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第五章第五章 大地大地测量基本技量基本技术与方法与方法1-5.1.1 建立国家平面大地控制网的方法建立国家平面大地控制网的方法1 1、常、常规大地大地测量法量法 三角三角测量法量法 1)1)网形网形5.1 国家平面大地控制网国家平面大地控制网2-国家平面大地控制网国家平面大地控制网2)坐坐标计算原理算原理:正弦定理正弦定理3)三角网的元素三角网的元素:起算元素：已知的坐起算元素：已知的坐标、边长和已知的方位角和已知的方位角.观测元素：三角网中元素：三角网中观测的所有方向的所有方向(或角度或角度)。推算元素：由起算元素和推算元素：由起算元素和观测元素的平差元素的平差值推算的三角推算的三角网中其他网中其他边长、坐、坐标方位角和各点的坐方位角和各点的坐标。优点：点：图形形简单，结构构强，几何条件多，便于，几何条件多，便于检核，核，网的精度网的精度较高。高。缺点：缺点：易受障碍物的影响，布易受障碍物的影响，布设困困难，增加了建，增加了建标费用；推算用；推算边长精度不均匀，距起始精度不均匀，距起始边越越远边长精度越低。精度越低。3-国家平面大地控制网国家平面大地控制网l导线测量法量法:优点：布点：布设灵活，容易克服地形障碍；灵活，容易克服地形障碍；导线测量只要求相量只要求相邻两点通两点通视，故可降低，故可降低觇标高度，造高度，造标费用少，且便于用少，且便于组织观测；网内；网内边长直接直接测量，量，边长精度均匀。精度均匀。缺点：缺点：导线结构构简单，没有三角网那，没有三角网那样多的多的检核条件，不易核条件，不易发现粗差，可靠性不高。粗差，可靠性不高。4-三三边测量及量及边角同角同测法法 边角全角全测网的精度最高，相网的精度最高，相应工作量也工作量也较大。在建立高精度的大。在建立高精度的专用控制网用控制网(如精密的形如精密的形变监测网网)或不能或不能选择良好布良好布设图形的地区可形的地区可采用此法而采用此法而获得得较高的精度。高的精度。国家平面大地控制网国家平面大地控制网5-国家平面大地控制网国家平面大地控制网2、天文、天文测量法量法 天文天文测量法是在地面点上架量法是在地面点上架设仪器，通器，通过观测天体天体(主主要是恒星要是恒星)并并记录观测瞬瞬间的的时刻，来确定地面点的地理位刻，来确定地面点的地理位置，即天文置，即天文经度、天文度、天文纬度和度和该点至另一点的天文方位角。点至另一点的天文方位角。优点：点：各点彼此独立各点彼此独立观测，也勿需点，也勿需点间通通视，测量量误差不会差不会积累。累。缺点：缺点：精度不高，受天气影响大。精度不高，受天气影响大。用途用途：在每隔一定距离的三角点上：在每隔一定距离的三角点上观测天文来推求大天文来推求大地方位角，控制水平角地方位角，控制水平角观测误差差积累累对推算方位角的影响。推算方位角的影响。6-3、现代定位新技代定位新技术简介介 GPS测量量 全球定位系全球定位系统GPS(Global Positioning GPS(Global Positioning System)System)可可为各位用各位用户提供精密的三提供精密的三维坐坐标、三、三维速度和速度和时间信息。信息。GPS系系统的的应用用领域相当广泛，可以域相当广泛，可以进行海、行海、空和空和陆地的地的导航，航，导弹的制的制导，大地，大地测量和工程量和工程测量的精密定位，量的精密定位，时间的的传递和速度的和速度的测量等。量等。