全站仪三角高程测量在施工中的法及消除.doc(刘道旺)

1、（论文）指导教师审阅意见表论文题目全站仪三角高程测量在施工中的应有及消除影响三角高程因素方法 姓名刘道旺专业测量指导教师姓名职称论文得分指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日（论文）评阅人意见表论文题目全站仪三角高程测量在施工中的应有及消除影响三角高程因素方法姓名刘道旺专业测量评阅人姓名职称论文得分评阅人评语： 评阅人签名： 年 月 日目录前言1摘要关键词2前言2第1章 概述21.1 水准测量和三角高程的比较21.2 本文研究的目的和意义31.3三角高程控制测量3第2章全站仪安置在测站的三角高程32.1全站仪安置在任意点的三角高程测量32.2三角高程测量高程的精度估算3第3.0章全站仪在线

2、路高程测量中的应用63.1悬高测量63.2后方交会高程测量63.3施工中高程放样测量7.0提高三角高程测量精度的方法124.1 提高竖直角观测精度124.2提高垂直角观测精度的措施134.3提高仪器高与镜高的量测精度144.4大气折光差是影响三角高程的主要因素怎样尽量消除此项误差 14第5章提高仪器高与镜高的量测精度22结论25致谢26参考文献27结束语28全站仪三角高程测量在施工中的应用及消除影响三角高程因素方法摘要：介绍利用全站仪在施工工程中测量高程的应用，及影响三角高程精度的因素，和怎样消除或减小这些因素的方法。关键词：三角高程测量,斜边距，竖直角 ，大气折光差前 言高程控制测量的方法主

3、要是水准测量和三角高程测量。水准测量的特点是测量高程的精度高。然而在我们施工现场测量工作一般在高低不平的山区、丘陵地区以及倾角大于8°的井下倾斜巷道进行时，用水准测量求高程就极其困难，甚至根本无法进行。这时就要选择三角高程的方法进行施工现场高程的测量。并且熟悉的运用全站仪在测量高程的各种方法。但是三角高程测量的精度比较低,不能应用于高精度工程测量。三角高程测量的精度提高后,在大部分工程甚至精密工程中可以代替水准测量，这样就能尽快缩短工期，降低工程预算。因此提高三角高程测量的精度就十分必要。提高三角高程的精度,首先必须了解三角高程测量的方法。并在不同的地形条件下,采取适当的方法。其次还

4、要充分了解影响三角高程测量的主要误差,掌握消除测量误差的方法。大气折光误差一直是制约三角高程测量的重要因素,因此如何消除大气折光误差和确定大气折光系数一直是人们研究的重点。本文详细讲述了近地面大气折光的特征及其大气折光系数的确定方法，通过各种方法减弱测量误差的影响,从而提高三角高程测量的精度。文章还提出一种新的方法进行三角高程测量。这种方法既结合了水准测量的任意置站的特点，又减少了三角高程的误差来源，同时每次测量时还不必量取仪器高、棱镜高，使三角高程测量精度进一步提高，施测速度更快。最终，能保证三角高程测量代替二、三等水准测量的方案。 随着测量仪器和技术的不断发展，近年来随着全站仪精度的提高，

5、三角高程已经可以取代三、四等水准测量，工程实践和文献介绍表明，三角高程甚至有取代二等水准测量的趋势。这证明道路施工中完全可以用全站仪代替水准仪进行高程测量。1.概述高程控制测量主要采用三角高程测量和水准测量的方法来测定各等级水准点和平面控制点的高程。利用全站仪测量三角高程测量在施工测量中占很大优势，并且广泛应用。1.1水准测量和三角高程测量的比较十九世纪以前，三角高程测量几乎是测定控制点高程的基本方法，而且广泛用作地形测量的高程控制。但是，由于近地面大气层的垂直折光使观测天顶距受到扭曲，成为限制三角高程测量精度的主要障碍，特别是在大比例尺测图时，要求高精度地测定目标点的高差和高程。另一方面，由

