武汉大学水准测量和水准仪课件

1、第四章水准测量和水准仪测定地面点测定地面点高程高程的工作称为的工作称为高程测量高程测量第四章水准测量和水准仪?水准测量水准测量?三角高程测量三角高程测量4.1 水准测量原理与方法水准测量原理与方法一、水准测量的原理一、水准测量的原理ababhhh+=ab大地水准面ahbhabhhab abhab - hbaihi ha+ahb ha+(a-b)= hi-b视线高法视线高法后视尺前视尺二、水准测量方法二、水准测量方法c4e1d23转点：转点：临时立尺点，传递高程的过渡点。测站：测站：每安置一次仪器称为一个测站=+=41414144332211)()()()()(babababababahabha

2、b=hac+hcd+ hde+heb三、地球曲率和大气折光的影响三、地球曲率和大气折光的影响abababhmmebnnfr1r2过a的水准面过i的水准面i水平面hab=ea-fb球差改正：me=p1；nf= p2hab=（ma-p1）-（nb-p2）气差改正：mm=f1；nn= f2hab=（a+ f1-p1）-（b+f2-p2）22spr=0.11rrkk =设弯曲视线的曲率（）22sfkr=2(1)2srpfkr=球气差改正：hab=（ a-b）-（ r1-r2）一般可根据水准测量的精度，将s1与s2之差限制在某一范围之内，使（ r一般可根据水准测量的精度，将s1与s2之差限制在某一范围之

3、内，使（ r1 1-r-r2 2）可忽略不计。）可忽略不计。当s1s2时，则r1、r2互相抵消4.2 水准仪和水准尺水准仪和水准尺水准仪系列的分级及主要用途水准仪系列的分级及主要用途一般工程水准测量国家三、四等水准测量及一般工程水准测量国家二等水准测量及其他精密水准测量国家一等水准测量及地震监测一般工程水准测量国家三、四等水准测量及一般工程水准测量国家二等水准测量及其他精密水准测量国家一等水准测量及地震监测主要用途主要用途10mm3mm1mm0.5mm每千米往返测高差中数偶然中误差每千米往返测高差中数偶然中误差ds10ds3ds1ds05水准仪系列型号水准仪系列型号一、水准仪的基本部件一、水准

4、仪的基本部件下图为一种s3微倾式水准仪的外形和各部件名称。它主要由望远镜、水准器和基座三部分组成。1.望远镜物镜；2、水准管；3、簧片；4、支架；5、微倾螺旋；6、基座；7、脚螺旋；8、圆水准器；9、望远镜目镜；10、物镜调焦螺旋；11、气泡观察镜；12、制动螺旋；13、微动螺旋；14、缺口；15、准星十字丝横丝十字丝竖丝视距丝cc物镜调焦螺旋调焦透镜物镜目镜十字丝分划板二、望远镜二、望远镜视准轴：视准轴：望远镜望远镜物镜的光心物镜的光心与与十字丝交点十字丝交点的连线。的连线。123123321测量望远镜的瞄准与视差消除视差的方法：测量望远镜的瞄准与视差消除视差的方法：对准明亮背景，由对准明亮

5、背景，由负屈光度负屈光度向向正屈光度正屈光度转动目镜，使十字丝由不清晰至清晰的初始位置，然后再瞄准目标由物镜调焦螺旋使目标也能看清楚。眼睛应放松。转动目镜，使十字丝由不清晰至清晰的初始位置，然后再瞄准目标由物镜调焦螺旋使目标也能看清楚。眼睛应放松。水准管的零点：水准管的零点：在水准管上刻有在水准管上刻有2mm的分划线与中间的的分划线与中间的o点成对称，点成对称，o点称为零点。点称为零点。三、水准器三、水准器水准器用来置平仪器，分为水准器用来置平仪器，分为水准管水准管和和圆水准器圆水准器。1、水准管、水准管o水准管轴：水准管轴：过零点过零点o与圆弧相切的切线与圆弧相切的切线ll水准管的分划值：水

6、准管的分划值：相邻两分划线间弧长（相邻两分划线间弧长（2mm）所对的圆心角）所对的圆心角=rmm2水准管的分划值与灵敏度的关系llo0122mm6 30分划值： ? 为了提高目估水准管气泡居中的精度，一般在水准管上装有为了提高目估水准管气泡居中的精度，一般在水准管上装有符合棱镜符合棱镜系统，通过符合棱镜系统将系统，通过符合棱镜系统将气泡两端的影像气泡两端的影像反射到同一平面上，反射到同一平面上，影像底端符合影像底端符合，则，则气泡居中气泡居中。当气泡符合时：当气泡不符合时：2、圆水准器盒顶面的内壁磨成圆球形，顶面的中央划一小圆，其、圆水准器盒顶面的内壁磨成圆球形，顶面的中央划一小圆，其圆心圆心

