土木工程测量规范

1、1.1 简介地物:地面上天然或人工形成的物体,它包括平原湖泊河流海洋房屋道路桥梁等地貌:地表面高低起伏的形态,它包括山地丘陵和平原等地形:地物和地貌的总称1.1.1 概念测量工作的主要内容包括测定和测设两个方面:(1) 测定:使用测量仪器和工具,通过测量和计算将地物和地貌的位置按一定比例尺缩小绘制成地形图,供科学研究国防和工程建设规划设计使用(2) 测设:将在地形图上设计出的工程建筑物和构筑物的位置在实地标定出来,作为施工的依据1.1.2 分类根据研究的对象和应用上的分类,测量学包括以下几个主要学科:(1) 普通测量学(2) 大地测量学(3) 摄影测量学(4) 工程测量学:研究工程建设在勘察设

2、计施工放样和运营管理等各阶段中进行测量工作的理论和方法的学科其主要内容包括:测绘满足工程规划和勘察设计需要的大比例尺地形图;将图纸上设计的建(构)筑物轴线桩位标定到地面上;对在施工过程中及竣工后建(构)筑物的变形进行监测1.1.4 学习要求通过本课程学习,要掌握下列有关测定和测设监测的基本内容: (1)地形图测绘:运用各种测量仪器和工具,通过实地测量和计算,把小范围内地面上的地物地貌按一定的比例尺测绘成图 (2)地形图应用:在工程设计中,从地形图上获取设计所需要的资料,例如点的坐标和高程两点间的水平距离地块的面积地面的坡度地形的断面和进行地形分析等 (3)施工放样:把图上设计好的建筑物或构筑物

3、的位置标定在实地上,作为施工的依据 (4)变形观测:监测建筑物或构筑物的水平位移和垂直沉降,以便采取措施,保证建筑物的安全 (5)竣工测量1.3 地面点位的确定测量学的主要任务是测定和测设,无论测定还是测设都需要通过确定地面点的空间位置来实现空间是三维的,所以表示地面点在某个空间坐标系中的位置需要三个参数,确定地面点位的实质就是确定其在某个空间坐标系中的三维坐标考虑到地球是一个椭球体,一般是通过求出该点投影到参考球面上的位置(两个参数)和该点到大地水准面的铅垂距离(简称该点的高程)的方法来实现,为此测量上将空间三维坐标系分解成确定点的球面位置的坐标系(二维)和高程系(一维)1.3.1 确定点的

4、球面位置的坐标系确定点的球面位置的坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系两类1.3.1.1 地理坐标系按坐标所依据的基本线和基本面的不同以及求坐标方法的不同,地理坐标系又可分为天文地理坐标系和大地地理坐标系两种1.3.1.2 平面直角坐标系 (1)高斯平面直角坐标系地理坐标对局部测量工作来说是不方便的,例如:在赤道上,1经度差或纬度差对应的地面距离约为30m测量计算最好在平面上进行,但地球是一个不可展的曲面,必须通过投影的方法将地球面上的点位换算到平面上地图投影有多种方法,我国采用的是高斯投影方法投影后底中央子午线与赤道均为直线我国位于北半球,x坐标值均为正,y坐标值则有正有负,当点位于中央子午线

5、以东时为正,以西时为负为了避免y坐标出现负值,我国统一规定将每带的坐标原点向西移500km,也就是给每点的y坐标值加上500km,使之均为正值 (2)独立平面直角坐标系当测区范围较小时(一般要求测区半径小于10km) 采用独立平面直角坐标系独立平面直角坐标系的坐标轴方向和象限编号顺序与高斯平面直角坐标系相同1.3.2 确定点的高程系地面点沿铅垂线至大地水准面的距离称为该点的绝对高程或海拔,简称高成,用H加点名作下标表示高程系是一维坐标系,它的基准是大地水准面.由于海水面受潮汐风浪等影响,它的高低时刻在变化通常是在海边设立验潮站,进行长期观测,求得海水面的平均高度作为高程零点通过该点的大地水准面

6、作为高程基准面,也即在大地水准面上高成为零 1985年,我国采用青岛验潮站20多年的潮汐记录资料推算出水准原点的高程为72.260m,此高程称为“1985年国家高程基准”,简称为“85高程基准”在局部地区,无法知道绝对高程时,也可以假定一个水准面作为高程起算面,地面点到假定水准面的垂直距离,称为假定高程或相对高程,用H加点名作下标表示图1-7中AB两点的相对高程表示为HAHB地面两点间的绝对高程或相对高程之差称为高差,用h加两点点名作下标表示如AB两点高差为: hAB=HB-HA=HB-HA (1-6)测区范围小到何值时,用水平代替大地水平面所产生的距离和高差变形才会不超过测图误差的允许范围呢

7、?1.4.1 切平面代替大地水平面对水平距离的影响D/D=D2/3R2表11 切平面代替大地水准面的距离误差和距离相对误差距离D(km)距离误差D(cm)距离相对误差D/D 10 1:1 200 000 25 1:200 000 50 1:49 000 100 1:12 000从表11可以看出,当距离D为10km时,所产生的相对误差为1:1 200 000,这样小的误差,就是对精密量距来说也是允许的因此,在10km为半径的圆面积之内进行距离测量时,可以用切平面代替大地水准面,而不必考虑地球曲率对距离的影响1.4.2 切平面代替大地水平面对高程的影响表12 切平面代替大地水准面对高程误差距离D(

