第三章 水准测量

1、2022年5月3日星期二现代普通测量学1测测 量量 学学第第3章章 水准测量水准测量2022年5月3日星期二 现代普通测量学2第3章 水准测量 3.1 3.1 水准测量原理水准测量原理 3.2 3.2 水准仪及其使用水准仪及其使用 3.3 3.3 自动安平水准仪及数字水准仪自动安平水准仪及数字水准仪 3.4 3.4 水准测量方法水准测量方法 3.5 3.5 微倾式水准仪的检验与校正微倾式水准仪的检验与校正 3.6 3.6 水准测量的误差分析及注意事项水准测量的误差分析及注意事项 2022年5月3日星期二 现代普通测量学3第3章 水准测量 测量三项基本工作之一：高程测量测量三项基本工作之一：高程

2、测量 高程测量高程测量：测量地面上各点高程的工作：测量地面上各点高程的工作 高程测量有下列几种方法：高程测量有下列几种方法： 1.几何水准测量几何水准测量是高程测量最主要的方法是高程测量最主要的方法 2.三角高程测量三角高程测量 3.物理高程测量物理高程测量 包括包括: 气压高程测量、液体静力水准测量气压高程测量、液体静力水准测量 4.GPS高程测量高程测量2022年5月3日星期二 现代普通测量学4主要内容：主要内容： 水准测量原理、水准仪的构造及使用、水准水准测量原理、水准仪的构造及使用、水准测量的施测方法、仪器的检验与校正。测量的施测方法、仪器的检验与校正。主要目的：主要目的： 使学生了解

3、水准测量原理、测量工具，掌握使学生了解水准测量原理、测量工具，掌握地面点位高程测量过程，从而精确求出地面点高程。地面点位高程测量过程，从而精确求出地面点高程。重点内容：重点内容： 水准测量原理、施测方法、成果计算。水准测量原理、施测方法、成果计算。第3章 水准测量2022年5月3日星期二 现代普通测量学5 3.1 水准测量原理原理：原理：利用水准仪提供的一条水平视线，借助水利用水准仪提供的一条水平视线，借助水准尺来测定地面两点间的高差，从而由已知点的准尺来测定地面两点间的高差，从而由已知点的高程和测得的高差，求出待定点的高程。高程和测得的高差，求出待定点的高程。1.高差法高差法:hAB=后视读

4、数后视读数前视读数，即：前视读数，即：待定点待定点B点的高程：点的高程：bahABbaHhHHAABAB2.仪高法仪高法(视线高法视线高法):bHHaHHiBAi2022年5月3日星期二 现代普通测量学6 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 D D大地测量；大地测量；S S水准仪；后面的数字代表仪器的测量水准仪；后面的数字代表仪

5、器的测量精度（每公里往返测高差中数的中误差，即精度）。精度（每公里往返测高差中数的中误差，即精度）。 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、电子水准仪和数字水微倾式水准仪、自动安平水准仪、电子水准仪和数字水准仪准仪 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年5月3日星期二 现代普通测量学7一、DS3微倾式水准仪及其使用1. 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1327

6、65498101412131115161.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年5月3日星期二 现代普通测量学8(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年5月3日星期二 现代普通测量学9（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

7、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年5月3日星期二 现代普通测量学10 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

8、作圆球面的法线02 8LL 2022年5月3日星期二 现代普通测量学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年5月3日星期二 现代普通测量学12（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

9、VV2022年5月3日星期二 现代普通测量学13CCLLVVLL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年5月3日星期二 现代普通测量学142. 水准尺和尺垫水准尺和尺垫（1）水准尺有）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

10、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年5月3日星期二 现代普通测量学153. 水准仪的使用水准仪的使用为测定为测定A、B两点的高差，首先将水准仪安置在两点的高差，首先将水准仪安置在A、B两点之间，然后按以下两点之间，然后按以下四个步骤四个步骤进行操作：进行操作：（1）粗平（粗略整平）粗平（粗略整平） 目的是使仪器竖轴铅直目的是使仪器竖轴铅直 调节三个脚螺旋调节三个脚螺旋使圆水准器气泡居中使圆水准器气泡居中，气泡移，气泡移动的方向始终与左手大拇指的运动方向一致。动的方向始终与左手大拇指的运动

