第二章水准测量(1)

1、土木工程测量土木工程测量第二章第二章 水准测量水准测量（高程测量）（高程测量）主主 要要 内内 容容第一节第一节 高程测量概述高程测量概述 第二节第二节 水准测量原理水准测量原理 第三节第三节 水准测量的仪器和工具水准测量的仪器和工具第四节第四节 水准仪的操作使用水准仪的操作使用 第五节第五节 水准测量的外业水准测量的外业 第六节第六节 微倾式水准仪的检验和校正微倾式水准仪的检验和校正第七节第七节 现代水准仪器介绍和精密水准仪的使现代水准仪器介绍和精密水准仪的使第八节第八节 水准测量误差及其注意事项水准测量误差及其注意事项学习目标学习目标 明确明确高程测量高程测量是确定是确定地面点位置的基本工

2、作；地面点位置的基本工作； 掌握地面点高程测量掌握地面点高程测量的二种技术：的二种技术：水准测量水准测量和和三角高程测量三角高程测量的原理与方的原理与方法；法； 水准路线水准路线的布设，高的布设，高程测量注意事项及消除或程测量注意事项及消除或削弱误差的措施。削弱误差的措施。 第一节第一节 水准测量概述水准测量概述n 高程测量高程测量是确定地面点位置的基本工作之一。是确定地面点位置的基本工作之一。高程测量高程测量测量地面点高程；测量地面点高程；方法方法水准测量、三角高程测量、水准测量、三角高程测量、GPS高程高程测量测量、物理高程测量（气压、液体静力）；、物理高程测量（气压、液体静力）；水准测量

3、水准测量精度最高。精度最高。第一节第一节 水准测量概述水准测量概述水准测量水准测量 利用水平视线来测量两点间的高差。由于水利用水平视线来测量两点间的高差。由于水准测量的精度较高，所以是高程测量中最主要的准测量的精度较高，所以是高程测量中最主要的方法。方法。 三角高程测量三角高程测量 测量两点间的水平距离或斜距和竖直角测量两点间的水平距离或斜距和竖直角( (即倾即倾斜角斜角) )，然后利用三角公式计算出两点间的高差。，然后利用三角公式计算出两点间的高差。三角高程测量一般精度较低，只是在适当的条件三角高程测量一般精度较低，只是在适当的条件下才被采用。下才被采用。 高程测量的基准高程测量的基准高程基

4、准面高程基准面 通常采用通常采用大地水准面即平均海水面大地水准面即平均海水面作为高程基准面。作为高程基准面。我国的高程基准面我国的高程基准面p1956黄海高程基准黄海高程基准采用青岛验潮站采用青岛验潮站19501956年观测年观测结果求得的黄海平均海水面作为高程基准面。结果求得的黄海平均海水面作为高程基准面。p1985国家高程基准国家高程基准从从1989年起，国家规定采用青岛验年起，国家规定采用青岛验潮站潮站19521979年的观测资料，计算得出的平均海水年的观测资料，计算得出的平均海水面作为新的高程基准面。面作为新的高程基准面。我国的高程基准点我国的高程基准点p水准原点高程为水准原点高程为7

5、2.289m，对应，对应1956黄海高程基准。黄海高程基准。p水准原点高程为水准原点高程为72.260m，对应，对应1985国家高程基准。国家高程基准。 中国黄海高程系统示意图中国黄海高程系统示意图我国两个高程系统我国两个高程系统 (1)1956黄海高程系黄海高程系 (2)1985国家高程基准国家高程基准水准原点水准原点青岛验朝站青岛验朝站海底海底黄海平均海水面黄海平均海水面72.289m用用1950 1956 的观测结果，建立了的观测结果，建立了“1956年黄海高程系统年黄海高程系统”。其中其中H0=72.289m。 水准原点水准原点水准原点设在青岛市，高程为水准原点设在青岛市，高程为72.