8、km)125102831196785由表可知,用切平面代替大地水准面作为高程起算面,对高程的影响是很大的,距离200m时就有的高差误差,这是不能允许的因此,高程的起算面不能用切平面代替,最好使用大地水平面如果测区内没有国家高程点时,可以假设通过测区内某点的水准面为零高程水准面1.5 测量工作概述无论测定还是测设都是在控制点上进行的,测量的工作原则之一是“从整体到局部,先控制后碎部”我国的控制测量规范规定,测量控制网必须由高级到低级分级布设平面三角控制网是按一等二等三等四等510和图根网的级别布设,而城市导线网是在国家一等二等三等或四等控制网下按一级二级三级和图根网的级别布设一等网的精度最高,图

9、根网的精度最低控制网的等级越高,网点之间的距离就越大,点的密度也越稀,控制的范围就越大;控制网的等级越低,网点之间的距离就越小,点的密度也越密,控制的范围就越小第二章 水准测量确定地面点高程的测量工作,称为高程测量高程测量按使用的仪器和施测方法精度要求的不同,主要有水准测量三角高程测量气压高程测量和GPS测量等在工程建设中进行高程测量主要用水准测量的方法2.1 水准测量原理水准测量是利用水准仪提供的水平视线,在竖立于两点上的水准尺上读数,计算出这两点间的高差,从而由已知点高程推求未知点的高程通常把安置仪器的位置称为测站在一个测站的水准测量中,高程已知点称为后视点,高程待定点成为前视点在图2-1

10、中,A点为后视点,称读数a为后视读数;B点为前视点,b为前视读数因此hAB=后视读数-前视读数测得hAB后,如果已知A点高程HA,则B点高程HB可按下式计算: HB = HA + hAB (2-2)H b =(HA + a)- b = Hi - b (2-3) 式中,Hi=HA + a,称为仪器的视线高程在施工测量中,有时一个测站要测定几个地面点的高程,采用式(23)计算较方便当AB两点间距离较远或高差较大时,必须设置多个测站才能测定高差hAB由图22知 h1 = a1 - b1h2 =h2 - h2hn = an - bn hAB=h1+h2+hn=图中的立尺点TP1,TP2,TP(n-1)

11、称为转点,在测量过程中临时选定的点称为转点,在确定B点的高程工作中转点衔接相邻两测站的高差测量,逐点将高程计算传递到B点此时2.2 水准测量的仪器和工具水准测量使用的仪器是水准仪,配合的工具有水准尺和尺垫按测量精度由高至低划分等级,我国水准仪的型号依次为DS05DS1DS3DS10“D”“S”分别是“大地测量”“水准仪”的汉语拼音的第一个字母下标数字表示这些型号的仪器每千米往返测高差中数的中误差分别是1310mmDS05DS1型属于精密水准仪,主要用于国家一二级水准和特种工程测量DS3型为普通水准仪,可用于一般工程建设测量,国家三四等水准测量,是目前使用最普遍的一种按水准仪结构分类,目前主要有

12、微倾式水准仪自动安平水准仪和电子水准仪3种水准仪的功能是精确地提供一条水平视线水准仪可分为望远镜水准器和基座3个部件测量仪器上的望远镜主要是用来精确瞄准目标的测量望远镜是利用十字丝瞄准目标的,物镜光心和十字丝交点的连线CC成为视准轴瞄准时视准轴方向就是视线2.2.1.2 水准器测量仪器的水准器用于置平仪器,使某条轴线处于水平或铅垂位置水准器有管水准器和圆水仪器两种（1） 管水准器管水准器又成为水准器,和望远镜连在一起,用于精确指示望远镜的视准轴是否处于水平位分划值可以理解为气泡中心偏离零点1格时,水准管轴LL倾斜的角度DS3型水准仪水准管的分划值一般为20,DS1型的分划值一般为10显然值愈小

13、使水准管轴成水平位置及测量倾斜角的精度也就愈高,既水准管的灵敏度就愈高（2） 圆水准器圆水准器的分划值为810,精度较低2.2.1.3 基座基座呈三角形,主要由轴座角螺旋和底版组成旋转角螺旋,可调节仪器上部的水平状态2.2.2 水准尺和尺垫常用的水准尺有直尺和塔尺两种直尺用于干燥优质木材制成直尺有单面尺双面尺之分一对双面尺的K值分别取4 687mm和4 787mm,配对使用这样有利于校核读数塔尺可伸缩长度为35m,尺面注记同直尺由于尺段的接头处容易磨损而产生误差,因此只用于精度较低的高程测量2.2.3 微倾式水准仪的使用使用水准仪应能做到准确迅速地在水准尺上读取数据水准仪的操作大致可分为3步:

14、安置与粗平,调焦与照准,精平与读数利用三脚架的伸缩螺旋,调节架脚腿的伸出长度;在测站上稳固地张开三脚架,是架头高度适中大致水平;用中心连接螺旋将仪器固定在架头上;检查调节脚螺旋的高度高度适中,不要过高或过低;移动或踩实架脚,使圆水准器气泡不紧圆水准器的内壁移动脚螺旋使圆水准器气泡居中,这样仪器的旋转轴竖轴大致铅垂,视准轴也大致水平,故称粗平调焦与照准,如果照准不准确,回出现视差现象:当眼睛在目镜端上下稍许移动时,发现十字丝与物象之间有相对移动这是因为物象与十字丝板平面没有重合视差回导致观测误差,因此观测中必须消除视差消除视差的方法:调物镜目镜至最清晰,要仔细操作2.2.5 自动安平水准仪自动安

