chap3-水准测量

第三章水准测量,上节回顾,1、三个标准方向？,2、方位角？,3、方位角的特性？,4、推算坐标方位角的通用公式？,两个问题？,1、测量的目标和任务是什么？,2、测量高差有哪些方法？大家有没有接触过？,气压测高-每升高11m，气压汞柱降低1mm,三角高程测量,水准测量,一、水准测量的原理,水准测量是利用一条水平视线，并借助水准尺，测定地面两点间的高差，这样就可由已知点的高程推算出未知点的高程。,大地水准面,Hi,b,HB,HA,hAB,前进方向,A,B,a,水准测量基本原理,Attention,高差的符号有正有负当高差为正值时，表示前视点B高于后视点A当高差为负时，表示前视点B低于后视点A计算高差时，一定要用后视读数减去前视读数，次序不能颠倒。当需要根据一个已知高程的后视点，同时去测定多个未知点的高程时，可通过仪器的视线高Hi计算各点的高程，即：Hi=HA+a，HB=Hi-b,二、水准测量的仪器与工具,水准测量的基本工具,2.1水准测量的仪器与工具,水准测量仪器、工具,水准尺,水准仪,尺垫,四等级：DS05、DS1、DS3、DS10,字母D和S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，其后面的数字代表仪器的测量精度。,仪器的等级划分及其适用范围,2.2水准仪,基本组成望远镜水准器基座,2.2.1望远镜,主要用途瞄准目标并在水准尺上读数组成1-物镜、2-十字丝、3-对光透镜和4-目镜,1,2.2.1望远镜,物镜和对光透镜的作用使物体在镜筒内十字丝平面上形成一个缩小的倒立实像a1b1目镜的作用是将a1b1放大成为倒立虚像a2b2,1-物体;2-物镜;3-对光透镜;4-十字丝平面;5-目镜,2.2.1望远镜,十字丝作用照准尺子和读数十字丝中心(十字丝交点)和物镜光心的连线，称为视准轴。,2.2.2水准器,作用指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直分类圆水准器管水准器由一个内壁研磨成圆弧的玻璃管制成水准管上刻有间隔为2mm的分划线，分划线的中点O，称为水准管零点水准管内充满酒精或乙醚，中间有一气泡,管水准器,管水准器,水准管轴通过零点作水准管圆弧的切线。水准管分划值水准管上每2mm分划所对应的圆心角。分划值越小，则水准管越灵敏。Attention:安装在DS3级水准仪上的水准管,其分划值不大于20。圆水准器的分划值一般为810，由于其精度较低，所以只能用于仪器的概略整平。,圆水准器,制造水准仪时，使圆水准器轴平行于仪器竖轴。旋转基座上的三个脚螺旋使圆水准气泡居中时，圆水准器轴处于竖直位置，从而使仪器竖轴也处于竖直位置。,圆水准器（如图）,水准器,为了提高目估水准管气泡居中的精度，微倾式水准仪的水准管上方都装有由三块棱镜组成的复合棱镜系统。两个棱镜的侧面所在的平面通过水准管的纵轴线，第三块棱镜为45的直角棱镜，其底为等腰直角三角形，一个直角面与左右两棱镜的侧面相靠或互相平行。它把水准管两端半个气泡的像，经过三次全反射，进入望远镜旁的放大镜内。如果气泡居中，则气泡两端的两个半边影像即合二为一，如果气泡不居中，则气泡的两个半边影像不符合。,水准器,2.2.3基座,基座是水准仪的底座，用来固定和粗略整平水准仪基座上有三个呈三角形布置的螺旋，称为脚螺旋旋转、调整脚螺旋可使水准仪粗略整平,2.3水准尺,2.4尺垫,Attention：使用时用力将尺垫的三个支脚踩入土中，以防下沉上方突起的半球形顶点为竖立标尺和标志转点之用,三、水准仪的使用,水准仪操作程序,仪器安置粗略整平瞄准精确整平读数,3.1仪器安置,打开三脚架并使其高度适中，目估使架头大致水平，然后将三脚架尖踩入土中，将水准仪用中心螺旋固定于三脚架头上,3.2粗略整平(粗平),用脚螺旋将圆水准器的气泡调整居中先将圆水准器放在适当位置，然后用双手同时向内或向外(即以相反方向)旋转脚螺旋，使一个升高、一个降低。当气泡未居中而处于a处；同时按图上箭头所示向内旋转1、2两个脚螺旋，使气泡由a移动到b处；再转动脚螺旋3，使气泡居中。这项工作要反复进行，直至仪器旋转到任何方向，气泡都居中为止。左手拇指规则“左手拇指旋转脚螺旋的运动方向，就是气泡移动的方向”,3.3瞄准,目镜对光把望远镜对着明亮的背景(如白墙或天空等)，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰瞄准水准尺松开制动螺旋，转动望远镜，利用望远镜筒上的缺口和准星，瞄准水准尺，然后再拧紧制动螺旋对光转动物镜对光螺旋进行对光，使尺子的影像看得十分清晰，并转动微动螺旋，使尺子的像靠近十字丝竖丝的一侧，以便于读数,3.3瞄准,消除视差当用眼睛在目镜后上下微动，若发现十字丝与目标影像有相对运动，则说明物像平面与十字丝平面不重合(如左图),这种现象称为视差。