6、260m72.260m（19851985国家高程基准）（注：国家高程基准）（注：19561956黄海高程系为黄海高程系为72.289m72.289m) )青岛大港1号码头验潮站青岛大港1号码头验潮站验潮站内的潮汐自动记录仪青岛水准零点高程控制点称高程控制点称水准点水准点BM(Bench Mark)。标石水准点、墙脚水准点、标石水准点、墙脚水准点、简易标志水准点简易标志水准点 。第二节第二节 水准测量的原理水准测量的原理 水准测量是一种利用水水准测量是一种利用水平视线测量二个地面点高平视线测量二个地面点高差的方法差的方法。前进方向前进方向 A、B是二个树立尺子的是二个树立尺子的地面点，二个地面点

7、之间地面点，二个地面点之间安置一台水准仪，单实线安置一台水准仪，单实线是水准仪的是水准仪的水平视线水平视线，a、b是水平视线在尺子面上得是水平视线在尺子面上得到的观测到的观测数据。数据。前进方向前进方向第二节第二节 水准测量的原理水准测量的原理 假设前进方向为假设前进方向为A点到点到B点，则读数点，则读数a是在后视方向上的水准尺读数，称为是在后视方向上的水准尺读数，称为“后视读数后视读数”；b是在前视方向（待是在前视方向（待定高程点）上的水准尺读数，称为定高程点）上的水准尺读数，称为“前视读数前视读数”。 高差是后视读数减去前视读数。高差是后视读数减去前视读数。 高差的值可能是正，也可能是负，

8、正高差的值可能是正，也可能是负，正值表示待求点值表示待求点B高于已知点高于已知点A，负值，负值表示待求点表示待求点B低于已知点低于已知点A。 高差的正负号与测量进行的方向有关由高差的正负号与测量进行的方向有关由A向向B进行，高差用进行，高差用 表示；反之表示；反之由由B向向A进行，则高差用进行，则高差用 表示。表示。 说明高差时必须标明高差的正负号，同时要说明测量进行的方向。说明高差时必须标明高差的正负号，同时要说明测量进行的方向。bahABABABhHHABhBAhbahABABABhHH前进方向前进方向第二节第二节 水准测量的原理水准测量的原理 利用高差计算高程的方法，称利用高差计算高程的

9、方法，称为为高差法高差法。 bahABABABhHHiAHaHbHHiB则有则有仪器视线高程（视线高）仪器视线高程（视线高） 利用视线高计算高程的方法称为视线高法。当可以在同一个点利用视线高计算高程的方法称为视线高法。当可以在同一个点上测量多个点的高程时，这种方法比较方便。上测量多个点的高程时，这种方法比较方便。 两较远点之间高差测量方法两较远点之间高差测量方法第二节第二节 水准测量的原理水准测量的原理BAABhhhhh323121 4141432143214433221141babbbbaaaababababahhABnnniABbahh111两较远点之间高差测量方法两较远点之间高差测量方法

10、几个基本概念几个基本概念 测站测站：设置仪器的点设置仪器的点 转点：转点：立标尺的点立标尺的点1、2、，在前一测站先作为在前一测站先作为待求高程的点，然待求高程的点，然后在下一测站再作后在下一测站再作为已知高程的点；为已知高程的点；转点起传递高程的作用；转点起传递高程的作用；由于传递高程的转点是临时性的，故转点上没有固定的由于传递高程的转点是临时性的，故转点上没有固定的标志，可用尺垫作为标记；标志，可用尺垫作为标记；同时该点的点号可以用同时该点的点号可以用TPi或者或者ZDi表示。表示。 第三节第三节 水准测量仪器、工具及使用水准测量仪器、工具及使用一、一、水准仪：水准仪：作用是提供一条水平视