15、平水准仪与微倾式水准仪的区别在于:在结构上没有管水准器和微倾螺旋,在望远镜的光学系统中装置了补偿器.在使用仪器时只需将圆水准器气泡居中,在十字丝交点上便读得视线水平时应得到的读数由于在观测时省去了微倾螺旋整平水准管的操作,即无需精平,这样可缩短水准测量的观测时间,提高工作效率,也有利于提高测量成果的精度目前这种结构的仪器已广泛使用水准仪补偿器的工作范围一般可打15因此当圆水准器气泡居中后,在补偿器的作用下,通过十字丝就可读到水平方向的数据这样使用自动安平水准仪的操作步骤为:安置与粗平,瞄准与调焦,读数补偿器的正常工作,是保证仪器读取水平方向读数的前提如果圆水准器气泡没有居中致使仪器的倾斜超过补

16、偿器的工作范围或补偿器本身失效,都会导致仪器得不到水平方向的读数因此,在一个测站的测量中应检查补偿器能否有效工作有些厂家生产的仪器在望远镜的目镜端设有补偿器检查按钮,在每次读数前按一下该按钮,确认补偿器能正常作用再读数有些读数不设检查按钮在每个测站的测量中,应检查补偿器是否正常在圆水准器气泡居中后,瞄准后视尺,一边观测水准尺读数一边转动某个脚螺旋,使圆水准器气泡沿与视准轴平行的方向有少量移动,但不能越出圆水准器中央的黑圆圈如果在圆气泡移动前后十字丝中读数不变,说明补偿器工作正常2.3 水准测量方法高程测量按测量成果的精度划分等级,在全国范围内,用一二三四等水准测量确定各等级的水准点组成国家高程

17、系统的框架一二等水准测量称为精密水准测量,是全国高程系统的骨干三四等水准点,遍布全国各地,可作为各项工程建设的高程起算数据五等水准测量习惯称为普通水准测量,常用于一般工程建设的高程测量和地形图测绘的图根水准测量用水准测量方法测定的高程控制点称为水准点在国家高程系统中,按国家一二三四等水准测量的技术规范测定的水准点分为一二三四等水准点水准点应设在稳固便于保存和观测的地点水准点分为永久性和临时性两种永久性水准点可采用混凝土制成,顶面嵌入半球型金属标志临时性的水准点可采用大木桩桩顶打入半球钉子,也可以在稳固的物体上突出切便于立尺的地方做出标记进行水准测量所经过的路线成为水准路线相邻两水准点间的路线称

18、为测段水准测量是根据已知水准点待定水准点的分布情况,安排水准路线水准路线有3种基本形式:(1)附合水准路线:如图2-17a,从一个已知高程的水准点出发,用水准测量的方法依次测量若干个待定高程的水准点,最后附合到另一个高程已知的水准点将附合水准路线的两个已知水准点间实测高差与已知高差进行比较,其差闭合差fh,即 fh =-(HB-HA)(2)闭合水准线路:如图2-17b,从已知高程的水准点出发,用水准测量方法依次测定若干个待定高程的水准点,最后又回到原已知水准点闭合水准路线的各段高差之和的理论值应等于零,故其高差闭合差为实测的各段高差之和,即fh =-0 =(3)支水准路线如图2-17c,从已知

19、高程的水准点出发,用水准测量方法依次测定若干个待定高程的水准点为了检核,必须进行往返水准测量其高差闭合差fh =h往+h 返高差闭合差fh为高差的观测值与理论值之差,其大小反映观测成果的精度附合水准路线闭合水准路线的水准测量成果有严密的检核条件,是采用得较多的水准路线形式测站校核有两种方法:(1)两次仪器高法:在同一测站上观测高差两次,要求两次观测时改变仪器的高度,使仪器的视准轴高度相差10以上若两次测量得到的高差之差不超过限差,则取平均高差作为该站观测高差表2-1水准测量的主要技术要求注:结点之间或结点与高级点之间,其路线的长度,不应大于表中规定的0.7倍;L为往返测段,附合或环线的水准路线

20、长度(Km);n为测站数表2-2水准观测的主要技术要求注:二等水准视线长度小于20m时,其视线高度不应低于0.3m;三四等水准采用变动仪器高度观测单面水准尺时,所测两次高差较差,应与黑面红面所测高差之差的要求相同(2)双面尺法:采用红黑面尺测量在一个测站的后前视点上分别读黑面读数红面读数,算出黑面高差和红面高差,若两高差之差不超过限差,则取平均值作为该站观测高差外业观测结束后,首先检查原始记录,确信记录中没有错误后,就着手成果处理受仪器观测外界环境等因素的影响,水准测量的观测数据有误差成果处理的目的是估计观测高差的误差,按照一定的原则消除观测误差,计算出待定点的高程下面以附合水准路线为例,说明

21、成果处理的顺序及方法 计算附合水准路线的高差闭合差计算高差闭合差的容许值调整高差闭合差计算改正后的高差及各点高程三四等水准测量三四等水准测量常作为小地区测绘地形图和施工测量的高程基本控制技术要求三四等水准测量的主要技术要求见表2-1和表2-2水准仪的检验与校正只有水准仪的各种零件的装配满足设计要求,仪器才能提供水平视线这些设计要求可抽象为仪器的主要轴线应满足一定几何关系仪器经过长途运输与使用后,受到震动与碰撞,仪器的轴线之间的几何关系会发生变化,因此水准仪的检验与校正是一项重要的工作微倾式水准仪的检验与校正微倾式水准仪的主要轴线及其应满足的几何关系如图2-20所示,水准仪的主要轴线有:视准轴C

