测量学讲义水准测量.

1、内容：理解水准测量的基本原理； 掌握DS3型微倾式水准仪、自动安平水准仪的构造特点、水准尺和尺垫；掌握水准仪的使用方法；掌握水准测量的外业实施(观测、记录和检核)及内业数据处理(高差闭合差的调整)方法；了解水准测量的注意事项重点：水准测量原理；水准测量的外业实施及内业数据处理。难点：/视差的概念、水准测量闭合差的分配第三章水准测量高程测量：测定地面点高程的工作。高程测量按所使用的仪器和施测方法的不同，可以分为水准测量、 三角高程测量、GPS高程测量和气压高程测量。水准测量是目前精度较高的一种高程测量方法。3.1水准测量原理水准测量的原理 是利用水准仪(level)提供的水平视线(horizon

2、tal sight)，读取竖立于两个点上的水准尺(leveling staff)上的读数(即读取水准尺上的刻度)，来测定两点间的高差，再根据已知点高程计算未知点高程。1”大地水iflMlAa后视读数A后视点b前视读数B前视点HbB点的高程HaA点的高程那么hAB+ b=a即 hAB=a-b （后一前）高差法高差即两点间高程之差。 A点到B点的高差为B点的高程减去 A点的高程，即：k裁=仏-际假如A点的高程是已知的，那么要求出B点的高程，关键是要知道 hAB为多少。而求hAB可以通过水准测量来得到。则Hb=H A + h AB仪高（视线高）法Hj 二Ha a 二 Hb bHb= h i bH仪器

3、视线高程（即水平视线到大地水准面的铅垂距离）仪器高法一般适用于安置一次仪器测定多点高程的情况，如线路高程测量、大面积场地 平整高程测量。3.2水准测量的仪器与工具水准测量所用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。一、水准仪水准仪按其精度可以分为DS05 , DSi, DS3 , DS10,四个等级水准仪的种类，水准仪按其构造可以分为以下4类：激光水准仪* 电子水准仪*自动安平水准仪* 微倾式水准仪（一）水准仪的构造1 物镜2. 调焦螺旋 3.微动螺旋4.制动螺旋 5. 微倾螺旋6.脚螺旋 7.长水准器放大镜8.长水准器9.圆水准器10.圆水准器校正螺丝11.目镜 12.瞄准星13.瞄准缺口 14

4、.基座S3BZ型自动安平水准仪1.脚螺丝2.水平微动螺丝3.望远镜4.粗瞄镜5.分划板罩 6.目镜罩 7.目镜根据水准测量的原理，水准仪的主要作用是提供一条水平视线，并能够瞄准水准尺读数。那么，要能提供一条水平视线，就要求水准仪有一个指示是否水平的水准器，并且还要有一个能够将水准器调节至水平状态的部件。要能够瞄准远处的水准尺，就要求水准仪有一个望远镜。因此，水准仪主要由三个部分组成：望远镜、水准器、基座1望远镜望远镜主要由四大光学部件组成：物镜、调焦透镜、十字丝分划板、目镜，另外还包括一些调节螺旋。尺上的分划和注记并有读数标志。十字丝分划板是一块玻璃片，上面刻有两条相互垂直的长线，竖直的一条称

5、为 竖丝，横的一条称为中丝。在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测量距离的，称为视距丝。由视距丝测量出的距离就称为视距。十字丝的交点与物镜光心的连线，称为视准轴。水准测量是在视准轴水平的时候，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。视差：观测者的眼睛在目镜端上下移动时，目标像与十字丝有相对移动。视差会降低读 数的精度。产生的原因：目标成像面与十字丝分划板不重合。 消除的办法：反复进行物镜、目镜对光。（操作：先旋转目镜调焦螺旋，使十字丝十分清晰；然后旋转物镜调焦螺旋使目标像十分清晰）2 水准器水准器用于置平仪器，用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直。水准器有管水准器和圆水准器两种

