长安大学《测量学》第二章 水准测量.ppt

1、第二章 水准测量,长安大学公路学院,第二章 水准测量,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及成果整理、仪器 的检验与校正。 主要目的：了解水准测量原理、测量仪器与测量工 具，掌握地面点位高程测量过程。 重点内容：水准测量原理、施测方法、成果计算。 测定地面点高程的工作称为高程测量。,2-1.水准测量原理,水准测量是测出两点间的高差。即在两个点上分别竖立水准尺，利用水准测量的仪器提供的一条水平视线，瞄准并在水准尺上读数，从而求得两点间的高差。,前进方向,水平视线,大地水准面,Hi,HA,HB,A,B,后视尺,前视尺,b,hab,如图， 已知HA， 求HB？ （1）高差

2、法：根据水准仪提供的水平视线在A点水准尺上读数为a（后视读数），B点水准尺上读数为b（前视读数），则 HB=HA+ hAB =HA+(a-b) 在计算高差hAB时，一定要注意hAB的下标： hAB表示A点至B点的高差。,2-1.水准测量原理,前进方向,水平视线,HA,HB,A,后视尺,前视尺,b,hAB,大地水准面,B,2-1.水准测量原理,例1：图中已知A点高程HA=452.623m，后视读数a=1.571m，前视读数b=0.685m，求B点高程。,解：B点对于A点高差：,hAB=1.5710.685=0.886m,B点高程为：,HB452.6230.886453.509m,2-1.水准测量

3、原理,（2）视线高法：B点高程也可以通过水准仪视线高程Hi（也称为仪器高程）来计算，即 Hi=HA+a 则 HB =(HA+a)-b=Hi-b,水平视线,HA,HB,A,后视尺,前视尺,b,大地水准面,B,hAB,前进方向,Hi,2-1.水准测量原理,例2：图2.3中已知A点高程HA=423.518m，要测出相邻1、2、3点的高程。先测得A点后视读数a=1.563m，接着在各待定点上立尺，分别测得读数b1=0.953m，b2=1.152，b3=1.328m。 解：先计算出视线高程 Hi=HA+a=423.5181.563425.081m 各待定点高程分别为： H1Hib1425.0810.95

4、3424.128m H2Hib2425.0811.15223.929m H3Hib3425.0811.32823.753m 高差法和视线高法的测量原理是相同的，区别在于计算高程时次序上的不同。在安置一次仪器需求出几个点的高程时，视线高法比高差法方便。, 2-2.水准测量仪器和工具,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 下标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n毫米，即精度）。 水准仪按其构造可分为三种： 微倾式水准仪、自动安平水准仪、电子水准仪。 目前，普通工程测量中

5、最常用的水准仪是： DS3微倾式水准仪（或DS3自动安平水准仪）, 2-2.水准测量仪器和工具,一、 DS3微倾式水准仪的构造,1.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, 2-2.水准测量仪器和工具,一、 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,望远镜,水准器,基座, 2-2.水准测量仪器和工具,一、 DS3微倾式水准仪的构造 1.望远镜 （1）组成：物镜、目镜、

6、调焦透镜、十字丝分划板、物镜对光螺旋、目镜对光螺旋 （2）作用: 瞄准目标，提供水平视线,C,C,视准轴CC：物镜光心与十字丝交点的连线。, 2-2.水准测量仪器和工具,一、 DS3微倾式水准仪的构造 1.望远镜 2.水准器 （1）管水准器：用于仪器精平 （2）圆水准器：用于仪器粗平, 2-2.水准测量仪器和工具,一、 DS3微倾式水准仪的构造 1.望远镜 2.水准器 （1）管水准器：用来指示视准轴是否水平 水准管轴LL：过水准管零点所作圆 弧面的纵切线。 水准管分划值 ：是水准管表面2mm圆 弧所对应的圆心角。 气泡居中：气泡零点与水准管零点重 合。,2mm,0点, 2-2.水准测量仪器和工

7、具,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,微倾螺旋,2mm, 2-2.水准测量仪器和工具,一、 DS3微倾式水准仪的构造 1.望远镜 2.水准器 （1）管水准器 （2）圆水准器：用来指示仪器竖轴是否竖直 圆水准器轴 ：过圆水准器零点所 作圆球面的法线, 2-2.水准测量仪器和工具,一、 DS3微倾式水准仪的构造 1.望远镜 2.水准器 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。,基座,三脚架,V,V, 2-2.水准测量仪器和工具,二、水准尺

8、和尺垫 水准尺有双面尺和塔尺两种 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。 尺垫半球形顶部用来竖立水准尺，并标志转点 位置。, 2-2.水准测量仪器和工具,三、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 2.粗略整平：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。, 2-2.水准测量仪器和工具,三、水准仪的使用 1.安置水准仪 2.粗略整平 3.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

