第三章：水准测量

第三章水准测量2/1/2023

1合肥工业大学高程测量——确定地面上各点高程的工作。高程测量概述水准测量——用水准仪进行高程测量的工作。三角高程测量物理高程测量GPS高程测量气压高程测量液体静力水准测量水准测量高程测量高程测量按所使用的仪器和施测方法的不同,可分为:水准测量是高程测量的主要方法。水准测量使用仪器：水准仪2/1/2023

2合肥工业大学水准测量的等级水准测量分为一等、二等、三等、四等四个等级，以一等精度最高。上一等水准测量成果作为下一等水准测量的起算依据。为满足测图以及一般工程测量的需要，还须进行测区的高程控制加密，采用普通水准测量方法，也称图根水准测量或等外水准测量(本章主要介绍)。2/1/2023

3合肥工业大学§3.1

水准测量原理水准测量的实质是测量地面上两点之间的高差。水准仪的主要功能是能指出一条水平视线。前进方向水平视线大地水准面HiHAHBAB后视尺前视尺abhab2/1/2023

4合肥工业大学

hAB>0，高差为正，前视点高；

hAB<0，高差为负，前视点低。高差必须带“+、

-”号；

hAB的下标次序必须与测量的前进方向一致。

例:已知hAB=+1.436m则hBA=-1.436m§3.1

水准测量原理高差=后视读数-前视读数：

hAB=a-b2/1/2023

5合肥工业大学

高程的计算：HB

＝HA＋hAB

＝HA＋(a－b)

高差法：Hi＝HA＋aHB

＝Hi－b仪高法2/1/2023

6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，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）2/1/2023

7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；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

2/1/2023

8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！2/1/2023

9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：过水准管零点所作圆弧面的纵切线2/1/2023

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2/1/2023

11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2/1/2023

12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轴VV：就是水准仪的旋转轴望远镜水准器基座三脚架VV2/1/2023

13合肥工业大学CCLLVVL'L'水准仪的主要构造特点水准仪的主要轴线：

①视准轴CC②水准管轴LL③圆水准器轴④仪器竖轴VV必须满足的几何条件：

①∥VV②十字丝横丝⊥VV

③LL∥CC2/1/2023

14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0~3m;A尺红面4.687~7.687m,B尺红面4.787~7.787m。

（3）尺垫半球形顶部用来竖立水准尺，并标志转点位置。2/1/2023

15合肥工业大学安置仪器在测站上松开三脚架架腿的固定螺旋，按需要的高度调整架腿长度，再拧紧固定螺旋，张开三脚架将架腿踩实，并使三脚架架头大致水平。从仪器箱中取出水准仪，用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上。3.水准仪的使用2/1/2023

16合肥工业大学粗平使圆水准器气泡居中b312c312

a13

2气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致。3.水准仪的使用2/1/2023

17合肥工业大学缺口准星水平微动螺旋水平制动螺旋对光螺旋消除视差瞄准目标粗瞄、对光、精瞄和消除视差3.水准仪的使用2/1/2023

18合肥工业大学微倾螺旋每次读中丝读数前都要精平精平使长水准管气泡居中3.水准仪的使用2/1/2023

19合肥工业大学1213111.251m0.717m读数用中横丝读数2/1/2023

20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(thefirstandsecondorderleveling)和高精度的工程测量中；例如建构筑物的沉降观测，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2/1/2023

21合肥工业大学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。2/1/2023

22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。

2/1/2023

23合肥工业大学旋转N3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2/1/2023

24合肥工业大学精密水准尺(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：3.01550m2/1/2023

25合肥工业大学精密水准仪的特点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。2/1/2023

26合肥工业大学水准点的类型：永久性临时性

§3.3

水准测量的方法外业：用水准路线测量方法，在新建水准点和已知水准点之间进行高差测量。内业：评定测量精度，计算新建水准点的高程。一.水准点——用水准测量的方法测定了高程的高程控制点(BM)。

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，其中混凝土普通水准标石和墙脚水准标志的埋设要求见下图。2/1/2023

