水准原理及操作课件

1、水准原理及操作衣凤彬水准原理 测量地面点高程的工作称为高程测量，按使用仪器和施测方法的不同，高程测量分为水准测量、三角高程测量和气压高程测量。水准测量是高程测量中最基本的和精度较高的一种测量方法，在国家高程控制测量、工程勘测和施工测量中被广泛应采用。 水准测量是利用水准仪建立一条水平视线，借助水准尺来测定地面两点间的高差，从而由已知点高程及测得的高差求出待测点高程。水准原理高程基准面高程基准面就是地面点高程的统一起算面，由于大地水准面所形成的体形大地体是与整个地球最为接近的体形，因此通常采用大地水准面作为高程基准面。 大地水准面大地水准面是假想海洋处于完全静止的平衡状态时的海水面延伸到大陆地面

2、以下所形成的闭合曲面。事实上，海洋受着潮汐、风力的影响，永远不会处于完全静止的平衡状态，总是存在着不断的升降运动，但是可以在海洋近岸的一点处竖立水位标尺，成年累月地观测海水面的水位升降，根据长期观测的结果可以求出该点处海洋水面的平均位置，人们假定大地水准面就是通过这点处实测的平均海水面。 长期观测海水面水位升降的工作称为验潮验潮，进行这项工作的场所称为验潮站验潮站。 根据各地的验潮结果表明，不同地点平均海水面之间还存在着差异，因此，对于一个国家来说，只能根据一个验潮站所求得的平均海水面作为全国高程的统一起算面高程基准面。1957年确定青岛验潮站为我国基本验潮站，以该站1950年至1956年7年

3、间的潮汐资料推求的平均海水面作为我国的高程基准面。以此高程基准面作为我国统一起算面的高程系统名谓“19561956年黄海高程系统年黄海高程系统”。 “1956年黄海高程系统”的高程基准面的确立，对统一全国高程有其重要的历史意义，对国防和经济建设、科学研究等方面都起了重要的作用。但从潮汐变化周期来看，确立“1956年黄海高程系统”的平均海水面所采用的验潮资料时间较短，还不到潮汐变化的一个周期（一个周期一般为18.61年），同时又发现验潮资料中含有粗差，因此有必要重新确定新的国家高程基准。 新的国家高程基准面是根据青岛验潮站19521979年19年间的验潮资料计算确定，根据这个高程基准面作为全国高

4、程的统一起算面，称为“19851985国家高程基准国家高程基准”。水准原理为了长期、牢固地表示出高程基准面的位置，作为传递高程的起算点，必须建立稳固的水准原点，用精密水准测量方法将它与验潮站的水准标尺进行联测，以高程基准面为零推求水准原点的高程，以此高程作为全国各地推算高程的依据。 我国的水准原点网建于青岛附近。在“1985国家高程基准”系统中，我国水准原点的高程为我国水准原点的高程为72.260m72.260m。 “1985国家高程基准”已经国家批准，并从1988年1月1日开始启用，今后凡涉及高程基准时，一律由原来的“1956年黄海高程系统”改用“1985国家高程基准”。由于新布测的国家一等

5、水准网点是以“1985国家高程基准”起算的，因此，今后凡进行各等级水准测量、三角高程测量以及各种工程测量，尽可能与新布测的国家一等水准网点联测，也即使用国家一等水准测量成果作为传算高程的起算值，如不便于联测时，可在“1956年黄海高程系统”的高程值上改正一固定数值，而得到以“1985国家高程基准”为准的高程值。 水准原理国家高程控制测量主要是用水准测量方法进行国家水准网的布测。国家水准网是全国范围内施测各种比例尺地形图和各类工程建设的高程控制基础，并为地球科学研究提供精确的高程资料，如研究地壳垂直形变的规律，各海洋平均海水面的高程变化，以及其他有关地质和地貌的研究等。 水准原理国家水准网分4个