7、o即为圆水准器的即为圆水准器的零点零点。通过零点。通过零点o与球面的球心的连线（与球面的球心的连线（o点的法线点的法线）ll称为称为圆水准轴圆水准轴。lo当气泡位于圆内中央位置时，圆水准轴就处于铅垂位置，切于零点的平面也就成水平了。圆水准器的灵敏度较低，常用于粗略整平。当气泡位于圆内中央位置时，圆水准轴就处于铅垂位置，切于零点的平面也就成水平了。圆水准器的灵敏度较低，常用于粗略整平。lmm 10 /2mm分划值： 5 /2四、带有光学测微器装置的水准仪四、带有光学测微器装置的水准仪精确的水平视线不可能恰好对准水准标尺上的分划线，光学测微器可以精确地测定小于分划线间格值的零数。转动测微螺旋，平行

8、玻璃板作前俯，使水平视线向下平移与就近的148分划重合，这时测微分划尺上的读数为6.50mm，而水平视线的平移量应为550. 6最后读数a为mmmmcma550. 6148+=mm，五、水准尺和尺垫五、水准尺和尺垫水准尺：水准尺：材料材料干燥的木料、铝合金、因钢尺构造干燥的木料、铝合金、因钢尺构造 折尺、塔尺、直尺。长度折尺、塔尺、直尺。长度 2m、3m、5m 。水准尺的要求：水准尺的要求：直、变形小、刻划精确、观测时应竖直。常用三、四等水准测量的水准尺为木质直、变形小、刻划精确、观测时应竖直。常用三、四等水准测量的水准尺为木质3m的、双面水准尺，黑面尺（主尺）底端刻划为的、双面水准尺，黑面尺

9、（主尺）底端刻划为0，而红面尺（辅助尺）底端刻划分别为，而红面尺（辅助尺）底端刻划分别为4687mm、4787mm。尺垫：尺垫：放在过渡点上即转点上，传递高程用。放在过渡点上即转点上，传递高程用。六、水准仪的使用六、水准仪的使用1、安置水准仪：安置水准仪：将仪器安置在三脚架上将仪器安置在三脚架上2、粗平：粗平： 第一种方法：第一种方法：固定两条腿，前后移动、左右摆动一条腿，使圆水准器气泡居中。固定两条腿，前后移动、左右摆动一条腿，使圆水准器气泡居中。第二种方法：第二种方法：旋转脚螺旋，使圆水准器气泡居中。旋转脚螺旋，使圆水准器气泡居中。3、瞄准：瞄准：使十字丝 和目标的成像清晰，消除视差。使十

10、字丝 和目标的成像清晰，消除视差。4、精平：精平：用微倾螺旋使符合水准管气泡居中。用微倾螺旋使符合水准管气泡居中。5、读数：读数：用十字丝中丝、下丝、上丝分别读数，通常读四位数。用十字丝中丝、下丝、上丝分别读数，通常读四位数。起始 4687mm或4787mm 七、自动安平水准仪七、自动安平水准仪?大大缩短水准测量的工作时间大大缩短水准测量的工作时间?提高了水准测量的精度提高了水准测量的精度=sf在光路中装置在光路中装置个个“补偿器补偿器”使光线偏转而通过十字丝交点使光线偏转而通过十字丝交点摆动杆磁铁金属薄板摆动杆气缸体小孔活塞p补偿器补偿原理补偿器补偿原理适当选择补偿器悬挂材料及重心位置，可使

11、水平光线正好通过十字丝的交点。适当选择补偿器悬挂材料及重心位置，可使水平光线正好通过十字丝的交点。八、电子水准仪八、电子水准仪电子水准仪将原有的用电子水准仪将原有的用人眼观测读数人眼观测读数改变为由光电设备改变为由光电设备自动自动探测水平视准轴的水准尺探测水平视准轴的水准尺读数读数。? 速度快、精度高速度快、精度高? 读数客观读数客观? 使用方便、能减轻作业劳动强度使用方便、能减轻作业劳动强度? 易于实现水准测量内外业一体化易于实现水准测量内外业一体化在望远镜中装置了一个在望远镜中装置了一个由光敏二极管构成的线阵探测器由光敏二极管构成的线阵探测器，仪器采用，仪器采用数字图像识别处理系统数字图像

