第二章-水准测量.ppt

工程测量,主讲：,建筑工程测量李仲主编,第二章水准测量,章节要目：水准测量的原理，水准测量的仪器和工具微倾式水准仪的使用水准测量水准测量的误差及注意事项,引言:高程测量方法,水准测量(spiritleveling)三角高程测量(trigonometricleveling)气压高程测量(barometricleveling)GPS高程测量(GPSleveling),第一节水准测量原理,在A，B上竖立标尺有一条水平视线视线读数a和b高差,a,b,要求：测量A，B两点间的高差hAB,hAB,=ab,已知A点的高程，未知B点的高程。,hAB=HB-HA,HB=HA+hAB,水准测量的原理是：借助水准仪提供的水平视线测量地面上两点之间的高差。,hAB0，高差为正，前视点高；hAB0，高差为负，前视点低。高差必须带“+、-”号；hAB的下标次序必须与测量的前进方向一致。例:已知hAB=+1.436m则hBA=-1.436m,高差=后视读数-前视读数：hAB=a-b,第一节水准测量原理,高程的计算方法,视线高法：Hi=HA+a未知点高程：HB=Hi-b,HA,A,B,HB,a,b,hAB,大地水准面,前进方向,后视,前视,一个测站,高差法：hAB=HB-HA=a-b未知点高程：HB=HA+hAB,=HA+(a-b),=(HA+a)-b,两个测点之间,一个已知点和多个未知点之间,水准测量定义,水准测量是利用水准仪提供的水平视线，借助水准尺，来测定两点间的高差，再由已知点高程推出未知点高程的方法。提供水平视线的仪器是水准仪。,连续高程测量(seriesleveling),几个名词：,测站(station）:安置一次仪器。后视(backsight)：一个测站上与前进方向相反的点。前视(foresight)：前进方向的点，作为下一测站的后视。转点(turningpoint)：传递高程的点，其本身的高程不必计算。水准路线(levelingline)：水准测量经过的路线。,第二节水准测量的仪器与工具,水准仪的精度和类型,1.精度级别:,2.按照结构不同分类:微倾式水准仪、自动安平式水准仪、数字式水准仪、激光水准仪,型号下标：毫米数，表示每公里往、返测量的高差平均值的中误差(由仪器引起的)。,水准测量使用水准仪、水准尺和尺垫,一.DS3微倾式水准仪的构造,三大部件：,望远镜,水准器,基座,望远镜：水准器：基座：,提供视线,指示使视线水平,支承仪器上部，粗略调平,各部功能,1.测量望远镜,视准轴：物镜光心与十字丝分划中心的连线。,望远镜成像调节,消除视差的步骤：目镜调焦，使十字丝最清晰；物镜调焦，使目标像最清晰，且无视差。,视差现象：望远镜内目标像与十字丝分划板未重合。观测时，改变眼睛与目镜的相对位置，十字丝与目标的像有相对移动。,2、水准器：,管水准器,圆水准器,水准器分类：,（2）圆水准器:也是个玻璃容器，上面有同心圆的刻划。上盖的内表面是圆球形，同心圆圆心处的曲率半径就是圆水准器的轴。“气泡居中”即水准器的轴垂直。-粗平,水准管,圆气泡,（1）管水准器:是个内装液体并留有气泡的密封玻璃管，其纵剖面上内侧呈圆弧形。刻划线对称中点处的切线就是水准管轴。“气泡居中”即水准管轴水平。-精平,水准管：,是相邻分划线之间的弧所对的圆心角。设曲率半径为R毫米，则格值为:,管子内壁光滑，液体与内壁的附着力小，则气泡对倾斜反映的灵敏度高。每2mm间隔均匀刻划，水准管的精度用格值表示。,曲率半径大，格值小则精度高；气泡长，两端清晰，读数误差小则精度高。,称为水准管分划值,水准管轴：,通过水准管零点作水准管圆弧的切线(LL)。,圆水准轴：,过圆水准器球面零点的法线（LL）。,圆水准器分划值：,气泡中心偏移零点2mm，轴线所倾斜的角值。