6、等级布设，一、二等水准测量路线是国家的精密高程控制网。一等水准测量路线构成的一等水准网是国家高程控制网的骨干，同时也是研究地壳和地面垂直运动以及有关科学问题的主要依据，每隔1520年沿相同的路线重复观测一次。构成一等水准网的环线周长根据不同地形的地区，一般在1 0002000km之间。在一等水准环内布设的二等水准网是国家高程控制的全面基础，其环线周长根据不同地形的地区在500750km之间。一、二等水准测量统称为精密水准测量。国家水准网的布设国家水准网的布设采用由高级到低级、从整体到局部逐级控制、逐级加密的原则。水准原理我国一等水准网由289条路线组成，其中284条路线构成100个闭合环，共计

7、埋设各类标石近2万余座。全国一等水准网布设略图如图所示。水准原理二等水准网在一等水准网的基础上布设。我国已有1 138条二等水准测量路线，总长为13.7万公里，构成793个二等环。 三、四等水准测量直接提供地形测图和各种工程建设所必须的高程控制点。三等水准测量路线一般可根据需要在高级水准网内加密，布设附合路线，并尽可能互相交叉，构成闭合环。单独的附合路线长度应不超过200km；环线周长应不超过300km。四等水准测量路线一般以附合路线布设于高级水准点之间，附合路线的长度应不超过80km。水准原理城市和工程建设高程控制网一般按水准测量方法来建立。为了统一水准测量规格，考虑到城市和工程建设的特点，

8、城市测量和工程测量技术规范规定：水准测量依次分为二、三、四等3个等级。首级高程控制网，一般要求布设成闭合环形，加密时可布设成附合路线和结点图形。各等级水准测量的精度和国家水准测量相应等级的精度一致。 城市和工程建设水准测量是各种大比例尺测图、城市工程测量和城市地面沉降观测的高程控制基础，又是工程建设施工放样和监测工程建筑物垂直形变的依据。 水准测量的实施，其工作程序是：水准网的图上设计、水准点的选定、水准标石的埋设、水准测量观测、平差计算和成果表的编制。水准网的布设应力求做到经济合理，因此，首先要对测区情况进行调查研究，搜集和分析测区已有的水准测量资料，从而拟定出比较合理的布设方案。如果测区的

9、面积较大，则应先在1：25 000 1：100 000比例尺的地形图上进行图上设计。水准原理图上设计应遵循以下原则： （1）水准路线应尽量沿坡度小的道路布设，以减弱前后视折光误差的影响。尽量避免跨越河流、湖泊、沼泽等障碍物。 （2）水准路线若与高压输电线或地下电缆平行，则应使水准路线在输电线或电缆50m以外布设，以避免电磁场对水准测量的影响。 （3）布设首级高程控制网时，应考虑到便于进一步加密。 （4）水准网应尽可能布设成环形网或结点网，个别情况下亦可布设成附合路线。水准点间的距离：一般地区为24km；城市建筑区和工业区为12km。 （5）应与国家水准点进行联测，以求得高程系统的统一。 （6）

10、注意测区已有水准测量成果的利用。 水准原理 根据上述要求，首先应在图上初步拟定水准网的布设方案，再到实地选定水准路线和水准点位置。在实地选线和选点时，除了要考虑上述要求外，还应注意使水准路线避开土质松软地段，确定水准点位置时，应考虑到水准标石埋设后点位的稳固安全，并能长期保存，便于施测。为此，水准点应设置在地质上最为可靠的地点，避免设置在水滩、沼泽、沙土、滑坡和地下水位高的地区；埋设在铁路、公路近旁时，一般要求离铁路的距离应大于50m，离公路的距离应大于20m，应尽量避免埋设在交通繁忙的岔道口；墙上水准点应选在永久性的大型建筑物上。 水准点选定后，就可以进行水准标石的埋设工作。我们知道，水准点

11、的高程就是指嵌设在水准标石上面的水准标志顶面相对于高程基准面的高度，如果水准标石埋设质量不好，容易产生垂直位移或倾斜，那么即使水准测量观测质量再好，其最后成果也是不可靠的，因此务必十分重视水准标石的埋设质量。水准原理国家水准点标石的制作材料、规格和埋设要求，在国家一、二等水准测量规范（以下简称水准规范）中都有具体的规定和说明。关于工程测量中常用的普通水准标石是由柱石和盘石两部分组成，如左下图所示，标石可用混凝土浇制或用天然岩石制成。水准标石上面嵌设有铜材或不锈钢金属标志，如右下图所示。水准原理水准仪结构 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。 水准仪按仪器精度