22、C水准管轴LL竖轴VV圆水准器轴L/L/主要轴线应满足的几何关系为:(1)水准管轴LL平行于视准轴CC(2)圆水准器轴L/L/平行于竖轴VV(3)十字丝中丝垂直于竖轴水准仪满足关系(1)时,只有当管水仪器的气泡居中,即水准管轴处于水平位置,视准轴才能水平这是仪器应满足的主要几何关系当水准仪已粗平,即圆水准器轴处于铅垂位置,若仪器满足关系(2)时,则竖轴也铅垂若仪器上部绕竖轴旋转,水准管轴在任何方向上都容易调成立平位置若此时中丝也处于水平位置,则便于用中丝在尺上读数微倾式水准仪的检验与校正水准仪的检验与校正应按下列顺序进行,以保证前面检验的项目不受后面检验项目的影响(1)圆水准器轴平行于竖轴检验

23、方法安置水准仪后,旋转脚螺旋调节圆水准器使气泡居中将望远镜绕竖轴旋转1800后,观测气泡的位置;若气泡仍居中,则仪器满足此项几何关系若气泡不居中,则仪器不满足此项几何关系,必须校正校正方法圆水准器的下面有三个校正螺丝用校正针拨动校正螺丝(2)十字丝中丝垂直于竖轴检验方法用十字丝中丝的一端瞄准一点状目标M,然后用微动螺旋使望远镜在水平方向缓慢移动,同时在望远镜内观察点目标对中丝的相对运动在视场内点目标由中丝一端移动到另一端,如果目标始终在中丝上移动,表明仪器满足此几何关系如果目标逐渐偏离中丝,则仪器不满足此几何关系,必须校正校正方法欲使中丝垂直于竖轴,只需要向点目标方向转动十字丝板的位置转动量是

24、点目标偏离中丝的距离的二分之一(3)水准管轴平行于视准轴检验原理与方法检验步骤 校正方法校正后,必须再进行高差检测,将测得的高差与正确高差比较,其差值应在限差之内,否则重新校正上述每一项检验校正都要反复进行,直至达到要求为止自动安平水准仪的检校水准测量的误差及其消减方法水准测量的观测成果中总有误差,这是由于在观测过程中的仪器误差观测误差外界环境影响综合造成的分析各项误差产生的原因,研究消减误差的方法,可进一步提高观测成果的精度(1)仪器和工具的误差水准仪的误差:仪器经过检验校正后,还会存在残余误差,如微小的i角误差当水准管气泡成中时,由于i角误差使视准轴不处于精确水平的位置,会造成在水准尺上的

25、读数误差在一个测站的水准测量中,如果使前距与后视距相等,则i角误差对高差测量的影响可以消除严格地检校仪器和按水准测量技术要求限制视距差的长度,是降低本项误差的主要措施水准尺的误差:水准尺的分划不精确尺底磨损尺身弯曲都会给读数造成误差,因此必须使用符合技术要求的水准尺(2)观测误差 水准管气泡居中误差:水准管居中的程度,依靠观测者眼睛的判断如果气泡居中有误差,视准轴就不水平,微小的倾角造成读数误差设水准管分划值 =20” ,居中误码差为0.2格,视线长度为75m,则产生的读数误差为: = 居中误差在前后视测量中一般是不相等的,因此在计算测站高差中不能抵消它的影响在观测中,应该仔细地整平水准管,尽

26、可能减少此项误差估读误差:观测时根据中丝在水准尺的厘米分格内的位置,估读毫米数水准尺倾斜的误差:观测时水准尺不竖直,会造成读数误差,且读数恒偏大(3)外界环境产生的误差地球曲率的影响:大气折光的影响:由物理学知,受外界条件影响,地表附近各处的大气密度是变化的,因此视线在通过大气时产生折射现象,这样原本水平的视线折射为曲线,从而对读数产生影响一般应保持视线与地面距离不小于0.2m,并选择大气状况比较稳定的观测时段,避免在气温高的晴天中午进行测量温度变化的影响:当阳光直接照射在仪器上,仪器各部件受热后产生变形,从而影响仪器轴线间的几何关系所以,在晴天测量时应给仪器撑伞防晒仪器和尺垫下沉的影响:由于

27、土质疏松和仪器水准尺的重量的影响,在观测过程中仪器尺垫会随时间逐渐下沉因此,在观测时应选择土质坚实的地方设测站和立尺,并把脚架尺垫踏实;提高观测速度,缩短观测时间此外,在同一个测站两次测定高差时,采用“后前前后”的观测顺序有利于削弱仪器下沉的影响;同一水准路线采用往返观测取平均高差的方法,能减小尺垫下沉的影响国家一二等水准测量和重要建筑物构筑物或设备的沉降观测属于精密水准测量,必须使用精密水准仪及精密水准尺(1)精密水准仪DS05DS1型水准仪属于精密水准仪精密水准仪在性能上有以下特点:仪器的安平精度高微倾式水准器的水准管灵敏度高,分划值不大于10/2mm自动安平方式的水准仪的补偿器的安平精度

