平均米真长偏差f(mm/m)， f=平均米真长-1m 改正后的高差h/=h+fh一级线纹米尺尺长方程式 例 L=1000mm-0.01mm+0.018(t-200C)mm 3一对水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定零点不等差-偶数站,精密工程测量,5.6精密水准测量的主要误差来源及其影响,水准测量误差一般可分1仪器误差2外界因素3观测误差,精密工程测量,精密水准测量会受到各种误差的影响（仪器误差、外界因素引起的误差、观测误差），在这一节中就几种主要的误差进行分析，并讨论对精密水准测量观测成果的影响。在控制测量的高差测量仪器中，主要使用的是：气泡式精密水准仪、自动安平的精密水准仪、数字水准仪及相应的因瓦合金水准尺。,精密工程测量,5.6.1视准轴与水准轴不平行的误差1 i角的误差影响 与视距成正比。一个测站的影响： （5-24） 一个测段的影响： （5-25）视距差的规定，视距累积差的规定,精密工程测量,设i=15/,s=0.1mm由(5-24),精密工程测量,精密工程测量,保持i角不变：不能调焦测前后尺时间尽量短前后视距差尽可能等一定条件下，角会转变为i角：竖轴倾斜与望远镜正角倾斜一个角度,2 角误差的影响,3 温度变化对i角的影响 在观测的较短时间内，由于受温度的影响，i角与时间成比例地均匀变化，采用观测方法：奇数站：后（基）前（基）前（辅）后（辅）偶数站：前（基）后（基）后（辅）前（辅）,精密工程测量,5.6.2 水准标尺长度误差的影响,1 水准标尺每米长度误差的影响 f水准标尺每米间隔平均真长误差 对一个测站高差应加的改正数 （5-26） 对一个测段高差应加的改正数 （5-272 两水准标尺零点差的影响,精密工程测量,a标尺零点差为a，b标尺零点差为b采用偶数站5.6.3 仪器和水准标尺（尺台或尺桩）垂直位移的影响1仪器下沉,精密工程测量,设为奇数站： 后（基）a1前（基）b1前（辅）b2后（辅）a2基面求得高差辅面求得高差高差平均,精密工程测量,2 水准标尺（尺台或尺桩）下沉,精密工程测量,往测 ：返测：,精密工程测量,往返平均高差 ： 进行往返测，高差取平均后水准标尺（尺台或尺桩）下沉的误差影响可大大减少。往返测尽可能路线相同。,精密工程测量,1.观测前30分，应将仪器置于露天、阴凉处，使仪器与外界温度趋于一致，不能受太阳直接照射2.连续各测站安置水准仪时，其中两脚螺旋与水准路线方向平行，第三脚螺旋轮换置于路线左右侧（要给三个脚螺旋做好记号）3.相邻两侧站上应按奇偶站的观测程序观测，往测时：奇数站后前前后，偶数站前后后前；反测时相反，奇数站由前视开始，偶数站由后视开始。,精密工程测量,4.对于气泡式水准仪，观测前应测出倾斜螺旋的置平零点并做好标记，随气温变化随时调整置平零点位置，对自动安平的圆水准器，应严格置平。5.同一测站上观测时，不得两次调焦转动仪器的倾斜和测微螺旋，最后的旋转方向应为旋进（即弹簧上紧方向）避免倾斜螺旋和测微器隙动差影响6.每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准尺应互换位置，仪器也重新整置。,精密工程测量,精密工程测量,5.7精密水准测量的实施,水准测量的精度 1 水准测量有不同于平面控制网中三角网、三边网、边角网之处在于它有自已的特点，即观测精度高，工作量大，难于多次重复，一般只进行往返测，也就是往返测（符合要求的）高差平均作为高差的最或是值。当评定这种最或是值的精度时，也只有往返测高差之差可资利用，它反映了水准测量各种误差共同作用的结果，具有真误差的性质，它们含有偶然误差的影响也含有系统误差的影响。而系统误差具有累积的特性。人们早就发现，在往返测高差之差中有某种系统误差存在。,精密工程测量,精密工程测量,法国拉列曼，1912年；瑞典鲁涅；原苏联巴甫洛夫，契巴塔寥夫；我国周江文等公式。1948年国际大地测量协会的水准测量组通过了威尼阿尔等人所推荐的估算水准测量中误差的方法。不论用那一种公式都不能正确反映往返测平均高差中系统误差影响的大小。,精密工程测量,2 我国现成规范中的计算公式按照目前往返测水准测量的作业方式，每公里系统误差是不可能单独求得的。根据对一些实验性（多次重复）水准测量进行统计分析有：幂函数曲线曲线说明：按照现行规范作业，往返测高差平均值中系统误差影响会随着测线的加长而急剧减少。