27合肥工业大学1.闭合水准路线BM14321BM1123BM2BM11232.附合水准路线3.支水准路线二.水准路线

——进行水准测量的路线，由已知水准点和新建水准点组成。2/1/2023

28合肥工业大学三.连续安置水准仪的测量方法

两点间距离较长或高差较大时，在两点间设若干转点，分段测量高差，取各分段高差的总和。hAB=h1+h2++hn

=(a1-b1)+(a2-b2)++(an-bn)=a-b2/1/2023

29合肥工业大学

BMABMB1.4441.324TP2h2=+0.1201.8220.876TP3h3=+0.9461.8201.435TP4h4=+0.3851.4221.304h5=+0.118前进方向1.1341.677TP1h1=-0.543水准测量记录格式2/1/2023

30合肥工业大学水准测量记录表2/1/2023

31合肥工业大学四.水准测量的检核(适用于等外水准路线)2.计算检核3.路线检核（成果检核）1.测站检核2/1/2023

32合肥工业大学四.水准测量的检核(适用于等外水准路线)1.测站检核——对每一站高差进行检核，每站进行（避免读错、听错、记错、未精平等粗差）。a"a'b'

b"BAh

'=a

'–b

'h

"=a"–b"两次仪器高法

BAa黑a红

b红b黑h'=a黑–b黑h"=a红–b红双面尺法读数要求（黑+常数–

红）≤±3mm高差要求

h'–h"≤±5mm

取

h=(h'+h")/2两尺常数不一致时，考虑两尺常数差

0.100米。要求:

改变仪器高度应在10cm以上

h'–h"≤±5mm

取

h=(h'+h")/22/1/2023

33合肥工业大学2.计算检核黑面:h黑=a-b红面：h红=a-b平均高差：h=（h黑

+h红）/2

或h

=（h黑+

h红±0.1）/2h=(a-b)/2

或h=(a-b±0.1)/22/1/2023

34合肥工业大学2.计算检核黑面:h黑=a-b红面：h红=a-b平均高差：

h

=（

h黑+

h红±0.1）/22/1/2023

35合肥工业大学∑h测

=h1+h2+h3+h4+h5∑h理

=H终-H始

fh=∑h测-∑h要求：fh

fh容3.路线检核（成果检核）

——计算路线高差闭合差，检验整条路线的测量精度。（1）附合水准路线BM1123BM2h4h3h2h12/1/2023

36合肥工业大学BMA∑h测

=h1+h2+h3+h4+h5h1h4（2）闭合水准路线∑h理=0fh=∑h测

要求：fh

fh容（3）支水准路线fh=∑h往+∑h返要求：fh

fh容BM14321BM1123h3h2h1h5h往h返2/1/2023

37合肥工业大学等外(图根)水准路线测量容许高差闭合差公式：式中：L——路线长，以公里为单位

n——路线测站总数2/1/2023

38合肥工业大学五.水准路线成果计算1、高差闭合差计算与比较闭合水准路线高差闭合差附合水准路线高差闭合差支水准路线高差闭合差2/1/2023

39合肥工业大学五.水准路线成果计算2、高差闭合差的分配和各点高程的计算高差改正数为：改正后高差为：计算各点高程：2/1/2023

40合肥工业大学五.水准路线成果计算1.附合水准路线成果整理例：2/1/2023

41合肥工业大学H前＝H后＋h

1.高差闭合差的计算

2.高差闭合差的调整与各待定点高程的计算2/1/2023

42合肥工业大学2.闭合水准路线成果计算

与附合水准路线不同之处是终点和起点是同一点，因此：∑h理

=H终-H始=0

fh

=∑h测-∑h理=∑h测

其余计算与附合水准路线相同2/1/2023

43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

§

3.4自动安平水准仪及数字水准仪

一、自动安平水准仪2/1/2023

44合肥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2/1/2023

45合肥工业大学自动安平水准仪安平的工作原理2/1/2023

46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）2/1/2023

47合肥工业大学二、数字水准仪2/1/2023

48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2/1/2023

49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）2/1/2023

50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.地球曲率和大气折光的影响

3.温度的影响2/1/202