第三章：水准测量

1、2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系1第三章第三章 水准测量水准测量2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系2高程测量高程测量确定地面上各点高程的工作。确定地面上各点高程的工作。高程测量概述高程测量概述水准测量水准测量用水准仪进行高程测量的工作。用水准仪进行高程测量的工作。三角高程测量三角高程测量物理高程测量物理高程测量GPSGPS高程测量高程测量气压高程测量气压高程测量液体静力水准测量液体静力水准测量水准测量水准测量高高程程测测量量高程测量按所使用的仪器和施测方法的不同高程测量按所使用的仪器和施测方法的不同,可分为可分为: 水准测量是高程测量的主要方法水准测量

2、是高程测量的主要方法。 水准测量使用仪器：水准仪水准测量使用仪器：水准仪2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系3水准测量的等级水准测量的等级 水准测量分为一等、二等、三等、四等四个等级，水准测量分为一等、二等、三等、四等四个等级，以一等精度最高。以一等精度最高。 上上一等水准测量成果作为下一等水准测量的起算依一等水准测量成果作为下一等水准测量的起算依据。据。 为满足测图以及一般工程测量的需要，还须进行测为满足测图以及一般工程测量的需要，还须进行测区的高程控制加密，采用普通水准测量方法，也称区的高程控制加密，采用普通水准测量方法，也称图根水准测量或等外水准测量图根水准测量或等外水

3、准测量( (本章主要介绍本章主要介绍) )。2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系43.1 水准测量原理水准测量原理水准测量的实质是测量地面上两点之间的高差。水准测量的实质是测量地面上两点之间的高差。水准仪的主要功能是能指出一条水平视线。水准仪的主要功能是能指出一条水平视线。前进方向水平视线大地水准面HiHAHBAB后视尺前视尺abhab2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系5 hAB 0，高差为正，前视点高；高差为正，前视点高； hAB 0，高差为负，前视点低。高差为负，前视点低。 高差必须带高差必须带“+ +、 - -”号；号； hAB的下标次序必须与测量的

4、前进方向一致。的下标次序必须与测量的前进方向一致。 例例: :已知已知 hAB= += +1.436 m 则则 hBA= -= -1.436 m3.1 水准测量原理水准测量原理高差高差 = = 后视读数后视读数- -前视读数：前视读数： hAB = a - b2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系6 高程的计算：高程的计算： HB HAhAB HA(ab) 高差法：高差法： Hi HAa HB Hib 仪高法仪高法2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系7 3.2 水准仪及其使用水准测量所使用的仪器为水准测量所使用的仪器为水准仪水准仪，所使用，所使用的工具为的工具

5、为水准尺水准尺和和尺垫尺垫。 水准仪按其水准仪按其精度精度划分为四个等级：划分为四个等级： 精密水准仪精密水准仪DS05DS05、DS1DS1；普通水准仪；普通水准仪DS3DS3、DS10DS10 水准仪按其水准仪按其构造构造可分为四种：可分为四种： 微倾式水准仪、自动安平水准仪、电子水准仪和微倾式水准仪、自动安平水准仪、电子水准仪和数字水准仪数字水准仪 目前，普通工程测量中目前，普通工程测量中最常用最常用的水准仪是：的水准仪是： DS3DS3微倾式水准仪微倾式水准仪（或（或DS3DS3自动安平水准仪）自动安平水准仪）2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系8一、DS3微倾式水准

6、仪及其使用DS3微倾式水准仪的构造 作用：为测量高差提供一条水平视线 组成：望远镜、水准器、基座132765498101412131115161.微倾螺旋；2.分划板护罩；3.目镜；4.物镜调焦螺旋；5.制动螺旋；6.微动螺旋；7.底板；8.三角压板； 9.脚螺旋；10.弹簧帽； 11.望远镜；12.物镜；13.管水准器；14.圆水准器；15.连接小螺钉；16.轴座 2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系9(1)望远镜由物镜、目镜、调焦透镜和十字丝分划板组成C C视准轴CC：物镜光心与十字丝交点的连线视准轴在测量时必须保持水平，也就是水平视线！2022-3-4 合肥工业大学土木

