水利工程测量3水准测量讲义（49页配图丰富）

1、水利工程测量第3章 水准测量主讲教师：高飞7/23/20221 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系第3章 水准测量 3.1 水准测量原理 3.2 水准仪及其使用 3.3 自动安平水准仪及数字水准仪 3.4 水准测量方法 3.5 微倾式水准仪的检验与校正 3.6 水准测量的误差分析及注意事项 7/23/2022 2 合肥工业大学第3章 水准测量测量三项基本工作之一：高程测量高程测量：测量地面上各点高程的工作高程测量有下列几种方法： 1.几何水准测量是高程测量最主要的方法 2.三角高程测量 3.物理高程测量 包括: 气压高程测量、液体静力水准测量 4.GPS高程测量7/23/2022 3 合肥工

2、业大学主要内容： 水准测量原理、水准仪的构造及使用、水准测量的施测方法、仪器的检验与校正。主要目的： 使学生了解水准测量原理、测量工具，掌握地面点位高程测量过程，从而精确求出地面点高程。重点内容： 水准测量原理、施测方法、成果计算。第3章 水准测量7/23/2022 4 合肥工业大学 3.1 水准测量原理原理：利用水准仪提供的一条水平视线，借助水准尺来测定地面两点间的高差，从而由已知点的高程和测得的高差，求出待定点的高程。1.高差法:hAB=后视读数前视读数，即：待定点B点的高程：2.仪高法(视线高法):7/23/2022 5 合肥工业大学 3.2 水准仪及其使用水准测量所使用的仪器为水准仪，

3、所使用的工具为水准尺和尺垫。水准仪按其精度划分为四个等级： 精密水准仪DS05、DS1；普通水准仪DS3、DS10 D大地测量；S水准仪；后面的数字代表仪器的测量精度（每公里往返测高差中数的中误差，即精度）。水准仪按其构造可分为四种： 微倾式水准仪、自动安平水准仪、电子水准仪和数字水准仪目前，普通工程测量中最常用的水准仪是： DS3微倾式水准仪（或DS3自动安平水准仪）7/23/2022 6 合肥工业大学一、DS3微倾式水准仪及其使用DS3微倾式水准仪的构造 作用：为测量高差提供一条水平视线 组成：望远镜、水准器、基座132765498101412131115161.微倾螺旋；2.分划板护罩；

4、3.目镜；4.物镜调焦螺旋；5.制动螺旋；6.微动螺旋；7.底板；8.三角压板； 9.脚螺旋；10.弹簧帽； 11.望远镜；12.物镜；13.管水准器；14.圆水准器；15.连接小螺钉；16.轴座 7/23/2022 7 合肥工业大学(1)望远镜由物镜、目镜、调焦透镜和十字丝分划板组成C C视准轴CC：物镜光心与十字丝交点的连线视准轴在测量时必须保持水平，也就是水平视线！7/23/2022 8 合肥工业大学（2）水准器水准器分为圆水准器和管水准器两种。管水准器用来指示视准轴是否水平 0 点 2mm管水准器又称为长水准管水准管分划值 ：是水准管表面2mm圆弧所对应的圆心角水准管轴LL：过水准管零

5、点所作圆弧面的纵切线7/23/2022 9 合肥工业大学 2mm圆水准器用来指示仪器竖轴是否竖直 圆水准器分划值 ：是圆水准器表面2mm圆弧所对应的圆心角 DS3水准仪水准器分划值 通常为：长水准管 圆水准器 圆水准器轴 ：过圆水准器零点所作圆球面的法线7/23/2022 10 合肥工业大学DS3水准仪常采用符合水准管系统目的是提高水准管气泡居中的精度 符合气泡符合尚未符合 符合气泡符合， 水准管轴与视 线水平。微倾螺旋7/23/2022 11 合肥工业大学（3）基座基座通过连接螺旋与三脚架相连基座用于支承水准仪上部，水准仪旋转轴插入基座轴套可自由旋转基座上的三个脚螺旋用于调节圆水准气泡仪器竖

6、轴VV：就是水准仪的旋转轴望远镜水准器基座三脚架VV7/23/2022 12 合肥工业大学CCLLVVLL水准仪的主要构造特点水准仪的主要轴线： 视准轴CC 水准管轴LL 圆水准器轴 仪器竖轴VV必须满足的几何条件： VV 十字丝横丝 VV LL CC7/23/2022 13 合肥工业大学2. 水准尺和尺垫（1）水准尺有单面尺、双面尺、塔尺三种（2）标准水准尺为一对双面尺， 其中: A尺和B尺黑面03m; A尺红面4.6877.687m, B尺红面4.7877.787m。（3）尺垫半球形顶部用来竖立水准尺，并标志转点位置。7/23/2022 14 合肥工业大学3. 水准仪的使用为测定A、B两点