11、线作用是提供一条水平视线水准仪的等级：水准仪的等级：DS05、DS1、DS2、DS3 D：“大地测量大地测量” S：“水准仪水准仪”数字代表仪器测量精度，即每公里往返测高差中数的偶数字代表仪器测量精度，即每公里往返测高差中数的偶然中误差。然中误差。（1）望远镜：成像系统、）望远镜：成像系统、十字丝分化板十字丝分化板（2）水准器：圆水准器、）水准器：圆水准器、符合水准器符合水准器（3）基座）基座工程测量中常使用工程测量中常使用DS3型水准仪，该仪器标称精度为型水准仪，该仪器标称精度为3mm/km。目镜目镜水准管水准管目镜目镜圆水准器校正螺钉圆水准器校正螺钉微动螺旋微动螺旋制动螺旋制动螺旋对光螺旋

12、对光螺旋物镜物镜准星准星缺口缺口水准管水准管圆水准器圆水准器三脚架三脚架脚螺旋脚螺旋微倾螺旋微倾螺旋DS3型水准仪的构造型水准仪的构造（1 1）望远镜：）望远镜：用来瞄准远处的水准尺进行读数；用来瞄准远处的水准尺进行读数； 由物镜、目镜、十字丝分划板、调焦透镜、由物镜、目镜、十字丝分划板、调焦透镜、 调焦螺旋组成；放大率一般为调焦螺旋组成；放大率一般为2530倍。倍。视准轴：视准轴：物镜中心物镜中心 与十字丝交点的连线。与十字丝交点的连线。望远镜对准天空望远镜对准天空(或明亮背景或明亮背景)旋转目镜调焦螺旋，使十字丝分划板清晰旋转目镜调焦螺旋，使十字丝分划板清晰望远镜对准标尺，旋转物镜调焦螺旋

13、望远镜对准标尺，旋转物镜调焦螺旋使标尺像清晰使标尺像清晰（2 2）水准器）水准器水准器的作用：整平仪器，水准器的作用：整平仪器，使视准轴处于水平位置。使视准轴处于水平位置。圆水准器圆水准器 作用：作用：粗略整平粗略整平 结构：如图所示结构：如图所示 精度：一般为精度：一般为 8 8 10 10/2/2mmmm （气泡中心偏离零点（气泡中心偏离零点2 2mmmm 所对的圆心角）所对的圆心角）圆水准器轴圆水准器轴LL竖轴，粗略整平仪器竖轴，粗略整平仪器管水准器管水准器 作用：作用：精确整平精确整平结构：如图所示结构：如图所示 精度：一般精度：一般= 20/2mm= 20/2mm 水准管的分划值水准

14、管的分划值： 气泡中心偏离零点气泡中心偏离零点2mm2mm所对的圆心角。所对的圆心角。 公式：公式： 分析：分析： R R越大，越大，越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。 DS3 : R=20.6265DS3 : R=20.6265米米 =20=20 R2符合水准器符合水准器p作用：调整水准仪观测视线处于水平状态的精密整平作用：调整水准仪观测视线处于水平状态的精密整平装置。装置。p构成：由一个管水准器和一个棱镜组构成。构成：由一个管水准器和一个棱镜组构成。p应用原理：利用光学反射原理，使水准气泡应用原理：利用光学反射原理，使水准气泡A A端半影端半影像按像按1 1、2 2、3 3、4 4 的方

15、向反映在显示面上，的方向反映在显示面上，B B 端半影像端半影像从另一个棱镜开始按从另一个棱镜开始按A A端同样方式反映在显示窗上。端同样方式反映在显示窗上。（3 3）基座）基座轴座：轴座：承托仪器上部承托仪器上部脚螺旋：脚螺旋：调节脚螺旋使圆水准器气泡居中调节脚螺旋使圆水准器气泡居中连接板：连接板：连接三脚架连接三脚架组成组成 轴座轴座脚螺旋脚螺旋连接板连接板二、水准尺和尺垫二、水准尺和尺垫1 1、水准尺、水准尺塔尺塔尺 ：可以伸缩，一般全长可以伸缩，一般全长3m3m、5m5m， 用于用于等外水准测量等外水准测量。双面尺：双面尺：不可伸缩，一般全长不可伸缩，一般全长3m3m， 用于用于三、四