国家平面大地控制网国家平面大地控制网7-甚甚长基基线干涉干涉测量系量系统(VLBI)(VLBI)甚甚长基基线干涉干涉测量系量系统(VLBI)(VLBI)是在甚是在甚长基基线的的两端两端(相距几千公里相距几千公里)，用射，用射电望望远镜，接收，接收银河系河系或或银河系以外的河系以外的类星体星体发出的无出的无线电辐射信号，通射信号，通过信号信号对比，根据干涉原理，直接比，根据干涉原理，直接测定基定基线长度和度和方向的一种空方向的一种空间技技术。长度的相度的相对精度精度1010-6-6，可达，可达0.0010.001，由于其定，由于其定位的精度高，在研究地球的极移、地球自位的精度高，在研究地球的极移、地球自转速率的速率的短周期短周期变化、地球固体潮、大地板化、地球固体潮、大地板块运运动的相的相对速速率和方向中得到广泛的率和方向中得到广泛的应用。用。国家平面大地控制网国家平面大地控制网8-惯性性测量系量系统(INS)惯性性测量是利用量是利用惯性力学基本原理，在相距性力学基本原理，在相距较远的两点之的两点之间，对装有装有惯性性测量系量系统的运的运动载体体(汽汽车或直升或直升飞机机)从一个已知点到另一个待定点的加速从一个已知点到另一个待定点的加速度，分度，分别沿三个正交的坐沿三个正交的坐标轴方向方向进行两次行两次积分，分，从而求定其运从而求定其运动载体在三个坐体在三个坐标轴方向的坐方向的坐标增量，增量，进而求出待定点的位置，它属于相而求出待定点的位置，它属于相对定位，其相定位，其相对精度精度为(12)1010-5-5，测定的平面位置中定的平面位置中误差差为25cm左右。左右。优点：完全自主式，点点：完全自主式，点间也不要求通也不要求通视；全天；全天候，只取决于汽候，只取决于汽车能否开能否开动、飞机能否机能否飞行。行。缺点：相缺点：相对测量，精度不高。量，精度不高。国家平面大地控制网国家平面大地控制网9-国家平面大地控制网国家平面大地控制网5.1.2 建立国家平面大地控制网的基本原建立国家平面大地控制网的基本原则大地控制网大地控制网应分分级布布设、逐、逐级控制控制大地控制网大地控制网应有足有足够的精度的精度 大地控制网大地控制网应有一定的密度有一定的密度 大地控制网大地控制网应有有统一的技一的技术规格和要求格和要求 10-5.1.3 国家平面大地控制网的布国家平面大地控制网的布设方案方案1、常常规大地大地测量方法布量方法布设国家三角网国家三角网1）一等三角一等三角锁系布系布设方案方案 国家平面大地控制网国家平面大地控制网11-2）二等三角二等三角锁、网布、网布设方案方案 国家平面大地控制网国家平面大地控制网12-国家平面大地控制网国家平面大地控制网插网法插网法3）三、四等三角网）三、四等三角网13-国家平面大地控制网国家平面大地控制网插点法插点法14-国家平面大地控制网国家平面大地控制网4）我国天文大地网基本情况）我国天文大地网基本情况简介介 20世世纪50年代初，年代初，60年代末基本完成，先后共布年代末基本完成，先后共布设一一等三角等三角锁401条，一等三角点条，一等三角点6 182个，构成个，构成121个一等个一等锁环，锁系系长达达7.3万万km。一等。一等导线点点312个，构成个，构成10个个导线环，总长约1万万km。1982年完成天文大地网的整体平差工作。网中包括一年完成天文大地网的整体平差工作。网中包括一等三角等三角锁系，二等三角网，部分三等网，系，二等三角网，部分三等网，总共共约有有5万个万个大地控制点，大地控制点，30万个万个观测量的天文大地网。平差量的天文大地网。平差结果：果：网中离大地点最网中离大地点最远点的点位中点的点位中误差差为0.9m，一等，一等观测方方向中向中误差差为0.46。15-国家平面大地控制网国家平面大地控制网2、现代技代技术建立国家大地建立国家大地测量控制网量控制网 一般可把一般可把GPS网分网分为两大两大类：一：一类是全球或全国性的高是全球或全国性的高精度的精度的GPS网网(A、B级网），另一网），另一类是区域性的是区域性的GPS网（网（C、D、E级网）。