7、与水利学院测量工程系10（2）水准器水准器分为圆水准器和管水准器两种。管水准器用来指示视准轴是否水平 0 点 2mmRo 管水准器又称为长水管水准器又称为长水准管准管 水准管分划值水准管分划值 ：是：是水准管表面水准管表面2mm圆弧圆弧所对应的圆心角所对应的圆心角 水准管轴水准管轴LL：过水准过水准管零点所作圆弧面的管零点所作圆弧面的纵切线纵切线LL2062652 R2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系11DS3水准仪常采用符合水准管系统目的是提高水准管气泡居中的精度 符合气泡符合尚未符合 符合气泡符合， 水准管轴与视 线水平。微倾螺旋微倾螺旋2022-3-4 合肥工业大学土

8、木与水利学院测量工程系12 2mm圆水准器用来指示仪器竖轴是否竖直 LL 圆水准器分划值圆水准器分划值 ：是圆：是圆水准器表面水准器表面2mm圆弧所对应圆弧所对应的圆心角的圆心角 DS3水准仪水准器分划值水准仪水准器分划值 通常为：长水准管通常为：长水准管 圆水准器圆水准器 圆水准器轴圆水准器轴 ：过圆水过圆水准器零点所作圆球面的法线准器零点所作圆球面的法线02 8LL 2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系13（3）基座 基座通过连接螺旋与基座通过连接螺旋与三脚架相连三脚架相连 基座用于支承水准仪基座用于支承水准仪上部，水准仪旋转轴上部，水准仪旋转轴插入基座轴套可自由插入基座

9、轴套可自由旋转旋转 基座上的三个脚螺旋基座上的三个脚螺旋用于调节圆水准气泡用于调节圆水准气泡 仪器竖轴仪器竖轴VV：就是：就是水准仪的旋转轴水准仪的旋转轴望远镜水准器基座三脚架VV2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系14CCLLVVLL水准仪的主要构造特点 水准仪的主要轴线：水准仪的主要轴线： 视准轴视准轴CC 水准管轴水准管轴LL 圆水准器轴圆水准器轴 仪器竖轴仪器竖轴VV 必须满足的几何条件：必须满足的几何条件： VV 十字丝横丝十字丝横丝 VV LL CCLL LL 2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系152. 水准尺和尺垫水准尺和尺垫（1）水准尺有）

10、水准尺有单面尺、双面尺、单面尺、双面尺、塔尺塔尺三种三种（2）标准水准尺为一对双面尺，）标准水准尺为一对双面尺， 其中其中: A尺和尺和B尺尺黑面黑面03m; A尺红面尺红面4.6877.687m, B尺红面尺红面4.7877.787m。（3）尺垫半球形顶部用来竖立水）尺垫半球形顶部用来竖立水准尺，并标志准尺，并标志转点转点位置。位置。2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系16 安置仪器安置仪器 在测站上松开三脚架架腿的固定螺旋，按需要的高度调整架腿长度，再拧紧固定螺旋，张开三脚架将架腿踩实，并使三脚架架头大致水平。 从仪器箱中取出水准仪，用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上。

11、3. 水准仪的使用水准仪的使用2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系17 粗平使圆水准器气泡居中b312c312 a13 2气泡移动方向与气泡移动方向与左手大拇指左手大拇指运动的方向一致。运动的方向一致。3. 水准仪的使用水准仪的使用2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系18缺口缺口准星准星水平微动螺旋水平微动螺旋水平制水平制动螺旋动螺旋对光螺旋对光螺旋消除视差消除视差 瞄准目标粗瞄、对光、精瞄和消除视差3. 水准仪的使用水准仪的使用2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系19微倾螺旋微倾螺旋每次读中丝读数前都要精平每次读中丝读数前都要精平 精平使

12、长水准管气泡居中3. 水准仪的使用水准仪的使用2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系201213111.251m0.717m 读数用中横丝读数2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系21精密水准仪（精密水准仪（DS05、DS1）主要用于国）主要用于国家一、二等水准测量家一、二等水准测量(the first and second order leveling)和高精度的工程测量中；和高精度的工程测量中；例如建构筑物的沉降观测，大型桥梁工例如建构筑物的沉降观测，大型桥梁工程的施工测量和大型精密设备安装的水平程的施工测量和大型精密设备安装的水平基准测量等。基准测量等。

