数字地形测量学课件第四章-水准测量与水准仪

《数字地形测量学》编写小组第四章水准仪与水准测量主讲老师：联系电话：电子邮件：《数字地形测量学》《数字地形测量学》编写小组第四章水准仪与水准测量主讲老师第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法§4.2光学水准仪§4.3数字水准仪§4.4水准测量方法§4.5水准测量的误差分析§4.6水准仪的检验和校正第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法

水准测量是测定地面点高程的主要方法之一。水准测量是使用水准仪和水准尺，根据水平视线测定两点之间的高差，从而由已知点的高程推求未知点的高程。为什么要进行水准测量？§4.1水准测量原理与方法水准测量是测定地面点高程的主要方法之一。水准测量一、水准测量原理若已知A点的高程HA

，求未知点B的高程HB。首先测出A点与B

点之间的高差hAB

，于是B点的高程为HB

:§4.1水准测量原理与方法一、水准测量原理若已知A点的高程HA，求未知点B的高程注意事项：1、高差符号a>b，B点高于A点，hAB正a<b，B点低于A点，hAB负2、下标含义hAB表示A点至B点的高差§4.1水准测量原理与方法注意事项：1、高差符号2、下标含义视线高法：

B点的高程也可以利用水准仪的视线高程hi（也称为仪器高程）来计算。当安置一次水准仪根据一个已知高程的后视点，需求出若干个未知点的高程时，用上式计算较为方便，此法称为视线高法，它在建筑工程施工中经常应用。§4.1水准测量原理与方法视线高法：当安置一次水准仪根据一个已知高程的后视点，需求出若当A、B两点相距较远，或高差较大时，仅安置一次仪器便不能测得它们的高差，这时需要加设若干个临时的立尺点，作为传递高程的过渡点，称为转点。每安置一次仪器，称为一个测站，而1、2、3、···、n等点即为转点。一、水准测量方法§4.1水准测量原理与方法当A、B两点相距较远，或高差较大时，仅安置一次仪计算检核：在实际作业中可先算出各测站的高差，然后取它们的总和而得。再用后视读数之和减去前视读数之和来计算高差，检核计算是否正确。§4.1水准测量原理与方法计算检核：三、地球曲率和大气折光的影响将地球曲率与大气折光对一根水准尺读数的联合影响用表示，称之为球气差改正，简称两差改正。当前、后视距离和相等时，则球气差改正互相抵消。一般可根据水准测量的精度，将前后视距离之差限制在某一范围内，使球气差改正忽略不计。§4.1水准测量原理与方法三、地球曲率和大气折光的影响将地球曲率与大气折光对一第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法§4.2光学水准仪§4.3数字水准仪§4.4水准测量方法§4.5水准测量的误差分析§4.6水准仪的检验和校正第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法水准仪——能够提供水平视线的仪器。按精度分为四个等级：DS05、DS1、DS3、DS10。S3级和S10级水准仪称为普通水准仪，用于国家三、四等水准及普通水准测量S05级和S1级水准仪称为精密水准仪，用于国家一、二等精密水准测量。§4.2光学水准仪水准仪——能够提供水平视线的仪器。按精度分为四个等级：DS水准仪系列型号DS05DS1DS3DS10每千米往返测高差中数偶然中误差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§4.2光学水准仪水准仪系列型号DS05DS1DS3DS10每千米往返测高差中一、水准仪的基本部件S3型水准仪微倾螺旋微动螺旋S3微倾式水准仪的外形和各部件名称，主要有望远镜、水准器、基座三部分组成。§4.2光学水准仪一、水准仪的基本部件S3型水准仪微倾螺旋微动螺旋S31、望远镜-Telescope物镜调焦中丝上丝下丝视准轴——物镜光心与十字丝交点的连线CC1。§4.2光学水准仪1、望远镜-Telescope物镜调焦中丝视准轴——物镜光心视差:如果目标像与十字丝平面不重合，观测者的眼睛作上下（或左右）移动时，就会发觉目标像与十字丝之间有相对移动，这种现象称为“视差”。消除视差的方法：先目镜—使十字丝清晰后物镜—使目标像清晰§4.2光学水准仪视差:如果目标像与十字丝平面不重合，观测者的眼睛作上2、水准器为了置平仪器，必须用水准器。水准器分为水准管和圆水准器两种。在水准管表面刻有2mm间隔的分划线，分划线与水准管的圆弧中点O成对称，O点称为水准管的零点，通过零点作圆弧的纵向切线，称为水准管轴。当气泡的中点与水准管的零点重合时，称为气泡居中。通常，根据水准气泡两端与水准管分划线的位置对称来判断水准管气泡是否精确居中。§4.2光学水准仪2、水准器为了置平仪器，必须用水准器。水准器分为水准圆水准器圆水准器是将一圆柱形的玻璃盒装嵌在金属框内，如图所示。与水准管一样，盒内装有酒精或乙醚，玻璃盒顶面内壁被磨成圆球面，中央刻有一个小圆圈，它的圆心O是圆水准器的零点，通过零点和球心的连线（O点的法线），称为圆水准轴。当气泡居中时，圆水准轴就处于铅垂位置。灵敏度较低，用于粗略整平仪器，可使水准仪的纵轴大致处于铅垂位置，便于用微倾螺旋使水准管的气泡精确居中。§4.2光学水准仪圆水准器§4.2光学水准仪二、自动安平水准仪自动安平水准仪上没有水准管和微倾螺旋，使用时只需将水准仪上的圆水准器的气泡居中，在十字丝交点上读得的便是视线水平时应该得到的读数。因此，使用这种自动安平水准仪可以大大缩短水准测量的工作时间。同时由于水准仪整置不当、地面有微小的震动或脚架的不规则下沉等等造成的视线不水平，可以由补偿器迅速调整而得到正确的读数。DSZ3自动安平水准仪