6、于几何水准的发展，并逐渐成为高程控制，特别是精密高程控制的重要手段，而使三角高程测量变成一些特殊情况(如高山区或次要地区等)的几何水准的补充。但是，几何水准的速度慢，而且劳动强度大，在长倾斜路线上也还受到垂直折光的累积性影响，当前、后视视线通过不同高度温度层时，每100m高差中误差可能产生系统性影响为15-30mm。此外，几何水准测量转点多，标尺与仪器下沉误差是另一项系统误差来源。另外，在丘陵、山区用几何水准测量传递高程是非常困难的，有时甚至是不可能的。三角高程测量是传统的测定控制点高程的基本方法。这种方法简便灵活，受地形条件的限制较少，适用于测定三角点的高程。它与水准测量一样，都是以大地水准

7、面为基准起算面，所测得的高程为正高高程。三角高程测量的最大优点就是在测定控制点平面位置的过程中同时测定其高程，与水准测量相比，能一次测定距离较远或者高差较大两点间的高差。但是三角高程测量的精度比水准测量的精度低，因此必须采取措施提高三角高程的测量精度。1.2本文研究的目的及意义本文主要研究利用全站仪在施工高程测量中工作中的几种方法，通过减小三角高程测量时的各项误差从而达到提高三角高程测量精度的目的。通过提高三角高程测量的精度，在工程中可用三角高程测量代替水准测量，从而缩短工期，降低工程预算。1.3三角高程控制测量我在南水北调S28标在施工过程中，我们单位进场之后首先要复测已知点、加密施工测量导

8、线，传统的方法是导线、水准测量分别进行，根据我的经验可以用全站仪进行三角高程导线测量。三角高程测量的基本思想是根据由测站向照准点所观测的垂直角（或天顶距）和它们之间的水平距离，在测垂直角的过程中我们利用了盘左/盘右的办法，精确照准后，每次观测最少2次，总共分4次观测然后在取每次观测平均数的平均数为本次观测垂直角的数据。两点之间的水平距离观测时每次读数观测4次数据，然后取平均数为两点水平距离。然后利用三角高程公式计算测站点与照准点之间的高差。这种方法简便灵活，受地形条件的限制较少，故适用于测定三角点的高程。三角点的高程主要是作为各种比例尺测图的高程控制的一部分。一般都是在一定密度的水准网控制下，

9、用三角高程测量的方法测定三角点的高程。最后我们可以利用三角高程回到已知点进行复测。复测结果与已知点误差1.2毫米。符合工程施工测量高程的要求。2.0全站仪安置在测站的三角高程07年在我们进入施工现场后，开始施工前为了选线、测带状地形图及施工测量方便，导线边长在1200m 属正常，尽量保证各边长长度相等。但是设计、施工之间有一定时间间隔，控制点难免有损坏，而且有些线路设计单位本身布网点间距就较大，我们在南水北调所见导线平均边长500600m，个别达到千米。当导线边较长、倾角较大，应将斜长化为平距并将水平长度归化到投影水准面上。设斜长为L，斜长L 投影在水准面上的长度S，地球曲率影响的角度 为S

10、所对应地球圆心角，天顶距，折光角1。仪器高i,棱镜高v。考虑到cos(/2)1， cos(/2-1)1h=Lcos +Lsin sin(/2-1)+i-v设近似高差h=Lcos 近似高差的改正值h=Lsinsin(/2-1)h=h+h+i-v往返测量高差的差值：dh=h´AB+h´BA+2Lsinsin(/2-1)+(iA+iB)-(vA+vB取往返测量的高差平均值进行平差得到最终高程。2.1全站仪安置在任意点的三角高程测量在施工过程中我们不断试验，如果我们能将全站仪象水准仪一样任意置点，而不是将它置在已知高程点上，同时又在不量取仪器高和棱镜高的情况下，这样就能大大减少工作