12、识别处理系统，并配用，并配用条码水准标尺条码水准标尺。电子水准仪简介电子水准仪简介4.3 水准测量水准测量一、水准测量概述一、水准测量概述水准测量的主要目的是测出一系列水准点的高程水准测量的主要目的是测出一系列水准点的高程。通过水准点的高程，可以了解地表的形状、地壳的变化，以及指导工程的设计、施工、监测。水准测量必须有统一的高程系。通过水准点的高程，可以了解地表的形状、地壳的变化，以及指导工程的设计、施工、监测。水准测量必须有统一的高程系。我国统一的高程系是我国统一的高程系是1985年国家高程系年国家高程系。水准测量的等级分为：。水准测量的等级分为：? 一、二等水准测量一、二等水准测量科学研究

13、、提供高程起算数据科学研究、提供高程起算数据? 三、四等水准测量三、四等水准测量工程建设、提供高程起算数据工程建设、提供高程起算数据? 普通水准测量普通水准测量工程建设、测图等。工程建设、测图等。二、水准路线：二、水准路线：在水准点之间进行水准测量所经过的路线在水准点之间进行水准测量所经过的路线1、单一水准路线、单一水准路线因线路中已知点的个数不同又分为三种：?附合水准路线?闭合水准路线?支水准路线ab123a12132附合水准路线闭合水准路线支水准路线附合水准路线闭合水准路线支水准路线a32、水准网、水准网由几条单一水准路线相互连接构成网形，网中单一水准路线相联接的水准点称为结点。? 根据水

14、准网中已知点个数的不同又分为：?附和水准网?独立水准网da132c4be附和水准网附和水准网独立水准网独立水准网a36175421、普通水准测量、普通水准测量132b4三、水准测量的外业施测三、水准测量的外业施测1nbaiihhh=+44.631+16740694b2368转点45+10270501转点41528转点34-06831516转点30833转点23-23182624转点20306转点12-12841631转点146.2150347a1前视后视备注高程h高差h水准尺读数点号测站2、国家三、四等水准测量、国家三、四等水准测量三、四等水准测量的作业限差：三、四等水准测量的作业限差：采用红

15、黑面双面标尺65853.05.06.010.02.03.03.05.0三等四等等级仪器类型标准视线长度(m)后前视距差(m)后前视距差累计(m)黑红面读数差(mm)黑红面所测高差之差(mm)高差闭合差(mm)s3s312 l20 l检间歇点高差之差(mm)3.05.0施测方向后视尺前视尺（1）三、四等水准测量的观测程序1、照准（1）三、四等水准测量的观测程序1、照准后后视尺视尺黑黑面，读取面，读取下、上、中下、上、中丝读数丝读数三、四等水准测量观测程序为：三、四等水准测量观测程序为：后、前、前、后（黑、黑、红、红）后、前、前、后（黑、黑、红、红）2、照准2、照准前前视尺视尺黑黑面，读取面，读取

16、中、下、上中、下、上丝读数3、照准丝读数3、照准前前视尺视尺红红面，读取面，读取中中丝读数4、照准丝读数4、照准后后视尺视尺红红面，读取面，读取中中丝读数丝读数三、四等水准测量的观测手簿：三、四等水准测量的观测手簿：标尺读数黑面红面高差中数k+黑减红方向即尺号测站编号后距前距后尺前尺下丝上丝上丝下丝视距差dd(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)后前后-前115711197138405510739036352396171-1037.437.6-0.2-0.2+1+0833+0932+0832.5后前后-前1

17、、照准1、照准后后视尺视尺黑黑面，读取面，读取下、上、中下、上、中丝读数2、照准丝读数2、照准前前视尺视尺黑黑面，读取面，读取中、下、上中、下、上丝读数3、照准丝读数3、照准前前视尺视尺红红面，读取面，读取中中丝读数4、照准丝读数4、照准后后视尺视尺红红面，读取面，读取中中丝读数丝读数三、四等水准测量的观测手簿三、四等水准测量的观测手簿标尺读数黑面红面高差中数k+黑减红方向即尺号测站编号后距前距后尺前尺下丝上丝上丝下丝视距差dd(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)后前后-前2212117471934200

18、82196182167966621-1037.437.5-0.1-0.3+1-0074-0175-0074.5后前后-前三、四等水准测量的观测手簿三、四等水准测量的观测手簿标尺读数黑面红面高差中数k+黑减红方向即尺号测站编号后距前距后尺前尺下丝上丝上丝下丝视距差dd(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)后前后-前31914172618662055167865546513-1037.537.7-0.2-0.5+1-0140-0041-0140.5后前后-前1539 三、四等水准测量的观测手簿三、四等水准测量的