12、分有DS05、DSl、DS3、DSl0等四种型号。D、S分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音第一个字母；数字05、1、3、10表示该仪器的精度。 水准仪的构造（ DS3微倾式水准仪） 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，并能照准水准尺进行读数。 它主要由望远镜、水准器和基座三部分构成。图22是我国生产的DS3型微倾式水准仪。 图2-2 DS3微倾式水准仪 水准仪结构 望远镜的作用是能使我们看清不同距离的目标，并提供一条照准目标的视线。 DS3型水准仪望远镜的构造图，主要由物镜、镜筒、调焦透镜、十字丝分划板、目镜等部件构成。物镜、调焦透镜和目镜多采用复合透镜组。物镜固定在

13、物镜筒前端，调焦透镜通过调焦螺旋可沿光轴在镜筒内前后移动。十字丝分划板是安装在物镜与目镜之间的一块平板玻璃，上面刻有两条相互垂直的细线，称为十字丝。竖的一条是竖丝，中间横的一条称为中丝(或横丝)，是为了瞄准目标和读取读数用的。在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测距离的，称为视距丝。十字丝分划板通过压环安装在分划板座上，套入物镜筒后再通过校正螺钉与镜筒固连。 物镜光心与十字丝交点的连线称为视准轴或视准线(图2-3)。视准轴是水准测量中用来读数的视线。水准测量是在视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。水准仪结构 望远镜成像原理如图24所示，目标AB经过物镜后，形成一倒

14、立缩小的实像ab。移动对光凹透镜可使不同距离的目标均能成像在十字丝平面上，再通过目镜的作用，可看清同时放大了的十字丝和目标影像ab。 图2-4 望远镜成像原理 通过望远镜所看到的目标 影像的视角与肉眼直接 观察该目标的视角之比， 称为望远镜的放大率。 通过望远镜所看到的 目标影像的视角为，用肉眼直接观察该目标的视角可近似的认为是，故放大率。DS3型水准仪望远镜放大率为28倍。水准仪结构 水准器水准器 水准器是用来判别视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。水准器有管水准器和圆水准器两种。管水准器用来判别视准轴是否水平，圆水准器用来判别竖轴是否竖直。 管水准器管水准器 管水准器又称水准管，在管内

15、存在一个气泡。由于气泡很轻，故恒处于管内最高位置。水准管圆弧中点O称为水准管零点。过零点与内壁圆弧相切的直线LL，称为水准管轴。当水准管气泡中心与零点重合时，称气泡居中，这时水准管轴处于水平位置。 水准仪结构水准管2mm的弧长所对圆心角称为水准管分划值即气泡每移动一格时，水准管轴所倾斜的角值。该值为： (2-4) 式中：R水准管圆弧半径，mm；206265。 水准管分划值的大小反映了仪器置平精度的高低。式（2-4）说明水准管半径愈大，分划值愈小，则水准管灵敏度(整平仪器的精度)愈高。安装在 图2-6 水准管分划值DS3型仪器上的水准管，其分划值为202mm。为了提高调整水准管气泡居中的精度和速

16、度，微倾式水准仪在水准管上方安装一组符合棱镜，如图27a所示。通过符合棱镜的折光作用，使气泡两端各半个影像反映在望远镜旁的气泡观察窗中。若气泡两端的半像吻合时，表示气泡居中。若两端半像错开(图27b)，则表示气泡不居中，这时应转动微倾螺旋使气泡半像吻合(图27c)。这种水准器称为符合水准器。 图27 符合水准器R2水准仪结构 圆水准器圆水准器圆水准器(图28)顶面的内壁是一个球面，球面中央有圆分划圈，圆圈的中心称为水准器零点。通过零点的球面法线，称为圆水准轴，当圆水准器气泡居中时，圆水准轴处于竖直位置。圆水准器的分划值是指通过零点的任意一个纵断面上，气泡中心偏离2mm的弧长所对圆心角的大小。D