网）。1）EPOCH 92中国中国GPS大会大会战 全网由全网由27个点个点组成，平均成，平均边长800km，使用，使用4台台MINI-MAC2816、13台台Trimble 4000 SST和和17台台Ashtech MDX C/A双双频接收机接收机观测，平差后在，平差后在ITRF 91地心参考框架中的地心参考框架中的定位精度定位精度优于于0.1m，基，基线相相对精度达到精度达到10-8。16-国家平面大地控制网国家平面大地控制网2）96 GPS A级网网96 GPS A级网共包括网共包括33个主站，个主站，23个副站，与个副站，与92 GPS A级网点重合网点重合21个。个。96 GPS A级网网观测时共使用共使用了了53台双台双频GPS接收机，其中接收机，其中14台台Astech MD12，17台台Trimble 4000 SSE,8台台Leica 200,6台台Rogue 8000,8台台Astech Z12。经数据精数据精处理后基理后基线分量重复性水平方分量重复性水平方向向优于于4mm+3ppm，垂直方向，垂直方向优于于8mm+4ppm，地心，地心坐坐标分量重复性分量重复性优于于2cm。全网整体平差后，在。全网整体平差后，在ITRF93参考框架中的地心坐参考框架中的地心坐标精度精度优于于10cm,基基线相相对精度达到精度达到10-8.17-国家平面大地控制网国家平面大地控制网3）国家高精度）国家高精度GPS B级网网 全网由全网由818个点个点组成，分布全国各地成，分布全国各地(除台湾省外除台湾省外)。东部点位部点位较密，平均站密，平均站间5070km,中部地区平均站中部地区平均站间100km，西部地区平均站，西部地区平均站间距距150km。外。外业自自1991年年至至1995年年结束，主要使用束，主要使用Ashtech MD 12和和Trimble 4000 SSE仪器器观测。经数据精数据精处理后，点位中理后，点位中误差相差相对于已知点在水平方向于已知点在水平方向优于于0.07m，高程方向，高程方向优于于0.16m，平均点位中，平均点位中误差水平方向差水平方向为0.02m，垂直方向，垂直方向为0.04m，基，基线相相对精度达到精度达到10-7。18-国家平面大地控制网国家平面大地控制网4）全国）全国GPS一、二一、二级网网 军测部部门建立，一建立，一级网由网由40余点余点组成，相成，相邻点点间距平距平均均为683km。自。自1991年年5月至月至1992年年4月月进行，使用行，使用10台台MINIMAC 2816接收机作接收机作业。网平差后点位中。网平差后点位中误差，差，绝大多数点在大多数点在2cm以内。二以内。二级网由网由500多个点多个点组成，二成，二级网网是一是一级网的加密。网的加密。5）中国地壳运）中国地壳运动观测网网络 地震局、地震局、总参参测绘局、科学院和国家局、科学院和国家测绘局局联合建立，合建立，主要是服主要是服务于中于中长期地震期地震预报，兼，兼顾大地大地测量的目的，量的目的，该网网络是以是以GPS为主，以主，以SLR和和VLBI以及重力以及重力测量量为辅，由三个由三个层次的网次的网络组成，即成，即25站站连续运行的基准网、运行的基准网、56站定期复站定期复测的基本网和的基本网和1000站复站复测频率低的区域网。率低的区域网。19-国家平面大地控制网国家平面大地控制网3、国家平面大地控制网的布国家平面大地控制网的布设包括以下工作：技包括以下工作：技术设计，实地地选点，建造点，建造觇标，标石埋石埋设，外，外业测量，平差量，平差计算等算等 1）技）技术设计 收集收集资料料 实地踏勘地踏勘 图上上设计 编写技写技术设计书 2）实地地选点：点：选点点图，点之，点之记，选点工作技点工作技术总结。