11、量，并且使精度能满足施工高程测量的要求。利用三角高程测量原理测出待测点的高程，那么施测的速度将更快、精度更高。于是我们就做了这样的实验，假设A、B 两点的高程已知，这里要通过全站仪测定其它任意待测点的高程。Hi =HA（ 或HB ） +( Lcos+i-v)上式除了Lcos 即h´的值可以用仪器直接测出外， i, v 都是未知的。但有一点可以确定即仪器一旦置好， i 值也将随之不变，同时选取跟踪杆作为反射棱镜，假定v 值也固定不变。基于上面的假设W= HA（ 或HB ）+（i-v）在任一测站上也是固定不变的.而且可以用A、B点的高程计算出它的值W。根据W，测量任意点得到的Lcos，不

12、用测量仪器高i,棱镜高v。可以通过观测、计算任意点高程Hi=W+Lcos 。这样对于开挖渠道的斜坡坡脚线及开口线高程的放样很方面。精度一样能达到了水准测量的标准，因为通过这样的方法不用量取仪器高、棱镜高，减少了误差系数，大大提高了三角高程的精度。并且能很好的节约测量时间。2.2三角高程测量高程的精度估算采用加工精度较高的架腿，仪器高、棱镜高的误差很小，可不考虑；而且在上述2 中已不存在仪器高、棱镜高的误差，针对全站仪测量高程的精度我们做了试验。设测站到A 点斜距为L，天顶距为，我们假设以上数据都是固定的则高程Hi=HA+Lcos +i-v，根据误差传播定律Hi 的精度为M2Hi=(Lsin)2

13、(ma/)2+(cos)2(mL)2根据所得数据我们发现测边误差对高程的影响随着倾角的增大而变大，倾角误差的影响随着倾角增大而变小，取全站仪测角精度±0.5，测距精度±(0.3+1×10-6）mm,导线点距离100m 时，测距误差±0.4mm,=0 时 MHi=0.001mm。通过数据显示不管是用DS1、DS3 水准仪进行水准测量，这样的三角高程测量精度比他们一点不逊色，当然全站仪厂家不同，型号各异，精度不同。在施工测量过程中为满足施工要求尽量选择精度比较高的仪器。但考虑水准仪测量误差及在山地测量的不便，大力推广全站仪三角高程测量仍很必要。在我们渠道1：

14、2.5的斜坡高程测量和墩台施工中以及多次进行跨河水准测量闭合差均超限，因为这些结构进行水准测量有很大的困难。后来改用全站仪三角高程测量解决了这个问题。3.0全站仪在线路高程测量中的应用利用全站仪在线路测量中一般我们用往返测取平均值，并按规范要求平差。这里我主要介绍自己在施工中常用的两种方法：悬高测量、和后方交会高程测量。以及在利用全站仪在施工过程的高程测量放样。这些都是在施工测量中常见到的高程测量，利用全站仪进行高程测量非常方便。3.1 悬高测量首先，我先谈下利用全站仪进行悬高测量在施工中的应用。 我们项目安设的水泥罐顶高程，但上面无法上人在其上立棱镜需要进行悬高测量，以尼康520电子全站仪为

15、例。（1） 将棱镜设在待测物上固定一点，然后读取棱镜高；并且不用记录数据。全站仪有自动记录功能。（2）精确的量取仪器高，然后输入棱镜高后照准棱镜，并且精确照准棱镜中心，测量距离；读取两次读数取其平均数作为最终数据。（3）在菜单中选取悬高测量；（4）照准待测物，屏幕显示地面点到待测物高度。如果用水准测量很难完成此项任务。在施工过程中对于这些高程建筑的摸某一点需要测量其高程点，并且人为没有办法达到的情况下，我们可以广泛的应用悬高测量能很快的测出高程。3.2 后方交会高程测量 在施工现场由于设备、人员比较多测量加密的控制点很容易被破坏，如我们在桥梁施工过程中基坑开挖边角放样加密点有时间很难观测到基坑

