工程测量第二章水准仪及水准测量.ppt

1 第二章 水准仪及水准测量 2 测量地面上各点高程的工作，称为高程测量。 高程测量根据所使用的仪器和测量方法可分为： F水准测量 F三角高程测量 F气压高程测量 FGPS卫星测高 3 第一节 水准测量基本原理 F水准测量原理是： 利用一台能够提供水平视线的仪器水准仪，并借助 水准尺，来测定地面两点间的高差，由已知点的高程推 算出未知点的高程。 F 根据水准仪望远镜的水平线视线在A点的水准尺上 读数为a，在B点的水准尺上的读数为b，则A，B两点的 高差为 图 水准测量原理 4 两点间的高差为：“后视读数”“前视读数”。 如果后视读数大于前视读数，则高差为正， 表示B点比A点高；如果后视读数小于前视读数 ，则高差为负，表示B点比A点低。 如果已知A点的高程，则B点的高程可按下式 计算： B点的高程也可以通过水准仪的视线高程计算 ，即 5 第二节 水准仪的基本结构及使用 水准仪按其精度分为DS05，DS1，DS3，DS10 几种等级。 一、水准仪的基本结构 （一）水准仪的基本结构 水准仪由望远镜、水准器和基座三部分组成 。 6 如图所示 1.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.园水准器；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 图 DS3型微倾式水准仪 7 1.望远镜 图2-3是DS3水准仪望远镜的构造图，主要由 物镜1、目镜2、调焦透镜3和十字丝分划板4所 组成。 十字丝交叉点与物镜光心的连线，称为望远 镜的视准轴(图2-3中的CC)。 1-物镜；2-目镜；3-调焦透镜；4-十字丝分划板；5-连 接螺钉；6-调焦螺旋 图2-3 望远镜 8 2.水准器 水准仪通常装有圆水准器和管水准器，分别 用来指示仪器竖轴(圆水准器)是否竖直和视准轴 是否水平(管水准器)。 (1)圆水准器 如图所示 (2)管水准器 如图所示 图 园水器 图 长水准管 9 3.基座 基座主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压 板构成(见图）。 10 （二）水准尺和尺垫 水准尺是水准测量时使用的 标尺。常用干燥的优质木料、玻 璃钢、铝合金等材料制成。根据 它们的构造又可分为直尺、折尺 和塔尺，如图所示。 图 水准尺 11 二、水准仪的使用 水准仪的使用包括 ： a.仪器的安置 b.粗略整平 c.瞄准水准尺 d.精确整平和 c.读数 12 第三节 水准测量一般方法及计算 一、水准点 水准点有永久性和临时性两种，如图所示。 图 标石水准点的埋设(单位cm) 图 墙上水准点(单位mm) 图 混凝土、木桩水准点 13 二、水准路线 在水准点之间进行水准测量所经过的路线， 称为水准路线。 根据测区已知高程水准点分布情况和实际需 要，水准路线可以布设成以下几种形式： 图 水准路线 14 （一）闭合水准路线 如图（a），从已知水准点BM.A出发，经过各 高程待定点1、2、3、4，最后测回BM.A点，这种 水准路线称为闭合水准路线。 从理论上来说，闭合水准路线各段高差的代数 和应等于零，即 这是闭合水准路线应满足的检核条件，用来检 核闭合水准路线测量成果的正确性。 15 （二）附合水准路线 如图（b），从已知水准点BM.A出发，经过 各高程待定点1、2、3之后，最后连测到另一已知 水准点BM.B上，这种水准路线称为附合水准路线 。从理论上来说，附合水准路线中各段实测高差 的代数和应等于BM.A、BM.B两点间的已知高差 ，即 这是附合水准路线应满足的检核条件，用来 检核附合水准路线测量成果的正确性。 16 （三）支水准路线 如图（c），由已知水准点BM.A出发，经过高 程待定点1、2之后，不自行闭合，也不附合到另 一已知水准点上，这种形式的水准路线称为支水 准路线。支水准路线通常要进行往返观测，以便 检核。从理论上来说，往测高差与返测高差，应 大小相等符号相反，即 这是支水准路线应满足的检核条件，用来检 核支水准路线测量成果的正确性。 17 三、水准测量方法 (一) 水准测量方法 当欲测的高程点距已知水准点较远或高差较大 ，不可能安置一次仪器即可测得两点间的高差，此 时，可在水准路线中加设若干个临时的立尺点，称 为转点（代号为TP，英文Turning Point的缩写）， 依次连续安置水准仪测定相邻各点间的高差，最后 取各个高差的代数和，可得到起、终两点间的高差 ，从而计算出待求点高程。 