17、S3水准仪圆水准器分划值一般为810/2mm。由于它的精度较低，故只用于仪器的概略整平。 基座图基座图 2-8 圆水准器基座的作用是支撑仪器的上部并与三脚架连接。基座主要由轴座、脚螺旋和连接板构成。仪器上部通过竖轴插入轴座内，由基座托承。整个仪器用连接螺旋与三脚架连结。水准仪结构 水准尺和尺垫水准尺和尺垫水准尺是水准测量时使用的标尺。其质量的好坏直接影响水准测量的精度。因此，水准尺需用不易变形且干燥的优质木材制成；要求尺长稳定，分划准确。如图29所示，常用的水准尺有塔尺和双面尺两种，用优质木材或玻璃钢制成。 塔尺由两节或三节套接而成(图29a)，长度有3m和5m两种。尺的底部为零刻划，尺面以黑

18、白相间的分划刻划，每格宽lcm，也有的为05cm，分米处注有数字，大于lm的数字注记加注红点或黑点，点的个数表示米数。塔尺因节段接头处存在误差，故多用于精度要求较低的水准测量中。双面尺也叫直尺或板尺(图29b)，多用于三、四等水准测量。 图29 水准尺尺的长度有2m和3m两种。尺的双面均有刻划，一面为黑白相间，称为黑面尺(也称基本分划)，尺底端起点为零；尺的另一面为红白相间，称为红面尺(也称辅助分划)，尺底端起点不为零，而是一常数K。一根尺常数为4.687m，另一根尺常数为4.787m。一根尺由4.687m开始至6.687m或7.687m，另一根尺由4.787m开始至6.787m或7.787m

19、。双面尺一般成对使用，利用黑红面尺零点差可对水准测量读数进行检核。水准仪结构 尺垫尺垫尺垫由三角形的铸铁块制成(图210)，上部中央有突起的半球。使用时，将尺垫踏实，以防下沉，把水准尺立于突起的半球顶部。突起的半球顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。 图2-10 尺垫 我国水准仪系列及基本技术参数技术参数项目水准仪系列型号S05S1S3S10每公里往返平均高差中误差望远镜放大率望远镜有效孔径管状水准器格值测微器有效量测范围测微器最小分格值0.5mm40倍60mm10/2mm5mm0.1mm1mm40倍50mm10/2mm5mm0.1mm3mm30倍42mm20/mm10mm25倍35mm20/2

20、mm自动安平水准仪补偿性能补偿范围安平精度安平时间不长于80.12s80.22s80.52s1022s图aWild N3精密水准仪精密水准仪 图b图cWild N3精密水准仪精密水准仪 水准仪的使用 水准仪的使用水准仪的使用 水准仪的使用包括仪器的安置、粗略整平、瞄准水准尺、精平和读数等操作步骤。(1)安置水准仪在测站上安置三脚架，调节架脚使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架伸缩螺旋是否拧紧。然后打开仪器箱取出水准仪，用连接螺旋把水准仪安置在三脚架头上，安装时，应用手扶住仪器，以防仪器从架头滑落。(2)粗略整平粗略整平是用仪器脚螺旋将圆水准器气泡调节到居中位置，借助圆水准器的气泡局中，使仪

21、器竖轴大致铅直，视准轴粗略水平。具体作法是：先将脚架的两架脚踏实，操纵另一架脚左右、前后缓缓移动，使圆水准气泡基本居中(气泡偏离零点不要太远)，再将此架脚踏实，然后调节脚螺旋使气泡完全居中。调节脚螺旋的方法如图2-11所示。在整平过程中，气泡移动的方向与左手(右手)大拇指转动方向一致 图211 圆水准气泡整平 (相反)；有时要按上述方法反复调整脚螺旋，才能使气泡完全居中。水准仪的使用水准仪的使用水准仪的使用(3)瞄准水准尺 首先进行目镜对光，即把望远镜对着明亮背景，转动目镜调焦螺旋使十字丝成像清晰。再松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上部的准星和照门大致对准水准尺后，拧紧制动螺旋。然后从望远