视差对观测成果的精度影响很大，必须加以消除。消除方法是重新对光，直到眼睛上下移动，水准尺读数不变(见右图),消除视差的方法重新进行对光，直到眼睛上下移动，水准尺上读数不变为止。此时，十字丝与目标的影像都十分清晰。,3.4精确整平,用水准管作精确整平。因水准管灵敏度比较高，每当望远镜转到不太水平的另一个方向时，水准管气泡必然会偏离中央，因此必须在读数前再一次调整微倾螺旋，使气泡两端的影像符合，然后才能在尺子上读数。,3.5读数,在望远镜视线精确水平后的瞬间，应立即利用中丝在尺上读数注意尺子在望远镜中的像是倒立像，读数时应从上向下(即从小数往大数)读，并估读至毫米。必须读出四个数字读数完毕后应再检查一下水准管气泡是否仍然居中,3.5读数,精平后，十字丝的横丝在水准标尺上读数,正像尺子读数；黑面1608，红面6295，相差4687,倒像尺子读数；黑面0216，红面4903，相差4687,3.5读数,3.5读数,3.5读数,3.5读数,水准仪应满足条件水准管轴平行于视准轴圆水准器轴平行于仪器竖轴十字丝横丝垂直于仪器竖轴,四、水准测量的外业,4.1水准测量的实施,水准测量通常是从一个已知高程的水准点开始，按照一定的水准路线，引测出所需各点的高程。当两个水准点A、B相距较远或高差较大时，在A、B之间设立若干个中间立尺点，这些中间立尺点称为转点，将AB分成n段，分别测出每段的高差h1，h2，hn，则A、B两点间的高差是各高差之和。,4.1水准测量的实施,检查,测量过程,首先在A点立水准尺，离A点约50-80m(最大不超过100m)处安置水准仪，让另一扶尺员在观测前进方向选转点1，在1点上安放尺垫并在尺垫上立尺。选转点时，应使前视、后视距离大致相同(以消除因视准轴与水准管轴不平行引起的误差)。后视A点水准尺，得到后视读数a1、a1，再前视转点1，得前视读数b1、b1，记入水准测量外业记录手簿中，后视读数减去前视读数得到高差，记入高差栏内。此为一个测站上的工作。,测量过程,保持转点1上的水准尺不动，把A点上的水准尺移到转点2，仪器安置在转点1和转点2之间，同法进行观测和计算，依次测到B点。在计算过程中，转点仅起传递高程的作用，由于地面无固定标志，所以无需算出高程,例：,注意：为保证高程传递的准确性，在相邻测站的观测过程中，必须使转点保持稳定（高程不变）。,A,TP1,TP2,TP3,2.142,B,1.258,0.928,1.235,1.672,2.074,HA=123.446m,HB,大地水准面,前进方向,ATP1,TP1TP2,TP2TP3,TP3B,2.142,1.258,+0.884,0.928,1.235,-0.307,1.664,1.431,+0.233,1.672,2.074,-0.402,计算检核,6.4065.998,ab0.408,0.408,0.408,123.446,123.854,水准测量手簿,已知,4.2水准测量的检核,为了防止测量错误、提高测量精度，在观测过程中要进行测站检核。检核方法变更仪器高法双面尺法,4.2.1变更仪器高法,在同一个测站上采用不同的仪器高度，测得两次高差以相互比较进行检核对于等外水准测量，两次所测高差之差应不大于6mm。,4.2.2双面尺法,仪器的高度保持不变，而立在后视点和前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。,4.2.2双面尺法,对于等外水准测量若同一水准尺的红面与黑面读数(加尺常数后)之差不超过4mm；黑、红面高差之差(在红面所测高差上加或减100mm)，又不超过6mm，则取其平均值作为该测站的观测值。用双面尺法进行水准测量，有一套严密的计算检核方法。由于双面尺法操作方便，计算规范，所以在水准测量中得到了广泛应用。,五、水准测量的内业水准测量外业工作结束后，要检查外业手簿，确认无误后，再转入内业计算。水准测量内业计算的内容，包括水准路线闭合差的计算和分配以及水准点高程的计算,5.1水准路线闭合差的计算,由于各种外界因素的影响，测量成果中不可避免地含有一定的误差甚至错误，所以对水准测量成果要进行检核。由于误差的存在，水准测量的实测高差与其理论值往往不相符合，其差值称为水准路线的闭合差。水准路线的形式闭合水准路线附合水准路线支水准路线,5.1.1闭合水准路线,如下图所示，A点是一个高程已知的水准点。