7、的高差，首先将水准仪安置在A、B两点之间，然后按以下四个步骤进行操作：（1）粗平（粗略整平） 目的是使仪器竖轴铅直 调节三个脚螺旋使圆水准器气泡居中，气泡移动的方向始终与左手大拇指的运动方向一致。7/23/2022 15 合肥工业大学（2）瞄准（瞄准水准尺） 首先转动目镜调焦螺旋使十字丝清晰，转动望远镜瞄准水准尺，再转动物镜调焦螺旋使目标清晰。注意消除视差！ 什么是视差？产生的原因？如何消除？7/23/2022 16 合肥工业大学（3）精平（精确整平） 在每次读数之前，都应注视符合水准气泡观测窗，转动微倾螺旋使水准管气泡居中，即符合水准器的两端气泡影像对齐，只有当气泡已经稳定不动而又居中的时候

8、，水准管轴水平，视准轴亦水平，即提供了一条水平视线。微倾螺旋7/23/2022 17 合肥工业大学（4）读数（精确整平） 仪器精确整平后，即可用十字丝横丝（即中丝）在水准尺上读数。 读数按由小到大的方向，读出米、分米、厘米、并仔细估读毫米数。 读数记录一般均不加小数点，读记四位数，以毫米为单位。黑面读数a=1274（mm）红面读数 b=5958（mm）7/23/2022 18 合肥工业大学7/23/2022 19 合肥工业大学精密水准仪（DS05、DS1）主要用于国家一、二等水准测量(the first and second order leveling)和高精度的工程测量中；例如建构筑物的沉

9、降观测，大型桥梁工程的施工测量和大型精密设备安装的水平基准测量等。二、 精密水准仪和精密水准尺 3.2 水准仪及其使用7/23/2022 20 合肥工业大学1. 精密水准仪的特点1) 望远镜的放大倍数大，分辨率高，如规范要求DS1不小于38倍，DS05不小于40倍；2) 管水准器分划值为10/2mm，精平精度高；3) 望远镜的物镜有效孔径大，亮度好；4) 望远镜外表材料一般采用受温度变化小的因瓦合金钢，以减小环境温度变化的影响；5) 采用平板玻璃测微器读数，读数误差小；6) 配备精密水准尺。7/23/2022 21 合肥工业大学2. 精密水准尺(因瓦水准尺)精密水准尺：是在木质尺身的凹槽内，引

10、张一根因瓦合金钢带，其中零点端固定在尺身上，另一端用弹簧以一定的拉力将其引张在尺身上，以使因瓦合金钢带不受尺身伸缩变形的影响。长度分划在因瓦合金钢带上，数字注记在木质尺身上，精密水准尺的分划值分为基辅分划（10mm）和奇偶分划（5mm）两种。基辅分划差为：3.01550 m7/23/2022 22 合肥工业大学3. N3精密水准仪及其读数原理下图就是新N3微倾式精密水准仪，其每km往返测高差中数的中误差为0.3mm。为了提高读数精度，精密水准仪上设有平行玻璃板测微器。7/23/2022 23 合肥工业大学测微尺的读数通过光路成像在测微尺读数窗内。 7/23/2022 24 合肥工业大学旋转N3

11、的平行玻璃板可以产生的最大视线平移量为10mm，它对应测微尺上的100个分格。测微尺上1个分格等于0.1mm，如在测微尺上估读到0.1分格，则可以估读到0.01mm。将标尺上的读数加上测微尺上的读数就等于标尺的实际读数。如下图的读数为148+0.655=148.655cm=1.48655m。 测微尺的读数7/23/2022 25 合肥工业大学 自动安平水准仪不需要水准管和微倾螺旋，只有一个圆水准器，安置仪器时，只要使圆水准器的气泡居中后，借助一种“补偿器”的特别装置，使视线自动处于水平状态。自动安平水准仪正面 3.3 自动安平水准仪 及数字水准仪一、自动安平水准仪7/23/2022 26 合肥

12、工业大学自动安平水准仪反面自动安平水准仪后面自动安平水准仪反面自动安平水准仪正面7/23/2022 27 合肥工业大学自动安平水准仪安平的工作原理7/23/2022 28 合肥工业大学二、数字水准仪望远镜基座 脚螺旋自动安平补偿器 电子水准 仪调焦螺旋制动、微动螺旋调焦发送器：计算概略视距值；补偿监视器：监测安平补偿器的工作状态分光镜 ：将由物镜计入的光分为可见光和红外光行阵探测器：识别水准尺上的条码，进行读数（电子水准仪）7/23/2022 29 合肥工业大学二、数字水准仪7/23/2022 30 合肥工业大学下图为采用相关法的徕卡NA3003数字水准仪的机械光学结构图7/23/2022 3