22、镜内观察目标，调节物镜调焦螺旋，使水准尺成像清晰。最后用微动螺旋转动望远镜，使十字丝竖丝对准水准尺的中间稍偏一点，以便读数。在物镜调焦后，当眼睛在目镜端上下作少量移动时，有时会出现十字丝与目标有相对运动的现象，这种现象称为视差。产生视差的原因是目标通过物镜所成的像没有与十字丝平面重合(图212)。由于视差的存在会影响观测结果的准确性，所以必须加以消除。 图212 视差现象消除视差的方法是仔细地反复进行目镜和物镜调焦。直到眼睛上移动，读数不变为止。此时，从目镜端见到十字丝与目标的像都十分清晰。水准仪的使用水准仪的使用水准仪的使用(4)精确整平与读数 精确整平是调节微倾螺旋，使目镜左边观察窗内的符

23、合水准器的气泡两个半边影像完全吻合。这时水准仪视准轴处于精确水平位置。精平时，由于气泡移动有一个惯性，所以转动微倾螺旋的速度不能太快。只有符合气泡两端影像完全吻合而又稳定不动后，才表示水准仪视准轴处于精确水平位置。符合水准器气泡居中后，即可读取十字丝中丝截在水准尺上的读数。直接读出米、分米和厘米，估读出毫米(见图2-13)。现在的水准仪多采用倒像望远镜，因此读数时应从小往大，即从上往下读。也有正像望远镜，读数与此相反。精确整平与读数虽是两项不同的操作步骤，但在水准测量的实施过程中，却把两项操作视为一体，即精平后在读数，读数后还要检查管水准气泡是否完全符合，只有这样，才能取得准确的读数。 图21

24、3 水准尺读数 水准测量方法 如图2-l所示，欲测定A、B两点间的高差，可在A、B两点分别竖立有刻划的尺子水准尺，并在A、B之间安置一台能提供水平线的仪器水准仪。根据水准仪的水平视线，分别读取A点水准尺上的读数a和B点水准尺上的读数b，则A、B两点高差为： 式2-1水准测量方法 水准测量方向是由已知高程点 开始向待测点方向行进。在 图21中，A为已知高程点， B为待测点， 则A尺上的读数a称为后视读数， B尺上的读数b称为前视读数。 若已知A点高程 ，则B点高程 为 ： 式2-2 由图21可看出，还可通过仪器的视线高程来计算B点高程，即 式2-3 式（2-2）直接利用高差 计算B点高程，称为高

25、差法； 式（2-3）是利用仪器视线高程 计算B点高程，称为仪高法。 在某种情况下，要根据一个后视点的高程同时测定多个前视点的高程，这时仪高法比高差法方便。 AHBH)(baHhHHAABABABhiH水准测量方法 水准测量施测水准测量施测当已知水准点与待测高程点的距离较远或两点间高差很大，安置一次仪器无法测到两点高差时，就需要把两点间分成若干段，连续安置仪器测出每段高差，然后依次推算高差和高程。如图215所示，水准点BMA的高程为54206m，现拟测定B点高程，施测步骤如下： 在离A适当距离处选择点TP1，安放尺垫，在A、1两点上分别竖立水准尺。在距A点和1点大致等距离处安置水准仪，瞄准后视点

26、A，精平后读得后视读数a1为1.364，记入水准测量手簿(表21)。旋转望远镜，瞄准前视点1，精平后读得前视读数b1为0.979，记人手簿。 图215 水准测量施测计算出A、1两点高差为+0.385。此为一个测站的工作。点1的水准尺不动，将A点水准尺，立于点2处，水准仪安置在1、2点之间，与上述相同的方法测出1、2点的高差，依次测至终点B。水准测量方法 水准测量施测水准测量施测每一测站可测得前、后视两点间的高差，即h1=a1-b1h2=a2-b2hi=ai-bi 将各式相加，得 bahhAB水准测量方法bahhAB在上述施测过程中，点1、2、3是临时的立尺点，作为传递高程的过渡点，称为转点(简

27、记为TP)。由上述可知，在观测过程中，TP.1,TP.2,TP.3仅起传递高程的作用，它们无固定标志，无需算出高程。水准测量方法 水准测量检核水准测量检核 测站检核测站检核在水准测量每一站测量时，任何一个观测数据出现错误，都将导致所测高差不正确。因此，对每一站的高差，都必须采取措施进行检核测量，这种检核称为测战检核。测站检核通常采用变动仪高法和双面尺法。(1)变动仪高法 在每一测站上测出两点高差后，改变仪器高度再测一次高差，测得两次高差以进行比较检核。两次高差之差不超过容许值(如图根水准测量容许值为土6mm)，取其平均值作最后结果；若超过容许值，则需重测。(2)双面尺法在每一测站上，仪器高度不