由A点出发，经待定高程点1、2、3，最后又回到A点，这种水准路线称为闭合水准路线。,L-水准路线长度，km,n-测站数,5.1.2闭合水准路线,如下图所示，A、B两点是高程已知的水准点。由A点出发，经待定高程点1、2、3，最后附合到B点，这种水准路线称为附合水准路线。,5.1.2闭合水准路线,显然，所有测段高差的代数和，应等于A、B两点间的已知高差，如不相等，则其差值即为高差闭合差fh,5.1.3支水准路线,如下图所示，A点是高程已知的水准点。由A点出发，经待定高程点1、2到待定高程点3，这种水准路线称为支水准路线。支水准路线没有已知点作为检核，所以一般需要进行往返观测，即从A点测至3点称为往测，再从3点返测至A点。从理论上讲，往测高差总和h往与返测高差总和h返绝对值相等，符号相反，它们的代数和应等于零。,5.1.3支水准路线,显然，由于误差存在，代数和不为零。支水准路线往、返测高差闭合差计算公式为,5.2水准路线闭合差的分配,A,1,2,3,5.2水准路线闭合差的分配,A,1,2,3,5.2水准路线闭合差的分配,水准路线闭合差的分配,支水准路线,闭（附）合水准路线,各段往返高差的绝对值取平均值，并按往测方向取高差的正负号,按与测站数成正比将闭合差反号分配到各测段高差中；按与路线的长度成正比分配闭合差,5.2水准路线闭合差的分配,闭合差分配后，可用下式检核计算的正确性：v=-fh消除闭合差后，即可根据已知水准点的高程和改正后的高差逐一推算出各水准点的高程。推求至最后一个已知点时，其推求值与已知值应相等，以此作为高程计算正确性的检核。,5.3水准点高程的计算,计算步骤计算闭合差计算改正数和改正后高差计算高程根据改正后的高差，从A点起，逐步推算各点的高程。最后计算的A点高程应等于该点的已知高程。否则，说明计算有误，应检查原因,5.4算例分析,（2）附合水准路线A、B为已知水准点，HA=65.376m，HB=68.623m点1、2、3为待测水准点，各测段高差、测站数、距离见下图：,A,B,1,2,3,前进方向,5.4算例分析,符合水准测量成果计算表,备注,1,2,3,4,A1,2,3,B,1.08+1.575,1.212+2.036,1.414-1.742,2.216+1.446,5.850+3.315,辅助计算,-0.012,-0.014,-0.016,-0.026,-0.068,+1.563,+2.022,-1.758,+1.420,+3.247,65.376,66.939,68.961,67.203,68.623,已知,已知,a、计算闭合差：,b、检核：,故其精度符合要求。,c、计算改正数分配原则：按与测段距离（或测站数）成正比，并反其符号改正到各相应的高差上，得改正后高差。,按距离：,按测站数：,以第1测段为例，测段改正数为：,检核：,d、计算改正后高差,检核：,以第1测段为例，改正后的高差为：,e、计算高程,如：,检核：,否则说明高程计算有误。,（3）支水准路线,5.4算例分析,1,2、检核：,，故精度符合要求。,3、计算高差（取往、返测绝对值的平均值，其符号与往测相同）,4、计算高程,H1=186.785-1.386=185.399m,(HA=186.785m),n=16站,六、数字水准仪简介,6.1数字水准仪的原理与构造,数字水准仪的原理就是将编了码的水准尺影像进行一维图像处理，用传感器代替观测者的眼睛，从望远镜中看到水准尺间隔的测量信息，由微处理机自动计算出水准尺上的读数和仪器至立尺点间的水平距离，以数字的形式将测量结果显示出来。数字水准仪的构造传统水准仪的光学系统机械系统信息处理系统与数字水准仪配套使用的水准尺，一面印有条形码图案，另一面和普通水准尺分划相同,6.2数字水准仪的优点,操作简便，能自动观测和记录，并将测量结果以数字的形式显示出来整个测量过程在几秒钟内即可完成，可大大降低观测误差和减少观测错误，提高测量成果的精度和可靠性如果将观测结果直接输入计算机进行处理，必将大大提高水准测量工作的自动化水平,6.3数字水准仪实例,索佳SDL30M,天宝DiNi-12,6.3数字水准仪实例,徕卡DNA03,拓普康DL111C,复习思考题,复习思考题,水准仪应满足的主要条件是什么?水准测量时,为什么要使前视和后视距离相等?何谓视差,如何消除视差?水准仪上的圆水准器和管水准器的作用有何不同?水准测量时,转点和尺垫起什么作用?为了保证水准测量成果的正确性,在水准测量中应进行那些校核?1）测站检核（变换仪器高或双面尺）；2）路线检核,复习思考题,设由A点到B点共测了两站:第一站,后视读数为2.5