水准测量培训教程课件 PPT

延时符 中铁四局集团第二工程有限公司 水准测量培训 日期 2019 4 10 目录 1水准测量常用的几个概念 1 1水准面 测量工作是在地球的自然表面进行的 而地球自然表面是不平坦和不规则的 人们设想以一个静止不动的海水面延伸穿越陆地 形成一个闭合的曲面包围了整个地球 这个闭合曲面称为水准面 水准面的特点是水准面上任意一点的铅垂线都垂直于该点的曲面 与水准面相切的平面 称为水平面 水准面和水平面 大地水准面 铅垂线 事实上海水受潮汐及风浪的影响 时高时低 所以水准面有无数个 其中与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面 也可称为绝对水准面 它是测量工作的基准面 由大地水准面所包围的形体 称为大地体 它代表了地球的自然形状和大小 由于地球的自转 地球上任一点都同时受到离心力和地球引力的作用 这两个力的合力称为重力 重力的方向线称为铅垂线 它是测量工作的基准线 1 1水准面 似大地水准面 大地水准面是最接近地球整体形状的重力位水准面 也是正高系统的高程基准面 由于正高与大地水准面的确定涉及到地球内部密度的假定 在理论上存在着不严密性 莫洛金斯理论作为现代大地测量里程碑 可以应用地面测量数据直接确定地球表面形状而不需要对地球密度作任何假设 在这一理论体系中所构建的正常高系统 习惯上将所谓的似大地水准面称为该系统的高程起算面 然而 似大地水准面只是通过一定的数学关系对应于地面的一个几何曲面 它既不是具有物理意义的水准面 也不是对于所有空间各点都为唯一的高程起算面 1 1水准面 似大地水准面定义 似大地水准面 从地面点沿正常重力线量取正常高所得端点构成的封闭曲面 似大地水准面严格说不是水准面 但接近于水准面 只是用于计算的辅助面 它与大地水准面不完全吻合 差值为正常高与正高之差 正高与正常高的差值大小 与点位的高程和地球内部的质量分布有关系 在我国青藏高原等西部高海拔地区 两者差异最大可达3米 在中东部平原地区这种差异约几厘米 在海洋面上时 似大地水准面与大地水准面重合 1 1水准面 正高 正常高 高程异常 正常高是指从一地面点沿过此点的正常重力线到似大地水准面的距离 正高是指从一地面点沿过此点的重力线到大地水准面的距离 1 1水准面 正高 正常高 大地高 高程异常 大地水准面差距是从大地水准面沿法线到地球椭球体面的距离 包括 绝对大地水准面差距 指从大地水准面沿法线到总椭球面的距离 可用卫星大地测量方法求得 亦可根据全球重力数据按斯托克斯公式计算 相对大地水准面差距 是大地水准面沿法线到参考椭球面的距离 可用天文水准测量或天文重力水准测量方法求得 亦可用空间测量技术测取 1 1水准面 正高 正常高 高程异常 高程异常 似大地水准面至地球椭球面的高度 高程异常值可在国家测绘部门存有的高程异常图中查取 大地高是指从一地面点沿过此点的地球椭球面的法线到地球椭球面的距离 是大地地理坐标 B L H 的高程分量H 大地高 正常高 高程异常大地高 正高高程 大地水准面差距 1 1水准面 正高 正常高 大地高 高程异常和大地水准面差距示意图 1 1水准面 1 2高程 绝对高程 地面点到大地水准面的铅垂距离 称为该点的绝对高程 又称海拔 在工程测量中习惯称为高程 用H表示 如图2 1所示 地面点A B的高程分别为HA HB 我国在青岛设立验潮站 长期观测和记录黄海海水面的高低变化 取其平均值作为绝对高程的基准面 目前 我国采用的 1985年国家高程基准 是以1953年至1979年青岛验潮站观测资料确定的黄海平均海水面 作为绝对高程基准面 并在青岛建立了国家水准原点 其高程为72 260m 2地面点的高程 1 2地面点的确定 绝对高程 2 1 2地面点的高程 1 2地面点的确定 相对高程 2 1 个别地区采用绝对高程有困难时 