16、内部。水准也很难引进里面。如果重新引点不可能和已施工部分完全吻合，那么我就以已知点和已完工的墩台做为后视进行后方高程交会恢复测站高程是最好的办法了，既能保证和控制点吻合又能和已完工部分吻合。 我两点之间找一通视点，架设好仪器精确的量取仪器高，具体操作步骤如下：（1）在菜单中选取后方交会；按确定键。（2）屏幕上选取交会高程并输入所有已知点高程，两点或者三点均可。（3）然后精确照准各已知点观测；（4）当观测量足以计算测站高程时屏幕提示计算；（5）观测完全部点后按计算，屏幕显示计算结果。（6）然后我们在照准已知点进行检查。经过试验我们用符合导线进行四等水准测量的复测，结果表明与后方交会的高程相吻合，

17、故可以得出结论后方交会的高程测量在施工中可以代替水准测量并且能广泛的在施工中应用。3.3 施工中高程放样测量 我施工的项目是渡槽工程，结构物有桩基、承台、墩身，及顶面的侧墙桥涵的墩台顶面及基础，一般与地面已知控制点高差较大，我们一般使用水准测量测出高程，但是个别的墩身高数十米，直接用几何水准测量困难，有时间我们一般辅以悬挂长钢尺的方法测量或者用两台水准仪进行，该方法劳动强度大、效率低、精度差。因为我们在测量的过程中在高处很难固定，仪器和人有时间容易晃动。并且需要至少两个人的配合才能完成所以精度很难保证。用全站仪三角高程测量就能很好解决这类问题。全站仪S-OV=高差实测值-高差放样值，仪器根据测

18、站高、放样点设计高、仪器高、棱镜高进行计算。实际上高程放样关键是根据施工图计算放样的高程，就是根据图纸显示的高程放样出来。在施工放样过程中我遇到很多拦路虎，如在施工过程中我遇到渡槽的出水口的防水墙要我很头疼，因为他是个反坡高程测量，在测量高程的过程中还要考虑斜坡的距离，根据坡比计算他的高程，每次利用全站仪放样数据都有误差，因为棱镜很难在斜坡上立稳。为了提高精度我就用几何水准测量斜坡上一固定点高程作为校核点，这样利用全站仪测完几个高程点就进行一次复核。最终在满足精度要求的前提下完成了高程的放样。利用全站仪测量高程放样，是我们施工中常用的方法，体高程放样方法如下：（1）在测站安置全站仪，精确测量仪

19、器高；首先我们对仪器高的测定，如果采用尺子直接量取的方法，其精度只能达到17 mm， 很难达到测高的要求。为此，下面提出应用解析法测定仪器高， 通过精度分析，此方法完全可以达到较为理想的精度。l. 公式推导根据仪器测得两点的上、下丝读数、竖直角以及两点的高差或斜距， 导出仪器高计算公式。方法I 如图4.2(a)所示， 仪器安置在测站点A上， 设仪器高为i， 在B点(AB距离为1015 m)立尺， 设上丝读数时的竖直角为， 下丝读数，时的竖直角为， 假设视线水平时读数为， 又设AB两点高差为h(用精密水准仪测定). 则由上式得： （3.1）则仪器高为 (3.2)方法2 如图4.2(b)所示， 测

20、定AB高差和斜距L(用精密方法测定)，则AB的水平距离为设读数为a时的竖直角为， 视线水平时读数为， 则 （3.3）仪器高为 （3.4）图4.22 精度分析方法I 由于竖直角测量、测量高差及读数都存在误差， 根据误差传播定律， 对(3.2)式微分得 转化为中误差公式，=206265， 经整理得 （3.6）由于等精度观测，取则上式为 （3.7）由公式(4.1)，根据试验得=0700 m，=0.838 m,=0°0532 ， =-0°2844 ，h0.74 m， 高差中误差取=±02mm， 读数误差=±02lmm，测角误差取=±104 ，代人上式求

