工程测量第二章水准测量.ppt

第二章 水准测量,测量确定点的位置是空间三维，其中点的高程是地 面点的要素之一，测定高程的工作称为高程测量，测定高 程的常用方法有水准测量、三角高程测量。水准测量的精 度高，经常使用。,水准测量是利用水准仪提供水平视线，借助水准尺来测定地面上两点的高差，从而由已知点高程推出未知点的高程。,高程：地面点到大地水准面的铅垂距离 高差：地面上两点的高程之差,前视？ 后视？,第一节 水准测量原理,已知HA，求HB?,hAB=HBHA,HBHAhAB,hAB ab,HBHA(a-b) = HA hAB,一测站高程计算方法：,高差法： 先计算两点高差再计算未知点的高程；,高差,例：图中已知A点高程HA=452.623m，后视读数a=1571，前视读数 b=0685，求B点高程。,解：B点对于A点高差： hAB=a-b=1.5710.685=0.886m B点高程为： HB452.6230.886453.509m,视线高法： 先计算视线的高程，减去未知点上水准尺读数，即得未知点高程。,hABi=HBiHA,HBiHAhABi,hABi abi,HB(HAa)-bi = H视线-bi,视线高,面水准测量模拟,H视= a + HA,a,b,H1 H视-b,c,H2 H视-c,H3 H视-d,d,面水准测量(视线高法的应用) 此种方法可以解决一次后多次前视时作业效率问题。 如:土方测算;道路断面测量,例：图中已知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=1563m，接着在各待定点上立尺，分别测得读数b1=0953，b2=1152，b3=1328。,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，因而视线高法在建筑施工中被广泛采用。,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： H1Hib1425.0810.953424.128m H2Hib2425.0811.152423.929m H3Hib3425.0811.328423.753m,连续水准测量： 原因：由于两点间距离太远或高差过大不能一次测出其高差需设立一些临时立尺点，作为高程传递过渡点。,1、3米？6米？其他？ 2、水准尺倒立？ 3、规范要求视线读数范围？,问题: 一测站能测到的最大高差为多少? (以3m水准尺为例),hAP = h1+ h2+ h3,HpHAhAP,h1,h2,h3,h4,hAP = h1+ h2+ h3+ h4,HpHAhAP,第二节 水准测量的仪器及工具,水准测量所使用的仪器为水准仪，工具有水准尺、尺 垫。水准仪的作用是提供一条水平视线，通过水准器气泡 获得水平视线的为微倾式水准仪；通过补偿器获得水平视 线的为自动安平水准仪。,一、DS3型水准仪的构造 微倾式水准仪有DS05、DS1、DS3、DS10四个等级： D：大地测量仪器的总代号； S：水准仪的代号； 05、1、3、10：每千米往返测高差中数的中误差mm。,水准仪主要由望远镜、水准器和基座三部分组成。,1、望远镜 望远镜的用途是用来瞄准水准尺上的刻划，主要由物镜、 调焦透镜、十字丝分划板和目镜组成。十字丝分划板上有 两条垂直的长线。竖直的线称为竖丝，用以瞄准目标及检 查水准尺是否竖直；横丝的长的一条称为中丝，用以在水 准尺上读取刻划数据，横丝的上下一对对称的短横线称为 视距丝（上丝、下丝），用来测定距离。,十字丝交点与物镜光心的连线称为视准轴，用CC表示。