,水准器有关概念：,水准管分划值：,圆水准器：用于仪器粗平，精度=8/2管水准器：用于仪器精平，精度=20/2,DS3级水准仪水准器的格值：,符合水准管系统,为了提高水准管气泡的居中精度，DS3级水准仪采用符合水准管系统。通过符合棱镜的反射作用，使气泡两端的影像反映在望远镜旁的符合气泡观察窗中。居中精度可以提高一倍。,观察窗,望远镜、水准器、水平制动、水平微动、微倾螺旋、基座,DS3微倾式水准仪各部件名称：,DS3级微倾式水准仪部件名称,物镜调焦螺旋,3.水准仪轴线构造分析,LLCC：从而可以借助水准器把视线置平，精确整平。VVLL：这两个轴线相互平行，用于粗略整平仪器。十字丝横丝垂直于竖轴：便于读数。,二、水准尺和尺垫,直尺：两根成一对，每尺红黑双面注记黑面起点：0红面起点：4687，4787长度：2米，3米塔尺、折尺：双面注记长度：5米,尺垫:,一对直尺倒像注记尺,黑面,红面,一对直尺正像注记尺,正倒像尺注记差别,第三节DS3微倾式水准仪的使用,1.步骤:安置、粗平、瞄准、精平和读数,高度适中、稳固、架头大致水平。仪器用连接螺旋固定在架头。,（1）、安置：,（2）、粗平（左手拇指法则）,（3）、瞄准,步骤:目镜调焦、物镜调焦、消除视差,首先使望远镜瞄准明亮的背景，调节目镜调焦螺旋，看清十字丝；,转动望远镜，用照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋，调节物镜调焦螺旋，使目标清晰。有视差注意消除。,调节水平微动螺旋，用竖丝瞄准尺边缘或尺面中间。,视差：如果目标象没有落在十字丝面上，则当观测员的眼睛上下左右移动时，会感到目标象与十字丝之间有相对错动。,视差及其消除,消除视差：重新仔细进行物镜和目镜调焦,（4）、精平读数：,精平,不平,调节微倾螺旋，使水准管气泡观察窗中气泡两端的半像符合在一起。,读数,(以倒像望远镜为例),2.计算与检核：,高差：,取平均：,检核：,实验一：微倾式水准仪和自动安平水准仪的认识和使用,一、实验目的和要求了解仪器构造和性能，各螺旋名称作用，掌握使用方法。了解脚架的构造、作用，熟悉水准尺的刻划、标注规律，尺垫的作用。练习水准仪的安置、瞄准、精平、读数、记录和高差计算方法。二、实验仪器和工具：水准仪一台，脚架一付，水准尺2根，尺垫一只。三、要求每组测高差至少2组，黑红两面读数。,思考与注意事项：,测量时水准仪尽量置于两尺中间。微倾螺旋转动方向与符合水准器气泡影象移动方向有何规律？符合水准气泡两端影象符合（分离不得大于2mm）读数后应立即重新检视符合水准器气泡是否仍旧居中，如仍居中，则读数有效，否则应重新使符合水准气泡居中后再读数。自带铅笔2H，雨伞。实验报告及时上交。,提示：,地点:测量实验室。带学生证,领前登记签字。时间：上课时间，不迟到早退。实验室老师：,第四节水准测量,埋设水准点拟定水准路线观测记录及计算水准测量的测站检核方法,一、埋设水准点,用水准测量方法测量其高程的控制点(BenchMark)。常以BM表示,其顶部通常为凸起的半球面,用于放置水准尺。永久性：国家、城市等级水准点临时点：工程用水准点,点之记,二、拟定水准路线,附合水准路线,闭合水准路线,支水准路线,单一水准路线：,水准网,单节点附合网,多节点独立网,三、观测记录及计算步骤,距离起点A大约100米处，选定转点TP1的位置安置仪器于A、TP1中间，距离A、TP1等距离处立水准尺于后视A点、前视TP1点上观测后视尺、前视尺读数：粗平、瞄准、精平、读数，(后视读数a1,前视读数b1)记录并计算高差,第一测站高差：h1=a1-b1,其余测站以此类推,h2=a2-b2.hn=an-bn,各式相加得：h=a-b,未知点高程：HB=HA+h,记录和计算基本格式,1.364,0.979,1.259,0.712,1.278,0.566,0.653,1.864,+0.385,+0.547,+0.712,-1.211,+0.433,54.206,54.639,4.554,4.121,四、水准测量的测站检核,测站检核：保证观测精度，检查观测误差和记录计算错误双仪高法：变动仪高法双面尺法：红黑面尺法,1.