6、。a）管水准器管水准器由玻璃圆管制成， 其内壁磨成一定半径 R的圆弧，如图所示。将管内注满酒精 和乙醚的混合液，加热封闭， 冷却后，管内形成的空隙部分充满了液体的蒸汽， 称为水准气 泡。因为蒸汽的比重小于液体，所以，水准气泡总是位于内圆弧的最高点。管水准器内圆弧中点 0称为管水准器的 零点，过零点做内圆弧的切线 LL称为管水准器 轴（或水准管轴）。当管水准器气泡居中时，管水准器轴LL处于水平位置。在管水准器的外表面，对称于零点的左右两侧，刻划有2mm间隔的分划线。定义 2mm弧长所对的圆心角称为管水准器的分划值。公式：t ” =2/RX p ”p =206265 分划值T 的几何意义为:当水准

7、气泡移动2mm时，管水准器倾斜的角度为t ”性质：1、R愈大， T愈小，水准管的精度愈高。2、DS3水准仪的分划值为 20 /2mm为了提高水准气泡的居中精度，在管水准器的上方装有一组符合棱镜，通过这组棱镜，将气泡两端的影像反射到望远镜旁的管水准气泡观察窗内，旋转微倾螺旋，当窗内气泡两端的影像吻合后，表示气泡居中。制造水准仪时，使管水准器轴平行于望远镜的视准轴。旋转微倾螺旋使管水准气泡 居中时，管水准器轴处于水平位置，从而使望远镜的视准轴也处于水平位置。b）圆水准器构造：内表磨成球面的玻璃圆盒。零点：圆水准器的球面顶点。圆水准器轴：过圆水准器零点的球面法线。分划值T : 一般为8 10 。作用

8、：粗平仪器，使水准仪竖轴大致竖直，通过调节三个脚螺旋实现。3. 基座基座的作用是支承仪器的上部，用中心螺旋将基座连接到三脚架上。基座主要由轴座、 脚螺旋、底板和三角压板构成。（二）水准仪的主要轴线视准轴、水准管轴、圆水准器轴、竖轴、十字丝横丝水准仪应满足的条件：主要条件：（1）水准仪的视准轴必须平行于水准管轴（C/ L）。次要条件：（2）圆水准器的水准轴应与水准仪的旋转轴平行（L/ V）（3）十字丝横丝垂直于仪器竖轴二、水准尺和尺垫1. 水准尺水准尺主要有：单面尺、双面尺和塔尺。（1）双面水准尺，一般长3m,多用于三、四等水准测量，以两把尺为一对使用。尺的两面均有分划，一面为黑白相间称黑面尺；

9、另一面为红白相间称红面尺，两面的最小分划均为1cm，分米处有注记。“ E ”的最长分划线为分米的起始。读数时直接读取米、分米、厘米，估读毫米，单位为米或毫米。两把尺的黑面均由零开始分划和注记。红面的分划和注记，一把尺由4.687m开始分划0.1m。和注记，另一把尺由 4.787m开始分划和注记，两把尺红面注记的零点差为（2）塔尺，有3m、4m、5m多种，常用于碎部测量。(3) 铟刚尺，通常是单面尺，一般长 3m或2 m。常与精密水准仪配套使用，用于国家、二等水准测量。2. 尺垫尺垫是在转点处放置水准尺用的，它是用生铁铸成的三角形板座，尺垫中央有一凸起的 半球体，以便于放置水准尺，下有三个尖足便

10、于将其踩入土中，以固稳防动。3.3水准仪的使用一、DS3型水准仪操作程序：安置仪器一一粗平一一瞄准一一精平一一读数1 、安置仪器 将三角架张开，使其高度在胸口附近， 架头大致水平，并将脚尖踩入土中, 然后用连接螺旋将仪器连在三脚架上。2、粗平一一调节脚螺旋，使圆水准气泡居中。(1) 方法：对向转动脚螺旋 1、 2 使气泡移至1、 2方向的中间一一转动脚螺 旋3，使气泡居中。(2) 、规律：气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致。3、瞄准(1) 目镜调焦转动目镜调焦螺旋，使十字丝清晰；(2) 粗瞄 转动仪器，用准星和照门瞄准水准尺；从望远镜中观测目标，旋转望远镜 物镜调焦螺旋，使水准尺的成像清晰

