工程测量第2章水准测量

回顾:测量学：是研究地理信息的获取、处理描述和应用的学科。测定:是指利用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形缩绘成地形图。测设:是指把图纸上规划好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来。,测量工作的基准线和基准面基准线铅垂线，重力的方向线基准面大地水准面、水准面、水平面测量内业计算的基准线和基准面基准线法线基准面参考椭球面定义：水准面、水平面、大地水准面、铅垂线确定地面点位方法坐标：地理坐标、高斯平面直角坐标和平面直角坐标高程：绝对高程、相对高程、高差,不同点：测量上取南北方向为纵轴（X轴），东西方向为横轴（Y轴）角度方向顺时针度量，象限顺时针编号。坐标原点一般选在测区的西南角上。相同点：数学中的三角公式在测量计算中可直接应用。,坐标系的异同：,二、测量工作的基本原则,1、布局上“由整体到局部”，精度上“由高级到低级”，工作次序上“先控制后细部”。2、又一原则。即：“前一步工作未作检核，不进行下一步工作”。优点：减少误差积累；避免错误发生；提高工作效率。,第二章水准测量,内容提要：水准测量基本原理水准测量的仪器和工具普通水准测量,2.1水准测量原理,高程测量概念测量地面点高程的工作。高程测量的方法分类水准测量、三角高程测量、气压高程测量、GPS测量。,基本原理利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程。,a-b,A后视点a后视读数B前视点b前视读数,1、A、B两点间高差,2、B点的高程,水准测量的基本要求：（1）视线必须水平；（2）水准尺必须竖直。,一、水准仪的构造按其结构可分为微倾式水准仪、自动安平水准仪和电子水准仪等数种。按其精度高低可分为S05、S1、S3、S10等多种。其中，S表示水准仪，下标数字表示该仪器所能达到的精度指标。如S3表示1km往、返测高差中数的偶然中误差不超过3mm的水准仪。,2.2水准测量的仪器和工具水准测量所使用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。,自动安平水准仪,电子水准仪,水准仪主要由望远镜、水准器和基座三部分组成。,1、望远镜用于瞄准水准尺并读数。由物镜、目镜、调焦透镜、调焦螺旋、十字丝分划板组成。,*视准轴：十字丝交点与物镜光心的连线，是我们瞄准目标的视线。,十字丝分划板：是一块安装在镜筒内的光学玻璃板，刻有两条互相垂直的十字丝，竖丝，横丝，上下丝又称视距丝，用十字丝交叉点和中丝瞄准水准尺并读数。,2.水准器（1）管水准器（水准管）水准管上一般刻有间隔2mm的分划，分划线的中点O，称为水准管的零点。通过零点所作水准管圆弧的纵向切线LL，称为水准管轴。水准管的气泡中点与水准管零点重合时，称为气泡居中。此时，水准管轴处于水平状态。水准管圆弧2mm所对的圆心角，称为水准管的分划值，又称角值。角值愈小，则水准管的灵敏度愈高，置平的精度也愈高。S3水准仪上的水准管，其角值为20。,2.水准器（1）管水准器（水准管）水准管上一般刻有间隔2mm的分划，分划线的中点O，称为水准管的零点。通过零点所作水准管圆弧的纵向切线LL，称为水准管轴。水准管的气泡中点与水准管零点重合时，称为气泡居中。此时，水准管轴处于水平状态。水准管圆弧2mm所对的圆心角，称为水准管的分划值，又称角值。角值愈小，则水准管的灵敏度愈高，置平的精度也愈高。S3水准仪上的水准管，其角值为20。,（2）圆水准器顶部玻璃的内表面为球面，球面中心刻有圆圈，其圆心为圆水准器的零点，过圆水准器的零点作其球面的法线LL，称为圆水准器轴。(通过零点与球面曲率中心的连线)气泡居中时，圆水准器轴处于竖直状态。S3水准仪上的圆水准器，其角值为。因此，圆水准器用于粗平，管水准器用于精平,L,L,3、基座：,支撑仪器上部并与三脚架连接，由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。,C,C,L,L,V,L,V,L,水准仪有四条主要轴线，即视准轴CC、水准管轴LL、圆水准器轴LL、以及仪器的竖轴VV。