13、1 合肥工业大学 3.4 水准测量方法一、水准测量的外业实施1. 水准点 事先埋设标志在地面上，用水准测量方法建立的高程控制点(Bench Mark), 常以BM表示。 水准点分为永久性和临时性两种，其顶部通常为凸起的半球面, 用于放置水准尺。 7/23/2022 32 合肥工业大学2. 待定点高程的测量和计算检核已知HA， 求高程HB，中间临时放置标尺的过度点1，2.称为转点, 起高程传递作用, 常用TP表示，实测时转点上应使用尺垫 。7/23/2022 33 合肥工业大学每测站高差：各测站高差之和：待定点B点高程：施测方法（动画）2. 待定点高程的测量和计算检核7/23/2022 34 合

14、肥工业大学普通水准测量记录表0.7182.20950.5831.2681.425ZD1ab=5.358 3.867=1.491h=2.209 0.718=1.491HB HA=51.491 50.000=1.491HB HA=h=a b (计算无误) 计算检核3.8675.35851.4910.346B50.6181.5811.219ZD351.3360.6720.863ZD2HA=50.000m 50.0000.5830.7530.8731.851A前视+后 视备 注高 程（m）高 差标尺读数（m）测点0.7187/23/2022 35 合肥工业大学3. 测站检核为保证每一测站的高差正确，或

15、在误差允许范围之内，必须进行测站检核。测站检核有双仪高法和双面尺法（1）双面尺法：黑面读数高差： 红面读数高差： 红黑面高差之差： 最后高差中数： （2）双仪高法：改变仪器高度10cm以上，测出两次高差，进行检核。7/23/2022 36 合肥工业大学 双面尺法水准测量观测记录表7/23/2022 37 合肥工业大学 双仪高法水准测量观测记录表7/23/2022 38 合肥工业大学二、水准路线测量的成果检核1.闭合水准路线 从某已知点BMA出发,经待定点1,2,3,4; 再回到A点。 高差理论值： 高差闭合差：2.附合水准路线从已知点BMA出发到另一已知点B, 高差理论值： 高差闭合差：AB2

16、h1h317/23/2022 39 合肥工业大学二、水准路线测量的成果检核3.结点水准网 （1） 独立水准网 （2）单结点附合水准网4.支水准路线从已知点BMA出发到待定点B 7/23/2022 40 合肥工业大学三、水准测量的内业计算按一定的原则将计算出的水准线路高差闭合差进行分配，确保各测段（或各测站）高差经改正后严格满足检核条件。等外水准测量高差闭合差容许误差：山地：平地：国家四等水准测量高差闭合差容许误差：山地：平地：7/23/2022 41 合肥工业大学 水准测量的内业计算步骤 （附合、闭合水准路线） h21）计算闭合差2）判断闭合差是否超限3）计算各测段观测高差的改正数5）计算各测

17、段的改正后的高差6）计算各点的高程值4）检查闭合差是否分配完AB2附合水准路线h1h317/23/2022 42 合肥工业大学例：附合水准测量内业计算1.37/23/2022 43 合肥工业大学普通水准测量记录计算表-0.016-0.014-0.119B56.9020964575415636348Bfh= h = 0.016 m = 16 mm检核BMA55.35207725560BMAE55.2432024671208765566ED56.3322100688609325720DC57.0791387607613506035CHA=55.352m 55.35225127200BMA平均高差高

18、差前视后 视备 注高 程（m）高 差标尺读数（m）测点7.23330.8697.24730.988+1.548+1.446+0.176+0.272-0.750-0.851-1.092-0.992+0.104+0.006 +3+1.547 +3+0.174 +3-0.750 +3-1.092 +4+0.1057/23/2022 44 合肥工业大学 3.5 微倾式水准仪的检验与校正一、圆水准器的检验与校正 检验目的是保证：圆水准器轴仪器VV二、十字丝的检验与校正 检验目的是保证：十字丝横丝 仪器VV三、管水准器的检验与校正 检验目的是保证：视准轴CC 水准管轴LL （水准仪的主条件）7/23/2022 45 合肥工业大学 3.6 水准测量误差分析及注意事项一、仪器误差 1. 仪器校正后的残余误差 2. 水准尺误差(包含: 刻划、变形和零点误差等）二、观测误差 1. 读数误差; 2. 视差影响 3. 水准管气泡居中误差三、外界条件的影响 1. 仪器下沉和尺垫下沉误差 2. 地球曲率和大气折