毕业论文--- 精密水准测量在工程建设中的应用.doc

1 毕业论文（设计） 2011 届 工程测量与监理专业 题 目: 精密水准测量在工程建设中的应用 班 号: 07312 学 生: 李文洋 指导教师: 李泽球 评阅教师: 2010 年 4 月 4 日 2 中文摘要 我国国家水准测量依精度不同分为一、二、三、四等。一、二 等水准测量称为“精密水准测量”，是国家高程控制的全面基础，可 为研究地壳形变等提供数据。三、四等水准测量直接为地形测图和 各种工程建设提供所必需的高程控制。精密水准测量，在各项工程 的不同建设阶段的高程控制测量中，极少进行一等水准测量，故在 工程测量技术规范中，将水准测量分为二、三、四等三个等级，其 精度指标与国家水准测量的相应等级一致。 水准测量是确定工程地面点高程的方法之一，是高程测量中精 度较高且常用的方法。实施过程中，需要几个人合作才能完成，误 差允许范围内的精度由于仪器和人为的影响而不容易控制，而且易 出现隐蔽性错误，如果不能及早发现，基础资料是错误的，从而水 准点高程不正确，直接影响路线纵断面设计和施工。 3 目录 中文摘要 .2 绪言 .4 1 精密水准线路的设计 .5 1.1 技术设计 .5 1.2 选点 .5 1.3 埋石 .5 2 精密水准测量的实测 .6 2.1 精密水准测量作业的一般规定 .6 2.2 精密水准测量观测 .7 3 观测数据处理 .8 3.1 水准测量一般计算公式 .8 3.2 水准测量限差 .9 3.3 水准测量的精度 .10 4 水准测量的误差分析及控制方法 .12 4.1 仪器误差之一是水准仪的望远镜视准轴不平行于水准管轴所产生的误差 .12 4.2 仪器误差之二是水准尺误差 .12 4.3 观测误差之一是符合水准管气泡居中的误差 .12 4.4 观测误差之二是视差的影响 .13 4.5 观测误差之三是水准尺的倾斜误差 .13 4.6 外界条件和下沉的影响 .13 5 个人小结 .15 致谢词 .16 参考文献 .17 4 绪言 水准测量是采用几何原理，利用水平视线测定两点间高差。仪器使用水准 仪，工具是水准尺和尺垫。公路工程测量一般使用 ds3 型微倾式自动安平水准 仪，每公里能达到的精度是 3mm，水准仪在一个测站使用的基本程序是安置仪 器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。我们在实际勘测过程中按这个 顺序施行，在每一水准点段测完后复核结果。随着现代科技的发展，要做一个 控制网不在需要长途跋涉，静态 gps 解决了很多人们不能到达是地方，但并 不是所有的地方都能够使用他，他测的数据误差有时候过大，在水力变电站和 堤坝这些重要的工程项目中，对数据的精度都是相当的高，所有精密水准的测 量工作在这里相当重要。我通过参加了再安徽的宁启线，皖赣线铁路前期测量 工作二等水准，在此对水准测量的理论和方法进行粗略的探讨。 5 1 精密水准线路的设计 1.1 技术设计 技术设计是根据任务要求和测区情况，在小比例尺地图上，拟定最合理水 准网或水准路线的布设方案。为此，设计前应充分了解测区情况，收集有关资 料（例如测区地形图、已有水准测量成果等）。在设计时应尽量沿坡度较小、 施测方便的交通道路布设水准路线。但为了使观测少受外界干扰，水准路线要 避开城市、火车站等繁闹地区，还要避免跨越河流、湖泊、山谷等障碍物。拟 设的水准路线应注意与原测路线重合时，若旧点符合要求应尽量利用，否则应 重新埋设，但对旧点必须连测。 1.2 选点 图上设计完成后，须进行实地选线和确定水准点位置。实地选线的目的在 于使设计方案能符合实际情况，确定切实可行的水准路线和水准点位置。选定 水准点位置要考虑到稳定、安全、能长久保存并便于观测使用。不可选在易于 淹没、土质松软、易受震动和地势隐蔽而不便于观测的地点埋石。 