,2、水准器 水准器分为管水准器和圆水准器。管水准器安装在望远镜 上，用以检查视线是否水平；圆水准器安装在基座上，用 以检查竖轴是否竖直。 1）管水准器 是一纵向内壁磨成圆弧的玻璃管，装进酒精和乙醚的混合 液，加热密封冷却后，形成一气泡。水准管上有间隔2mm 的刻划。刻划线的对称中心为水准管的零点，通过零点与 水准管圆弧的纵切线LL称为水准管轴。,每刻划线间的弧长对应的圆心角称为水准管的分划值：,R越大，越小，水准管的灵敏度越高。,为了提高水准管居中的精度，目前生产的水准仪都采用符 合水准器。即采用一组棱镜，通过棱镜的折光，使气泡两 端的的影像反映在望远镜旁的观察窗中，若两侧的的影像 吻合（相似于两片胡豆瓣的图形），则说明气泡居中。,2）圆水准器 圆水准器的内表面磨成球面，中央有圆形分划圈，圆心是 圆水准器的的零点。通过零点的球面法线LL为圆水准 器轴。当气泡处于中间圆的圆心时，圆水准器轴处于铅垂 位置。气泡中心每偏离零点2mm对应的圆心角称为圆水准 器的分划值。,3 基座 主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。其作用是支承仪器的上部并连接三脚架，通过脚螺旋配合圆水准器，使仪器大致水平。,二、自动安平水准仪 自动安平水准仪采用补偿器代替符合水准器和微倾螺旋， 在圆水准器粗略整平情况下，可以使仪器处于水平状态。 其代号为DSZ05、DSZ1、DSZ3、DSZ10。,三、水准尺和尺垫 水准尺 塔尺 3m、5m底部为零 板尺3m，每隔1cm涂有黑 白或红白相间的分格，每1dm 标注一数值。水准尺中的双面 尺两面都有刻划，一面为黑白 相间（黑面），起始读数为 零；另一面为红白相间（红 面），起始读数为4687mm或 4787mm。,尺垫 尺垫下面有三个尖角可以踩入土中， 上面有个半球，以支承水准尺。只用 于转点，不能用于已知点和待测点。 作用：防止位移和下沉 连续水准测量：由于两点间距离过远 或高差过大不能一次测出其高差需设 立一些临时立尺点，作为高程传递过 渡点。尺垫在转点TP(turning point) 垫上，支承尺子。,四、水准仪的使用 1、微倾水准仪的使用 使用过程包括安置粗平瞄准精平读数四步： 1）安置水准仪 在与前、后视尺距离相近处，架脚架， 使高度适中、踩实，将水准仪安置在三脚架上。 2）粗略整平 调节脚螺旋，使圆水准气泡居中。 整平要领： 气泡所在位置标志基座倾斜的高位置； 脚螺旋顺时针旋转使该脚螺旋基座升高。,3）瞄准水准尺 调节目镜 对准水准尺，调节目镜使十字丝清晰； 瞄准 通过望远镜上方的缺口和准星瞄准水准尺，并 在望远镜内看到水准尺，拧紧制动螺旋以固定望远镜，调 节调焦螺旋使尺子的成像清晰，转动水平微动螺旋，使十 子丝对准水准尺中央；,消除视差 尺子的成像清晰后，上下移动眼睛看尺子的影像，若十字丝和目标的影像有相对移动的现象，称为视差。原因是尺像没有落在十字丝平面上。消除视差的方法:是先调目镜调调焦螺旋使十字丝清晰，然后一面调节物镜调焦螺旋一面仔细观察，直到不再出现尺像和十字丝有相对移动为止，即尺像与十字丝在同一平面上。,视差现象：,4）精平 转动微倾螺旋，使水准管气泡居中（若是符合水准器，使 气泡的两半影像重合）。每次读数前都重新使气泡符合。 5）读数：（由四位数字组成：米、分米、厘米、毫米） 估读至毫米，不足位用0 补齐，不记小数点 如0809 、 0560。