21、得中误差=±0.2mm。方法2 微分(4.4)式 (3.8)转化为中误差公式并经整理得 （3.9）根据实验得a0.838m，=0°0532 ，L=13845m，hAB =0.740m， 用N 3测得高差中误差取土0.2mm， 测角中误差取土1.04 ， 读数中误差取土0.2mm， 距离中误差取±0.2mm， 代入中误差公式(4)算得=±0.28mm。用解析法测定仪器高， 方法1的精度主要取决于两点高差测定的精度， 根据目前精密水准仪测定两点高差的精度完全可以达到±02 mm， 故完全可以满足测定仪器高的精度。由此精度对测角和测距精度用红外测距仪

22、、全站仪测定点的高程， 完全可以达到二、三等的水准测量精度要求。由(4.9)式可看出，用方法2测量仪器高的精度主要依赖于读数和高差精度。如果用毫米为最小刻划的标尺，其读数精度可达到±0.2 mm，用精密水准测量方法，高差精度可达到土0.2 mm，测量仪器高的精度亦相应达到土0.28mm，从而此方法测量仪器高也完全可以用于测量点的高程。（2）仪器高输入完成后，菜单会自动进入放样程序；（3）选取放样数据，按S-O，输入模式将在斜距、平距、高差、悬高间切换，按读取可调用内存中的已知高程（就是在施工过程中经常使用的高程控制点，为了现场方面提前输入已知点高程，直接提取就可以了），按观测进行放样

23、；（4）表示低于放样高程，表示高于放样高程，按照屏幕显示上下移动棱镜并用十字丝对准棱镜中心；（5）放样结束在对中杆底部所对位置做好标记，对中杆要立直保证水准气泡居中。土方工程一般用桩标记放样高程或标记在桩顶或用油漆记在桩侧，桥涵混凝土工程一般用油漆标记在混凝土壁或模板上；（6）复测检核放样点高程；可以找一点用几何水准方法复核其精度。（7）在实际工作中高程放样宜和直线角度放样、坐标放样同步进行。也很容易忽视棱镜常数的输入，或者棱镜高的改正，这样给高程测量带来误差。也是我们施工放样中经常忘记的两个关键点。最后我想介绍的就是利用全站仪在高程放样中应该注意的问题，影响三角高程测量精度的因素，怎样尽量消

24、除这些误差的影响。在以后的施工放样高程测量中我们尽力避免或者消除。首先我们通过图形和三角高程的公式能更清楚的看到影响三角高程的因素。在控制测量中，由于距离较长，所以必须以椭球面为依据来推导三角高程测量的基本公式。图2.1由图可换算三角高程公式，则公式可写成 (2.2)全站仪三角高程测量误差的来源主要有以下四个方面。41.测距误差的影响全站仪测距误差mt对高差的影响与竖直角的大小有关，但从理论计算上和实践中表明，这种影响通常很小。工程测量中，通常用的全站仪测距精度不低于±(5+5ppm.S)mm 由于测距精度很高，因此测距误差对高程测量的影响很小。精密三角高程中使用I、级电磁波测距仪进

25、行边长的测量，按照=±(2mm+2ppm×D)和计算，得不同距离及天顶距对高差中误差的影响 见表3.l。可见，边长测量的误差对对向观测高差精度的影响较小表3.1不同距离及天顶距对高差中误差的影响 单(mm)D（km）Z(°)0.20.40.81.01.51.82.0880.060.070.090.100.120.140.15840.180.210.270.300.370.420.45750.460.530.680.760.951.061.142.测角误差的影响测角误差包括观测误差，仪器误差及外界条件影响。观测误差中，有照准误差，读数误差及外界条件影响主要是指大气折

26、光，但空气对流，空气能见度等也影响照准精度。目前，全站仪竖盘指标设有自动归零补偿装置，从而提高了测角精度。分析表明，竖直角观测中误差对高差的影响随边长的增长而增大，这项影响比测距误差的影响要大而多。3.大气折光的影响大气折光的影响主要取决于空气的密度。空气密度在一天之内从早到晚不定的变化着，一般认为早晚变化较大，中午比较稳定，阴天与夜间空气的密度也比较稳定，所以折光系数是个变数，通常采用平均值来计算大气折光的影响，故计算中采用的系数值是有误差的。当全站仪采用对向观测，而且又要求在尽可能短的时间内完成时，则大气折光系数的变化是非常小的。这种情况下，对向观测可以大幅度降低大气折光的影响。但实际上无