11、。(3) 精瞄 拧紧制动螺旋(手感螺旋有阻力)，转动微动螺旋，使水准尺成像在十字 丝交点处；(4 )消除视差4、精平、读数(1)方法：在水准管气泡窗观察，转动微倾螺旋使符合水准管气泡两端的半影像吻合, 视线即处于精平状态，在同一瞬间立即用中丝在水准尺上读取米、分米、厘米，估读毫米， 即读出四位有效数字。(2)注意事项a 不要在没有消除视差情况下进行读数。b 在水准尺上读数时，符合水准气泡必须居中，不能用脚螺旋调整符合水准气泡居中。c. 读数在尺面上由小到大的方向读。故对于望远镜成倒像的仪器，即从上往下读，望 远镜成正像的仪器，即从下往上读。读数以米或毫米为单位。二、自动安平水准仪自动安平水准仪

12、利用圆水准器粗平仪器， 仪器中的补偿棱镜在地球重力的作用下自动导 致仪器视准轴的水平（精平），操作较一般水准仪简便，又可防止一般水准仪在操作中忘 记精平的失误。其操作步骤如下：（ 1）安置脚架和连接仪器 选好测站，安放三脚架，使架头大致水平，用连接螺旋使水准仪与三脚架固连。（2）粗平 按“左手拇指规则”旋转仪器脚螺旋，使圆水准器的气泡严格居中，使补偿棱镜在补 偿范围内导致视准轴水平。（3）瞄准 轻轻地在水平方向转动仪器（该仪器无制动螺旋），使望远镜上的瞄准器指向水准尺， 用水平微动螺旋从望远镜中瞄准目标；旋转目镜使十字丝清晰，旋转物镜调焦螺旋使水准 尺分划清晰；检查是否存在视差，如有，则再作对

13、光调整。（4）读数自动安平水准仪的读数与一般水准仪相同。3.4 水准测量的外业水准点为统一全国的高程系统和满足各种测量的需要， 测绘部门在全国各地埋设并测定了很多 高程点，这些点称为 水准点 （Bench Mark ，通常缩写为 BM） 。水准点分为临时性水准点和永 久性的水准点。 永久性的国家等级水准点一般用钢筋混凝土制成， 并深埋入地下。 在建筑工 地上的临时性水准点可用大木桩， 在木桩的顶端再钉上一颗具有圆球形表面的钉子， 木桩周 围用水泥混凝土加固。水准点埋设之后， 为便于以后使用时寻找， 应做点之记。 即详细记载水准点所在的位置 （如水准点距离某个房子多少米，周围有什么建筑物等） 、

14、水准点的编号和高程，测设日期 等。有了水准点，我们就可以用它来测其他待定点的高程了。注：采用某等级的水准测量方法测出其高程的水准点称为该等级水准点； 各等水准点均 应埋设永久性标石或标志， 水准点的等级应注记在水准点标石或标记面上。水准点标石的类型可分为：基岩水准标石、基本水准标石、普通水准标石和墙脚水准标志四种。一、水准测量的实施 水准测量通常从一个已知高程的水准点开始，按照一定的水准路线而引测出所需各点的 高程。如图， A 点是已知点， B 点是待求点， 如果 AB 两点相距很远， 或者 AB 两点不能通视， 那么就需要将 AB分成多段，按水准测量原理，测出各段高差。例如先测出A和TPi之

15、间的 高差hi，然后再测出TPi和TP?之间的高差h2最后将这些高差累加起来就可以得到AB之间的高差。由 A点的已知高程，即可求得B点高程。TPi、TP?分段点，起着传递高程的作用，称为转点。转点用TP （ Turning Point ）或ZD表示，在转点上通常放置尺垫，再把水 准尺立在尺垫上面。安置仪器的位置称为 测站 。水准测量的基本步骤水准测量的具体步骤，以图为例：（若要测AB两点间的高差，先在 A点立水准点，然后选择一个点作为转点，在转点上安放尺垫，尺 垫上立水准尺。A点与转点之间距离一般不超过100m。然后在A点和转点之间大致中点的位置（为了抵消地球曲率的影响），安置水准仪，按原理读