§4.2光学水准仪二、自动安平水准仪自动安平水准仪上没有水准管和微倾螺旋三、水准尺和尺垫常用三、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。放在过渡点上即转点上，传递高程。§4.2光学水准仪三、水准尺和尺垫常用三、四等水准测量的水准尺为木质3m的、双三、水准尺和尺垫一、二等水准测量使用尺长更稳定的铟瓦水准尺，这种水准尺的分划是漆在铟瓦合金带上，铟瓦合金带则以一定的拉力引张在木质尺身的沟槽中。这样铟瓦合金带的长度不会受木质尺身伸缩变形的影响。§4.2光学水准仪三、水准尺和尺垫一、二等水准测量使用尺长更稳定的铟瓦水准尺，四、水准仪的使用安置粗平瞄准精平读数“五步走，十个字”§4.2光学水准仪四、水准仪的使用安置“五步走，十个字”§4.2光学水准仪1、安置水准仪——安置

（1）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。（2）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。§4.2光学水准仪四、水准仪的使用1、安置水准仪——安置§4.2光学水准仪四、水准仪的使用2、粗略整平——粗平左手拇指旋转螺旋的运动方向，就是气泡移动的方向。——左手拇指规则四、水准仪的使用§4.2光学水准仪2、粗略整平——粗平左手拇指旋转螺旋的运动方向，就是气泡移动3、瞄准目镜调焦松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。

初步瞄准

通过望远镜筒上方的缺口和准星，瞄准水准尺，旋紧制动螺旋。物镜调焦

转动物镜调焦螺旋，使水准尺的成像清晰。精确瞄准

转动微动螺旋，使十字丝的竖丝瞄准水准尺边缘或中央。消除视差

若望远镜内已经看到水准尺但成像不清晰，注意消除视差。§4.2光学水准仪四、水准仪的使用3、瞄准目镜调焦松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的背景，转4、精确整平——精平读数之前，眼睛观察水准气泡观察窗内的气泡影像，用右手缓慢地转动微倾螺旋，使气泡两端的影像严密吻合。

§4.2光学水准仪四、水准仪的使用4、精确整平——精平读数之前，眼睛观察水准气泡观察窗内的气泡最后用微动螺旋转动望远镜使十字丝的竖丝对准水准尺的中间稍偏一点以便读数。首先看好厘米的估读数（即毫米数），然后再将全部读数报出。一般习惯上是报四个数字，即米、分米、厘米、毫米，并且以毫米为单位。5、读数？？四、水准仪的使用§4.2光学水准仪最后用微动螺旋转动望远镜使十字丝的竖丝对准水准尺的中注意！读数后再检查符合水准器气泡是否居中，若不居中，应再次精平，重新读数。

§4.2光学水准仪注意！读数后再检查符合水准器气泡是否居中，若不居中，第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法§4.2光学水准仪§4.3数字水准仪§4.4水准测量方法§4.5水准测量的误差分析§4.6水准仪的检验和校正第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法徕卡DNA03天宝DiNi03拓普康DL101/102索佳SDL1X§4.3