16、等水准测量三、四等水准测量。2、尺垫、尺垫转点处放置水准尺用，防止点位移动转点处放置水准尺用，防止点位移动和水准尺下沉。生铁铸成的三角形板座和水准尺下沉。生铁铸成的三角形板座一、操作步骤一、操作步骤1 1、安置仪器、安置仪器 高度适中、架头大致水平，固定仪器。高度适中、架头大致水平，固定仪器。 2 2、粗略整平、粗略整平 目的：目的： 使圆水准气泡居中，使圆水准气泡居中， 视准轴粗略水平。视准轴粗略水平。 第四节第四节 水准仪的操作使用水准仪的操作使用 粗略整平方法粗略整平方法相对转动两个脚螺旋，使圆水准气泡移向两脚螺相对转动两个脚螺旋，使圆水准气泡移向两脚螺旋的中间位置。旋的中间位置。转动第

17、三个脚螺旋，使气泡移到圆水准器的中心。转动第三个脚螺旋，使气泡移到圆水准器的中心。3 3、瞄准水准尺、瞄准水准尺 目的：使目标和十字丝成像清晰。目的：使目标和十字丝成像清晰。 方法：方法： 初步瞄准初步瞄准（用准星对准目标）（用准星对准目标） 目镜调焦目镜调焦（使十字丝清晰）（使十字丝清晰） 物镜调焦物镜调焦（使目标成像清晰）（使目标成像清晰） 精确瞄准精确瞄准（使纵丝对准目标）（使纵丝对准目标）注意：瞄准时应消除视差。注意：瞄准时应消除视差。视差：当目镜、物镜对光不够精细时，目标的影像视差：当目镜、物镜对光不够精细时，目标的影像 不在十字丝平面上，以致两者不能同时被看清不在十字丝平面上，以致

18、两者不能同时被看清。消除方法：仔细进行目镜、物镜调焦。消除方法：仔细进行目镜、物镜调焦。4、精确整平、精确整平目的：使水准管气泡居中，视准轴精确水平。目的：使水准管气泡居中，视准轴精确水平。方法：调节微倾螺旋，使气泡影像符合。方法：调节微倾螺旋，使气泡影像符合。5、读数、读数 用十字丝横丝在水准用十字丝横丝在水准尺上按从小到大的方向读尺上按从小到大的方向读数，读取米、分米、厘米、数，读取米、分米、厘米、毫米（估读数）四位数字。毫米（估读数）四位数字。如图的读数如图的读数 0.860m注意：注意：读数前必须精平，读数前必须精平， 精平后立即读数。精平后立即读数。6、扶尺、扶尺 目的：将水准尺立于

19、测点的铅垂线位置。目的：将水准尺立于测点的铅垂线位置。操作过程：竖立标尺时要求做到：操作过程：竖立标尺时要求做到：(1)竖直；竖直；(2)稳当。稳当。 7. 搬站搬站目的：将仪器顺利、安全地转移到下一测站。目的：将仪器顺利、安全地转移到下一测站。操作过程：搬站时，先检查仪器中心连接螺旋是否操作过程：搬站时，先检查仪器中心连接螺旋是否固定可靠，将脚螺旋调至等高，然后收拢架腿，一固定可靠，将脚螺旋调至等高，然后收拢架腿，一手扶着基座，一手斜抱着架腿夹在腋下，安全搬站。手扶着基座，一手斜抱着架腿夹在腋下，安全搬站。如果地形复杂，应将仪器装箱搬站。不能将仪器扛如果地形复杂，应将仪器装箱搬站。不能将仪器

20、扛在肩上搬站，以免发生仪器事故。在肩上搬站，以免发生仪器事故。 二、一个测站的水准测量工作二、一个测站的水准测量工作ABab1 1、安置仪器于、安置仪器于ABAB之间，之间， 立尺于立尺于A A、B B点上；点上；2 2、粗略整平；、粗略整平；3 3、瞄准、瞄准A A尺，精平、读数尺，精平、读数a a， 记录记录1.568m1.568m；4 4、瞄准、瞄准B B尺，精平、读数尺，精平、读数b b， 记录记录1.471m1.471m；5 5、计算：、计算：h hABAB = a = a b = 1.568-1.471=0.115m b = 1.568-1.471=0.115m 即即B B点比点比

