chapter 2 水准测量

第2章 水准测量,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Civil Engineering Surveying,Contents,2.1 水准测量原理,2.2 水准测量的仪器和工具,2.3 水准测量的实施,2.4 水准测量的误差消减,2.5 三四等水准测量,确定地面点高程的测量工作，称为高程测量。 高程测量所用方法:水准测量、三角高程测量、气压高程测量和GPS测量等。 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,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,水准测量的原理利用水准仪提供的一条水平视线，测出两地面点之间的高差，然后根据已知点的高程和高差，推算出另一个点的高程。,高差测量方法,高差法,视线高法(仪高法),2.1 水准测量原理,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE, Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,于是B点的高程HB为,A后视点；B前视点 a后视读数；b前视读数,由图中的几何关系可知A,B间的高差为:,2.2.1 高差法,如右图示，A点高程HA已知，现要求安置一次仪器（即用一个测站）求出待测点1、2、3的高程H1、H2、H3。如何操作？,2.2.2 仪器高法,水准测量所使用的仪器和工具有水准仪、水准尺和尺垫。 水准仪按精度高低可分为普通水准仪和精密水准仪，建筑工程测量中一般使用DS3型微倾式普通水准仪，D、S分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音第一个字母，数字3表示该仪器精度，即每公里往返测量高差的中误差为3mm。 水准仪按工作原理可分为微倾式光学水准仪,自动安平水准仪,电子水准仪,2.2 水准测量的仪器和工具,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,微倾式光学水准仪,自动安平水准仪,电子水准仪(数字水准仪),水准尺,尺垫(仅能用于“转点” 上),2.2.1 DS3水准仪的构造 水准仪主要由望远镜、水准器和基座三部分构成。DS3水准仪的外形和各部件名称见下图。,1准星2水准管3照门4目镜5圆水准器6圆水准器校正螺丝7脚螺旋 8三角底板9水平制动螺旋10调焦螺旋11物镜12水平微动螺旋 13微倾螺旋,1.望远镜 望远镜是构成水平视线、瞄准目标和在水准尺上读数的主要部件。它主要由物镜、目镜、调焦透镜和十字丝分划板等构成，见图2-4。,1物镜2目镜3十字丝分划板4分划板护罩5对光透镜6物镜对光螺旋7分划板固定螺丝8十字丝 图23,望远镜成像原理图,视准轴,2.水准器 圆水准器,管水准器,粗略整平仪器,精确整平仪器,（1）圆水准器 圆水准器装在仪器的基座上，用来对水准仪进行粗略整平。 圆水准器顶面的内表面是一球面，其中央有一园圈，圆圈的中心称为零点，通过零点的球面法线称为圆水准器轴L/L/，当圆水准器气泡中心与零点重合时，表示气泡居中，此时圆水准器轴处于铅垂位置。,（2）水准管（管水准器） 如图2-7所示，水准管的玻璃管内壁为圆弧，圆弧的中心点称为水准管的零点。通过零点与圆弧相切的切线LL称为水准管轴。,图27,图28,3.基座 基座主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成.,2.2.2水准尺和尺垫 水准尺有双面尺和塔尺两种 标准水准尺为一对双面尺，其中: A尺和B尺黑面03m; A尺红面4.6877.687m, B尺红面4.7877.787m。 尺垫半球形顶部用来竖立水准尺，并标志转点 位置。,2.尺垫 如图，尺垫一般由生铁铸成，下部有三个尖足点，可以踩入土中固定尺垫；中部有突出的半球体， 作为临时转点的点位标志供竖立水准尺用。 注：仅在转点上使用尺垫。,使用微倾水准仪的基本操作程序为： 1、安置仪器：高度书中，三点等边 2、粗略整平：用三个角螺旋使气泡居中（左手大拇指移动方向为气泡移动方向） 3、瞄准水准尺： 目镜对光：十字丝清晰 物镜对光：物象清晰 消除视差：物象平面与十字丝平面没有重合而产生 相 对移动的现象。 反复调节物镜对光螺旋即可消除。 4、精确整平：转动微倾螺旋，使水准管气泡符合 5、读数：中横丝、四位数、毫米估读,2.2.3 水准仪的使用,使用微倾水准仪的基本操作程序为安置仪器和粗略整平（简称粗平）、调焦和照准、精确整平（简称精平）和读数。 （1）安置水准仪和粗平,2.2.3 水准仪的使用,3.瞄准水准尺：首先转动目镜调焦螺旋使十字丝清晰，转动望远镜瞄准水准尺，再转动物镜调焦螺旋使目标清晰。注意消除视差。 什么是视差？ 产生的原因？如何消除？ 当眼睛在目镜端上下微微移动时，若 发现十字丝与目标像有相对运动，这 种现象称为视差。 反复调节物镜对 光螺旋即可消除,（3）精平 当符合水准器气泡成像吻合时，表明气泡已精确整平。此时与水准管轴平行的视准轴处于水平状态。,（4）读数 不论使用的水准仪是正像或是倒像，读数总是由注记小的一端向大的一端读出。通常读数应保持四位数字，米、分米、厘米可由尺上刻划直接读出，毫米数则由估计而读得。,图215,读数为：1.464m,2.3 水准测量的实施 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（等外水准测量），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。