13、3.2 水准仪及其使用2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系22 下图就是新下图就是新N3微倾式精密水准仪，其每微倾式精密水准仪，其每km往返往返测高差中数的中误差为测高差中数的中误差为0.3mm。为了提高读。为了提高读数精度，精密水准仪上设有平行玻璃板测微器。数精度，精密水准仪上设有平行玻璃板测微器。2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系23 2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系24旋转旋转N3的平行玻璃板可以产生的最大视线平移量为的平行玻璃板可以产生的最大视线平移量为10mm，它对应测微尺上的它对应测微尺上的100个分格。个分格。测微尺上测

14、微尺上1个分格等于个分格等于0.1mm，如在测微尺上估读到，如在测微尺上估读到0.1分格，分格，则可以估读到则可以估读到0.01mm。将标尺上的读数加上测微尺上的读数就等于标尺的实际读数。将标尺上的读数加上测微尺上的读数就等于标尺的实际读数。如下图的读数为如下图的读数为148+0.655=148.655cm=1.48655m。 2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系25精密水准尺精密水准尺(因瓦水准尺因瓦水准尺) 精密水准尺：是在木质尺身的凹槽精密水准尺：是在木质尺身的凹槽内，引张一根因瓦合金钢带，其中内，引张一根因瓦合金钢带，其中零点端固定在尺身上，另一端用弹零点端固定在尺身

15、上，另一端用弹簧以一定的拉力将其引张在尺身上，簧以一定的拉力将其引张在尺身上，以使因瓦合金钢带不受尺身伸缩变以使因瓦合金钢带不受尺身伸缩变形的影响。形的影响。 长度分划在因瓦合金钢带上，数字长度分划在因瓦合金钢带上，数字注记在木质尺身上，精密水准尺的注记在木质尺身上，精密水准尺的分划值分为基辅分划（分划值分为基辅分划（10mm）和）和奇偶分划（奇偶分划（5mm）两种。）两种。 基辅分划差为：基辅分划差为：3.01550 m2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系26 1) 望远镜的放大倍数大，分辨率高，如规范要望远镜的放大倍数大，分辨率高，如规范要求求DS1不小于不小于38倍，倍

16、，DS05不小于不小于40倍；倍； 2) 管水准器分划值为管水准器分划值为10/2mm，精平精度高；，精平精度高； 3) 望远镜的物镜有效孔径大，亮度好；望远镜的物镜有效孔径大，亮度好； 4) 望远镜外表材料一般采用受温度变化小的因望远镜外表材料一般采用受温度变化小的因瓦合金钢，以减小环境温度变化的影响；瓦合金钢，以减小环境温度变化的影响； 5) 采用平板玻璃测微器读数，读数误差小；采用平板玻璃测微器读数，读数误差小； 6) 配备精密水准尺。配备精密水准尺。2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系27水准点的类型：水准点的类型： 永久性永久性 临时性临时性 3.3 水准测量的方法

17、水准测量的方法外业：外业：用水准路线测量方法，在新建水准点和已知水用水准路线测量方法，在新建水准点和已知水 准点之间进行高差测量。准点之间进行高差测量。内业：内业：评定测量精度，计算新建水准点的高程。评定测量精度，计算新建水准点的高程。一一. .水准点水准点用水准测量的方法测定了高程的高程控制点用水准测量的方法测定了高程的高程控制点(BM)(BM)。 各等水准点均应埋设永久性标石或标志，水准点的等级各等水准点均应埋设永久性标石或标志，水准点的等级应注记在水准点标石或标记面上。应注记在水准点标石或标记面上。 水准点标石的类型可分为：基岩水准标石、基本水准标水准点标石的类型可分为：基岩水准标石、基