11、方向一致。2022年5月3日星期二 现代普通测量学16（2）瞄准（瞄准水准尺）瞄准（瞄准水准尺） 首先转动目镜调焦螺旋首先转动目镜调焦螺旋使十字丝清晰使十字丝清晰，转，转动望远镜瞄准水准尺，再转动物镜调焦螺旋动望远镜瞄准水准尺，再转动物镜调焦螺旋使目使目标清晰标清晰。注意消除。注意消除视差视差！ 什么是视差？产生的原因？如何消除？什么是视差？产生的原因？如何消除？2022年5月3日星期二 现代普通测量学17（3）精平（精确整平）精平（精确整平） 在每次读数之前，都应在每次读数之前，都应注视注视符合水准气泡观符合水准气泡观测窗，转动测窗，转动微倾螺旋微倾螺旋使水准管气泡居中，即符合使水准管气泡居

12、中，即符合水准器的水准器的两端气泡影像对齐两端气泡影像对齐，只有当气泡已经稳，只有当气泡已经稳定不动而又居中的时候，定不动而又居中的时候，水准管轴水平，视准轴水准管轴水平，视准轴亦水平，即提供了一条水平视线。亦水平，即提供了一条水平视线。微倾螺旋微倾螺旋2022年5月3日星期二 现代普通测量学18（4）读数（精确整平）读数（精确整平） 仪器精确整平后，即可用仪器精确整平后，即可用十字丝横丝十字丝横丝（即中（即中丝）在水准尺上读数。丝）在水准尺上读数。 读数按由小到大的方向，读出米、分米、厘读数按由小到大的方向，读出米、分米、厘米、并仔细米、并仔细估读毫米估读毫米数。数。 读数记录一般均不加小数

13、点，读数记录一般均不加小数点，读记四位数读记四位数，以毫米为单位以毫米为单位。 黑面读数黑面读数a=1274（mm） 红面读数红面读数 b=5958（mm）2022年5月3日星期二 现代普通测量学192022年5月3日星期二 现代普通测量学20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

14、平基准测量等。基准测量等。 3.2 水准仪及其使用2022年5月3日星期二 现代普通测量学21 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，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

15、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年5月3日星期二 现代普通测量学222. 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

16、，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年5月3日星期二 现代普通测量学23 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年5月3日星期二 现代普通测量学24 2022年5月3日星期二 现代普通测量学25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

17、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年5月3日星期二 现代普通测量学26 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，只有一个圆水准器，安置仪器时，只要使圆水准器

18、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 3.3 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年5月3日星期二 现代普通测量学27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年5月3日星期二 现代普通测量学28自动安平水准仪自动安平水准仪安平的工作原理安平的工作原理2022年5月3日星期二 现代普通

19、测量学29二、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年5月3日星期二 现代普通测量学30二、数字水准仪二、数字水准仪2022年5月3日星期二 现代普通测量

20、学312022年5月3日星期二 现代普通测量学32 3.4 水准测量方法一、水准测量的外业实施一、水准测量的外业实施1. 水准点水准点 事先埋设标志在地面上，用水准测量方法建事先埋设标志在地面上，用水准测量方法建立的高程控制点立的高程控制点(Bench Mark), 常以常以BM表示。表示。 水准点分为永久性和临时性两种，其顶部通常为水准点分为永久性和临时性两种，其顶部通常为凸起的半球面凸起的半球面, 用于放置水准尺。用于放置水准尺。 2022年5月3日星期二 现代普通测量学332. 待定点高程的测量和计算检核待定点高程的测量和计算检核 已知已知HA， 求高程求高程HB，中中间临时放置标尺的过