测站检核两次仪器高法（双仪高法）,a1,b1,a2,b2,h1=a1-b1,h2=a2-b2,如果：f=h1-h2=6mm那么：hAB=(h1+h2)/2,A,B,双仪高法图示,水准测量记录（两次仪器高法）,2.测站检核双面尺法,h1=a1-b1,h2=a2-b2,f=h1-（h20.100）6mm,hAB=(h1+h20.100)/2,如果：,那么：,两尺常数不一致时，考虑两尺常数差0.100米。,水准测量记录（双面尺法）,测站,水准尺读数,点号,后视,前视,高差,(h),平均高,差,改正后,高差,高,程,（,H,）,1,A,1125,10.000,TP.1,1318,6,103,TP.2,1324,-0.006,2,6013,+0.090,-0.008,五、成果检核,由于受自然条件如温度、风力、大气折光等的影响，以及尺垫和仪器下沉引起的误差、尺子倾斜和估读的误差、仪器本身的误差等影响，成果精度必然降低。这些误差在一个测站上反映并不明显，但随着测站数的增多使误差累积，可能会超过规定的限差。也有可能会发生尺垫被移动，造成高程传递的错误。因此，用上述方法所测得的高程，虽经过测站检核和计算检核，也不能说明其高程精度符合要求。为此可以拟定某种路线，获得一定的条件以检核成果的正确性。,闭合水准路线,实际上：,理论上：,令：,有：,闭合水准路线分析：,结论：闭合水准路线具有严密的检核条件。,附合水准路线,附合水准路线分析：,理论上：,实际上：,令：,有：,结论：附合水准路线具有严密的检核条件。,支水准路线,支线水准路线分析：,理论上：,实际上：,令：,有：,结论：支水准路线往返观测具有严密性。,支线水准路线不严密，必须作往返测！,成果检核规范：,线路高差闭合差：fh=h观测-h理论fh容许对于等外水准测量：fh容许=12n(mm)山地fh容许=40L(mm)平原,高差闭合差的计算：附合水准线路：fh=h观测-(HB-HA)闭合水准线路:fh=h观测支水准线路:fh=h观测(往）+h观测（返）,黑面a-b=h黑=-0.014红面a-b=h红=-0.119平均高差之和h=(h黑+h红+0.100)/2=-0.016,-0.016,-0.014-0.119,7.24730.988,7.23330.869,计算检核,55.352,EBMA,5,DE,4,CD,3,+0.174,+0.176+0.272,13876076,15636348,BC,2,成果检核：高差闭合差fh=h=-0.016m=-16fh容,55.352,+1.547,+1.548+1.446,09645754,25127200,BMAB,1,备注,高程/m,平均高差/m,高差/m,前视读数,后视读数,测点,测站,闭合水准线路,（对于等外水准测量）,第五节水准测量误差分析及注意事项,1.仪器误差2.观测误差3.外界环境的影响,一、仪器误差,(1)水准仪校正后的残余误差：如i角误差。对一测站高差的影响例如：允许前后视之差10m，则当i角残余误差为20时，其影响为：,(2)水准尺误差：刻划误差，零点差，尺长变化等尺要检验合格：刻划、尺长、弯曲情况；尺的零点差：测段以偶数站结束。,一、仪器误差,二、观测误差,(1)瞄准误差：如视差，应该消除。(2)读数误差：水准尺上估读毫米的误差(3)气泡居中误差：水准管分划值为，居中误差一般为0.15，符合式水准器，气泡居中精度可以提高一倍，故居中误差m为,二、观测误差,（4）扶尺误差：水准尺倾斜，读数增大，如果水准尺倾斜角.,1.仪器下沉，视线下沉观测顺序：“后-前-前-后”，,三、外界条件的影响:,黑尺读数：h黑a1b1红尺读数：h红a2b2黑红均值：ha1b1a2b2,结论：抵消或减弱。