21、A A点高点高0.115m0.115m。 h hBA BA = h hABAB= = 0.115m 0.115m，即，即 A A点比点比B B点低点低0.115m0.115m。nihi1三、连续水准测量三、连续水准测量 当两点相距较远或高差较大时，需连续安置水准仪测当两点相距较远或高差较大时，需连续安置水准仪测定相邻各点间的高差，最后取各个高差的代数和，可得到定相邻各点间的高差，最后取各个高差的代数和，可得到起终两点间的高差。起终两点间的高差。B如图：如图：A A、B B两水准点之间，设两水准点之间，设3 3个临时性的转点。个临时性的转点。 h1 =a1-b1 h2 =a2-b2 h3 =a3

22、-b3 h4 =a4-b4h1 =a1-b1 h2 =a2-b2 h3 =a3-b3 h4 =a4-b4 h hABAB= h1+h2+h3+h4= h1+h2+h3+h4ATP1TP2TP3a1b1a2b2a3b3a4b4b2b4AA、B B两点高差计算的一般公式：两点高差计算的一般公式：h hABAB= = =niiiba1）（nn为测站数为测站数例：例：注意：为保证高程传递的准确性，在相邻测站的观注意：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）。测过程中，必须使转点保持稳定（高程不变）。ATP1TP2TP32.142B1.2580.9281.2351.

23、6641.4311.6722.074HA=123.446mHB大大 地地 水水 准准 面面前进方向前进方向测测站站点号点号 水准尺读数水准尺读数后视（后视（a a） 前视（前视（b b）高差高差 （m m）高程高程（m m）备备注注 ATP1TP1TP2TP2TP3 TP3 B 2.142 1.258+0.884 0.928 1.235-0.307 1.664 1.431 +0.233 1.672 2.074 -0.402计算计算检核检核 6.406 5.998测测站站点号点号 水准尺读数水准尺读数后视（后视（a a） 前视（前视（b b）高差高差 （m m）高程高程（m m）备备注注 ab0

24、.4080.408 0.408123.446123.854水水 准准 测测 量量 手手 簿簿已知已知四、概念四、概念1 1、测站：测量仪器所安置的地点。、测站：测量仪器所安置的地点。2 2、水准路线：进行水准测量时所行走的路线。、水准路线：进行水准测量时所行走的路线。3 3、后视：水准路线的后视方向。、后视：水准路线的后视方向。4 4、前视：水准路线的前视方向。、前视：水准路线的前视方向。5 5、视线高程：后视高程、视线高程：后视高程+ +后视读数。后视读数。6 6、视距：水准仪至标尺的水平距离。、视距：水准仪至标尺的水平距离。7 7、水准点：水准测量的固定标志。、水准点：水准测量的固定标志。

25、8 8、 水准点高程：指标志点顶面的高程。水准点高程：指标志点顶面的高程。9 9、转点：水准测量中起传递高程作用的中间点。、转点：水准测量中起传递高程作用的中间点。水准点水准点第五节第五节 水准测量的外业水准测量的外业 为了统一全国的高程系统和满足各种测量的需要，测绘部为了统一全国的高程系统和满足各种测量的需要，测绘部门在全国各地埋设并用水准测量方法建立的高程控制点称门在全国各地埋设并用水准测量方法建立的高程控制点称为水准点，这就是等级水准点（为水准点，这就是等级水准点（Bench Mark），简称），简称“BM”。一、水准点：一、水准点：用于水准测量而设有固定标志的高程基准点。用于水准测量而