28、可达到/望远镜的性能好,放大率较大,物镜孔径较大,观测时成像清晰亮度高十字丝的中丝刻成楔形,能较精确地瞄准水准尺的分划配有光学测微器装置,可直接读取水准尺一个分格,提高读数精度仪器的整体结构稳定,受外界条件变化的影响小(2)精密水准尺精密水准尺又称为因瓦水准尺电子水准仪及条纹编码尺电子水准仪是能进行水准测量的数据采集与处理的新一代水准仪这类仪器采用条纹编码水准尺和电子影像处理原理,用CCD行阵传感器代替人的肉眼,将望远镜像面上的标尺显像转换成数字信息,可自动进行读数记录电子水准仪可视为CCD相机自动安平式水准仪微处理器的集成其和条纹编码尺组成地成水准测量系统第3章角度测量角度测量,包括水平角测

29、量和竖直角测量,是测量的基本工作之一水平角测量用于确定测点的平面位置,竖直角测量用于测定高差或将倾斜距离转化成水平距离角度测量原理水平角测量原理水平角系指相交于一点的两方向线在水平面上的竖直投影所形成的夹角竖直角测量原理竖直角系指在同一竖直面内,观测视线与水平线之间的夹角,其角值为00900竖直角的符号规定如下:当观测视线在水平线之上时,称为仰角,符号为正;当观测视线在水平线之下时,称为俯角,符号为负光学经纬仪经纬仪按其读数设备不同,可分为游标经纬仪光学经纬仪和电子经纬仪游标经纬仪属于旧型仪器,已被淘汰,现在使用的主要是光学经纬仪和电子经纬仪按照经纬仪的测角精度,我国把经纬仪分为DJ07DJ1

30、DJ2DJ6等不同级别其中“D”“J”分别是大地测量经纬仪两词的汉语拼音的第一个字母,下标数字07126等表示该级别仪器所能达到的精度指标,数字越大,级别越低目前土木工程中使用较多的光学经纬仪是DJ2级经纬仪和DJ6级经纬仪各种类型的光学经纬仪,其外形及仪器部件的形状位置不尽相同,但基本构造却是相同的,一般都包括照准部水平度盘和基座三大部分光学对中器用于使水平度盘中心(通常也称为仪器中心)位于测站点的铅垂线上,称为对中经纬仪的使用经纬仪的使用,大致可分为安置仪器照准和读数3个步骤安置仪器安置仪器是将经纬仪安置在测站点上,包括对中与整平两项内容所谓对中,就是通过平移或旋转经纬仪使仪器中心与测站点

31、位于同一铅垂线上对中的方法有两种:用对中器对中或挂锤球对中所谓整平,就是通过升降经纬仪的脚架或调整基座的脚螺旋使水平度盘处于水平位置,这时仪器的竖轴处于铅垂位置安置仪器可按粗略对中整平和精确对中整平两步进行粗略对中整平(1)用光学对中器对中时,一般是先对中后整平其步骤是:先将三脚架升到合适(齐胸高),然后在测点上方张开脚架,连接经纬仪双手轻轻提起三脚架的任意两条腿,以第三条腿的脚尖为圆心左右旋转三脚架,眼睛同时通过光学对中器瞄准地面,直至对中器分划板的刻划中心与测点标志基本重合然后轻轻放下提起两条腿,踩实三脚架的三支脚在提起三脚架的两条腿时,不宜提行过高,以能转动三脚架为宜根据圆水准管气泡偏离

32、中心的位置,依次升降三脚架三条腿的高度,直至圆水准管气泡基本居中应强调的是,在升降三脚架的高度时,应保持三条腿的脚尖在地面的位置不发生移动,这是采用光学对中器进行整平对中的基本要领水平角观测水平角观测方法一般根据观测的精密和观测目标的多少而定,常用的方法有测回法和方向观测法观测角度时,无论采用哪种观测方法,为了减少仪器误差的影响,都要求用正镜和倒镜分别进行观测测回法当一个测站只须观测两个方向之间的水平角时,一般采用测回法方向观测法方向观测法在每半测回依次观测各方向后,最后还应再次观测起始方向竖直角观测竖直度盘的结构竖盘装置是用于测量竖直角的主要设备,其主要部件包括竖直度盘(简称竖盘)竖盘指标竖

33、盘水准管和水准管微动螺旋竖盘是一个带有刻度注记的光学玻璃圆盘,固定在仪器横轴的一端当望远镜在竖直面内转动时,竖盘也随之转动,而用于读数的指标则不动3.5.2 竖直角的计算目前大部分的经纬仪,正镜时竖盘刻划的注记方向为顺时针注记,且始读书x0左为 90这时竖直角的计算公式为:正镜 左= 90- L倒镜 右= R 270一测回角值 =3.5.3 竖盘指标差当视线水平且指标水准管气泡居中时,若指标所指读数为90或270,计算出的竖直角才是正确值.事实上这种条件往往不能满足.即当视线水平且指标水准管气泡居中时,指标所指读数不是90或270,而是与90或270相差一个角值x.也就是说,正镜观测时,实际的

34、始读数为x0左=90+x,倒镜观测时,始读数为x0右=270+x.其差值x称为竖盘指标差,简称指标差.X=一台仪器的指标差在一测站中是固定不变的.因此,可根据指标差的变化检查观测质量.另外,在精度要求不高或不便纵转望远镜时,测定指标差只作正镜观测,按式右=左+x计算竖直角.3.7 经纬仪的检验与校正经纬仪的主要轴线有:照准部水准管轴LL仪器竖轴VV望远镜视准轴CC和仪器横轴HH根据经纬仪的测角原理,经纬仪的各轴线间应满足以下几何条件（1） 照准部水准管轴LL应垂直于仪器轴VV（2） 视准轴CC应垂直于仪器横轴HH（3） 仪器横轴HH应垂直于仪器竖轴VV此外,经纬仪望远镜十字丝应垂直于横轴,竖盘