,水准仪读数实例,6252,1477,0723,1406,2、自动安平水准仪的使用 1）安置水准仪并粗略整平（同微倾水准仪）； 2）检查补偿器的正确性 采用检验钮或者望远镜警示窗； 按检验钮，视场影像产生上下摆动并很快静止，说明补 偿器能发挥作用； 望远镜警示窗呈现绿色，说明补偿器能发挥作用； 视场影像不动或者望远镜警示窗呈现红色，说明粗平的 水准仪倾斜程度已经超出补偿器的补偿能力范围，需要重 新整平。 读数,第三节 水准测量的一般方法和要求,一、水准点与水准路线 1、水准点 水准测量中，标志和保存水准测量成果的固定点称为水准 点，有永久点和临时点两种。永久点多采用混凝土预制而 成，其上表面嵌有半球形金属标志。临时点可以利用地面 凸出的坚硬基岩涂红漆标志，或者在地面打入木桩，桩顶 钉入半球形铁钉。水准点应选在地质条件较好的地方，并 用红油漆编号，号前多加字母BM （Bench Mark） 。测 量后，还应绘制点位略图，称为点之记。,2、水准路线 测量工作是几个人一起共同完成，其测 量数据多，操作过程中很容易出错误。为了保证待测点的 高程正确，必须布设成可以利用一定条件来检查测量数据 正确性的水准路线。 1）符合水准路线 由已知高程点出发，经过待测点，最 后连测到另外一已知高程点的测量路线。 2）闭合水准路线 由已知高程点出发，经过待测点，最 后连测到出发的已知高程点的测量路线。 3）支水准路线 由已知高程点出发，经过待测点，不 与其它已知高程点连测的测量路线。,二、水准测量方法：连续水准测量 水准测量的路线一般较长，不能架设一次仪器就得出 待测点高程，通常进行连续设站测量。 方法：在两点间加设若干个临时立尺点，分段连续多次安 置仪器来求得两点间的高差。这些临时加设的立尺点是作 为传递高程用的，称为转点，一般用符号TP表示。,hAP = h1+ h2+ h3,HpHAhAP,示例：在第一测站上的观测程序为：,安置仪器，使圆水准器气泡居中； 照准后视(A点)尺，并转动微倾螺旋使水准管气泡精确居中，用中丝读后视尺读数a1=2036。记录员复诵后记入手簿。 照准前视（即转点TP1）尺，精平，读前视尺读数b1=1547。记录员复诵后记入手簿，并计算出A点与转点TP1之间的高差： h12.036-1.547=0.489 填入高差栏。 水准测量手薄见表P6。,观测要求 （1）水准仪安置在离前、后视距离大致相等之处。 （2）为及时发现错误，常采用“两次仪器高法”或 “双面尺法”P9。 两次仪器高法：高差之差h-h5mm,前进方向,表P6,注意： 1）计算出的h和a-b应该相等； 2）此表格只能检查计算是否正确，不能提高观测精度； 3）1、2、3点只传递高程，采用临时点，在前加字母TP； 4）A到B称为一测段，且还返测； 5）若路线长，可以分为几个测段进行测量。,三、水准测量注意事项 测量误差处处存在，无法完全消除其影响。但可采取一定的措施减弱其影响，提高测量成果精度，同时绝对避免成果中存在错误。进行水准测量时，应注意以下各点： 观测前对所用仪器和工具，必须认真进行检验和校正。 在野外测量过程中，水准仪及水准尺应尽量安置在坚实的地面上。三脚架和尺垫要踩实，以防仪器和尺子下沉。 前、后视距离应尽量相等，以消除视准轴不平行水准管轴的误差和地球曲率与大气折光的影响。 视距=（上丝读数-下丝读数）100,前、后视距离不宜太长，一般不要超过100m。视线高 度应使上、中、下三丝都能在水准尺上读数以减少大气折 光影响。 水准尺必须竖直。使用过程中，要经常检查和清除尺底 泥土。塔尺衔接处要卡住，防止二、三节塔尺下滑。 读完数后应再检查气泡是否仍然吻合，否则应重读。 记录员要复诵读数，以便核对。记录要整洁、清楚端 正。