也可以假定一个水准面作为高程起算基准面 这个水准面称为假定水准面 地面点到假定水准面的铅垂距离 称为该点的相对高程或假定高程 如图2 1中 A B两点的相对高程为H A H B 1 2地面点的确定 高差 2 1 地面两点间的高程之差 称为高差 用h表示 高差有方向和正负 如图2 1中 A B两点的高差为 hAB HB HA当hAB为正时 B点高于A点 当hAB为负时 B点低于A点 2水准测的原理 水准测量是利用水准仪提供的水平视线 读取竖立于两个点上水准尺的读数 来测定两点间的高差 再根据已知点的高程计算待定点的高程 水准测量的原理 如图 地面上A B两点 知A点高程 求B点高程 在A B间安置水准仪 A B两点各竖一把水准尺 通过水准仪读取水平视线两尺读数 计算出A B的高差 3普通水准测量 在水准点间进行水准测量所经过的路线 称为水准路线 相邻两水准点间的路线称为测段 在水准测量中 为了保证水准测量成果能达到一定的精度要求 必须对水准测量进行成果检核 检核方法是将水准路线布设成某种形式 利用水准路线布设形式的条件 检核所测成果的正确性 3 1水准路线及成果检核 在一般的工程测量中 水准路线的布设形式有附合水准路线 闭合水准路线 支线水准路线和水准网 如图 3 1水准路线及成果检核 1 附合水准路线的布设方法如下图所示 从已知高程的水准点BMA出发 沿待定高程的水准点进行水准测量 最后附合到另一已知高程的水准点BMB所构成的水准路线 称为附合水准路线 一 附合水准路线 在施工测量主要有以下三种形式 3 1水准路线及成果检核 一 附合水准路线 由于实测中存在误差 使得实测的各测段高差代数和与其理论值并不相等 两者的差值称为高差闭合差 用fh表示 即fh h H终 H起 H终 终点高程H起 起点高程 在施工测量主要有以下三种形式 2 成果检核从理论上讲 附合水准路线各测段高差代数和应等于两个已知高程的水准点之间的高差 即 h HB HA 3 1水准路线及成果检核 1 闭合水准路线的布设方法如下图所示 从已知高程的水准点BMA出发 沿各待定高程的水准点进行水准测量 最后又回到原出发点BMA的环形路线 称为闭合水准路线 2 成果检核从理论上讲 闭合水准路线各测段高差代数和应等于零 h 0 如果不等于零 则高差闭合差为 fh h 二 闭合水准路线 3 1水准路线及成果检核 1 支线水准路线的布设方法如图2 3所示 从已知高程的水准点BMA出发 沿待定高程的水准点进行水准测量 这种既不闭合又不附合的水准路线 称为支线水准路线 支线水准路线要进行往返测量 2 成果检核从理论上讲 支线水准路线往测高差与返测高差的代数和应等于零 即 h往 h返 0如果不等于零 则高差闭合差为 fh h往 h返 三 支线水准路线 3 1水准路线及成果检核 在不同等级的各种路线形式的水准测量中 都规定了高差闭合差的限值即高差闭合差的容许值 一般用fh容表示 其高差闭合差均不应超过容许值 否则即认为观测结果不符合要求 3 1水准路线及成果检核 3 1水准路线及成果检核 为了保证水准测量成果的正确可靠 除了成果检核以外 还有其他的检核的方法 即计算检核和测站检核 在每一段测段结束后必需进行计算检核 2 2水准测量的施测方法 当已知高程的水准点距欲测定高程点较远或高差很大时 就需要在两点间加设若干个立尺点 分段设站 连续进行观测 加设的这些立尺点并不需要测定其高程 它们只起传递高程的作用 故称之为转点 用TP表示 3 2水准测量的施测方法 如图所示 已知水准点BMA的高程为HA 现欲测定B点的高程HB 由于A B两点相距较远 需分段设站进行测量 具体施测步骤如下 一 观测记录 1 在BMA点立直水准尺作为后视尺 在路线前进方向适当位置处设转点TP1 安放尺垫 在尺垫上立直水准尺作为前视尺 2 在BMA点和TP1两点大致中间位置I处安置水准仪 