,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,2.3.1 水准点 为了统一全国高程系统和满足科研、测图、国家建设的需要，测绘部门在全国各地埋设了许多固定的测量标志，并用水准测量的方法测定了它们的高程，这些标志称为水准点（Bench Mark），常用BM表示。水准点有永久点和临时点两种。,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,永久水准点,临时水准点,图219,2.3.2水准路线 进行水准测量所经过的路线称为水准路线。相邻两水准点间的路线称为测段。,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,（1）附合水准路线：如图2-17(a)，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水准点，最后附合到另一个高程已知水准点。,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,闭合差：实测高差与已知高差的差值。,（2）闭合水准路线：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选定高程的水准点，最后又回到原已知水准点.,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,（3）支水准路线：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。为了检核，必须进行往返水准测量。 高差闭合差 为高差的观测值与理论值之差，通过计算公式为： 其大小反映观测成果的精度。,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,2.3.3 普通水准测量的内、外业工作,图220,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,外业： （1）在已知点A立直水准尺作为后视尺，选合适的地点为测站，再选合适的地点为转点TP1，踏实尺垫，在尺垫上立直前视尺。 （2）观测者首先将水准仪粗平，然后瞄准后视尺，精平，读数；再瞄准前视尺，精平，读数。记录者同时记录并计算一个测站的高差。 （3）记录计算完毕，通知观测者搬往下一测站。原后视尺手也同时前进到下一站的前视点TP2。原前视尺手原地TP1不动，把尺面转向下一个测站，成为后视尺。按前一测站的方法观测。重复上述过程，一直观测至待定点BMB。 （4）记录者在现场应完成每页手薄的计算校核项，即：,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,为了及时发现观测中的错误，保证每个测站的高差观测的准确，可以采用测站校核的措施。测站校核有两种方法。 （1）两次仪器高法； （2）双面尺法。,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,内业： 外业观测结束后，首先检查原始记录，确信记录无误后，着手进行成果处理(成果校核)。 步 骤： （1）计算高差闭合差 ； （2）计算高差闭合差容许值；,（通用）,（闭合水准路线）,平地,山地,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,（3）调整高差闭合差（将高差闭合差反符号按与各测段的路线长度(或测站数)成正比分配到各段高差中去）； 某一测段高差改正数为： （4）计算改正后的高差及各点高程 各测段改正后高差为：,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,闭合水准路线内业计算实例,下图为一闭合水准路线观测成果，已知HA=45.215m,求各点高程。,8,10,11,12,41,-1.425,-2.357,2.372,1.387,-0.023,+0.004,+0.006,+0.006,+0.007,+0.023,-1.421,-2.351,2.378,1.394,0,43.794,41.443,43.821,45.215,fh 容=77mm；fh=-23mmfh容，符合要求,三、四等水准测量除用于国家高程控制网的加密外，常用于建立局部区域地形测量、工程测量高程首级控制。 三、四等水准测量可布设成闭合水准路线和附合水准路线。,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,2.4 三、四等水准测量,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,2.4.1 主要技术要求,仪器技术要求,测站技术要求,观测技术要求,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,2.4.2 一个测站的观测程序,安置仪器，粗平,后视黑面尺，精平，读下(1)、上(2)、中(3)三丝读数，记录,前视黑面尺，读下(4)、上(5)、中(6)三丝读数，记录,前视红面尺，读中(7)丝读数，记录,后视红面尺，读中(8)丝读数，记录,后-前-前-后,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,2.4.2 一个测站的观测程序,（）观测顺序 后（黑）前（黑）前（红）后（红） 也称为黑黑红红,首先用步子量仪器到前后视距相等，安置好仪器。 后视水准尺黑面，精平，读上、下、中丝读数，记入表中 (1)、(2)、(3)位置。 前视水准尺黑面，精平，读上、下、中丝读数，记入表 中(4)、(5)、(6)位置。 