20-国家平面大地控制网国家平面大地控制网3）建造）建造觇标(传统大地大地测量法量法)寻常常标双双锥标21-国家平面大地控制网国家平面大地控制网4）标石埋石埋设 大地点的坐大地点的坐标，实际上指的就是上指的就是标石中心的坐石中心的坐标。22-大地控制网大地控制网优化化设计5.1.4 大地控制网大地控制网优化化设计简介介1、概述概述 最最优化就是在相同的条件下从所有可能方案中化就是在相同的条件下从所有可能方案中选择最最佳的一个。佳的一个。2、控制网的、控制网的设计目目标 控制网控制网设计的目的目标，指的是控制网，指的是控制网应达到的达到的质量量标准，准，它是它是设计的依据和目的，同的依据和目的，同时又是又是评定网的定网的质量的指量的指标。质量量标准包括准包括精度精度标准、可靠性准、可靠性标准、准、费用用标准、可区分准、可区分标准及灵敏度准及灵敏度标准准等，其中常用的主要是前等，其中常用的主要是前3个个标准。准。23-1）精度精度标准准:方差方差-协方差方差阵DxxDxx整体精度整体精度标准指准指标：N N最最优，DxxDxx的范数的范数Dxx=min Dxx=min A A最最优，tr(Dxx)=tr(Dxx)=1 1+2 2+r r=min=min D D最最优，det(Dxx)=det(Dxx)=1 12 2r r min min E E最最优，max=minmax=min S S最最优，max-min=min max-min=min 局局部部精精度度指指标：点点位位误差差椭圆，相相对误差差椭圆，未未知知数数某些函数的精度某些函数的精度 大地控制网大地控制网优化化设计24-2）可靠性可靠性标准准 网的可靠性，指控制网能网的可靠性，指控制网能够发现观测值中存在的粗差和中存在的粗差和抵抗残存粗差抵抗残存粗差对平差平差结果的影响的能力。果的影响的能力。B为设计矩矩阵,多余多余观测分量分量.内部可靠性：内部可靠性：在在显著水平著水平 下，以下，以检验功效功效 发现粗差的下粗差的下界界为外部可靠性：外部可靠性：不可不可发现的粗差的粗差对平差平差结果影响的大小。果影响的大小。大地控制网大地控制网优化化设计25-其中：其中：为非中心化参数，非中心化参数，3）费用用标准准 最大原最大原则：在：在费用一定条件下，使控制网的精度和可用一定条件下，使控制网的精度和可靠性最大或者能靠性最大或者能满足一定限制下使精度最高。足一定限制下使精度最高。最小原最小原则：在使精度和可靠性指：在使精度和可靠性指标达到一定的条件下，达到一定的条件下，使使费用支出最小。用支出最小。大地控制网大地控制网优化化设计26-大地控制网大地控制网优化化设计3、优化化设计的分的分类和方法和方法1)网的网的优化化设计可分可分为零、一、二、三零、一、二、三类。零零类设计(基准基准设计)。固定参数是。固定参数是B和和P，待求参数是，待求参数是X和和Qxx。就是在控制网的网形和。就是在控制网的网形和观测值的先的先验精度已定精度已定的情况下，的情况下，选择合适的起始数据，使网的精度最高。合适的起始数据，使网的精度最高。一一类设计(图形形设计)。固定参数是。固定参数是P和和Qxx，待定参数，待定参数为B。就是在。就是在观测值先先验精度和未知参数的准精度和未知参数的准则矩矩阵已定已定的情况下，的情况下，选择最佳的点位布最佳的点位布设和最合理的和最合理的观测值数目。数目。通常，在通常，在传统的大地网的大地网图形形设计中就是解决中就是解决这个个问题。