1.3 埋石 经过实地选线确定水准点位置后，要用水准标石和标志将它长期标志出来，以供 联测使用。按照用途区分，水准标石分为基本水准标石、普通水准标石和基岩水准标 石三大类。以下分别说明各种水准标石的用途和基本特点。基本水准标石的作用在于 较长久地保存水准测量精确成果，以供随时联测新设水准点和检测或恢复破坏的旧水 准点的高程。 6 2 精密水准测量的实测 2.1 精密水准测量作业的一般规定 观测前 30 分钟，应将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致； 观测时应用测伞遮蔽阳光；迁站时应罩以仪器罩。 仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等，其差应小于规定的限值：二 等水准测量中规定，一测站前、后视距差应小于 1.0m，前、后视距累积差应小 于 3m。这样，可以消除或削弱与距离有关的各种误差对观测高差的影响，如 角i 误差和垂直折光等影响。 对气泡式水准仪，观测前应测出倾斜螺旋的置平零点，并作标记，随着气 温变化，应随时调整置平零点的位置。对于自动安平水准仪的圆水准器，须严 格置平。 同一测站上观测时，不得两次调焦；转动仪器的倾斜螺旋和测微螺旋，其 最后旋转方向均应为旋进，以避免倾斜螺旋和测微器隙动差对观测成果的影响。 在两相邻测站上，应按奇、偶数测站的观测程序进行观测，对于往测奇数 测站按“后前前后” 、偶数测站按“前后后前”的观测程序在相邻测站上交替进 行。返测时，奇数测站与偶数测站的观测程序与往测时相反，即奇数测站由前 视开始，偶数测站由后视开始。这样的观测程序可以消除或减弱与时间成比例 均匀变化的误差对观测高差的影响，如 角的变化和仪器的垂直位移等影响。i 在连续各测站上安置水准仪时，应使其中两脚螺旋与水准路线方向平行， 而第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。 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 准标尺应互换位置，并应重新整置仪器。在水准路线上每一测段仪器测站安排 成偶数，可以削减两水准标尺零点不等差等误差对观测高差的影响。 每一测段的水准测量路线应进行往测和返测，这样，可以消除或减弱性质 7 相同、正负号也相同的误差影响，如水准标尺垂直位移的误差影响。 一个测段的水准测量路线的往测和返测应在不同的气象条件下进行，如分 别在上午和下午观测。 使用补偿式自动安平水准仪观测的操作程序与水准器水准仪相同。观测前 对圆水准器应严格检验与校正，观测时应严格使圆水准器气泡居中。 水准测量的观测工作间歇时，最好能结束在固定的水准点上，否则，应选 择两个坚稳可靠、光滑突出、便于放置水准标尺的固定点，作为间歇点加以标 记，间歇后，应对两个间歇点的高差进行检测，检测结果如符合限差要求（对 于二等水准测量，规定检测间歇点高差之差应1.omm） ，就可以从间歇点起测。 若仅能选定一个固定点作为间歇点，则在间歇后应仔细检视，确认没有发生任 何位移，方可由间歇点起测。 2.2 精密水准测量观测 测站观测程序 往测时，奇数测站照准水准标尺分划的顺序为： 后视标尺的基本分划； 前视标尺的基本分划； 前视标尺的辅助分划； 后视标尺的辅助分划； 往测时，偶数测站照准水准标尺分划的顺序为： 前视标尺的基本分划； 后视标尺的基本分划； 后视标尺的辅助分划； 前视标尺的辅助分划。 返测时，奇、偶数测站照准标尺的顺序分别与往测偶、奇数测站相同。 按光学测微法进行观测，以往测奇数测站为例，一测站的操作程序如下： 置平仪器。气泡式水准仪望远镜绕垂直轴旋转时，水准气泡两端影像的分 离，不得超过 lcm，对于自动安平水准仪，要求圆气泡位于指标圆环中央。 将望远镜照准后视水准标尺，使符合水准气泡两端影像近于符合（双摆位 8 自动安平水准仪应置于第摆位） 。