28、变，分别测出两点的黑面尺高差和红面尺高差，测得两次高差，相互进行校核。若同一水准尺红面读数与黑面读数之差，以及红面尺高差与黑面尺高差均在容许值范围内，取平均值作最后结果，否则应重测。水准测量方法 水准测量检核水准测量检核 成果检核成果检核测站检核能检查每一测站的观测数据是否存在错误，但有些误差，例如在转站时转点的位置被移动，测站检核是查不出来的。此外，每一测站的高差误差如果出现符号一致性，随着测站数的增多，误差积累起来，就有可能使高差总和的误差积累过大。因此，还必须对水准测量进行成果检核，其方法是将水准路线布设成如下几种形式：(1)附合水准路线 如图216a，从一个已知高程的水准点BM5起，沿

29、各待测高程的水准点进行水准测量，最后连测到另一个已知高程的水准点BM7上，这种形式称为附合水准路线。附合水准路线中各测 图216 水准路线的布设形式站实测高差的代数和应等于两已知水准点间的高差。由于实测高差存在误差，使两者之间不完全相等，其差值 称为高差闭合差，即 式中： 附合路线终点高程； 起点高程。)(始终ihHHhfkf终H始H水准测量方法 水准测量检核水准测量检核 成果检核成果检核(2)闭合水准路线如图216b，从一已知高程的水准点BM8出发，沿环形路线进行水准测量，最后测回到水准点BM8，这种形式称为闭合水准路线。闭合水准路线中各段高差的代数和应为零，但实测高差总和不一定为零，从而产

30、生闭合差 ，即 式 (27)(3)支水准路线如图216c，从已知高程的水准点BM6出发，最后没有连测到另一已知水准点上，也未形成闭合，称为支水准路线。支水准路线要进行往、返测，往测高差总和与返测高差总和应大小相等符号相反。但实测值两者之间存在差值，即产生高差闭合差 (2-8)高差闭合差是各种因素产生的测量误差，故闭合差的数值应该在容许值范围内，否则应检查原因。kfikhf返往khhf水准测量方法 水准测量检核水准测量检核 成果检核成果检核返工图根水准测量高差闭合差容许值为： (29)四等水准测量高差闭合差容许值为： (210)式(29)和式(210)中：L为水准路线总长(以公里为单位)；，n为

31、测站数 水准测量方法 水准测量成果计算水准测量成果计算 附合水准路线测量成果计算附合水准路线测量成果计算水准测量的成果计算，首先要算出高差闭合差，它是衡量水准测量精度的重要指标。当高差闭合差在容许值范围内时，再对闭合差进行调整，求出改正后的高差，最后求出待测水准点的高程。图217是根据水准测量手簿整理得到的观测数据，各测段高差和测站数如图所示。A、B为已知高程水准点， l、2、3点为待求高程的水准点。 图217 附合水准路线计算图水准测量方法 水准测量成果计算水准测量成果计算 附合水准路线测量成果计算附合水准路线测量成果计算列表22进行高差闭合差的调整和高程计算。(1)高差闭合差的计算 由式(

32、2-6)： =-9.811-(32.509-42.365)=+0.045m按山地及图根水准精确度计算闭合差容许值为： ，符合图根水准测量技术要求。水准测量方法 水准测量成果计算水准测量成果计算 附合水准路线测量成果计算附合水准路线测量成果计算(2)闭合差调整闭合差的调整是按与距离或与测站数成正比例反符号分配到各测段高差中。第i测段高差改正数按下式计算： (2-11)或 (2-12)式中：n路线总测站数；ni第i段测站数；L 路线总长； Di第i段距离。由式(211)算出第一段(A1)的改正数为：其他各测段改正数按式(211)算出后列入表22中。改正数的总和与高差闭合差大小相等符号相反。每测段实测高差加相应的改正数便得到改正后的高差。水准测量方法 水准测量成果计算水准测量成果计算 附合水准路线测量成果计算附合水准路线测量成果计算(3)计算各点