18 图 连续水准测量 19 如图所示，在A、B两个水准点之间，由于距离远或 高差大，依次设置4个临时性的转点TP1TP4，连续地在 相邻两点间安置水准仪和在点上竖立水准尺，依次测定 相邻间的高差： A、B两点的高差计算的一般公式为： 式中，n为安置水准仪的测站数。 20 （二）测站检核 测站检核通常采用变动仪器高法或双面尺法。 1.变动仪器高法，就是在同个测站上用两次 不同的仪器高度，测得两次高差以相互比较进行 检核。 2.双面尺法：就是仪器的高度不变，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。 21 四、水准测量的成果计算 水准测量成果计算的主要内容是:调整高差闭 合差，计算出各待定点的高程。 以下分别介绍各种水准路线的成果整理方法。 （一）高差闭合差计算 1.闭合水准路线的计算 理论上闭合水准路线的高差总和应等于零， 即 但实际上总会有误差，致使高差闭合差不等于 零，则高差闭合差为 22 2.附合水准路线的计算 在理论上附合水准路线中各待定高程点间高 差的代数和，应等于始、终两个已知水准点的高 程之差，即 如果不相等，两者之差称为高差闭合差。 23 3.支水准路线的计算 支水准路线要进行往返观测，往测高差与返 测高差值的绝对值应相等而符号相反，所以，把 它作为支水准路线测量正确性与否的检验条件。 如不等于零，则高差闭合差为 24 （二）高差闭合差调整 1.允许高差闭合差 测量规范中，对不同等级的水准测量作了高 差闭合差容许值的规定。等外水准测量的高差闭 合差容许值规定为： 式中： L水准路线长度，以km为单位 N水准路线总的测站数 25 一般认为，高差闭合差的产生与水准路线的 长度或水准路线的测站数成正比。因此，调整闭 合差的原则是，将闭合差反号，按各测段的测站 数多少或路线长短成正比例计算出高差改正数， 加入各测段的观测高差之中，并计算出各测段的 改正高差，由此推算出各未知点的高程。 按路线长度进行高差闭合差调整。即 26 按测站数进行高差闭合差调整。即 求出各段高差改正数后，应按进行检核，在 按下式计算各测段改正后高差。即 27 （三）计算待定点的高程 根据已知点的高程和各测段的改正高差即可 推算出各未知点的高程。即 28 第四节 水准测量误差及仪器检校 一、水准测量误差 水准测量误差包括仪器误差、观测误差和外 界条件的影响等三个方面。在水准测量作业中应 根据产生误差的原因，采取措施，尽量减少或消 除其影响。 29 (一) 仪器误差 l.仪器校正后的残余误差 2.水准尺误差 (二) 观测误差 1.水准管气泡居中误差 2.读数误差 3.视差影响 4.水准尺倾斜影响 30 (三) 外界条件的影响 1.仪器下沉 2.尺垫下沉 3.地球曲率及大气折光影响 4.温度影响 31 二、水准仪的检校 （一）水准仪的轴线及其应满足的条件 水准仪的轴线如图所示，图中CC1为视 准轴，LL1为水准管轴，LL1为圆水准轴，VV1 为仪器旋转轴（纵轴）。 图 水准仪的轴线 32 根据水准测量原理，水准仪必须提供一条水平视 线，据此在水准尺上读数，才能正确地测定地面两点 间的高差。为此，水准仪应满足下列条件： (1) 圆水准器轴应平行于仪器的纵轴（L/V）； (2) 十字丝的中丝（横丝）应垂直于仪器的纵轴； (3) 水准管轴应平行于视准轴（L / C）。 33 （二）水准仪的检验和校正 1.圆水准器的检验和校正 目的：使圆水准器轴平行于纵（L/V）。 检验：旋转脚螺旋，使圆水准气泡居中（图（a）。然后将仪器 绕纵轴旋转180，如果气泡偏于一边（图（b），说明L不平行于V， 需要校正。 校正：转动脚螺旋，使气泡向圆水准器中心移动偏距的一半(图(c) ，然后用校正针拨圆水准器底下的三个校正螺丝，使气泡居中(图(d)。 图 园水准器的检验与校正 34 2.十字丝的检验和校正 目的：当水准仪整平后，十字丝的横丝应该水平，纵丝应该铅垂 ，即横丝应该垂直于仪器的纵轴。 检验：整平仪器后，用十字丝交点瞄准一个明显点P，制紧制动 螺旋，转动微动螺旋，如果P点在望远镜中左右移动时离开横丝 (图 (a)，表示纵轴铅垂时横丝不平，需要校正。 校正： 旋下靠目镜处的十字丝环外罩，用螺丝刀松开十字丝组 的四个固定螺丝(图(b)，按横丝倾斜的反方向转动十字丝组，再进行 检验。如果P点始终在横丝上移动，则表示横丝已水平(纵丝自然铅 垂)，最后转紧十字丝组固定螺丝。 图 十字丝的检验和校正 35 3.水准管轴平行于视准轴的检验和校正 目的：使水准管轴平行于视准轴（L/C）。 检验：设水准管轴不平行于视准轴，它们之间的交角为（如图）。 