18、本水准标石、普通水准标石和墙脚水准标志四种，石、普通水准标石和墙脚水准标志四种， 其中混凝土普通水准标石和墙脚水准标志的埋设要求见其中混凝土普通水准标石和墙脚水准标志的埋设要求见下图。下图。2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系281.1.闭合水准路线闭合水准路线BMBM1 14 43 321 1BMBM1 11 12 23 3BMBM2 2BMBM1 11 12 23 32.2.附合水准路线附合水准路线3.3.支水准路线支水准路线二二. .水准路线水准路线 进行水准测量的路线，由已知水准进行水准测量的路线，由已知水准 点和新建水准点组成。点和新建水准点组成。2022-3-4

19、合肥工业大学土木与水利学院测量工程系29三三. .连续安置水准仪的测量方法连续安置水准仪的测量方法 两点间距离较长或高差较大时，在两点间设若两点间距离较长或高差较大时，在两点间设若干转点，分段测量高差，取各分段高差的总和。干转点，分段测量高差，取各分段高差的总和。hAB = h1+ h2+ hn = (a a1 1-b-b1 1)+(a)+(a2 2-b-b2 2)+)+(a+(an n-b-bn n) = a-a- b b2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系30 BMABMB1.444 1.324TP2h2=+0.1201.8220.876TP3h3=+0.9461.820

20、1.435TP4h4=+0.3851.4221.304h5=+0.118前进方向1.1341.677TP1h1=-0.543水准测量记录水准测量记录格式格式2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系31水准测量记录表水准测量记录表2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系32四四. .水准测量的检核水准测量的检核( (适用于等外水准路线适用于等外水准路线) )2.2.计算检核计算检核3.3.路线检核（成果检核）路线检核（成果检核）1.1.测站检核测站检核2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系33四四. .水准测量的检核水准测量的检核( (适用于等外水准路

21、线适用于等外水准路线) )1.1.测站检核测站检核对每一站高差进行检核，每站对每一站高差进行检核，每站 进行（避免读错、听错、记错、进行（避免读错、听错、记错、 未精平等粗差）未精平等粗差）。a a b b BA h =a b h =ab两次仪器高法两次仪器高法 BAa黑a红 b红b黑h = a黑b黑h = a红b红双面尺法双面尺法读数要求读数要求 （黑（黑+ +常数常数 红）红） 3 3mmmm高差要求高差要求 h h 5 5mmmm 取取 h=(=(h +h ) / 2 2两尺常数不一致时，考虑两尺常数差两尺常数不一致时，考虑两尺常数差 0.1000.100米。米。要求要求: : 改变仪器

22、高度应在改变仪器高度应在1010cmcm以上以上 h h 5 5mmmm 取取 h=(=(h +h ) / 2 22022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系342.2.计算检核计算检核黑面: h黑 = a-b红面： h红 = a-b平均高差： h =（h黑 + h红）/2 或 h =（h黑 + h红0.1）/2 h = ( a-b )/2 或 h = ( a-b0.1 )/22022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系352.2.计算检核计算检核黑面: h黑 = a-b红面：h红 = a-b平均高差： h =（ h黑 + h红0.1）/22022-3-4 合肥工业大学土木

23、与水利学院测量工程系36h测 =h1+h2+h3+h4+h5h理 = H终-H始 fh = h测-h要求：fh fh容3.3.路线检核路线检核（成果检核）（成果检核） 计算路线高差闭合差，检验整条路线的测量精度。计算路线高差闭合差，检验整条路线的测量精度。（1 1）附合水准路线）附合水准路线BMBM1 11 12 23 3BMBM2 2h4h3h2h12022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系37BMAh测 =h1+h2+h3+h4+h5h1h4（2 2）闭合水准路线）闭合水准路线h理=0fh = h测 要求：fh fh容（3 3）支水准路线）支水准路线fh = h往+h返要求：f

24、h fh容BMBM1 14 43 321 1BMBM1 11 12 23 3h3h2h1h5h往h返2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系38等外(图根)水准路线测量容许高差闭合差公式：式中：L路线长，以公里为单位 n路线测站总数mmnfh12容mmLfh40容2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系39五五. .水准路线成果计算水准路线成果计算1、高差闭合差计算与比较闭合水准路线高差闭合差观测hfh附合水准路线高差闭合差)(12BMBMhHHhf观测支水准路线高差闭合差返测往测hhfh，观测不合格，重测。，观测成果合格；容容hhhhffff2022-3-4 合肥