使圆水准器气泡居中 3 瞄准后视尺 转动微倾螺旋 使水准管气泡严格居中 按中丝读取后视读数a1 1 339m 记入 水准测量手簿 表第3栏内 3 2水准测量的施测方法 3 2水准测量的施测方法 4 瞄准前视尺 转动微倾螺旋 使水准管气泡严格居中 读取前视读数b1 1 402m 记人表2 1第4栏内 计算该站高差hl a1 b1 0 063m 记入表第5栏内 5 将BMA点水准尺移至转点TP2上 转点TPl上的水准尺不动 水准仪移至TP1和TP2两点大致中间位置II处 按上述相同的操作方法进行第二站的观测 如此依次操作 直至终点B为止 其观测记录见表2 1 3 2水准测量的施测方法 1 计算每一测站都可测得前 后视两点的高差 即h1 a1 b1h2 a2 b2h5 a5 b5将上述各式相加 得HAB h a b则B点高程为HB HA十hAB HA十 h 二 计算与计算检核 3 2水准测量的施测方法 二 计算与计算检核 2 计算检核为了保证记录表中数据的正确 应对记录表中计算的高差和高程进行检核 即后视读数总和减前视读数总和 高差总和 B点高程与A点高程之差 这三个数字应相等 否则 计算有错 3 2水准测量的施测方法 为了保证每一站的高差测量的正确性 必须对测站进行检核 这种检核称为测站检核 测站检核通常采用变动仪器高法或双面尺法 1 变动仪器高法此法是在同一个测站上用两次不同的仪器高度 测得两次高差进行检核 即测得第一次高差后 改变仪器高度 大于10cm 再测一次高差 两次所测高差之差不超过容许值 例如等外水准测量容许值为 6mm 则认为符合要求 取其平均值作为该测站最后结果 否则须重测 三 水准测量的测站检核 3 2水准测量的施测方法 2 双面尺法此法是仪器的高度不变 而分别对双面水准尺的黑面和红面进行观测 这样可以利用前 后视的黑面和红面读数 分别算出两个高差 在理论上这两个高差应相差100mm 同为一对双面尺的尺常数分别为4 687m和4 787m 如果不符值不超过规定的限差 例如四等水准测量容许值为 5mm 取其平均值作为该测站最后结果 否则须重测 三 水准测量的测站检核 3 3水准测量的成果计算 下图是一附合水准路线等外水准测量示意图 A B为已知高程的水准点 1 2 3为待定高程的水准点 h1 h2 h3和h4为各测段观测高差 n1 n2 n3和n4为各测段测站数 L1 L2 L3和L4为各测段水准路线长度 现已知HA 65 376m HB 68 623m 计算步骤如下 一 附合水准路线的计算 3 3水准测量的成果计算 一 附合水准路线的计算 1 填写观测数据和已知数据点号 测段水准路线长度 测站数 观测高差从巳知水准点A B的高程填入附合水准路线成果计算表中有关各栏内 如下表所示 表1 2附合水准路线成果计算表 3 3水准测量的成果计算 3 调整高差闭合差高差闭合差调整的原则和方法 是按与测站数或测段长度成正比例的原则 将高差闭合差反号分配到各相应测段的高差上 得改正后高差 即 i fh n ni或 i fh L Li式中 i 第i测段的高差改正数 mm n L 水准路线总测站数与总长度 ni Li 第i测段的测站数与测段长度 3 3水准测量的成果计算 3 调整高差闭合差本例中 各测段改正数为 1 fh L Li 68mm 5 8km 1 0km 12mm 2 fh L Li 68mm 5 8km 1 2km 14mm 3 fh L Li 68mm 5 8km 1 4km 16mm 4 fh L Li 68mm 5 8km 2 2km 26mm计算检核 i fh 3 3水准测量的成果计算 4 计算各测段改正后高差各测段改正后高差等于各测段观测高差加上相应的改正数 各测段改正数的总和应与差闭合差的大小相等符号相反 如果绝对值不等则说明计算有误 每测高差加相应的改正数便得到改正后的高差值 