16、取后、前视读数。将观测的数据填写到相关的表格中。这就是 在第一测站上的工作。然后前视尺不动（所谓前视尺，就是我们面向前进的方向所看见的水准尺，背对着 的就是后视尺），后视尺移到第2个转点上，然后水准仪搬到 1、2转点之间（也叫做搬站）。接着读数，记 录。依次前进直到B点。）可得：艺h*禺也+口所以：俎=胡+陶+心观测要求（1）水准仪安置在离前、后视距离大致相等之处。（2） 为及时发现观测中的错误，通常采用“两次仪器高法”或“双面尺法”。 两次仪器高法：高差之差h-h5mm；双面尺法，红黑面读数差士兰3mmh 黑-h 红二：5mm。、水准测量的检核1计算检核在实际工作中，我们是把水准测量的数据记

17、录在表格中，然后再计算高差。计算过程中 总是难免出错的，为了能够检查高差是否计算正确，就要进行计算检核。工h= 2 aS -从公式的左右两边来看）；比较两种结果：相等高差计算正确。2、测站检核计算检核只能检核高差计算的正确性，但如果某一站的高差由于某种原因测错了，那计算检核就无能为力了。因此，我们对每一站的高差都要进行检核，这种检核就称为测站检核，常见的检核方法有双仪高法和双面尺法。（1） 双仪高法：改变仪器的高度（前后尺保持不动），测出两次黑面高差，在理论上这两次测得的高差应该相同。但由于误差的存在，使得两次测得的高差存在差值。若差值5mm（等外水准）认为高差正确，取平均值作为该站高差，否则

18、重测。（2） 双面尺法：用黑、红面同时读数，测出黑、红面高差，若差值 5mm （三四等水 准）,认为高差正确，取黑、红面高差的平均值作为该站高差。黑面高差为* V红面高差为匕“丄一=23.5水准测量的内业计算在水准测量的观测、 记录等外业工作完成后， 就要转入到内业计算阶段。由于在外业阶段受到各种误差的影响， 会使测量成果的精度降低。 这些影响在某一个测站上反映可能不明 显，在测站上进行测站检核是符合要求的，但随着测站数的增多，会使误差积累起来， 这种积累可能导致测量成果超出限差要求。因此还需要进行水准测量路线成果检核。高差闭合差： 一条水准路线高差测量值之和与高差理论值之和的差值即f h =

19、刀h测一刀h理高差闭合差的允许值 为fh允，各等级水准测量，规范中有相应的要求。当仏 fh允时，成果合格。否则成果不合格，需重测。一、水准路线闭合差的计算水准路线所谓水准路线,就是进行水准测量所经过的路线 。常见的有：1BM21/ (57Zi.l/82)i附合水准路线：即从一已知水准点BM1出发,沿着各个待定高程的点逐站进行水准测量，最后附合到另一个已知水准点BM2上。显然，从BM i测到BM2的高差之和为:刀h 理=H终H始这就是附合水准路线的检核条件。附合水准路线的高差闭合差：fh=刀h 测 一 （H 终 一 H 始）2.闭合水准路线即从已知水准点出发， 沿环线对各个待定高程的点逐站进行水

20、准测量，最后又回到出发 点。显然有：刀h理=0这就是闭合水准路线的检核条件。闭合路线高差闭合差：f h =刀h测3 支水准路线即从已知水准点出发，沿着各个待定高程的点逐站进行水准测量，然后又沿原路返回测到已知水准点。显然：从已知水准点出发时所测得的高差等于返回时所测得的高差：刀h理=0这就是支水准路线的检核条件。支水准路线的高差闭合差：fhh往一刀h返高差闭合差的允许值：平地：fh允三 40VLmm山地：fh允三 12 V nmm二、水准路线闭合差的分配按与距离L或测站数n成正比，将高差闭合差反号分配到各段高差上。Vi = -（ fh/ 刀 L） Li或 Vi = - （ fh/ 刀 n） n水准路线总长Li 第i测段水准路线长度Bi 所有测段测站总数ni-第i测段的测站数三、水准点高程的计算用改正后的高差和已知点的高程，来计算各待定点的高程四、水准测量的成果实例【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