25、工业大学土木与水利学院测量工程系40五五. .水准路线成果计算水准路线成果计算2、高差闭合差的分配和各点高程的计算 高差改正数为：高差改正数为：hiihiifnnVfLLV或改正后高差为：改正后高差为：iiiVhh计算各点高程：计算各点高程：iiihHH 12022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系41五五. .水准路线成果计算水准路线成果计算1.1.附合水准路线成果整理附合水准路线成果整理例：例：2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系42H前 H后h 1.1.高差闭合差的计算高差闭合差的计算 2.2.高差闭合差的高差闭合差的 调整与各调整与各待定待定点高程的计算点

26、高程的计算iihiiihllflVVlfV测段改正数每公里改正数2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系432.2.闭合水准路线成果计算闭合水准路线成果计算 与附合水准路线不同之处是终点和起点是同一点，因此：与附合水准路线不同之处是终点和起点是同一点，因此： hh理理 = H= H终终-H-H始始= 0 = 0 f fh h = h= h测测-h-h理理 = h= h测测 其余计算与附合水准路线相同其余计算与附合水准路线相同2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系44 自动安平水准仪不需要水准管和微倾螺旋，只有一个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

27、器，安置仪器时，只要使圆水准器的气泡居中后，圆水准器，安置仪器时，只要使圆水准器的气泡居中后，借助一种借助一种“补偿器补偿器”的特别装置，使视线自动处于水平状的特别装置，使视线自动处于水平状态。态。自动安平水准仪正面自动安平水准仪正面 3.4 自动安平水准仪 及数字水准仪一、自动安平水准仪一、自动安平水准仪2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系45自动安平水准仪反面自动安平水准仪反面自动安平水准仪后面自动安平水准仪后面自动安平水准仪反面自动安平水准仪反面自动安平水准仪正面自动安平水准仪正面2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系46自动安平水准仪自动安平水准仪安平

28、的工作原理安平的工作原理2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系47二、数字水准仪二、数字水准仪望远镜望远镜基座基座 脚螺旋脚螺旋自动安平补偿器自动安平补偿器 电子电子水准水准 仪仪调焦螺旋调焦螺旋制动、微动螺旋制动、微动螺旋调焦发送器：计算概略视距值；调焦发送器：计算概略视距值；补偿监视器：监测安平补偿器的工作状态补偿监视器：监测安平补偿器的工作状态分光镜分光镜 ：将由物镜计入的光分为可见光和红外光：将由物镜计入的光分为可见光和红外光行阵探测器：识别水准尺上的条码，进行读数行阵探测器：识别水准尺上的条码，进行读数（电子水准仪）（电子水准仪）2022-3-4 合肥工业大学土木与水

29、利学院测量工程系48二、数字水准仪二、数字水准仪2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系492022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系50 3.5 微倾式水准仪的检验与校正一、圆水准器的检验与校正 检验目的是保证：检验目的是保证：圆水准器轴圆水准器轴LL 仪器仪器VV二、十字丝的检验与校正 检验目的是保证：检验目的是保证：十字丝横丝十字丝横丝 仪器仪器VV三、管水准器的检验与校正 检验目的是保证：检验目的是保证：视准轴视准轴CC 水准管轴水准管轴LL （水准仪的主条件）（水准仪的主条件）2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系51 3.6 水准测量误差分

30、析及注意事项一、仪器误差 1. 仪器校正后的残余误差仪器校正后的残余误差 2. 水准尺误差水准尺误差(包含包含: 刻划、变形和零点误差等）刻划、变形和零点误差等）二、观测误差 1. 读数误差读数误差; 2. 视差影响视差影响 3. 水准管气泡居中误差水准管气泡居中误差三、外界条件的影响 1. 仪器下沉和尺垫下沉误差仪器下沉和尺垫下沉误差 2. 地球曲率和大气折光的影响地球曲率和大气折光的影响 3. 温度的影响温度的影响2022-3-4 合肥工业大学土木与水利学院测量工程系52 望远镜的视准轴与水准管的水准轴望远镜的视准轴与水准管的水准轴不平行不平行 i i角对角对读数读数的影响的影响iStgiSxaaai