9、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？ 当眼睛在目镜端上下微微移动时，若 发现十字丝与目标像有相对运动，这 种现象称为视差。,？, 2-2.水准测量仪器和工具,三、水准仪的使用 1.安置水准仪 2.粗略整平 3.瞄准水准尺 4.精平与读数 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。 读数：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。, 2-2.水准测量仪器和工具,三、水准仪的使用 1.安置水准仪 2.粗略整平 3.瞄准水准尺 4.精平与读数 读数：,0.730,2-3 水准测量的实施及成果整理,一、水

10、准点及水准路线 1.水准点,国家等级水准点,一般水准点,2-3 水准测量的实施及成果整理,一、水准点及水准路线 1.水准点 2.水准路线：在两水准点之间进行水准测量所经过的路线称为水准路线。 水准路线的布设形式：闭合水准路线、附合水准路线、支水准路线。,2-3 水准测量的实施及成果整理,一、水准点及水准路 1.水准点 2.水准路线：,2-3 水准测量的实施及成果整理,二、水准测量的实施 转点：如果两点间高差较大或相距较远，仅安置一次仪器不能测得它们的高差，这时需要加设若干个临时的立尺点，作为传递高程的临时点。 连续水准测量：依次连续地在两个立尺点中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，最后取各个测

11、站高差的代数和，即求得两点间的高差值。 观测步骤,2-3 水准测量的实施及成果整理,二、水准测量的实施 观测步骤 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ZD表示， 实测时转点上应使用尺垫 。,每测站高差： 各测站高差之和： 待定点B点高程：,施测方法,2-3 水准测量的实施及成果整理,二、水准测量的实施,施测方法,1.444,1.324,TP2,h2=+0.120,1.822,0.876,TP3,h3=+0.946,1.820,1.435,TP4,h4=+0.385,1.422,1.304,h5=+0.118,前进方向,1.134,1.67

12、7,TP1,h1=-0.543,2-3 水准测量的实施及成果整理,二、水准测量的实施,普通水准测量记录表,0.718,2.209,50.583,1.268,1.425,ZD1,ab=5.358 3.867=1.491 h=2.209 0.718=1.491 HB HA=51.491 50.000=1.491 HB HA=h=a b (计算无误),计算检核,3.867,5.358,51.491,0.346,B,50.618,1.581,1.219,ZD3,51.336,0.672,0.863,ZD2,HA=50.000m,50.000,0.583 0.753 0.873,1.851,A,前视,+

13、,后 视,备 注,高 程 （m）,高 差,标尺读数（m）,测点,0.718,2-3 水准测量的实施及成果整理,三、水准测量的检核方法 1计算检核 计算检核只能检查计算是否正确，并不能检核观测和 记录时是否产生错误。 2测站检核 变动仪器高法：是在同一个测站上用两次不同的仪器高度，测得两次高差以相互比较进行检核。 双面尺法：是仪器的高度不变，而立在前视点和后视点上的水准尺分别用黑面和红面各进行一次读数，测得两次高差，相互进行检核。,2-3 水准测量的实施及成果整理,四、水准测量的成果整理 1.计算高差闭合差 附合水准路线 高差理论值： 高差闭合差： 闭合水准路线 高差闭合差： 支水准路线 高差闭

14、合差：,2-3 水准测量的实施及成果整理,四、水准测量的成果整理 1.计算高差闭合差 2.高差闭合差容许误差 式中，L为水准路线长度，以公里计；为测站数。,等外水准测量 山地： 平地：,国家四等水准测量 山地： 平地：,2-3 水准测量的实施及成果整理,四、水准测量的成果整理 1.计算高差闭合差 2.高差闭合差容许误差 3.判断闭合差是否超限： 4.闭合差的调整 闭合、附合水准路线：与测站数（或距离）成正比例 反符号进行分配： 5.高程的计算 闭合、附合水准路线： 支水准：,2-3 水准测量的实施及成果整理,四、水准测量的成果整理 例:如图， BM.A 和BM.B为已知水准点，按普通水准测量的

15、方法测得各测段观测高差和测段路线长度分别标注在路线的上、下方。将计算成果列于表中。,+3.035,-0.025,+3.060,6.25,9.578,BM.B,+1.332,-0.008,+1.340,2.05,8.246,3,-1.431,-0.007,-1.424,1.60,9.677,2,+1.805,-0.008,+1.813,2.00,7.872,1,6.543,+1.329,-0.002,+1.331,0.60,BM.A,H(m),h(m),v(m),hi(m),L(km),点号,解：,2-3 水准测量的实施及成果整理,2-3 水准测量的实施及成果整理,1.计算高差闭合差 2.判断闭

16、合差是否超限 3.计算各测段观测高差的改正数 4.计算各测段的改正后的高差: 5.计算各点的高程值,2-4 DS3型水准仪的检验与校正,一、水准仪轴线及其应满足的几何条件 1.四条轴线 视 准 轴 CC 水准管轴 LL 圆水准轴 LL 竖 轴 VV 2.应满足的三个条件 （1）LL/ VV （2）横丝VV （3）LL / CC (主要条件),2-4 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 1.圆水准轴平行于仪器竖轴的检验 目的：使圆水准器轴平行于竖轴，即LLVV 检验方法： （1）安置水准仪后，转动脚螺旋使圆水准器气泡居中。 （2）将仪器绕竖轴旋转180。 （3）如果圆气泡仍旧居中，则表示