27-大地控制网大地控制网优化化设计 二二类设计(权设计):固定参数是固定参数是B，Qxx，待定参数，待定参数P在控制网的网形和网的精度要求已定的情况下，在控制网的网形和网的精度要求已定的情况下，进行行观测工作量的最佳分配工作量的最佳分配(权分配分配)，决定各，决定各观测值的精度的精度(权)，使各种，使各种观测手段得到合理手段得到合理组合。合。三三类设计(加密加密设计):固定参数是固定参数是Qxx和部分和部分B，P，待定参数，待定参数为部分部分B和和P，是，是对现有网和有网和现有有设计进行行改改进，引入附加点或附加，引入附加点或附加观测值，导致点位增致点位增删或移或移动，观测值的增的增删或精度改或精度改变。28-大地控制网大地控制网优化化设计2）优化化设计的方法的方法1)、解析法：、解析法：解析法具有解析法具有计算机算机时较少，理少，理论上上较严密等密等优点；但其数学模型点；但其数学模型难于构造，具有最于构造，具有最优解有解有时不符不符合合实际或可行性差。或可行性差。2)、模、模拟法：法：模模拟法是法是对经验设计的初步网形和的初步网形和观测精度，模精度，模拟一一组数据与数据与观测值输入入计算机，按算机，按间接接(参数参数)平差，平差，组成成误差方程和法方程，求逆而得到未知参数的差方程和法方程，求逆而得到未知参数的协因数因数阵(或方差或方差协方差方差阵)，计算未知参数及其函数的精度，算未知参数及其函数的精度，估算成本，或估算成本，或进一步一步计算可靠性等信息；与算可靠性等信息；与预定的精度、定的精度、成本和可靠性要求等相比成本和可靠性要求等相比较；根据；根据计算所提供的信息和算所提供的信息和设计者的者的经验，对控制网的基准、网形、控制网的基准、网形、观测精度等精度等进行修行修正。正。29-5.2 国家高程控制网建立的基本原理国家高程控制网建立的基本原理国家高程基准国家高程基准 高程基准面高程基准面水准原点水准原点 1956年黄海高程系年黄海高程系统:水准原点高程水准原点高程为72.289m 1985国家高程基准国家高程基准:水准原点的高程水准原点的高程为72.260米。米。1987年年经国国务院批准，于院批准，于1988年年1月正式启用月正式启用国家高程控制网国家高程控制网30-5.2.15.2.1 国家高程控制网的布国家高程控制网的布设原原则 目的和任目的和任务有两个：有两个：1)1)建立建立统一的高程控制网，一的高程控制网，为地形地形测图和各和各项建建设提供提供必要的高程控制基必要的高程控制基础；2)2)为地壳垂直运地壳垂直运动、平均海面、平均海面倾斜及其斜及其变化和大地水准化和大地水准面形状等地球科学研究提供精确的高程数据。面形状等地球科学研究提供精确的高程数据。从高到低、逐从高到低、逐级控制控制 一等水准一等水准测量是国家高程控制网的骨干，同量是国家高程控制网的骨干，同时也也为相相关地球科学研究提供高程数据；二等水准关地球科学研究提供高程数据；二等水准测量是国家高程量是国家高程控制网的全面基控制网的全面基础；三、四等水准；三、四等水准测量是直接量是直接为地形地形测图和其他工程建和其他工程建设提供高程控制点提供高程控制点。国家高程控制网国家高程控制网31-水准点水准点满足一定的密度足一定的密度 水准标石类型间距（km）布设具体要求一 般地区经 济发 达地区荒 漠地区基 岩水 准标石500只设于一等水准路线上，大城市和断裂带附近应增设，基岩较深地区可适当放宽，每省（市、自治区）至少两座。基 本水 准标石4020-3060设于一二等水准路线上及交叉处，大、中城市两侧及县城附近。尽量设置在坚固岩层上。普 通水 准标石4-82-410设于各等级水准路线上，以及山区水准路线高程变换点附近，长度超过300米的遂道，跨河水准测量的两岸标尺附近。国家高程控制网国家高程控制网32-水准水准测量达到足量达到足够的精度的精度 各等级水准测量的精度，是用每公里高差中数的偶然中误差和每公里高差中数的全中误差来表示的。