35、指标应处于正确位置,光学中器的光轴应与仪器竖轴重合经纬仪各轴线或部件间的上述关系,在长期使用后会经常发生变化因此在使用经纬仪前应对经纬仪的上述关系进行检查,必要时应进行校正3.7.1 照准部水准管轴垂直于仪器竖轴的检验和校正照准部水准管轴不垂直于仪器竖轴时,其偏差值成为竖轴误差,这时尽管照准部水准管在两个互相垂直的方向是气泡居中,但竖轴并不处于铅垂位置,水平度盘也不水平检验方法,首先将仪器大致整平,转动照准部,使水准管平行于一对脚螺旋的连线,旋转脚螺旋使气泡居中再转动照准部180,竖轴位置不变,水准管轴与水平度盘之间的夹角仍为,但水准管轴不再水平,而与水平线间的夹角为2,并通过气泡偏离水准管零

36、点的格数反映出来校正时,先用拨针拨动水准管校正螺丝,使气泡退回偏离量的一半,在通过调节脚螺旋使气泡居中这时,照准部水准管轴与仪器竖轴垂直此项检验与校正须反复进行,直至满足要求3.7.2 视准轴垂直于仪器横轴的检验与校正望远镜视准轴不垂直于横轴时,其偏差值为视准误差,用C表示仪器被整平后,横轴保持水平这时,若视准轴与横轴垂直,纵向转动望远镜,视准轴将划出一竖直面;若视准轴与横轴不垂直,则视准轴划出的不是竖直面,而是一个圆锥面检验方法:在地面一点安置仪器,远方水平方向选一与仪器大致同高的明显目标A盘左瞄准目标得读数左,然后盘右瞄准目标得读数右设视准轴误差为C,这时有右=左180-2CC=对于J6级

37、经纬仪,若C60则必须校正校正方法:调节照准部制动螺旋,使盘右读数为a右+C,此时望远镜十字丝已偏离目标调节十字丝环左右两校正螺丝,使十字丝交点对准目标这时视准轴应与横轴垂直此项检验校正也须反复进行,直至满足要求3.7.3 横轴垂直于竖轴的检验与校正横轴不垂直于竖轴时,其偏差值称为横轴误差,用i表示当仪器存在横轴误差时,仪器在整平后,纵转望远镜,视准轴划出的不是一个竖直面,而是一个倾斜面检验方法:在距一高约30m处安置仪器,并在高墙高处选一目标P盘左瞄准目标P,然后转动望远镜使视线水平,由十字丝交点在墙上定出一点p1;盘右再瞄准目标P,同样使视线水平,在墙上又定出一点P2,则i 角可按下式计算

38、:i=式中,为P点的竖直角;D为仪器至P点的水平距离校正方法:此项校正一般由专业维修人员完成其方法是:转动仪器,瞄准P1与P2连线的中点纵转望远镜,这时高处P点偏离十字丝交点,调整仪器横轴,使十字丝交点对准P点3.7.4 十字丝竖丝垂直于仪器横轴的检验与教正检验方法:用十字丝交点精确瞄准远处一清晰目标A旋紧照准部制动螺旋和望远镜制动螺旋,转动望远镜微动螺旋,如果A点不离开竖丝,则条件满足否则须校正校正方法:旋下目镜分划板护盖,松开4个压环螺丝,漫漫转动四周上分划板座,然后再作检验,直至条件满足后再拧紧压环螺丝,旋上互盖3.7.5 竖盘指标差的检验与校正检验方法:在一点安置仪器,任选一目标观测竖

39、直角一测回,计算出指标差x.当x60时,则应校正校正方法:盘右瞄准目标不动,转动竖盘指标水准管微动螺旋,使读数等于R-x(R为盘右时的竖盘读数)这时指标水准管气泡不再居中,用拨针拨动指标水准管校正螺旋使气泡居中即可此项检验校正也须反复进行3.7.6 光学对中器的检验与校正常用的光学对中器有两种,一种是装在仪器的照准部上,另一种装在仪器的基座上无论哪一种,都要求其视准轴与经纬仪的竖轴重合3.7.6.1 装在照准部上的光学对中器检验方法:在平坦地面任一点架上仪器并整平用对中器刻划圈的中心瞄准地面点A,并作“+”字记号转动照准部180,若对中器刻划的中心偏离“+”字中心,则须校正校正方法:找出“+”

40、字中心与刻划圈中心的中点P,调节转向棱镜座上的调节螺钉,直至刻划圈中心与P点重合3.7.6.2 装在基座上的光学对中器检验方法:在平坦地面任一点上架上仪器并整平沿基座的边缘用铅笔把基座轮廓画在三脚架顶部的平面上然后在地面上放一张纸将对中器刻划圈中心的位置在纸上标出;稍松连续螺旋,转动基座120,使基座的边缘与三脚架顶部所划的基座轮廓边对齐,旋紧连接螺旋并整平仪器,又将刻划圈中心的位置在纸上标出;再转动基座120重复以上操作以上3次在纸上标出的点若不重复,则定出误三角形的中点,以便校正校正方法:用拨针或螺丝刀转动对中器的调整螺丝,使其刻划圈中心对准示误三角形的中心点3.8 水平角测量误差水平角测