如果有错，不能用橡皮擦去而应在改正处划一横，在 旁边注上改正后的数字。 在烈日下作业要撑伞遮住阳光避免气泡因受热不均而 影响其稳定性。,四、水准测量的检核 为了避免测量数据出现错误并在误差容许范围内，必须对 测量数据进行检核，有测站检核和路线检核两种，主要是 检查观测精度是否满足要求。,1、测站检核 改变仪器高法： 是在同一测站上用两次不同的仪器高 度，两次测定高差。即测得第一次高差后，改变仪器高度 约10cm以上，再次测定高差。若两次测得的高差之差未 超过5mm，则取其平均值作为该测站的观测高差。否则 需重测。,改变仪器高法： 立尺，尺中间安置水准仪，整平 照准后视尺，读数 照准前视尺，读数 计算高差 变动仪器高（升或降大于10cm）再观测 高差互差不大于5mm时，取平均值,双面尺法：双面尺法是在一测站上，仪器高度不变，分 别用双面水准尺的黑面和红面两次测定高差。若两次测得 高差之差未超过5mm，取其平均值作为该测站的高差。 否则需要重测。,双面尺法（黑面、红面）： 用双面尺，每尺均读黑、红面读数 立尺，尺中间安置水准仪，整平 瞄准后视尺黑面，读数 瞄准前视尺黑面，读数 瞄准前视尺红面，读数 瞄准后视尺红面，读数 黑面：以零开始刻划 红面：一尺从4687开始刻划，另一尺从4787开始 红黑面计算高差理论上相差0.1m,测站未检查完，禁止搬动水准仪、挪动尺垫。 否则。 。,2、路线检核 虽然每一测站都进行了检核，但一条水准路线是否有错还 是没有保证。例如，在前、后视某一转点时，水准尺未放 在同一点上，利用该转点计算的相邻两站的高差虽然精度 符合要求，但这一条水准路线却含有错误，因此必须进行 路线检核。水准路线检核方法一般有以下三种： 1）符合水准路线 符合水准路线上各测站的高差和理论上应该等于两已知高 程点高程之差：fh=h-(H终-H始)。由于误差的存在， fh一 般不等于零，但要符合相应等级的水准测量的要求。 2）闭合水准路线 闭合水准路线的环形线上，各测站的高差和理论上应该等 于零： fh=h ； 3）支水准路线 支水准路线必须进行往返测，往返测理论上应该等于零： fh=h往 +h返,第四节 水准测量的内业计算,水准测量的内业计算的目的是根据外业的测量数据，推求 待测点的高程，其步骤如下： 1、全面检查外业数据； 2、计算高差闭和差； 3、进行高差闭和差的分配； 4、求出各测段高差； 5、计算待测点的高程。,水准测量的成果计算,1 水准测量的精度要求,建筑工程中对水准测量的精度要求，一般规定为： 平地 (mm) (2.12) 山地 (mm) (2.13),式中fh容为高差闭合差的容许值；L为水准路线长度，以km为单位；n为水准路线测站数。当地形起伏较大，每1km水准路线超过16个测站时按山地计算容许闭合差。,2水准测量成果计算,计算步骤如下（以附合水准路线为例）：,计算实测高差之和h测与理论高差h理H终一H始 计算高差闭合差 计算容许闭合差 如果fh=fh容 ，可做下一步计算。,计算高差改正数：按与测站数或与距离成正比的分配原则，改正数的符号与闭合差的符号相反。,检核 v=-fh,各测段改正数为：,每一测站的改正数为：,计算改正后高差 h改 各测段观测高差hi分别加上相应的改正数后vi，即得改正后高差： h1改=h1+v1 h2改=h2+v2 hi改=hi+vi 改正后的高差代数和，应等于高差的理论值，即： hi改= h理 如不相等，说明计算中有错误存在。,待定点高程计算 测段起点高程加测段改正后高差，即得测段终点高程，以此类推。最后推出的终点高程应与该点的已知高程相等。