数字水准仪国产数字水准仪徕卡DNA03天宝拓普康DL101/102索佳SDL1X§4

一、改进数字水准仪区别于水准管水准仪和补偿器水准仪（自动安平水准仪）的主要不同点是在望远镜中安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。优点：数字水准仪具有光学水准仪无可比拟的优点，与光学水准仪相比，它具有速度快、精度高、自动读数、使用方便、能减轻作业劳动强度、可自动记录存储测量数据、易于实现水准测量内外业一体化的优点。§4.3

数字水准仪一、改进优点：数字水准仪具有光学水准仪无可比拟的优点，与光二、结构数字水准仪的望远镜光学部分和机械结构与光学自动安平水准仪基本相同。图为徕卡NA2002望远镜光学和主要部件的结构略图。图中的部件较自动安平水准仪多了调焦发送器、补偿器监视、分光镜和线阵探测器4个部件。§4.3

数字水准仪二、结构§4.3数字水准仪三、测量原理§4.3

数字水准仪三、测量原理§4.3数字水准仪三、测量原理§4.3

数字水准仪三、测量原理§4.3数字水准仪三、测量原理

：相关法§4.3

数字水准仪三、测量原理：相关法§4.3数字水准仪天宝水准仪的测量原理(几何法)§4.3

数字水准仪天宝水准仪的测量原理(几何法)§4.3数字水准仪四、条码水准尺与电子水准仪相配套的条码水准尺，其条码设计随电子读数方法不同而不同。目前，采用的条纹编码方式有二进制码条码、几何位置测量条码、相位差法条码。用于精密水准测量的电子水准仪，其配用的条码标尺有两种，一种为铟瓦尺，另一种为玻璃钢尺。§4.3

数字水准仪四、条码水准尺用于精密水准测量的电子水准仪，其配用的条码标尺五、应用数字水准仪与传统光学水准仪相比有以下优点：（1）读数客观（2）精度高（3）速度快（4）效率高（5）操作简单线路水准测量变形监测水文基准测量高精度的工业测量...§4.3

数字水准仪五、应用数字水准仪与传统光学水准仪相比有以下优点：线路水准测第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法§4.2光学水准仪§4.3数字水准仪§4.4水准测量方法§4.5水准测量的误差分析§4.6水准仪的检验和校正第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法一、水准路线：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A3§4.4水准测量方法一、水准路线：在水准点之间进行水准测量所经过的路线1、单一2、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。根据水准网中已知点个数的不同又分为：附合水准网独立水准网DA132C4BE附合水准网§4.4水准测量方法2、水准网DA132C4BE附合水准网§4.4水准测量方独立水准网A3617542§4.4水准测量方法独立水准网A3617542§4.4水准测量方法二、普通水准测量

一般情况下，从一已知高程的水准点出发，要用连续水准测量的方法，才能算出另一待定水准点的高程。转点：测站：§4.4水准测量方法二、普通水准测量转点：§4.4水准测量方法施测程序如下：将水准尺立于已知高程的水准点上作为后视，水准仪置于施测路线附近合适位置，在施测路线的前进方向上取仪器至后视大致相等的距离放置尺垫，在尺垫上竖立水准尺作为前视。观测员将仪器用圆水准器粗平后瞄准后视标尺，用微倾螺旋将水准管气泡居中，用中丝读后视读数至毫米。掉转望远镜瞄准前视标尺，再次将水准管气泡居中，用中丝读前视读数至毫米。记录员根据观测员的读数在手薄中记录相应数字，并立即计算高差。此为第一测站的全部工作。二、普通水准测量§4.4水准测量方法施测程序如下：二、普通水准测量§4.4水准测量方法测站点号水准尺读数高差h高程H备注后视前视

1A0347

46.215

转点1

1631-1284

2转点10306

转点2

2624-2318

3转点20833

转点3

1516-0683

4转点31528

转点4

0501+1027

5转点42368

B

0694+167444.631表4-2普通水准测量手簿

测自

A

至

B

年

月

日

观测

记录

？§4.4水准测量方法测站点号水准尺读数高差高程备注后视前视

A0347

46.