熟练，加快观测速度,2.标尺的沉降误差(levelingrodsettlement)每次搬站，尺垫下沉，则下一站后视读数a2a2同理，a3a3即：系统误差抵消。结论：往返观测。,三、外界条件的影响:,3.强光、大气温度和风力的影响仪器各部件受热不均匀；大风水准尺不稳；影响仪器整平。结论：撑伞遮阳。避免在大风天气观测。,三、外界条件的影响:,把水准面看作圆球面,地球曲率对水准尺上读数的影响分别用c1，c2(ME,NF)表示-称为球差改正。,由于大气折光的影响，实际视线不是水平直线，而是曲线。大气折光的影响分别用r1,r2(MM,NN)表示-称为气差改正。,4.地球曲率和大气折光的影响:球气差(f=c-r),地球曲率对一根水准尺上读数的影响,大气折光对一根水准尺上读数的影响,设通过仪器中心的水准面的半径为，仪器至水准尺的弧长为，地球曲率对水准尺上读数的影响为c。,设弯曲视线的曲率半径为67R,地球曲率与大气折光对读数的联合影响用f表示，称为球气差改正，简称两差改正。,4.地球曲率和大气折光的影响:球气差(f=c-r),球气差f:,当前、后视距离相等时，f1与f2互相抵消。,第六节水准测量的成果计算,目的：对测量误差进行处理（测量平差）得到未知水准点的高程的最可靠值（最或是值）。测量误差水准路线高差闭合差步骤：检查外业成果闭合差的计算与检核高差闭合差的调整与检核改正后高差的计算与检核待定点高程的计算与检核,水准测量的内业计算步骤,3.改正后高差的计算与检核：,或,fh=h观测-h理论fh容许,1.高差闭合差的计算与检核：,2.高差闭合差的调整与检核：,4.待定点高程的计算与检核：,每测站或每公里高差改正数（v0)的计算,一、附合水准路线测量,2.高差闭合差的计算与检核：在检核外业观测成果合格的条件下。,fh=hi-(HB-HA)=4.918-(62.906-58.012)=+0.024m,假设是山地等外水准测量，所以,所以，|fh|fh容|，野外测量成果符合精度要求,1.检核外业观测成果,本例总测站数为n=20,则每一测站的改正数为：,v0=-fh/n=-24/20=-1.2mm,各测段的改正数为：,vi=-(fh/n).ni=v0.ni,如第一测段：v1=-1.27=-8mm,3.高差闭合差的调整与检核因为在同一条水准路线上，可以认为观测条件是相同的，则各测站产生的误差的机会相等，故闭合差的调整可按与测站数成正比例的分配原则进行。但要注意改正数的符号与闭合差的符号相反。,检核：改正数的总和应与闭合差的绝对值相等，符号相反。v=-fh4.改正后的高差的计算与检核各测段实测高差加改正数，便得到改正后的高差，检核改正后高差之和应与理论高差相等，否则说明计算有误。,5.待定点高程的计算根据检核过的改正后的高差，由起始点A开始，逐点推算出各未知点的高程。=58.012+4.355=62.367m检核：最后算得的B点高程应与已知的B点高程相等，否则说明计算有误。,附合水准测量内业计算表,1.高差闭合差的计算与检核,2.每公里改正数计算每测段改正数的计算与检核,一、附合水准测量内业计算：,计算无误,4.未知点高程计算与检核,3.改正后高差的计算与检核,计算无误,二、闭合水准路线成果计算,观测成果如图所示,闭合水准测量内业计算表,三、支水准路线成果计算,闭合差,往测，-1.375,返测，+1.396,改正高差,待定点高程,作业与预习、思考：,作业：P36-37T6，7，8,实验二等外水准测量,二、计划与设备1实验安排2学时，实验小组由45人组成。2实验设备每组为水准仪一台，水准尺2根，尺垫2个，记录板1块，自备伞1把。3实验场地选定一条闭合水准路线，其长度以安置46个测站为宜，中间设待定点。4从已知水准点A出发，水准测量至B、C点，然后再测至A点（或另一个水准点）。