17、该几何条件满足，不必校正；如果气泡不再居中，需要校正。,2-4 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 1.圆水准轴平行于仪器竖轴的检验 校正方法： （1）调整三个校正螺丝，使气泡向居中的位置移动偏移量的一半。 （2）用脚螺旋整平，使圆水准器气泡居中。 （3）校正工作一般都难以一次完成，需反 复进行。 （4）最后应注意拧紧固紧螺丝。,2-4 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 1.圆水准轴平行于仪器竖轴的检验 2.十字丝中丝垂直于仪器竖轴的检验与校正 目的：使十字丝横丝垂直于竖轴。 检验方法：安置水准仪整平后，用十字丝交点瞄准某一明显的点状目标M，转动望远镜，观测M点是否始终沿着中

18、丝移动。如果M点沿着横丝移动，则表示十字丝横丝与竖轴垂直，否则需要校正。,2-4 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 2.十字丝中丝垂直于仪器竖轴的检验与校正 校正方法：旋下目镜端的十字丝环外罩， 用螺丝刀松开十字丝环的四个固定螺丝， 按中丝倾斜的反方向小心地转动十字丝 环，直至中丝水平，再重复检验，最 后固紧十字丝环的固定螺丝，旋上十 字丝外罩。 当此项误差不明显时，一般不进行校正，因为 在作业中通常总是利用横丝的中央部分读数的,2-4 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 3.视准轴平行于水准管轴的检验与校正 原理与方法： i角误差：水准管轴不平行于视准轴，它们在竖直面内投影

19、 之夹角,2-4 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 3.视准轴平行于水准管轴的检验与校正 检验方法： （1）在平坦地区选择相距约80m的A、B两点，并在A、B两点中间选择一点C，且使DAC=DBC。 （2）将水准仪安置于C点处，分别在A、B两点上竖立水准尺，读数为a1和b1., hAB=(a1-）-（b1-）=a1-b1 （3）将水准仪搬到靠近B点处（约距B点3m），整平仪器后，瞄准B点水准尺，读数为b2 ，则a2=b2+hAB （4）再瞄准A点水准尺，读数为a2，如果a2=a2，说明两轴平行。否则存在i角，其值为 i = （a2 - a2/ DAB）”；”206265”。 对于DS

20、3水准仪来说，i 角值大于20”时，则需校正。,2-4 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 3.视准轴平行于水准管轴的检验与校正 校正：(1)转动微倾螺旋，使横丝瞄准读数 a2：(CC水平) (2)校正水准管气泡居中：用拨针先拨松水准管一端；左边(或右边)的校正螺丝，再拨动上、下两个校正螺丝，使偏离的气泡重新居中，最后将校正螺丝旋 紧。 LL水平（LL / CC） （3）重复检验直至符合要求。,水准管的 校正螺丝,2-5 精密水准仪和水准尺,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

21、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。,2-5 精密水准仪和水准尺,一、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； 6.十字丝横丝刻成楔形有利于精确夹准水准尺的分划。 7. 配备精密水准尺。,2-5 精密水准仪和水准尺,二、精密水准尺(因瓦水准尺） 1.精密水准尺：在木质尺

22、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。 2.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.,2-5 精密水准仪和水准尺,三、精密水准仪操作及其读数原理 1.精密水准仪的操作方法与一般水准仪基本相同，不同之处是用光学测微器测出不足一个分格的数值。 2.测微尺的读数原理。,2-5 精密水准仪和水准尺,三、精密水准仪操作及其读数原理 3.测微尺的读数（N3水准仪 ）：旋转N3的平行玻璃板可以产生的最大视线平移量为10

23、mm，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。,2-6 自动安平水准仪,特点：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。,2-6 自动安平水准仪,一、自动安平原理 安平的条件：,2-6 自动安平水准仪,二、自动安平补偿器 自动安平补偿器的种类很多，但一般都是采用吊挂 光学零件的方

24、法，借助重力的作用达到视线自动补 偿的目的。,2-6 自动安平水准仪,三、自动安平水准仪的使用 自动安平水准仪的操作方法和一般水准仪的操作方 法一样，当自动安平水准仪经过圆水准器的粗平 后，观测者在望远镜内观察警告指示窗是否全部呈 绿色，若没有全部呈绿色，不能对水准尺读数，必 须再调整圆水准器，直到警告指示窗全部呈绿色 后，即视线在补偿器范围内，方可进行测量。,2-7 电子水准仪,一、构造与工作原理 1.组成:基座、水准器、望远镜及数据处理系统。 2.工作原理:,2-7 电子水准仪,二、条码水准尺 条码水准尺是与电子水准仪配套的专用尺，由 玻璃纤维塑料制成，或用铟钢制成尺面镶嵌在 基尺上形成。尺面上刻有宽度不同的水平黑白 相间的分划（条