19、观测手簿标尺读数黑面红面高差中数k+黑减红方向即尺号测站编号后距前距后尺前尺下丝上丝上丝下丝视距差dd(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)后前后-前419651700183220072141187467936519+1026.526.7-0.2-0.7-1-0175-0274-0174.5后前后-前三、四等水准测量的观测手簿三、四等水准测量的观测手簿标尺读数黑面红面高差中数k+黑减红方向即尺号测站编号后距前距后尺前尺下丝上丝上丝下丝视距差dd(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(

20、11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)后前后-前500890020005400870124005047754842+1-16.97.4-0.5-1.20-0033+0067-0033.0后前后-前四、水准测量的内业计算1. 单一附合水准路线单一附合水准路线1）计算闭合差）计算闭合差2）判断闭合差是否超限）判断闭合差是否超限4）计算各测段观测高差的改正数）计算各测段观测高差的改正数6）计算各测段的改正后的高差）计算各测段的改正后的高差7）计算各点的高程值）计算各点的高程值5）检查改正数计算）检查改正数计算ab2h1h2h31bahhhhf+=测lffhh20=容许hfv=

21、iiihhv=+1121223abhhhhhhhhh=+=+=+3）计算各测段观测高差之权）计算各测段观测高差之权iilcp =或iincp =ihillfv=或ihinnfv=8）精度评定）精度评定tnpvv=iipm=单一符附合水准路线计算单一符附合水准路线计算lfh20=容许=86mm权lp1=mmhhhfbah33)918.41231.47(346. 5)(=+=+=单位权中误差为：mmtnpvv6 .72390.57=1点高程中误差为：mmpm9 .1329.06 .711=2点高程中误差为：mmpm8 .1523. 06 . 721=57.90+3318.7-5.34641.918

22、b20.16+120.147.0-8.25150.157223.66+130.147.2-4.32654.470114.08+80.224.5+7.23147.231apvv最或然高程高差改正数v(mm)距 离l(km)观测高差点 名3. 单结点水准网单结点水准网2. 单一闭合水准路线单一闭合水准路线bahh=21hhhhfnh= +=首尾相连的附合水准路线1计算结点高程平差值=+=iiiailcphhhi3 , 2 , 1=i321332211ppphphphphd+=2计算各水准路线上的待定点高程idiihhfv=3精度评定1=npvvddpm=321ppppd+=（1）计算单位权中误差：

23、（2）计算结点高程平差值中误差md4.4 水准测量的误差分析水准测量的误差分析水准测量误差包括水准测量误差包括仪器误差仪器误差、观测误差观测误差和和外界条件的影响外界条件的影响三个方面三个方面一、仪器误差一、仪器误差1、视准轴视准轴与与水准管轴水准管轴不平行的误差不平行的误差视准轴（视准轴（cc）水准管轴（）水准管轴（ll）水准管轴（水准管轴（ll）平行于视准轴（）平行于视准轴（cc）i角：视准轴与水准管轴在竖直面上投影的夹角角：视准轴与水准管轴在竖直面上投影的夹角abaaxbbxasbsiistgisxaaa=ababbabaabhhxxbaxbxah=)()()()()(babaabssi

24、xxh=向上倾斜向上倾斜i 角的符号为正角的符号为正ababssi=当时，可消除 角的影响istgisxbbb=2、水准尺误差、水准尺误差水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等影响，都会影响水准测量的精度，水准尺必须经过检验才能使用。水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等影响，都会影响水准测量的精度，水准尺必须经过检验才能使用。012012z水准尺零点差：水准尺零点差：水准尺零点与底面应重合，但由于使用时的磨损和制造的关系，零点和尺底可能不一致。水准尺零点与底面应重合，但由于使用时的磨损和制造的关系，零点和尺底可能不一致。可在一测段中使测站数为偶数的方法予以消除。可在一测段中使测站数为偶数的方法予以消

25、除。二、观测误差二、观测误差1、精平误差、精平误差 206265:距离水准管分划值s2、估读误差、估读误差与与十字丝横丝的粗细十字丝横丝的粗细、望远镜的放大倍率望远镜的放大倍率、人眼的局限性人眼的局限性，视距长度视距长度等有关。所以各级水准测量规定了望远镜的放大率、并限制了最大视距长度。等有关。所以各级水准测量规定了望远镜的放大率、并限制了最大视距长度。sx=5 . 03、水准尺倾斜误差、水准尺倾斜误差aa一个测站：一条水准路线：对读数的影响：和高差的大小有关=)cos1)()cos1()cos1)()cos1(coshhhbabahaaaaaa三、外界环境的影响三、外界环境的影响2a1a仪器