本例中 各测段改正后高差为h1 1 575m 0 012m 0 563mh2 2 036m 0 014m 2 022mh3 1 742m 0 016m 1 758mh4 1 446m 0 026m 1 420m计算检核 i 68mm fh 68mm 68mm 3 3水准测量的成果计算 5 计算待定点高程根据已知水准点A的高程和各测段改正后高差 即可依次推算出各待定点的高程 最后推算出的B点高程应与已知B的点高程相等 以此作为计算检核 3 3水准测量的成果计算 3 3水准测量的成果计算 闭合水准路线成果计算的步骤与附合水准路线相同 二 闭合水准路线的计算 下图是一支线水准路线等外水准测量示意图 A为已知高程的水准点 其高程HA为45 276m 1点为待定高程的水准点 h往 2 532m h返 2 520m 往 返测的测站数共16站 则1点的高程计算如下 三 支线水准路线的计算 3 3水准测量的成果计算 3 4水准测量误差及注意事项 水准测量误差包括仪器误差 观测误差和外界条件的影响误差三方面 在水准测量作业中 应根据产生误差的原因 采取相应措施 尽量减弱或消除误差的影响 一 仪器误差 1 水准管轴与视准轴不平行误差水准管轴与视准轴不平行 虽然经过校正 仍然可存在少量的残余误差 这种误差的影响与距离成正比 只要观测时注意使前 后视距离相等 便可消除此项误差对测量结果的影响 2 水准尺误差由于水准尺刻划不准确 尺长变化 弯曲等原因 会影响水准测量的精度 因此 水准尺要经过检核才能使用 3 4水准测量误差及注意事项 1 水准管气泡的居中误差水准测量时 视线的水平是根据水准管气泡居中来实现的 由于气泡居中存在误差 致使视线偏离水平位置 从而带来读数误差 为减小此误差的影响 每次读数时 都要使水准管气泡严格居中 2 估读水准尺的误差水准尺估读毫米数的误差大小与望远镜的放大倍率以及视线长度有关 在测量工作中 应遵循不同等级的水准测量对望远镜放大倍率和最大视线长度的规定 以保证估读精度 二 观测误差 3 4水准测量误差及注意事项 3 视差的影响误差当存在视差时 由于十字丝平面与水准尺影像不重合 若眼睛的位置不同 便读出不同的读数 而产生读数误差 因此 观测时要仔细调焦 严格消除视差 4 水准尺倾斜的影响误差水准尺倾斜 将使尺上读数增大 从而带来误差 如水准尺倾斜3 30 在水准尺上1m处读数时 将产生2mm的误差 为了减少这种误差的影响 水准尺必须扶直 二 观测误差 3 4水准测量误差及注意事项 1 水准仪下沉误差由于水准仪下沉 使视线降低 而引起高差误差 如采用 后 前 前 后 的观测可减弱其影响 2 尺垫下沉误差如果在转点发生尺垫下沉 将使下一站的后视读数增加 也将引起高差的误差 采用往返观测的方法 取成果的中数 可减弱其影响 为了防止水准仪和尺垫下沉 测站和转点应选在土质实处 并踩实三脚架和尺垫 使其稳定 三 外界条件的影响误差 3 4水准测量误差及注意事项 3 地球曲率及大气折光的影响 1 地球曲率的影响 理论上 水准测量应根据水准面来求出两点的高差 但视准轴是一直线 因此使读数中含有由地球曲率引起的误差 三 外界条件的影响误差 3 4水准测量误差及注意事项 3 地球曲率及大气折光的影响 2 大气折光的影响 事实上 水平视线经过密度不同的空气层折射 一般情况下形成一向下弯曲的曲线 它与理论水平线所得读数之差 就是大气折光引起的误差 实验得出 在一般大气情况下 大气折光误差是地球曲率误差的1 7 地球曲率和大气折光的影响是同时存在的 两者对读数总的影响值当前 后视距相等时 这种误差可在计算高差时自行消除 三 外界条件的影响误差 3 4水准测量误差及注意事项 3 地球曲率及大气折光的影响 2 大气折光的影响 但是离近地面的大气折光变化十分复杂 在同一测站的前视和后视距离上就可能不同 所以即使保持前后视距相等 