根据实验结果，在300km长的测线上，其值不会大于(0.010.02)mm/km。这是由于在较长的线路上系统误差会有更多机会得到抵消或减弱，不会朝一个方向无止境地系统的累积起来。所以对高差的影响不会很大。基于这样思想，目前既然还无法正确计算系统误差，因而也就没有必要去计算什么系统误差。,精密工程测量,精密工程测量,在短距离，如一个测段的往返测高差之差中，偶然误差肯定得到反映，虽然也不排除有系统误差的影响，但由于距离短，系统误差毕竟很小，所以用测段的往返测高差之差来估算偶然中误差还是可行的。(5-28)式(5-29)式。 对于闭合环，由往返测平均高差所形成的闭合差W，具有真误差的性质，反映了高差平均值中的偶然误差，也必然反映着系统误差，包含着这两种误差的综合反映，可叫全中误差。因而用环形闭合差W来估算全中误差。(5-30)式。,精密工程测量,5.9正常水准面的不平行性及其改正数的计算 5.9.1水准面不平行性 1 水准面不平行性 （5-41） （5-42）,精密工程测量,2 重力加速度的变化 可分成两部份：一是重力加速度随纬度的不同而变化的，在赤道g有较小的值，而在两极g值较大，因此水准面相互不平行，且为向两收敛的、接近椭园的曲线。二是重力异常，不规则的变化。,精密工程测量,3水准面的不平行性，对水准测量的影响因为水准面不平行性，如果沿水准面观测高差不等于零（应该等于零），要加改正数。用水准测量测得两点间的高差随路线不同而有差异环形路线闭合差不等于零，理论闭合差。,精密工程测量,5.9.2正高高程系定义：正高高程系是以大地水准面为高程基准面，地面一点的正高高程（简称正高），即该点沿垂线至大地水准面的距离。某点正高不随水准测量路线的不同而有差异，正高高程是唯一确定的数值可以用来表示地面的高程，但地面一点的正高高程不能精确求得。 .（5-4346）,精密工程测量,5.9.3近似正高高程系和近似正高改正数定义 （5-47）高出水准椭球面H的正常重力公式 （5-48）正常重力公式1979年国际地球物理和大地测量联合会推荐的正常重力公式,精密工程测量,1980年西安大地测量坐标建立时应用上式。设A，B两点间的观测高差为 近似正高高差为近似正高改正数 （5-49）水准路线AB上的近似正高改正数 （5-50） 式中=0.002644,精密工程测量,讨论：当沿平行圈进行观测时， 。当沿子午线方向进行水准测量时，变化最大，也最大。在北半球，当水准路线由南向北进行时，纬度增加，为正为负，即两水准面愈加靠近，正高减小。当所有的水准路线测得的高差中加了近似正高改正数后，则由它们所组成的水准环，其正高高差的闭合差应等于零，所以由于水准面不平行性所产生的理论闭合差就等于构成该水准环的各条水准路线的近似正高改正数之和。,精密工程测量,5.9.4正常高高程系和重力异常改正1 莫洛金斯基提出似大地水准面严密的正高求不出，近似正高没有考虑重力异常，难于通过大地水准面来确定地面点相对于作为归算面的参考椭球面的高程。原苏联科学院通讯院士M.c.莫洛金斯基鉴于正高不能严密求得，只能求得近似正式高值，他提出，测量学基本的科学问题不应该是大地水准面的测定，而应该是地球表面形状的研究，只有在这个行星表面上进行精确的天文、大地和重力测量所测得的结果的基础上，才有可能来研究地球的形状，他引用了一个非常接近大地水准面的辅助面，这个表面叫似大地水准面。,精密工程测量,2 正常高高程系 (5-53)正常高高程是以似大地水准面为基准面的高程系，地面一点的正常高高程（简称正常高），即该点到似大地水准面的距离，正常高可精确求得。利用天文重力水准测量方法可以测定似大地水准面与参考椭球面之间的距离，因此应用正常高高程系，可以有足够的精度求出地面一点到参考椭球面的距离，这样地面上的观测量就可精确地归化到参考椭球面上。,精密工程测量,对于B点正常高对于AB两点正常高高差 （5-58）重力异常改正 （5-56）,精密工程测量,5.10水准测量的概算水准测量的概算前必须对外业观测资料进行检查，然后再进行概算。概算的主要内容有：1，水准标尺每米长度误差的改正数计算，(5-27)式；2，正常水准面不平行的改正数计算；3，水准路线闭合差计算及按与测段长度成正比配赋。概略高程-近似正高，重力异常改正数在内业平差时计算，得正常高。,精密工程测量,5.11 三角高程测量5.11.1三角高程测量的基本公式1基本公式仪器高i1觇标高v2参考椭球面A/B/水准面PE，AF切线PC（水准面PE的）光程曲