它们应满足以下的几何关系：1、CC/LL2、VV/LL,微倾螺旋,二、水准尺,如下图所示，水准尺有塔尺、双面尺和因瓦尺三种。塔尺用于一般的测量工作中，双面尺用于三、四等水准测量，因瓦尺用于一、二等水准测量。水准尺多是用优质木材制成，要求尺长稳定，分划清晰准确。近年来生产的塔尺，也有用铝合金或塑钢等材料制成。,4.6874.787,三、尺垫,如下图所示，尺垫多为生铁铸成，一般为三角形或圆形，其下方有三个支脚，上方中央有一突起圆顶。使用时，把尺垫放在地上，用脚将尺垫踏实，然后将水准尺立在突起圆顶上，以防尺子在观测过程中下沉和标志转点之用。,S3微倾式水准仪的使用，分为安置仪器、粗略整平、瞄准目标、精确整平和读数五大步骤：1、安置仪器2、粗略整平调整脚螺旋，使圆水准器气泡居中,2.3S3微倾式水准仪的使用,粗平的操作方法示意图,规律：气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致。,3、瞄准目标,(1)目镜对光调节目镜调焦螺旋，看清十字丝；(2)粗瞄利用粗瞄器，大致瞄准目标，拧紧制动螺旋；(3)物镜对光调节物镜调焦螺旋，看清目标；(4)精瞄转动水平微动螺旋，精确瞄准目标；(5)检查并消除视差。,所谓视差，是指眼睛在目镜端上下移动时，十字丝与目标像有相对运动的现象。产生原因：目标像平面与十字丝平面不重合。消除方法：仔细反复交替调节目镜和物镜对光螺旋。,4、精平,1、方法：如图所示，调节微倾螺旋，使水准管气泡成像抛物线符合。2、说明：自动安平水准仪，不需进行精平。,5、读数,精平后，用十字丝的中丝在水准尺上读数。方法：米、分米看尺面上的注记，厘米数尺面上的格数，毫米估读。规律：读数在尺面上由小到大的方向读。故仪器若成倒像的，从上往下读；若成正像，即从下往上读。,思考题与习题,1、名词解释（1）视准轴（2）水准管轴（3）角值（4）气泡居中2、绘图说明水准测量的原理。3、水准仪主要由哪几部分组成?有哪几条主要轴线?它们应满足什么几何条件?4、S3微倾式水准仪的使用，分为哪几大步骤?5、何谓视差?产生原因是什么?如何消除?,图形：水准仪读数实例,水准仪读数实例,6.252,1.477,0.725,实验一水准仪的认识和使用,实验目的1、了解S3微倾式水准仪的基本构造，认清其主要部件的名称和作用；2、练习水准仪的使用，掌握其基本操作要领。实验要求测定地面两点间的高差。,2.4普通水准测量,一、水准点为了统一全国的高程系统和满足各种测量的需要，测绘部门在全国各地埋设并利用水准测量的方法测定了很多高程点,这些点称为水准点（BenchMark），简记为BM。水准测量通常是从水准点引测其它点的高程。水准点有永久性和临时性两种。国家（一、二、三、四等）等级水准点如左图所示，一般用石料或钢筋混凝土制成，深埋在地面冻结线以下。在标石的顶面设有不锈钢或其它不易锈蚀的材料制成的半球状标志。有些水准点也可设置在稳定的墙角上，称为墙上水准点，如右图所示。,最大冻土深度线,水准点,建筑工地上的永久性水准点一般用混凝土或钢筋混凝土制成，其式样如左图所示。临时性的水准点可用地面上突出的坚硬岩石或用大木桩打入地下，桩顶钉以半球形铁钉，如右图所示。,二、水准测量的外业工作,包括踏勘选点、埋设标志、拟定水准路线、观测和记录（一）踏勘选点和埋设标志收集资料，选定方案，实地勘察。（二）拟订水准路线1、闭合水准路线。由已知点BM1已知点BM12、附合水准路线。由已知点BM1已知点BM23、支水准路线。由已知点BM1某一待定水准点A,水准路线布设形式,(三)观测,当待测点高程点距已知水准点较远或坡度较大时，不可能安置一次仪器测定两点间的高差，必须在两点间加设若干个立尺点作为传递高程的过渡点，称为转点。,A,h1,h2,h3,hAB,a1,a2,a3,b1,b2,b3,TP1,TP2,B,观测方法,1、在已知点竖立水准尺，为后视2、仪器操作人员在适当位置安置仪器，粗平、瞄准、精平、读数。3、记录人员做相应的记录4、另一立尺员立前视尺，选定转点，放尺垫。5、同26、记前视读数，并计算两点高差,注意：,（1）水准仪安置在离前、后视距离大致相等之处。（2）为及时发现观测中的错误，通常采用“双仪器高法”或“双面尺法”。