随后用上、下丝分别照准标尺基本分划进行 视距读数。视距读取 4 位，第四位数由测微器直接读得。然后，使符合水准气 泡两端影像精确符合，使用测微螺旋用楔形平分线精确照准标尺的基本分划， 并读取标尺基本分划和测微分划的读数。测微分划读数取至测微器最小分划。 旋转望远镜照准前视标尺，并使符合水准气泡两端影像精确符合，用楔形 平分线照准标尺基本分划，并读取标尺基本分划和测微分划的读数。然后用上、 下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数。 用水平微动螺旋使望远镜照准前视标尺的辅助分划，并使符合气泡两端影 像精确符合，用楔形平分线精确照准并进行标尺辅助分划与测微分划读数。 旋转望远镜，照准后视标尺的辅助分划，并使符合水准气泡两端影像精确 符合，用楔形平分线精确照准并进行辅助分划与测微分划读数。 3 观测数据处理 3.1 水准测量一般计算公式 视距部分的计算 （9）=（1）-（2） （10）=（5）-（6） （11）=（9）-（10） （12）=（11）+前站（12） 高差部分的计算与检核 （14）（3）+ k -（8） 式中 k 为基辅差（对于 n3 水准标尺而言 k=3.0155m) （13）=（4）+ k -（7） （15）=（3）-（4） （16）=（8）-（7） （17）=（14）-（13）=（15）-（16）检核 （18）= （15）+（16）21 9 测自 至 19 年 月 日 时间 始 时 分 末 时 分 成 像 温度 云量 风向风速 天气 土质 太阳方向 下丝 下丝后 尺 上丝 前 尺 上丝 标尺读数 后距 前距 测 站 编 号 视距差 d 方 尺 及 向 号 基本分划 （一次） 辅助分划 （二次） 基+k 减 辅 （一减二） 备考 （1） （5） 后 （3） （8） （14） （2） （6） 前 （4） （7） （13） （9） （10） 后-前 （15） （16） （17） （11） （12） h （18） 后 前 后-前 h 以上即一测站全部操作与观测过程。一、二等精密水准测量外业计算尾数 取位如下表规定。 项目 等级 往（返） 测 距离总 和 km 测段距离 中数 km 各测站高差 mm 往（返）测 高差总和 mm 测段高差 中数 mm 水准点高程 mm 一 二 0.01 0.01 0.1 0.1 0.01 0.01 0.01 0.01 0.1 0.1 1 1 3.2 水准测量限差 若测段路线往返测高差不符值、附合路线和环线闭合差以及检测已测测段 10 高差之差的限值如下表所示。 项目 等级 测段路线往返测 高差不符值 mm 附合路线闭合差 mm 环线闭合差 mm 检测已测测段高差 之差 mm 一等 二等 k24l24f24r36 若测段路线往返测不符值超限，应先就可靠程度较小的往测或返测进行整 测段重测；附合路线和环线闭合差超限，应就路线上可靠程度较小，往返测高 差不符值较大或观测条件较差的某些测段进行重测，如重测后仍不符合限差， 则需重测其他测段。 3.3 水准测量的精度 水准测量的精度根据往返测的高差不符值来评定，因为往返测的高差不符 值集中反映了水准测量各种误差的共同影响，这些误差对水准测量精度的影响， 不论其性质和变化规律都是极其复杂的，其中有偶然误差的影响，也有系统误 差的影响。 根据研究和分析可知，在短距离，如一个测段的往返测高差不符值中，偶 然误差是得到反映的，虽然也不排除有系统误差的影响，但毕竟由于距离短， 所以影响很微弱，因而从测段的往返高差不符值 来估计偶然中误差，还是合 理的。在长的水准线路中，例如一个闭合环，影响观测的，除偶然误差外，还 有系统误差，而且这种系统误差，在很长的路线上，也表现有偶然性质。环形 闭合差表现为真误差的性质，因而可以利用环形闭合差 来估计含有偶然误差w 和系统误差在内的全中误差，现行水准规范中所采用的计算水准测量精度的公 式，就是以这种基本思想为基础而导得的。 