41、量受多种误差的影响,主要有仪器误差仪器安置误差目标偏心误差观测误差以及外界条件的影响研究这些误差的成因及性质,以便采取适当措施消除或减弱其影响,从而提高测角的精确度3.8.1 仪器误差仪器误差来源与仪器的制造加工不完善和仪器检校不完善,其误差主要包括三轴误差(即视准轴误差横轴误差竖轴误差)度盘偏心及度盘刻划误差等仪器误差对于水平角测量的影响主要属于系统误差,其符号和大小具有一定规律,因此可采取一定的措施消除或减弱其影响例如仪器的视准轴误差横轴误差度盘偏心差等对水平角的影响,在盘左和盘右观测时,其影响值的大小相等,符号相反因此可通过盘左盘右观测取平均值的方法消除这些误差的影响度盘刻划误差一般很小

42、,在测回观测中,可通过各测回配置不同水平度盘读数来减弱其影响但仪器竖轴误差在盘左观测和盘右观测水平角时,其影响的符号相同,不能用观测方法来消除,因此要求对仪器竖轴误差进行仔细检验和校正,并在水平角测量前应特别注意整平仪器,在一测回观测过程中视准轴气泡偏离水准管零点的偏离量应不超过一格,使竖轴误差控制在一定的范围之内3.8.2 仪器安置误差安置经纬仪的误差包括中对中误差和整平误差3.8.2.1 对中误差观测水平角时,由于对中不准确,使仪器中心与测站点不在同一铅垂线上,成为对中误差3.8.2.2 整平误差整平误差是指安置仪器时竖轴不竖直的误差整平误差对水平角测量的影响,除了与其大小有关外,还与观测

43、目标的竖直角有关观测目标的竖直角越大,其影响越大整平误差对水平角测量的影响不能用观察方法来消除因此,在观测过程中如发现水准管气泡偏离零点一格以上,应重新整平仪器,并重测该测回各方向的角值在山区作业时,更要注意整平仪器3.8.3 目标偏心误差测量水平角时,如果所瞄准的目标有偏斜或目标没有准确安置在标志中心,将因此产生目标偏心误差3.8.4 观测误差观测误差主要包括瞄准误差和读数误差3.8.4.1 瞄准误差主要与人眼的分辨率和望远镜的放大倍率有关,人眼分辨两个点的最小视角一般为60设经纬仪望远镜的放大倍率为V,则用该仪器观察时,起瞄准误差为: mv=一般情况下,V为2530倍,因此mv一般为瞄准误

44、差无法消除,只能从观测标志的形状大小颜色及瞄准方法上进行改进3.8.4.2 读数误差读数误差主要取决于仪器的读数设备,也与照明情况以及观测人员的经验有关3.8.5 外界条件的影响外界条件的影响因素很多,如强风会影响仪器的稳定,机器的振动烈日曝晒和温度的变化会使水准管气泡的位置产生变化,大气的透明度回影响照准精度,大气折射和地面热辐射会改变光线的方向等等,这些因素都会影响测角的精度要完全避免这些影响是不可能的,只能选择在有利的时间和条件下进行观测,尽量避开不利因素,将外界条件对观测的影响降低到最小程度例如,观测尽量安排有不同的时间段进行;晴天观测时应打伞,不让太阳直晒仪器;观测视线应离地面有一定

45、高度,并避免从热辐射源(如烟囱等)的上方通过,以减小折光误差的影响,等等3.9 电子经纬仪简介经纬仪在结构和外观上与光学经纬仪基本类似,使用方法与光学经纬仪也基本相同,包括安置仪器照准目标和读数三个步骤除读数显示器上直接读取外,其他步骤的操作方法与光学经纬仪完全相同电子经纬仪与光学经纬仪主要区别在于读数系统第4章 距离测量与直线定向距离测量是确定地面点位的基本测量工作之一常用的距离测量方法有钢尺量距视距测量电磁波测距和GPS测量等4.1 钢尺量距钢尺量距是用钢卷尺沿地面直接丈量距离根据零点位置的不同,钢尺有端点尺和刻度尺两种4.1.1 直线定线当地面两点之间的距离大于钢尺的一个尺段时,就需要在

46、直线方向上标定若干个分段点,这项工作称为直线定线,其方法有两种（1） 目测定线目测定线适用于钢尺量距的一般方法（2） 经纬仪定线经纬仪定线适用于钢尺量距的精密方法4.1.2 钢尺量距的一般方法丈量精度要求为厘米级时,可用此法.4.1.4 钢尺量距的误差分析钢尺量距的主要误差来源有下列几种:（1） 尺长误差（2） 温度误差（3） 钢尺倾斜和垂曲误差（4） 定线误差（5） 拉力误差（6） 丈量误差4.2 视距测量视距测量是一种间接测距方法,它是利用望远镜内十字丝分划板上的视距丝及刻有厘米分划的视距标尺(地形塔尺或普通水准尺)根据光学原理同时测定两点间的水平距离和高差其中测量距离的相对精度约为1/3

47、00,低于钢尺量距精度;的顶高差的精度低于水准测量和三角高程测量精度4.2.1 视准轴水平时的视距计算公式为:D = = 4.2.2 视准轴倾斜时的视距计算公式: 水平距计算公式为:高差计算公式: h = h+ i v =1/2Klsin2+ i v =Dtan+ i v 4.3 电磁波测距电磁波测距是用仪器发射并接收电磁波,通过测量电磁波在待测距离上往返传播的时间结算出距离.4.3.1 概述电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波,传输测距信号,以测量两点间距离的一种方法与传统的钢尺量距和视距测量相比,具有测程长精度高作业快工作强度低几乎不受地形限制等优点电磁波测距仪按其所采用的载波可分为