根据已知点高程（或假定高程）及各测站的观测高差，计算水准路线的高差闭合差，并检查是否超限。对闭合差进行调整，求出待定点B、C的高程。记录计算在记录纸上。,一、目的与要求1掌握普通水准测量的观测、记录和检核的方法。2掌握水准测量的闭合差调整及求出待定点高程。,三、方法与步骤1背离已知点方向为前进方向，在A、B、C点间要设若干转点。第1站安置水准仪在A点与转点1（拼音缩写ZD1、英文缩写TP1）之间，前、后距离大约相等，其距离不超过100米。2操作程序是后视A点上的水准尺，精平，用中丝读取后尺读数，记入实验报告中。前视转点1上的水准尺，并精平读数，记入表中。然后立即计算该站的高差。3迁至第2站，继续上述操作程序，直到最后回到A点（或另一个已知水准点）。4根据已知点高程及各测站高差，计算水准路线的高差闭合差，并检查高差闭合差是否超限，其限差公式为：,四、注意事项1在每次读数之前，要消除视差，并使符合水准气泡严格居中。2在已知点和待定点上不能放置尺垫，但转点必须用尺垫，在仪器迁站时，前视点的尺垫不能移动。3.上交资料：实验数据、实验报告，以小组为单位装订成册上交。实验报告见测量实验与实习附录三,5若高差闭合差在容许范围内，则对高差闭合差进行调整，计算各待定点的高程。,水准测量记录表,待定点高程计算表,第七节水准仪的检验与校正,微倾式水准仪的轴线之间应该满足的三项几何条件：,一、圆水准器轴平行于竖轴二、十字丝横丝垂直于竖轴三、水准管轴平行于视准轴,其中第三个是主要条件.,一、圆水准器轴应与仪器的旋转轴平行的检验与校正,1检验原理：如图2.检验方法：粗平，转动仪器180度，看圆水准器是否居中。3.校正:圆水准器下部的校正螺钉,圆水准器下部的校正螺钉,二、十字丝横丝垂直于竖轴的检验和校正,1、检验:安置好仪器，粗平后，用十字丝横丝对准一个明显的点状目标，固定制动螺旋，转动水平微动螺旋。若p点沿横丝移动，则条件满足，不需校正，否则校正。2、校正：,a2,a2,b2,a1,b1,三、水准管轴平行于视准轴：管水准器的检验和校正,1、检验：场地安排如图：,h,2、步骤,(1)在AB中点S1处安置水准仪，精确测定A、B两点之高差（测站检核，两次高差互差3mm以内，取其平均值hAB作为最后结果。)hAB。（2）安置仪器于S2处，离B点约3m左右，精平后读得B点水准尺上读数为b2,因为仪器离B点很近，两轴不平行引起的读数误差可以忽略不计。根据b2和AB两点的正确高差hAB算出A点尺上应有读数为：（3）然后，瞄准A点水准尺，读出水平视线读数a2,如果a2与a2相等，则说明两轴平行，否则，存在i角，其值为：,对于DS3级微倾水准仪，i角不得大于20，如果超限，则需要校正。校正：校正水准管校正螺钉、校正十字丝,校正水准管,校正水准管,a.计算A尺水平视线读数：a2=b2+hb.转动微倾螺旋，使横丝瞄准读数a2：CC水平c.校正水准管气泡居中：LL水平（LL/CC）d.重复检验直至符合要求。,a.保持水准管气泡居中即LL水平；b.调整十字丝环上、下校正螺丝，使横丝对准读数a2即CC水平，从而LL/CC。,校正十字丝,一、自动安平水准仪,第八节自动安平水准仪、精密水准仪和激光水准仪,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。,自动安平水准仪反面,自动安平水准仪正面,中翰ZHAL自动安平水准仪,自动安平水准仪安平的工作原理,采用悬吊光学棱镜，借助重力的作用达到视线自动补偿的目的。,3-直角棱镜4-屋脊棱镜5-直角棱镜8-阻尼器,自动安平水准仪的构造,原理说明：,角和角都是很小的角值.如能满足fd即能达到补偿的目的。,3-直角棱镜4-屋脊棱镜5-直角棱镜8-阻尼器,自动安平水准仪操作步骤：,1.用圆水准器使气泡居中；2.望远镜瞄准水准尺；3.横丝上读数