在进行连续水准测量时，若其中任何一个后视读数或前视读数有错误，都要影响高差的正确性。因此，在每一测站的水准测量中，为了能及时发现观测中的错误，通常采用双面尺法或两次仪器高法进行观测，以检查高差测定中可能发生的错误。

双面尺法为每一测站上用两组不同的水平尺面的读数来测定相邻两点间的高差，两次仪器高法为每一测站上用两次不同仪器高度的水平视线来测定相邻两点间的高差。按理，两次测得的高差应相等，据此检查观测中是否存在错误。

§4.4水准测量方法在进行连续水准测量时，若其中任何一个后视读数或前视读三、国家三、四等水准测量

三、四等水准测量在一测站上水准仪照准双面水准尺的顺序为：照准后视标尺黑面，进行视距丝、中丝读数；照准前视标尺黑面，进行中丝、视距丝读数；照准前视标尺红面，进行中丝读数；照准后视标尺红面，进行中丝读数；

这样的顺序简称为“后前前后”（黑、黑、红、红）。四等水准测量每站观测顺序也可为“后后前前”（黑、红、黑、红）。

无论何种顺序，视距丝和中丝的读数均应在水准管气泡居中时读取。§4.4水准测量方法三、国家三、四等水准测量§4.4水准测量方法测站编号后尺下丝前尺下丝方向及尺号

标尺读数K+黑减红高差中数备考上丝上丝后距前距黑面红面视距差d∑d(1)(5)后(3)(8)(10)(2)(6)前(4)(7)(9)(12)(13)后-前(16)(17)(11)(14)(15)115710739后513846171011970363前605515239-1374376后-前+0833+0932+1+0832.5-0.2-0.2221212196后619346621017471821前520086796-1374375后-前-0074-0175+1-0074.5-0.1-0.3三（四）等水准测量观测手簿§4.4水准测量方法后尺下丝前尺下丝备上丝上丝后距前距黑面红面视距第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法§4.2光学水准仪§4.3数字水准仪§4.4水准测量方法§4.5水准测量的误差分析§4.6水准仪的检验和校正第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法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§4.5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AB向上倾斜i角的符号为正§4.5水准测量的误差分析AB向上倾斜i角的符号为正§4.5水准测量的误差分析2、水准尺误差

（1）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（2）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。§4.5水准测量的误差分析2、水准尺误差（1）水准尺刻划不准确，尺长二、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。§4.5水准测量的误差分析二、观测误差1、精平误差2、估读误差与十字丝横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§4.5水准测量的误差分析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§4.5水准测量的误差分析三、外界环境的影响仪器下沉：条件：1、尺子不升沉，采用后前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、晚上、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§4.5水准测量的误差分析2、大气折光的影响1）视线高出地面0.3m，在晴天，地面误差类型误差来源消弱方法仪器误差i角误差视准轴与管水准轴不平行在竖直面内投影所形成的夹角前后视距相等水准尺刻划误差刻划不准确、尺长变化及标尺弯曲检验加改正水准尺零点差水准尺零点偏差偶数测站观测误差精平误差气泡不居中带来的视准轴不水平所引起的误差仔细使气泡居中调焦误差同一测站调焦引起的视准轴变化带来的误差一测站不进行二次调焦估读误差mm位的估读误差多次读数、限制视距长度水准标尺倾斜误差水准尺若竖立不直引起的误差确保水准尺竖直（安装圆水准器）摇尺法外界环境误差球气差大气折光和地球曲率引起的误差前后视距相等水准仪及水准尺升沉误差水准仪及水准尺升沉造成水平视线变化引起的误差采用后前前后的顺序观测、往返测天气引起的误差风力、温度等引起的误差选择合适的天气§4.5水准测量的误差分析误差类型误差来源消弱方法仪器误差i角误差视准轴与管水准轴不平第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法§4.2光学水准仪§4.3数字水准仪§4.4水准测量方法§4.5水准测量的误差分析§4.6水准仪的检验和校正第四章水准仪与水准测量§4.1水准测量原理与方法一、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视准轴（CC）水准管轴（LL）(1)水准管轴（LL）平行于视准轴（CC）§4.6水准仪的检验和校正一、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§4.6水准仪的检验和校正圆水准轴（L’L’）竖轴（VV）(1)圆水准器轴（L’L’）二、圆水准器的水准轴与仪器的旋转轴平行的检验与校正检验：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。§4.6水准仪的检验和校正二、圆水准器的水准轴与仪器的旋转轴平行的检验与校正检验：先用校正：用三个校正螺钉使气泡向居中位置移动偏离长度的一半。反复检查，反复校正。§4.6水准仪的检验和校正校正：用三个校正螺钉使气泡向居中位置移动偏离长度的一半。反复