26、下沉：条件：条件： 1、尺子不升沉，仪器下沉、尺子不升沉，仪器下沉2、和时间成比例、和时间成比例3、观测速度均匀、观测速度均匀21/bb2()(2)()()22112211babahhhbahbah+=+=+=红黑红黑采用后前前后的观测程序、作业很熟练、硬的路面观测可减小误差采用后前前后的观测程序、作业很熟练、硬的路面观测可减小误差1、水准尺和水准仪下沉误差、水准尺和水准仪下沉误差水准尺下沉的影响，采用往返测，取高差平均值减弱水准尺下沉的影响，采用往返测，取高差平均值减弱2、大气折光的影响、大气折光的影响1）视线高出地面0.3m，2）选择合适的天气（阴天、无风等）3）避开不利的环境（日出后、日

27、落前半小时、中午、大风等）1）视线高出地面0.3m，2）选择合适的天气（阴天、无风等）3）避开不利的环境（日出后、日落前半小时、中午、大风等）在晴天，地面温度高，空气的密度较上面的稀，光线向上折射。3、日照及风力引起的误差、日照及风力引起的误差一、水准仪应满足的条件一、水准仪应满足的条件1、水准仪应满足的主要条件有：(2)望远镜的视准轴不因调焦而变动位置4.5 水准仪的检验和校正水准仪的检验和校正视准轴（视准轴（cc）水准管轴（）水准管轴（ll）(1)水准管轴（ll）平行于视准轴（cc）圆水准轴（圆水准轴（ll）竖轴（）竖轴（vv）(1)圆水准器轴（ll）平行于竖轴（vv）2、水准仪应满足的次

28、要条件有：(2)十字丝的横丝应当与仪器的旋转轴垂直二、圆水准器的水准轴与仪器的旋转轴平行的检验与校正二、圆水准器的水准轴与仪器的旋转轴平行的检验与校正vvllv检验：先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后旋转180，检查气泡是否居中。vll2校正：校正：用校正螺钉校一半，反复检查，反复校正。用校正螺钉校一半，反复检查，反复校正。三、十字丝横丝应与仪器旋转轴垂直的检验与校正三、十字丝横丝应与仪器旋转轴垂直的检验与校正aaaa检验：用望远镜十字丝中丝对准一清晰点用望远镜十字丝中丝对准一清晰点a，再转动水平微动螺旋检查，再转动水平微动螺旋检查a点是否始终落在中丝上。点是否始终落在中丝上。校正：校正：松开

29、目镜保护盖，放松十字丝环的校正螺钉转动十字丝环松开目镜保护盖，放松十字丝环的校正螺钉转动十字丝环四、望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正四、望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正望远镜的望远镜的视准轴视准轴和水准管的和水准管的水准轴水准轴是空间的两条直线。在是空间的两条直线。在竖直面上的投影竖直面上的投影是否平行的检验称为是否平行的检验称为 i角检验角检验。在。在水平面上的投影水平面上的投影是否平行的检验称为是否平行的检验称为交叉误差的检验。交叉误差的检验。1、i角对读数和高差的影响abaaxbbxasbsiistgisxaaa=ababbabaabhhxxbaxbxah=)

30、()()()()(babaabssixxh=向上倾斜向上倾斜i 角的符号为正角的符号为正abistgisxbbb=2、检验i角的基本原理)(baababssihh=basbsa as bs)( baababssihh=)()( babaababsssshhi第一种检验i角的方法basbsa as bs=)()( babaababsssshhibass= baababsshhi第二种检验i角的方法=)()( babaababsssshhibasbsa as bs()abababsssss= =abababshhi2校正：校正：1、b点一端的仪器不动，计算点一端的仪器不动，计算a标尺的正确读数标尺的正确读数2、 用微倾螺旋使读数对准、 用微倾螺旋使读数对准3、调节校正螺钉使水准管气泡居中、调节校正螺钉使水准管气泡居中2a2aaaaxaasix= =223、微倾式水准仪交叉误差的检验与校正四、水准尺的检验四、水准尺的检验1.一般检视2.圆水准器的检验与校正3.水准尺分划的检验区格式木质水准尺水准尺每米