即： H1=HA+h1改 H2=H1+h2改 HA（算）=HA(已知) 计算中应注意各项检核的正确性。,对于闭合水准路线计算步骤类似于附合水准路线，以下例说明其计算步骤：,计算实测高差之和 h测=-0.017m理论高差h理0 计算高差闭合差 = -0.017m 计算容许闭合差 因为fh=fh容 ，故其精度符合要求，可做下一步计算。,计算高差改正数 高差闭合差的调整方法和原则与符合水准路线的方法一样。本例各测段改正数vi计算如下： v1=-(fh/n)n1=-(-17/32)11=6mm v2=-(fh/n)n2=-(-17/32)8=4mm 检核 v=-fh=0.017m,计算改正后高差 h改 各测段观测高差hi分别加上相应的改正数后vi，即得改正后高差： h1改=h1+v1 =-1.352+0.006=-1.346m h2改=h2+v2 =2.158+0.004=2.162m hi改=hi+vi 改正后的高差和，应等于高差的理论值0，即：h总= 0 如不相等，说明计算中有错误存在。,待定点高程计算 测段起点高程加测站改正后高差，即得测点高程，以此类推。最后推出的终点高程应与起始点的高程相等。 H1=HA+h1总=51.732-1.346=50.386m H2=H1+h2总=50.386+2.162=52.548m HA（算）=HA(已知)=51.732m 计算中应注意各项检核的正确性。,第五节 水准仪的检验,一、水准仪满足的条件 水准仪的作用是提供一条水平视线，而水平视线是通过 水准管气泡居中来实现的。 条件1、水准管轴平行于视准轴； 条件2、圆水准器轴平行于竖轴； 条件3：十字丝的横丝垂直于仪器竖轴。,二、检验 1、圆水准器轴平行于竖轴的检验方法 旋转脚螺旋，使气泡居中； 将望远镜旋转180o，若气泡偏于一侧，则说明圆水准器 轴不平行于竖轴。,2、十字丝横丝垂直于竖轴的检验方法 整平仪器后，在远处的墙壁上，将十字丝的交点用笔做 上明显标志点P； 拧紧制动螺旋，旋转微动螺旋； 若点P离开横丝，则十字丝的横丝不平。,3、水准管轴平行于视准轴的检验方法 在相距80米的A、B点立水准尺，在正中央立水准仪； 测定高差hAB（其不受i角的影响） ； 在距后视点A约3m的地方立水准仪；读取A、B点水准 尺上的读数； B点水准尺上的读数理论值应 为 b2=a2- hAB ； 若B点水准尺上的实际读数与理论值之差在限定的范围 内，则水准管轴平行于视准轴，否则需要校正。,上述三项检验与校正应反复进行，最后还要进行总体检验。,第六节 水准测量误差来源及消减方法,水准测量误差包括测量仪器（工具）误差（操作对 象）、观测误差（操作者）、外界条件（环境）的影响。,一 、仪器误差 仪器校正后的残余i角误差： 原因： i角误差检校后的残余值 方法：观测时注意使前、后视距相等，可消除或减弱其影响。 水准尺误差： 原因：水准尺分划不准确、尺长变化、尺弯曲等。 方法：检验水准尺上真长与名义长度，加尺长改正数； 水准尺零点差：一测段中采用偶数站到达方式予以消除。 二 、观测误差 气泡居中误差 读数误差 水准尺倾斜（尤其注意前后倾斜） 视差的影响 这些误差须严格认真操作、读数，来避免误差的影响,三、外界环境的影响 仪器下沉：（在软土或植被上时容易发生下沉） 采用“后前前后”，的观测顺序，可以削弱其影响。 尺垫下沉：采用往返观测取观测高差的中数可以削弱其影响。 地球曲率和大气折光影响： 地球曲率影响：（ 前后视距相等来消除，即地球曲率对前后尺读数影响相同）。 大气折光影响：（ 由于大气折光，视线会发生弯曲。越靠近地面，光线