hAB=h1+h2+hn=(a1-b1)+(a2-b2)+(an-bn)=a-b,（四）记录,水准测量记录表中应注意：（1）起始点只有后视读数，结束点只有前视读数，中间点既有后视读数又有前视读数。（2）只表明计算无误，不表明观测和记录无误。,水准测量手簿,日期仪器观测天气地点记录水准尺读数高差高程备注BMA后视（a）前视（b）（m）（m）27.354TP11124TP11385TP21021TP21869B094328.98728.987-3.088-27.354+1.633+1.633,测站,测点,+0.343,+0.364,+0.926,计算校核,BMATP1,TP1TP2,TP2B,1.467,1.124,1.385,1.021,1.869,0.943,27.354,三、水准测量三项检核,1、计算检核检核每一项高差和高程的计算，保证计算无误。2、测站检核保证前后视读数的正确性，双面尺法及变动仪器高法3、成果检核保证测量精度满足使用要求。,（1）闭合水准路线。由已知点BM1已知点BM1（2）附合水准路线。由已知点BM1已知点BM2（3）支水准路线。由已知点BM1某一待定水准点A各种路线形式的水准测量，其高差闭合差均不应超过规定容许值，否则认为水准测量结果不符合要求。不同等级的水准测量的容许误差不同，对于普通水准测量，有：,四、水准测量的成果整理,主要内容为调整高差闭合差，计算各特定点高程。（一）附合水准路线的成果整理1、闭合差的计算：2、闭合差的调整：按与距离L或测站数n成正比，将高差闭合差反号分配到各段高差上。3、高程的计算：用改正后的高差和已知点的高程，来计算各待定点的高程。（二）闭合水准路线成果整理：（三）支水准路线成果整理：取往返高差的平均值，与往测高差符号相同。,，,水准测量外业工作结束后，先检查手簿；然后计算各测段的高差；最后经检核无误，才能进行各点高程的计算。以上工作，称为水准测量的内业。现在，以下图所示的附合水准路线为例，介绍其具体计算步骤：1、高差闭合差的计算高差闭合差可用来衡量水准测量成果的精度，等外（普通）水准测量的高差闭合差容许值为：，其精度符合要求。否则，应重新进行观测。,BMA,BMB,1,2,3,12个测站,18个测站,13个测站,11个测站,五、水准测量的内业计算实例,2、高差闭合差的调整,（1）计算每一测段的高差改正数：（2）计算改正后的高差：3、高程的计算,水准测量成果调整表,测段编号点号测站数实测高差改正数改正后高差高程备注(m)(m)(m)(m)A56.345112+2.758-0.010+2.775159.120218-4.369-0.016-4.385254.735313+1.980-0.011+1.969356.704411+2.345-0.010+2.335B59.03954+2.741-0.047+2.694,辅助计算,闭合水准路线，各段高差的代数和应等于零，即由于存在测量误差，必然产生高差闭合差闭合水准路线高差闭合差的计算和调整，以及高程的计算，均与附合水准路线相同。支水准路线，其高差闭合差按下式计算符合精度要求后，各段改正后的高差只需取该测段往、返高差的平均值即可；然后在利用改正后的高差，计算各点的高程。,A,1,2,六、水准测量的注意事项,1、要定期对水准仪进行检验校正；在重大工程开工之前，也要对水准仪进行检验校正。2、在进行水准测量时，要尽可能使前、后视距大致相等，以消除视准轴不平行于水准管轴的误差和地球曲率与大气折光的影响。3、读数之前，一定要消除视差、一定要将水准管气泡居中。4、读数时，先估读毫米，再读米、分米和厘米。5、水准尺要竖直。6、在前后站的观测过程中，转点的位置不能变动。,七、水准测量误差分析,包括：仪器误差、观测误差、外界条件的影响的误差1、仪器误差主要有：视准轴不平行于水准管轴（i角）的误差水准尺误差(刻划不均，尺长、弯曲等),2、观测误差(1)水准气泡未严格居中(2)视差(3)估读误差：与望远镜的放大倍率和视距长度有关，放大倍率越小、视距越长，则读数误差越大(4)水准尺倾斜误差。水准尺倾斜，在水准尺1m处读数时，将产生2mm的误差，,3、外界条件影响的误差(1)仪器下沉的影响(2)尺垫下沉的影响(3)