由 个测段往返测的高差不符值 计算每公里单程高差的偶然中误差（相n 当于单位权观测中误差）的公式为 nr 21 往返测高差平均值的每公里偶然中误差为 11 412rnm 式中， 是各测段往返测的高差不符值，取 mm 为单位；r 是各测段的距离， 取 km 为单位； 是测段的数目。 （5-6）式就是水准规范中规定用以计算往返测n 高差平均值的每公里偶然中误差的公式，这个公式是不严密的，因为在计算偶 然误差时，完全没有顾及系统误差的影响。顾及系统误差的严密公式，形式比 较复杂，计算也比较麻烦，而所得结果与（5-6）式所算得的结果相差甚微，所 以（5-6）式可以认为是具有足够可靠性的。 按水准规范规定，一、二等水准路线须以测段往返高差不符值按（5-6）式 计算每公里水准测量往返高差中数的偶然中误差 。当水准路线构成水准网的m 水准环超过 20 个时，还需按水准环闭合差 计算每公里水准测量高差中数的全w 中误差 。wm 计算每公里水准测量高差中数的全中误差的公式为 nqmtw1 式中， 是水准环线经过正常水准面不平行改正后计算的水准环闭合差矩阵， 的转置矩阵 为 环的闭合差，以 mm 为单位； 为水准环的wintw),(21 n 数目，协因数矩阵 中对角线元素为各环线的周长 ，非对角线元素，qf,21 如果图形不相邻，则一律为零，如果图形相邻，则为相邻边长度（公里数）的 负值。 每公里水准测量往返高差中数偶然中误差 和中误差 ，全中误差 超限mwm 时，应分析原因，重测有关测段或路线。 等级 一等 mm 二等 mmmw 0.45 1.0 1.0 2.0 12 4 水准测量的误差分析及控制方法 4.1 仪器误差之一是水准仪的望远镜视准轴不平行于水准管轴所 产生的误差 仪器虽在测量前经过校正，仍会存在残余误差。因此造成水准管气泡居中， 水准管轴居于水平位置而望远镜视准轴却发生倾斜，致使读数误差。这种误差 与视距长度成正比。观测时可通过中间法（前后视距相等）和距离补偿法（前 视距离和等于后视距离总和）消除。针对中间法在实际过程中的控制，立尺人 是关键，通过应用普通皮尺测距离，之后立尺，简单易行。而距离补偿法不仅 繁琐，并且不容易掌握。 4.2 仪器误差之二是水准尺误差 主要包含尺长误差（尺子长度不准确）、刻划误差（尺上的分划不均匀） 和零点差（尺的零刻划位置不准确），对于较精密的水准测量，一般应选用尺 长误差和刻划误差小的标尺。尺的零误差的影响，控制方法可以通过在一个水 准测段内，两根水准尺交替轮换使用（在本测站用作后视尺，下测站则用为前 视尺），并把测段站数目布设成偶数，即在高差中相互抵消。同时可以减弱刻 划误差和尺长误差的影响。 4.3 观测误差之一是符合水准管气泡居中的误差 由于符合水准气泡未能做到严格居中，造成望远镜视准轴倾斜，产生读数 误差。读数误差的大小与水准管的灵敏度有关，主要是水准管分划值 的大小。 此外，读数误差与视线长度成正比。水准管居中误差一般认为是 0.1，根 据公式 m 居=0.1s/，ds3 级水准仪水准管的分划值一般为 20，视线 长度 s 为 75m，=206265，那么，m 居=0.4mm。由此看来，只要观测时符合 13 水准管气泡能够认真仔细进行居中，且对视线长度加以限制，与中间法一致， 此误差可以消除。 4.4 观测误差之二是视差的影响 当存在视差时，尺像不与十字丝平面重合，观测时眼睛所在的位置不同， 读出的数也不同，因此，产生读数误差。所以在每次读数前，控制方法就是要 仔细进行物镜对光，消除视差。 4.5 观测误差之三是水准尺的倾斜误差 水准尺如果是向视线的左右倾斜，观测时通过望远镜十字丝很容易察觉而 纠正。但是，如果水准尺的倾斜方向与视线方向一致，则不易察觉。尺子倾斜 总是使尺上读数增大。它对读数的影响与尺的倾斜角和尺上读数的大小（即视 线距地面的高度）有关。