当水准管气泡居中时，视准轴不在水平线上而倾斜了角，水准仪至水准 尺的距离越远，由此引起的读数偏差也越大。当仪器至尺子的前后视距 离相等时，则在两根尺子上的读数偏差也相等，因此对所求高差不受影 响。前、后视距离相差越大，则角对高差的影响也越大。视准轴不平行 于水准管轴的误差也称角误差。 图 水准管轴平行于视准轴的检验 36 校正：对于DS3级水准仪，当时，需要进行水准管轴 平行于视准轴的校正。 如图所示，用校正针拨动 水准管位于目镜一端的上、下 两个校正螺丝，使水准管两端 的影像符合(居中)，即水准管 轴亦处于水平位置，满足L/C 的条件。 图 水准管的校正 37 第五节 精密水准仪介绍 精密水准仪主要用于国家一、 二级水准测量 和高精度的工程测量中，例如建筑物沉降观测， 大型精密设备安装等测量工作。 38 精密水准仪上设有光学测微器，其工作原理如 图所示，它由平行玻璃板，转动杆、测微轮和测 微尺等部件组成。 F图 水准仪的平行玻璃板测微装置 39 如图所示是我国靖江测绘仪器厂生产的DS1 级水准仪，光学测微器最小读敷为0.05mm。 1.目镜调焦螺旋;2.物镜;3.物镜调焦螺旋;4.测微螺旋;5.测微器读数镜 ;6.粗平水准管;7.微动螺旋;8.微倾螺旋;9.脚螺旋;10.基座;11.底板 图 DS1型精密水准仪 40 精密水准仪必须配有精密水准尺，这种水准尺一般 都是在木质尺身的槽内，引张一根因瓦合金带。在带上 标有刻划，数字注在木尺上，如图所示。水准尺的分划 值有10mm和5mm两种。 F 10mm分划的精密水准尺如图(a)所示。 F F 5mm分划的精密水准尺如图(b)所示。 图 精密水准尺 41 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。 F 如图所示，被夹住的分划 线读数为1.97m。视线在对 准整分划过程中平移的距离 显示在目镜右下方的测微尺 读数窗内，读数为1.50mm， 所以，水准尺的全读数为 1.97+0.0015=1.9715m，而其 实际读数是全读数除以2， 即0.98575m。 图 DS1水准仪目镜视场及测微器读数镜视场 42 第六节 自动安平水准仪 自动安平水准仪是一种不用符合水准器和微 倾螺旋，而只需用圆水准器进行粗略整平，然后 借助安平补偿器自动地把视准轴置平，读出视线 水平时的读数。 43 一、自动安平原理 F 自动安平水准仪自动安平原理 如图(a)所示，当视准轴水平时在 水准尺上的读数为a，即a点的水平 视线经望远镜光路到达十字丝中心 。当视准轴倾斜了一个小角度 时 ，如图(b)所示，则按视准轴读数 为a 。 图 自动安平水准仪基本原理图 44 二、自动安平补偿器 F 自动安平补偿器的种类很多，但一般都是采用吊 挂光学零件的方法，借助重力的作用达到视线自动补 偿的目的。如图所示为DSZ2 型自动安平水准仪的光 路图，其构造是：将屋脊棱镜固定在望远镜筒内，在 屋脊棱镜的下方，用金属丝吊挂着一个梯形棱镜，该 棱镜在重力作用下，能与望远镜作相对的偏转。为了 使吊挂的棱镜尽快地停止摆动，还设置了阻尼器。 B5-400物镜组 DSZ3-400调焦镜组 B5-500后物镜组 B5-600补偿器组 B5-700分划板组 B5-800目镜组 图 DSZ2 型自动安平水准仪光路 45 三、自动安平水准仪的使用 F 使用自动安平水准仪观测时，首先用脚 螺旋使园水准器气泡居中（仪器粗平），然后 用望远镜瞄准水准尺，由十字丝中丝在水准尺 上读得的数，就是视线水平时的读数。自动安 平水准仪操作步骤比普通微倾式水准仪简便， 是因为它不需要“精平”这一项操作。 46 本 章 小 结 测量地面上各点高程的工作，称为高程测量。高程测量根据所使用的 仪器和测量方法的不同，可分为：水准测量、三角高程测量和气压高 程测量三种。 水准测量原理是：利用一台能够提供水平视线的仪器水准仪，并借助 水准尺，来测定地面两点间的高差，由已知点的高程推算出未知点的 高程。 水准测量所用的仪器是水准仪、水准尺和尺垫，水准仪主要由三部分 组成: 望远镜、水准器和基座。 水准仪的使用包括仪器的安置、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和 读数等五个操作步骤。 水准测量的外业工作 水准测量的实测方法是：首先，设置水准点，水 准点有永久点和临时点两种。其次，布设水准路线，水准路线布设形 式有三种，闭合水准路线、附合水准路线和支水准路线，布设好水准 路线后，进行水准连续测量的实测，在