48、:用微波段的无线电波作为载波的微波测距仪;用激光作为载波的激光测距仪;用红外线作为载波的红外测距仪后两者又统称为光电测距仪微波和激光测距仪多用于长程测距,测程可达60km,一般用于大地测量;而红外测距仪属于中短程测距仪(测程为15km以下),一般用于小地区控制测量地形测量地籍测量和工程测量等4.4 直线定向确定地面直线与标准方向间的水平夹角称为直线定向4.4.1 标准方向的分类（1） 真子午线方向地表任一点P与地球旋转轴所组成的平面与地球表面的交线称为P点的真子午线,真子午线在P点的切线方向成为P点的真子午线方向可以应用天文测量方法或者陀螺经纬仪来测定地表任一点的真子午线方向（2） 磁子午方向

49、地表任一点P与地球磁场南北极连线所组成的平面与地球表面的交线称为P点的磁子午线,磁子午线在P点的切线方向可以应用罗盘仪或者罗盘经纬仪来测定（3） 坐标纵轴方向过地表任一点P切与其所在的高斯平面直角坐标系或者假定坐标系的坐标纵轴平行的直线成为P点的坐标纵轴方向4.4.2 表示直线方向的方法测量中,常用方位角来表示直线的方向,其定义为:由标准方向的北端起,顺时针到直线的水平夹角方位角的取值范围是0360利用上述介绍的3个标准方向,可以对地表任一直线PQ定义3个方位角在土木工程测量中用得最多的是坐标方位角4.4.4 用罗盘仪测定磁方位角罗盘仪是测量直线磁方位角的一种仪器,该仪器构造简单,使用反边,但

50、精度不高在小的范围内建立平面控制网时,可用罗盘仪测量磁方位角,作为该控制网起始边的坐标方位角象限角是边长方向与坐标纵轴之间的水平夹角,取值范围是-90+90第5章测量误差基本知识5.1 测量误差的来源极其分类5.1.1 测量误差的定义观测对象的量是客观存在的,称为真值每次对观测对象进行观测,所得的数值称为观测值设观测值为li(i =1,2,n),某观测量的真值为X,则两者差数i = li X (i =1,2,n)称为真误差5.1.2 测量误差的来源产生测量误差的原因有多种,其主要来源可概括为:(1) 仪器误差:观测仪器机械构造上的缺陷和仪器本身精密度的限制(2) 观测者的误差:观测者的技术水平

51、和感觉器官的鉴别能力有一定的局限性,主要体现在仪器的对中照准读数等方面(3) 不断变化着的外在条件:在观测过程中,外界条件是变化着的如大气温度湿度风力透明度大气折光等由于仪器观测者和外界条件三方面因素综合影响观测结果,使其偏离真值而产生误差,因此,把三者合称为观测条件观测结果的质量与观测条件的好坏有着密切的关系观测条件好,观测时产生的误差就可能小些,因而观测结果的质量就高些;相反,则观测结果的质量就低些当观测条件相同时,观测结果的质量可以认为相同在相同的观测条件下所进行的一组观测,称为等精度观测在不相同的观测条件下所进行的一组观测,称为不等精度观测不论观测条件好坏,在整个观测过程中,测量误差总

52、是不可避免的在弄清其来源后,分析其对观测的影响,可以获得较好的观测结果5.1.3 测量误差的分类按其对观测结果影响的性质可分为:（1） 粗差粗差是一种大量级的观测误差,属于测量上的失误在测量成果中,是不允许粗差存在的粗差产生的原因较多,主要是作业员的疏忽大意,失职而引起的,如大数被读错读数被记录员记错照准错误的目标等在观测数据中应尽可能设法避免出现粗差能有效地发现粗差的方法有:进行必要的重复观测;通过多余的观测,采用必要而又严格的检核验算等方式均可发现粗差含有粗差的观测值都不能采用因此,一旦发现粗差,该观测值必须舍弃或重测（2） 系统误差系统误差是在一定的观测条件下作一系列观测时,起符号和大小

53、均保持不变,或按一定规律变化着的误差产生系统误差的原因有很多,主要是由于使用的仪器和工具不够完善及外界条件改变所引起的例如,水准尺的1m刻划与1m真长不等,水准仪的视准轴与水准管轴不平行,大气折光对测角的影响等等系统误差对观测成果具有积累作用,因此,在测量工作中,应尽量设法部分或全部地消除系统误差改正方法有两种:在观测方法和观测程序上采取必要的措施,限制或削弱系统误差的影响如水准测量中的前后视距应保持相等,分上下午进行往返观测三角测量中的正倒镜观测,盘左盘右读数,分不同的时间段观测等分别找出产生系统误差的原因,利用已有公式,对观测值进行改正,如对距离观测值进行必要的尺长改正温度改正地球曲率改正等等（3） 偶然误差在相同的观测条件下,作一系列的观测,如果观测误差在大小和符号上都表现出随机性,即大小不等,符号不同,但统计分析的结果都具有一定的统计规律性这种误差成为偶然误差偶然误差是由于人的感觉器官和仪器的性能受到一定的限制,以及观测时受到外界条件的影响等原因造成的如仪器本身高燥不完善而引起的误差,观测者的估读误差,照准目标时的照准误差等,不断变化着的外界环境,温度湿度的忽高忽低,风力的忽大忽小等,会使观测的数据有时大于被观测量的真值,有时小于被观测量的真值由于偶然误差表现出来的随机性,所