26、设有固定标志的高程基准点。 需要长期保存的水准点一般用混凝土或石料制成标石，需要长期保存的水准点一般用混凝土或石料制成标石，中间嵌一个半球形金属标志，埋设在冰冻线以下中间嵌一个半球形金属标志，埋设在冰冻线以下0.5m左左右的坚硬土基中，并设防护井保护，称永久性水准点。右的坚硬土基中，并设防护井保护，称永久性水准点。亦可埋设在岩石或永久性建筑物上。亦可埋设在岩石或永久性建筑物上。 使用时间较短的，称为临时水准点。一般用混凝土标石使用时间较短的，称为临时水准点。一般用混凝土标石埋设，或用大木桩顶面加一帽钉打入地下，并用混凝土埋设，或用大木桩顶面加一帽钉打入地下，并用混凝土固定，亦可在岩石或建筑物上

27、用红漆标记。固定，亦可在岩石或建筑物上用红漆标记。 一、水准点一、水准点在水准点选埋后，应绘出水准点与附近固定建筑物或其它在水准点选埋后，应绘出水准点与附近固定建筑物或其它地物的点位关系图并编号，称为点之记地物的点位关系图并编号，称为点之记 水准测量进行的路径称为水准测量进行的路径称为水准路线水准路线。 闭合水准路线闭合水准路线； 附合水准路线附合水准路线； 水准支线水准支线； 水准网水准网。二、水准路线的布设图形二、水准路线的布设图形三、水准测量的实施三、水准测量的实施 首先在已知高程的起始点首先在已知高程的起始点A上竖立水准尺，在前进方向处设立第一个转点。上竖立水准尺，在前进方向处设立第一

28、个转点。 在离这两点等距离处安置水准仪。仪器粗略整平后，先照准起始点在离这两点等距离处安置水准仪。仪器粗略整平后，先照准起始点A上的上的水准尺，用微倾螺旋使气泡符合后，读取水准尺，用微倾螺旋使气泡符合后，读取A点的后视读数。然后照准转点点的后视读数。然后照准转点上的水准尺，气泡符合后读取转点的前视读数。上的水准尺，气泡符合后读取转点的前视读数。 把读数记入手簿，并计算出这两点间的高差。把读数记入手簿，并计算出这两点间的高差。 在转点处的水准尺不动，仅把尺面转向前进方向。在在转点处的水准尺不动，仅把尺面转向前进方向。在A点的水准尺和点的水准尺和1点点的水准仪则向前转移，水准尺安置在与第一站有同样

29、间距的转点，而水准的水准仪则向前转移，水准尺安置在与第一站有同样间距的转点，而水准仪则安置在离两转点等距离处的测站仪则安置在离两转点等距离处的测站2。 按在第按在第1站同样的步骤和方法读取后视读数和前视读数，并计算出高差。站同样的步骤和方法读取后视读数和前视读数，并计算出高差。如此继续进行直到待定高程点如此继续进行直到待定高程点B。 测测站站点号点号 水准尺读数水准尺读数后视（后视（a a） 前视（前视（b b）高差高差 （m m）高程高程（m m）备备注注 ATP1TP1TP2TP2TP3 TP3 B 2.142 1.258+0.884 0.928 1.235-0.307 1.664 1.4

30、31 +0.233 1.672 2.074 -0.402计算计算检核检核 6.406 5.998测测站站点号点号 水准尺读数水准尺读数后视（后视（a a） 前视（前视（b b）高差高差 （m m）高程高程（m m）备备注注 ab0.4080.408 0.408123.446123.854水水 准准 测测 量量 手手 簿簿已知1、计算检核、计算检核 目的：检核计算高差和高程计算是否正确。目的：检核计算高差和高程计算是否正确。 检核条件：检核条件： 如上表所示：如上表所示：ABHHhbamba408. 0)998. 5406. 6（mh408. 0mHHAB408. 0446.123854.123等式条件成立，说明计算正确。等式条件成立，说明计算正确。三、水准测量的检核三、水准测量的检核2、测站检核、测站检核 目的：保证前后视读数的正确。目的：保证前后视读数的正确。方法：方法：变动仪器高法、双面尺法变动仪器高法、双面尺法（1 1）变动仪器高法）