水准测量和水准仪

水准测量和水准仪第1页/共62页§4.1水准测量原理与方法一、水准测量的原理hAB

＝a－bhAB

＝-hBAab大地水准面IHi

＝HA+aHB

＝HA+(a-b)=Hi-b视线高法后视尺前视尺第2页/共62页二、水准测量方法C4E1D23转点：临时立尺点，传递高程的过渡点。测站：每安置一次仪器称为一个测站hAB=hAC+hCD+hDE+hEB第3页/共62页三、地球曲率和大气折光的影响abABMM’EB’N’NFr1r2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）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（r1-r2）可忽略不计。当s1

＝s2时，则r1、r2互相抵消第4页/共62页§4.2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型号DS05DS1DS3DS10每千米往返测高差中数偶然中误差≤0.5mm≤1mm≤3mm≤10mm主要用途国家一等水准测量及地震监测国家二等水准测量及其他精密水准测量国家三、四等水准测量及一般工程水准测量一般工程水准测量第5页/共62页一、水准仪的基本部件

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。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、准星第6页/共62页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、望远镜视准轴：望远镜物镜的光心

与十字丝交点的连线。

第7页/共62页1231233’2’1’测量望远镜的瞄准与视差消除视差的方法：对准明亮背景，由负屈光度向正屈光度转动目镜，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。第8页/共62页水准管的零点：在水准管上刻有2mm的分划线与中间的O点成对称，O点称为零点。三、水准器水准器用来置平仪器，分为水准管和圆水准器。1、水准管O水准管轴：过零点O与圆弧相切的切线LL’水准管的分划值：相邻两分划线间弧长（2mm）所对的圆心角水准管的分划值与灵敏度的关系LL’O012第9页/共62页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系统，通过符合棱镜系统将气泡两端的影像反射到同一平面上，影像底端符合，则气泡居中。当气泡符合时：当气泡不符合时：第10页/共62页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，其圆心O即为圆水准器的零点。通过零点O与球面的球心的连线（O点的法线）LL’称为圆水准轴。L’O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。L第11页/共62页四、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。第12页/共62页转动测微螺旋，平行玻璃板作前俯，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最后读数a为mm，第13页/共62页五、水准尺和尺垫水准尺：材料——干燥的木料、铝合金、因钢尺构造——折尺、塔尺、直尺。

长度——2m、3m、5m。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3m的、双面水准尺，黑面尺（主尺）底端刻划为0，而红面尺（辅助尺）底端刻划分别为4687mm、4787mm。尺垫：放在过渡点上即转点上，传递高程用。

第14页/共62页第15页/共62页第16页/共62页第17页/共62页六、水准仪的使用1、安置水准仪：将仪器安置在三脚架上2、粗平：

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。

第二种方法：旋转脚螺旋，使圆水准器气泡居中。3、瞄准：使十字丝和目标的成像清晰，消除视差。4、精平：用微倾螺旋使符合水准管气泡居中。5、读数：用十字丝中丝、下丝、上丝分别读数，通常读四位数。第18页/共62页起始4687mm或4787mm第19页/共62页七、自动安平水准仪大大缩短水准测量的工作时间提高了水准测量的精度