21、度间临时放置标尺的过度点点1，2.称为称为转点转点, 起起高程传递作用高程传递作用, 常用常用TP表示，实测时转点上应表示，实测时转点上应使用使用尺垫尺垫 。2022年5月3日星期二 现代普通测量学34 每测站高差：每测站高差： 各测站高差之和：各测站高差之和： 待定点待定点B点高程：点高程：iiibahiiiABbahhABABhHH施测方法施测方法（动画动画）2. 待定点高程的测量和计算检核待定点高程的测量和计算检核2022年5月3日星期二 现代普通测量学35普通水准测量记录表普通水准测量记录表0.7182.20950.5831.2681.425ZD1ab=5.358 3.867=1.49

22、1h=2.209 0.718=1.491HB HA=51.491 50.000=1.491HB HA=h=a b (计算无误计算无误) 计计算算检检核核3.8675.35851.4910.346B50.6181.5811.219ZD351.3360.6720.863ZD2HA=50.000m 50.0000.5830.7530.8731.851A前视前视+后后 视视备备 注注高高 程程（m）高高 差差标尺读数（标尺读数（m）测测点点0.7182022年5月3日星期二 现代普通测量学363 3. 测站检核测站检核 为保证每一测站的高差正确，或在误差允许范围之内，必须进行测站检核。 测站检核有双仪

23、高法和双面尺法（1）双面尺法：黑面读数高差： 红面读数高差： 红黑面高差之差： 最后高差中数： （2）双仪高法：改变仪器高度10cm以上，测出两次高差，进行检核。黑黑黑bah红红红bahmmmmhhh5)100(红黑2)100(mmhhh红黑2022年5月3日星期二 现代普通测量学37 双面尺法水准测量观测记录表2022年5月3日星期二 现代普通测量学38 双仪高法水准测量观测记录表2022年5月3日星期二 现代普通测量学39二、水准路线测量的成果检核二、水准路线测量的成果检核1.闭合水准路线 从某已知点BMA出发,经待定点1,2,3,4; 再回到A点。 高差理论值： 高差闭合差：2.附合水准

24、路线从已知点BMA出发到另一已知点B, 高差理论值： 高差闭合差：0理hihhhhf理测BMA12340理hABHHh理)(ABihHHhfAB2h1h312022年5月3日星期二 现代普通测量学40二、水准路线测量的成果检核二、水准路线测量的成果检核3.结点水准网 （1） 独立水准网 （2）单结点附合水准网4.支水准路线从已知点BMA出发到待定点B BMA1234 BMABMB5BMC12022年5月3日星期二 现代普通测量学41三、水准测量的内业计算三、水准测量的内业计算按一定的原则将计算出的水准线路高差闭合差进行分配，确保各测段（或各测站）高差经改正后严格满足检核条件。 等外水准测量高差

25、闭合差容许误差：山地：平地： 国家四等水准测量高差闭合差容许误差：山地：平地：mmnfh12容mmLfh40容mmnfh6容mmLfh20容2022年5月3日星期二 现代普通测量学42 水准测量的内业计算步骤水准测量的内业计算步骤 （附合、闭合水准路线）（附合、闭合水准路线） h21）计算闭合差2）判断闭合差是否超限3）计算各测段观测高差的改正数5）计算各测段的改正后的高差6）计算各点的高程值4）检查闭合差是否分配完BAhHhhhHf321）（容许nffhh12hfviihiihinnfSSfviiivhh；2212111vhHHvhHHAAB2附合水准路线h1h312022年5月3日星期二 现代普通测量学43例：附合水准测量内业计算2022年5月3日星期二 现代普通测量学44普通水准测量记录计算表普通水准测量记录计算表-0.016-0.014-0.119B56.9020964575415636348Bfh= h = 0.016 m = 16 mm检检核核BMA55.35207725560BMAE55.2432024671208765566ED56.3322100688609325720DC57.0791387607613506035CHA=55.352m 55.35225127200BMA平均高差平均高差高差高差前视前视后后 视视备备 注注高高 程程（m）高高 差差标尺读数（标