大气折光误差也不能完全消除 限制视线的长度可大大减小这种误差 此外使视线离地面尽可能高些 也可减弱大气折光变化的影响 精密水准测量时还应选择良好的观测时间 一般认为在日出后或日落前两个小时为好 三 外界条件的影响误差 3 4水准测量误差及注意事项 4 温度的影响误差温度的变化不仅会引起大气折光的变化 而且当烈日照射水准管时 由于水准管本身和管内液体温度的升高 气泡向着温度高的方向移动 从而影响了水准管轴的水平 产生了气泡居中误差 所以 测量中应随时注意为仪器打伞遮阳 三 外界条件的影响误差 4三 四等水准测量 4 三 四等水准测量规定 三 四等水准测量观测方法规定 三等水准测量采用中丝读数法进行往返测 当使用有光学测微器的水准仪和线条式因瓦水准标尺观测时 也可进行单程双转点观测 四等水准测量采用中丝读数法进行单程观测 支线应往返测或单程双转点观测 4 1三 四等水准测量的技术要求 一 技术要求 三 四等水准测量测站技术要求 4 1三 四等水准测量的技术要求 一 技术要求 三 四等水准测量测站观测限差要求 单位 mm 4 1三 四等水准测量的技术要求 一 技术要求 三 四等水准测量高差不符值限差表 单位 mm 4 2三 四等水准测量的观测顺序和方法 一 测站观测顺序 1 光学水准仪观测三等水准测量每测站照准标尺分划顺序为 a 后视标尺黑面 基本分划 b 前视标尺黑面 基本分划 c 前视标尺红面 辅助分划 d 后视标尺红面 辅助分划 四等水准测量每测站照准标尺分划顺序为 a 后视标尺黑面 基本分划 b 后视标尺红面 辅助分划 c 前视标尺黑面 基本分划 d 前视标尺红面 辅助分划 4 2三 四等水准测量的观测顺序和方法 一 测站观测方法 1 光学水准仪一测站的操作程序 以三等为例 a 首先将仪器整平 b 将望远镜对准后视标尺黑面 用倾斜螺旋调整水准气泡居中 按视距丝和中丝精确读定标尺读数 c 旋转望远镜照准前视标尺黑面 按b 款操作 d 照准前视标尺红面 按b 款操作 此时只读中丝读数 e 旋转望远镜照准后视标尺红面 按d 款操作 4 2三 四等水准测量的观测顺序和方法 一 测站观测顺序 1 数字水准仪观测三等水准测量每测站照准标尺顺序为 a 后视标尺 b 前视标尺 c 前视标尺 d 后视标尺 四等水准测量每测站照准标尺分划顺序为 a 后视标尺 b 后视标尺 c 前视标尺 d 前视标尺 4 2三 四等水准测量的观测顺序和方法 一 测站观测方法 1 数字水准仪一测站的操作程序 以三等为例 a 首先将仪器整平 b 将望远镜对准后视标尺 用垂直丝照准条码中央 精确调焦至条码影像清晰 按测量键 c 显示读数后 旋转望远镜照准前视标尺条码中央 精确调焦至条码影像清晰 按测量键 d 显示读数后 重新照准前视标尺 按测量键 e 显示读数后 旋转望远镜照准后视标尺条码中央 精确调焦至条码影像清晰 按测量键 显示测站成果 测站检核合格后迁站 4 2三 四等水准测量的观测 记录 4 3四等水准测量的测站上的计算与检核 一个测站上的计算与检核 1 视距计算后视距离 后尺下丝读数 后尺上丝读数 100前视距离 前尺下丝读数 前尺上丝读数 1002 前 后视的距离差 后视距离 前视距离 要求 三等 3m 四等 5m3 前 后视距累积差 d 前站前 后视距累积差 本站前 后视的距离差要求 三等 6m 四等 10m 一个测站上的计算与检核 4 同一水准尺黑 红尺面读数差后视尺黑 红尺面读数差 后黑中 k 后红中前视尺黑 红尺面读数差 前黑中 k 前红中要求 三等 2mm 四等 3mm5 高差计算黑尺面求得的高差 后黑中 前黑中红尺面求得的高差 后红中 前红中 4 3四等水准测量的测站上的计算与检核 一个测站上的计算与检核 6 黑红面所测高差之差高差之差 h黑 h红 0 100 要求 三等 3mm 四等 5mm7 平均高差 