在光路中装置—个“补偿器”．使光线偏转而通过十字丝交点

第20页/共62页第21页/共62页补偿器补偿原理适当选择补偿器悬挂材料及重心位置，可使水平光线正好通过十字丝的交点。第22页/共62页八、电子水准仪

电子水准仪将原有的用人眼观测读数改变为由光电设备自动探测水平视准轴的水准尺读数。速度快、精度高读数客观使用方便、能减轻作业劳动强度易于实现水准测量内外业一体化

第23页/共62页部分电子水准仪的外观图

徕卡DNA03/10天宝DINI12/22拓普康DL101/102索佳SDL1/30第24页/共62页

在望远镜中装置了一个由光敏二极管构成的线阵探测器，仪器采用数字图像识别处理系统，并配用条码水准标尺。电子水准仪简介第25页/共62页§4.3水准测量的外业施测

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。第26页/共62页1、普通水准测量132B4§4.3水准测量的外业施测第27页/共62页测站点号水准尺读数高差h高程H备注后视前视1A034746.215转点11631-12842转点10306转点22624-23183转点20833转点31516-06834转点31528转点40501+10275转点42368B0694+167444.631第28页/共62页2、国家三、四等水准测量三、四等水准测量的作业限差：采用红黑面双面标尺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)S3S3检间歇点高差之差(mm)3.05.0第29页/共62页施测方向后视尺前视尺（1）三、四等水准测量的观测程序1、照准后视尺黑面，读取下、上、中丝读数三、四等水准测量观测程序为：后、前、前、后（黑、黑、红、红）2、照准前视尺黑面，读取中、下、上丝读数3、照准前视尺红面，读取中丝读数4、照准后视尺红面，读取中丝读数第30页/共62页三、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d(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、照准后视尺黑面，读取下、上、中丝读数2、照准前视尺黑面，读取中、下、上丝读数3、照准前视尺红面，读取中丝读数4、照准后视尺红面，读取中丝读数第31页/共62页三、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d(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)后前后-前221211747193420082196182167966621-1037.437.5-0.1-0.3+1-0074-0175-0074.5后前后-前第32页/共62页三、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d(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第33页/共62页三、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d(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-前第34页/共62页三、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d(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(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-前第35页/共62页§4.4水准测量的误差分析水准测量误差包括仪器误差、观测误差和外界条件的影响三个方面一、仪器误差1、视准轴与水准管轴不平行的误差视准轴（CC）水准管轴（LL）水准管轴（LL）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第36页/共62页AB向上倾斜i

角的符号为正第37页/共62页2、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。012012z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。可在一测段中使测站数为偶数的方法予以消除。第38页/共62页二、观测误差1、精平误差2、估读误差与十字丝横丝的粗细、望远镜的放大倍率、人眼的局限性，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。第39页/共62页3、水准尺倾斜误差一个测站：一条水准路线：对读数的影响：和高差的大小有关å-=D-=--=D-D=D-=-=D=)cos1)(()cos1()cos1)(()cos1(cos'''''ggggghhhbabaha’aaaaa第40页/共62页三、外界环境的影响仪器下沉：条件：1、尺子不升沉，仪器下沉

2、和时间成比例

3、观测速度均匀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

水准尺下沉的影响，采用往返测，取高差平均值减弱第41页/共62页2、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第42页/共62页一、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视准轴（CC）水准管轴（LL）(1)水准管轴（LL）平行于视准轴（CC）第43页/共62页圆水准轴（L’L’）竖轴（VV）(1)圆水准器轴（L’L’）平行于竖轴（VV）2、水准仪应满足的次要条件有：(2)十字丝的横丝应当与仪器的旋转轴垂直第44页/共62页二、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180º，检查气泡是否居中。VLL第45页/共62页校正：用校正螺钉校一半，反复检查，反复校正。第46页/共62页三、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A，再转动水平微动螺旋检查A点是否始终落在中丝上。校正：松开目镜保护盖，放松十字丝环的校正螺钉转动十字丝环第47页/共62页四、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视准轴和水准管的水准轴是空间的两条直线。在竖直面上的投影是否平行的检验称为i角检验。在水平面上的投影是否平行的检验称为交叉误差的检验。第48页/共62页1、i角对读数和高差的影响AB向上倾斜i

角的符号为正第49页/共62页2、检验i角的基本原理BA第50页/共62页第一种检验i角的方法BA第51页/共62页第二种检验i角的方法BA第52页/共62页校正：1、B点一端的仪器不动，计算A标尺的正确读数2、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AAAxaaSix-¢=¢¢×=22r第53页/共62页3、微倾式水准仪交叉误差的检验与校正

第54页/共62页交叉误差在水准测量中的影响

交叉误差在一个测站上的影响是系统性的，它与前、后视距离之和成正比。

为消除这种系统误差，规范规定：在连续各站上安置水准仪的三脚架时，应使其中两脚与水准线路方向平行，而第三脚轮换置于路线方向的左侧与右侧。第55页/共62页交叉误差的检验第56页/共62页

检验的一般方法是将仪器安置在两点连线的中点，设后视读数时视准轴向下倾斜，那么将望远镜转向前视时，由于仪器旋转轴是倾斜的，视准轴将向上倾斜。如果补偿器的补偿性能正常，无论视线下倾（后视）或上倾（前视）都可读得水平视线的读数，测得的高差也是点间的正确高差；如果补偿器性能不正常，由于前后视的倾斜方向不一致，视线倾斜产生的读数误差不能在高差计算中抵消，因此测得的高差将与正确的高差有明显的差异。

五、自动安平水准仪补偿器性能的检验第57页/共62页六、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平均真长的测定每米长度误差，不得超过±0.5mm水准尺每分米分划误差的测定不得超过±0.1mm水准尺红黑面零点差的测定应为4687或4787mm一对水准尺黑面零点差