前视水准尺红面，精平后读中丝读数，记入表中(7)位置。 后视水准尺红面，精平后读中丝读数，记入表中(8)位置,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 双面标尺法记录手薄,Civil Engineering Surveying,2.4.3 测站的计算与检核,1、视距计算与检核： 后视距d后: (9)=(1)-(2) 100 前视距d前: (10)=(4)-(5) 100 前后视距差: (11)=(9)-(10) 前后视距累计差: (12)=上站(12)+本站(11),2、读数检核(设后视尺k1=4.787m，前视尺k2=4.687m)： 前视尺: (13)=(6)+k2-(7) 后视尺: (14)=(3)+k1-(8) 三等水准测量(13)、(14)不大于2mm，四等水准测量不大于3mm，方可进行高差计算,3、高差计算与检核： 黑面高差: (15)=(3)-(6) 红面高差: (16)= (8)-(7) 红黑面高差之差: (17)=(15)-(16)100mm=(14)-(13) 三等水准测量，(17)不大于3mm，四等不大于5mm 测站高差: (18)=(15)+(16) 100mm/2,2.4.4 全路线的计算与检核,1、高差检核：,2、视距检核：,误差不可避免，但可通过改进观测方法可消减。 （1）仪器工具的误差 水准仪的误差：例如水准管与视准轴不平行，存在一 微小的夹角。这种误差的影响与距离成正比。 消减方法：观测时使前后视距离相等。 水准尺的误差：水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等。 消减方法：检验合格再用或使用符合要求的水准尺。,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,2.5 水准测量的误差及其消减方法,（2）观测误差 水准管气泡居中误差： 估读误差 水准尺倾斜的误差 （3）外界环境产生的误差 地球曲率的影响 大气折光的影响 温度变化的影响 仪器和尺垫下沉的影响,ARCHITECTURAL AND CIVIL ENGINEERING INSTITUTE,Chapter 2 Leveling,Civil Engineering Surveying,2-6 DS3型水准仪的检验与校正,一、水准仪轴线及其应满足的几何条件 1.四条轴线 视 准 轴 CC 水准管轴 LL 圆水准轴 LL 竖 轴 VV 2.应满足的三个条件 （1）LL/ VV （2）横丝VV （3）LL / CC (主要条件),2-6 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 1.圆水准轴平行于仪器竖轴的检验 目的：使圆水准器轴平行于竖轴，即LLVV 检验方法： （1）安置水准仪后，转动脚螺旋使圆水准器气泡居中。 （2）将仪器绕竖轴旋转180。 （3）如果圆气泡仍旧居中，则表示该几何条件满足，不必校正；如果气泡不再居中，需要校正。,2-6 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 1.圆水准轴平行于仪器竖轴的检验 校正方法： （1）调整三个校正螺丝，使气泡向居中的位置移动偏移量的一半。 （2）用脚螺旋整平，使圆水准器气泡居中。 （3）校正工作一般都难以一次完成，需反 复进行。 （4）最后应注意拧紧固紧螺丝。,2-6 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 1.圆水准轴平行于仪器竖轴的检验 2.十字丝中丝垂直于仪器竖轴的检验与校正 目的：使十字丝横丝垂直于竖轴。 检验方法：安置水准仪整平后，用十字丝交点瞄准某一明显的点状目标M，转动望远镜，观测M点是否始终沿着中丝移动。如果M点沿着横丝移动，则表示十字丝横丝与竖轴垂直，否则需要校正。,2-6 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 2.十字丝中丝垂直于仪器竖轴的检验与校正 校正方法：旋下目镜端的十字丝环外罩， 用螺丝刀松开十字丝环的四个固定螺丝， 按中丝倾斜的反方向小心地转动十字丝 环，直至中丝水平，再重复检验，最 后固紧十字丝环的固定螺丝，旋上十 字丝外罩。 当此项误差不明显时，一般不进行校正，因为 在作业中通常总是利用横丝的中央部分读数的,2-6 DS3型水准仪的检验与校正,二、检验与校正 3.视准轴平行于水准管轴的检验与校正 原理与方法： i角误差：水准管轴不平行于视准轴，它们在竖直面内投影之夹角,二、检验与校正 3.视准轴平行于水准管轴的检验与校正 检验方法： （1）在平坦地区选择相距约80m的A、B两点，并在A、B两点中间选择一点C，且使DAC=DBC。 （2）将水准仪安置于C点处，分别在A、B两点上竖立水准尺，读数为a1和b1., hAB=(a1-）-（b1-）=a1-b1 （3）将水准仪搬到靠近B点处（约距B点3m），整平仪器后，瞄准B点水准尺，读数为b2 ，则a2=b2+hAB （4）再瞄准A点水准尺，读数为a2，如果a2=a2，说明两轴平行。否则存在i角，其值为 i = （a2 - a2/ DAB）”；”206265”。 对于DS3水准仪来说，i 角值大于20”时，则需校正。,二、检验与校正 3.视准轴平行于水准管轴的检验与校正 校正：(1)转动微倾螺旋，使横丝瞄准读数 a2：(CC水平) (2)校正水准管气泡居中：用拨针先拨松水准管一端；左边(或右边)的校正螺丝，再拨动上、下两个校正螺丝，使偏离的气泡重新居中，最后将校正螺丝旋 紧。 LL水平（LL / CC） （3）重复检验直至符合要求。,水准管的 校正螺丝,