尺的倾斜角越大，对读数的影响就越大；尺上读数越 大，对读数的影响就越大。 所产生的读数误差为 a=a（1-cos）。当 =3o，a=1.5m 时， a=2mm，由此可以看出，此项影响是不可忽视的，通常我们立镜高度是 1.7m, 则 a=2.33mm，。因此，在水准测量中，立尺是一项十分重要的工作，一定要 认真立尺，使尺处于铅垂位置。尺上有圆水准的应使气泡居中。必要时可用摇 尺法，即读数时尺底置于点上，尺的上部在视线方向前后慢慢摇动，读取最小 的读数。当地面坡度较大时，尤其应注意将尺子扶直，并应限制尺的最大读数。 最重要的是在转点位置。 4.6 外界条件和下沉的影响 用水平面代替水准面对高程的影响，可以用公式 h=d2/（2r）表示，地 球半径 r=6371km，当 d=75m 时，h=0.44cm；当 d=100m 时，h=0.08cm；当 d=500m 时，h=2cm；当 d=1km 时，h=8cm；当 d=2km 时，h=31cm；显然， 以水平面代替水准面时高程所产生的误差要远大于测量高程的误差。所以，对 14 于高程而言，即使距离很短，也不能将水准面当作水平面，一定要考虑地球曲 率对高程的影响。实测中采用中间法可消除。大气折光使视线成为一条曲率约 为地球半径 7 倍的曲线，使读数减小，可以用公式 h=d2/（2x7r）表示，视 线离地面越近，折射越大，因此，视线距离地面的角度不应小于 0.3m，并且其 影响也可用中间法消除或减弱。此外，应选择有利的时间，一日之中，上午 10 时至下午 4 时这段时间大气比较稳定，便于消除大气折光的影响，但在中午前 后观测时，尺像会有跳动，影响读数，应避开这段时间，阴天、有微风的天气 可全天观测。 仪器下沉是指在一测站上读的后视读数和前视读数之间仪器发生下沉，使 得前视读数减小，算得的高差增大。为减弱其影响，当采用双面尺法或变更仪 器高法时，第一次是读后视读数再读前视读数，而第二次则先读前视读数再读 后视读数。即“后、前、前、后”的观测程序。这样的两次高差的平均值即可 消除或减弱仪器下沉的影响。 水准尺下沉的误差是指仪器在迁过程中，转点发生下沉，使迁站后的后视 读数增大，算得的高差也增大。如果采取往返测，往测高差增大，返测高差减 小，所以取往返高差的平均值，可以减弱水准尺下沉的影响。最有效的方法是 应用尺垫，在转点的地方必须放置尺垫，并将其踩实，以防止水准尺在观测过 程中下沉。 根据误差来源分析表 1.1，应用偶然中误差 m=（/4nr） （1/2）计算合格，附合路线闭合差公式计算同样合格。那么，这个比较隐蔽的 错误主要来源是立尺方向出现倾斜和转点位置下沉或移动，中间法距离控制不 好。解决的方法是首先改变水准测量的模式，基平与中平分开。其次在每一个 测站检核，在同一测站上以不同的仪器高度（或称视线高度）观测两次，两次 所测高差之差不超过规定的容许值 2.0mm，取其算术平均值作为本测站的观测 结果。严格执行上述控制误差的方法。就能够有效的把误差控制在精度要求内。 15 5 个人小结 通过这次实习，学到了测量的实际能力，更有面对困难的忍耐力；也学到 了小组之间的团结、默契，更锻炼了自己很多测绘的能力。首先，是熟悉了水 准仪的用途，熟练了水准仪的各种使用方法，掌握了仪器的检验和校正方法。 其次，在对数据的检查和矫正的过程中，明白了各种测量误差的来源，其主要 有三个方面：仪器误差（仪器本身所决定，属客观误差来源）、观测误差（由 于人员的技术水平而造成，属于主观误差来源）、外界影响误差（受到如温度、 大气折射等外界因素的影响而这些因素又时时处于变动中而难以控制，属于可 变动误差来源）。了解了如何避免测量结果错误，最大限度的减少测量误差的 方法，即要作到：（1）在仪器选择上要选择精度较高的合适仪器。（2）提高 自身的测量水平，降低误差水平。第三，除了熟悉了仪器的使用和明白了误差 的来源和减少措施，还应掌握