27、论采用何种措施，大气折光系数都不可能完全一样。为了说明大气折光的影响，我用YOPCON-311S 2级仪器对在单位院内选定的四个点进行了之间的竖角进行了连续观测。所得结果如下表表.时间边名时间边名时间边名时间边名A-BB-CC-DA-C10:00-5°48498:305°27168:155°473310:00-13°585616:30-5°48569:005°27268:455°472310:30-13°584317:00-5°483115:305°273215:305°475215:

28、30-13°592716:005°274016:00-13°5838从表中可以看出竖角的最大差值为31,可见大气折光对三角高程的影响非常显著。4.量高误差一般容易精确测量到仪器高i，目标高v在有些情况下不容易测量，但量高误差对高程的影响却是直接的。作业时，测量仪器高i和目标高v各两次并精确到1mm，然后取平均值，可以使=2mm。对于单向半测回观测，一般多采用杆棱镜，读取杆棱镜时，本身就有2mm的误差，而立杆棱镜时杆身倾斜又是常有的。假设棱镜杆倾斜3°，棱镜杆的高度为2米，将会使棱镜的实际高比量得的高减小3 mm，这项误差将直接进入高差测量结果中。.0提高

29、三角高程测量精度的方法可以通过消除三角高程的误差来提高三角高程的精度。4.1 提高竖直角观测精度1垂直角的观测方法1.竖直角,天顶距的定义用竖盘测定的角有两种表示方式,都是在竖直面内有目标方向与一特定方向所构成的角度。一种是目标方向与水平方向间的夹角称为竖直角,一般用符号表示。视线上倾所构成的仰角为正竖直角,视线下倾所构成的俯角为负竖直角,角值的大小都0度到90度。另一种是目标方向与天顶方向(即铅垂线的反方向)所构成的角,称为天顶距,一般用符号Z表示。天顶距的大小从0度到180度,没有负值。 垂直角的观测方法有中丝法和三丝法两种。 (1).中丝法 中丝法也称单丝法，就是以望远镜十字丝的水平中丝

30、照准目标，构成一个测回的观测程序为： 在盘左位置，用水平中丝照准目标一次，使指标水准器气泡精密符合，读取垂直度读数，得到盘左读数。在盘右位置，按盘左时的方法进行照准和读数，得到盘右读数。 (2).三丝法 三丝法就是以上、中、下3条水平横丝依次照准目标。构成一个测回的观测程序为：在盘左位置，按上、中、下3条水平横丝依次照准同一目标各一次，如图4.1（a）所示，使指标水准器气泡精密符合，分别进行垂直度盘读数，得盘左读数。 图4.1 在盘右位置，再按上、中、下3条水平横丝依次照准同一目标各一次，如图4.1（b）所示，使指标水准器气泡精密符合分别进行垂直度盘读数，得盘右读数。 在一个测站上观测时，一般

31、将观测方向分成若干组，每组包括24个方向，分别进行观测，如通视条件不好，也可以分别对每个方向进行连续照准观测。 根据具体情况，在实际作业时可灵活采用上述两种方法，如T3光学经纬仪仅有一条水平横丝，在观测时只能采用中丝法。 按垂直度盘读数计算垂直角和指标差的公式列于表4.1表4.1仪器类型计算公式各测回互差限值垂直角指标差垂直角指标差J1（T3）J2（T2，010）101510154.2 提高垂直角观测精度的措施根据上述对竖直角观测误差的分析可知，竖直角观测误差主要是照准误差与仪器误差两部分组成，并从其竖直角观测中误差±1.67高差的影响的分析，竖直角观测精度是不能满足等级水准测量精度的要求，为此采取如下措施提高竖直角观测精度。1.事先仔细检验竖盘分划误差和检校测微器行差。2.仪器应严格整平对中(含反光镜)。3.改