h黑 h红 0 100 28 水准路线总长L 后视距 前视距 4 3四等水准测量的测站上的计算与检核 4 4成果整理 在完成一测段单程测量后 须立即计算其高差总和 完成一测段往 返观测后 应立即计算高差闭合差 进行成果检核 高差闭合差要符合相关技术要求 然后对闭合差进行调整 最后按调整后的高差计算各水准点的高程 提示 成果整理时 检查外业手薄并绘制水准路线略图 可减少计算错误 5一 二等水准测量 5 1国家一 二等水准点布设密度 1 一 二等水准点分为基岩水准点 基本水准点 普通水准点三种类型 各种水准点的间距及布设要求应按下表规定执行 5 1测量前准备工作 2 首先要进行选点埋石选点步骤 先选定水准线路 再选定水准点位 选定基岩水准点 最后做点位标记 填绘点之记图等工作 选点后需提交的资料 a 水准点之记 水准路线图 路线结点接测图 b 基岩水准点的地质勘察报告 c 选点中收集的其他有关资料 d 选点工作技术总结 5 1测量前准备工作 埋石 不同类型 位置的水准点的埋设均有详细规定 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 1 选定仪器 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 2 仪器的检校项目 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 2 仪器的检校项目 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 2 仪器的检校项目 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 2 仪器的检校规定 用于水准测量的仪器应送守定计量检定单位进行检定和校准 并在检定和校准的有效期内使用 对于新出厂仪器以及作业前和跨河水准测量使用的人仪器检校 检验项目按上表规定执行 自动发平光学水准仪每天检校一次i角 气泡式水准仪每天上下 各检校一次 i角 作业开始后的7个工作日内 若i角较为稳定 以后每隔15天检校一次 数字水准仪 整个作业期间应每天开测前进行i角测定 若开测为未结束测段 则在新测段开始前进行测定 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 2 仪器的检校规定 每日工作开始前应检校表中第2 9项 标尺上的圆水准器的检校 水准仪上概图水准器的检校 作业期结束后应检验表5中第3 4项各一次 标尺基辅分划常数偏差 标尺底面垂直性误差 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 3 仪器的i角误差检定 国家水准测量规范上规定的检定方法有三种 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 3 仪器的i角误差检定 第三种方法理解 5 1测量前准备工作 3 仪器准备 3 仪器的i角误差检定 国家水准测量规范上规定的检定方法有三种 5 2水准测量观测量 1 观测方式 1 一 二等水准测量采用单路线往返观测 同一区段的往返测 应使用同一类型的仪器和转点尺承沿同一道路进行 2 同一测段的往测 或返测 与返测 或往测 应分别在上午与下午进行 在日间气温变化不大的阴天和观测条件较好时 若干里程的往返测可同在上午或下午进行 但这种里程的总站数 一等不应超过该区段总站数的20 二等不应超过该区段总站数的30 5 3技术要求 外业观测限差 国家一 二等水准测量是精密的水准测量方法 由于国家一 二等水准测量方法接近 因此本节重点以二等水准测量为例介绍 5 3技术要求 外业计算限差 对于数字水准仪 同一标尺两次读数差不设限差 两次读数所测