一等水准网一等水准网应定期复定期复测 水 准 测量等级一等二等三等四等M的限值0.45mm1.0mm3.0mm5.0mmMW的限值1.0mm2.0mm6.0mm10.0mm33-5.2 国家水准网的布国家水准网的布设方案及精度方案及精度我国的水准我国的水准测量分量分为四等，各等四等，各等级水准水准测量路量路线必必须自行自行闭合或合或闭合于高等合于高等级的水准路的水准路线上，与其构成上，与其构成环形或附合路形或附合路线，以便控制水准以便控制水准测量系量系统误差的差的积累和便于在高等累和便于在高等级的水准的水准环中布中布设低等低等级的水准路的水准路线。一等一等闭合合环线周周长，在平原和丘陵地区，在平原和丘陵地区为1 0001 500km，一般山区一般山区为2 000km左右。左右。二等二等闭合合环线周周长，在平原地区，在平原地区为500750km,山区一般不山区一般不超超过1 000km。三、四等水准用于加密，根据高等三、四等水准用于加密，根据高等级水准水准环的大小和的大小和实际需需要布要布设，其中，其中环线周周长、附合路、附合路线长度和度和结点点间路路线长度，度，三等水准分三等水准分别为200km、150km和和70km；四等分；四等分别为100km、80km和和30km。国家高程控制网国家高程控制网34-水准测量等级一等二等三等四等M的 限值0.451.03.05.0mmMW的 限值1.02.06.010.0mm国家高程控制网国家高程控制网每公里高差中数偶然中每公里高差中数偶然中误差：差：每公里高差中数的全中每公里高差中数的全中误差：差：35-国家高程控制网国家高程控制网5.2.3 水准路水准路线的的设计、选点和埋石点和埋石1、技技术设计 技技术设计是根据任是根据任务要求和要求和测区情况，在小比例区情况，在小比例尺地尺地图上，上，拟定最合理的水准网或水准路定最合理的水准网或水准路线的布的布设方方案。案。一等水准路一等水准路线应沿路面坡度平沿路面坡度平缓、交通不太繁忙、交通不太繁忙的交通路的交通路线布布设，二等水准路，二等水准路线尽量沿公路、大河及尽量沿公路、大河及河流布河流布设，沿，沿线交通交通较为方便。方便。水准路水准路线应避开土避开土质松松软的地段和磁的地段和磁场甚甚强的地的地段，并段，并应尽量避免通尽量避免通过大的河流、湖泊、沼大的河流、湖泊、沼泽与峡谷与峡谷等障碍物。等障碍物。36-2 2、选 点点 图上上设计完成后，完成后，须进行行实地地选线，其目的在于使，其目的在于使设计方案能符合方案能符合实际情况，以确定切情况，以确定切实可行的水准路可行的水准路线和水和水准点的具体位置。准点的具体位置。选定水准点定水准点时，必，必须能保能保证点位地基点位地基稳定、安全僻静，并利于定、安全僻静，并利于标石石长期保存与期保存与观测使用。水准点使用。水准点应尽可能尽可能选在路在路线附近的机关、学校、公园内。不宜在易附近的机关、学校、公园内。不宜在易于淹没和土于淹没和土质松松软的地域埋的地域埋设水准水准标石，也不宜在易受震石，也不宜在易受震动和地和地势隐蔽而不易蔽而不易观测的地方埋石。的地方埋石。水准点点位水准点点位选定后，定后，应填填绘点之点之记，绘制水准路制水准路线图及及结点接点接测图。国家高程控制网国家高程控制网37-3、埋埋 石石 按用途区分，水准按用途区分，水准标石有基岩水准石有基岩水准标石、基本水准石、基本水准标石和普通水准石和普通水准标石三种石三种类型。型。各各类水准水准标石的制作材料和埋石的制作材料和埋设规格及其埋格及其埋设方法方法等，在等，在国家一、二等水准国家一、二等水准测量量规范范都有具体的都有具体的规定定和和说明。明。5.2.4 水准路水准路线上的重力上的重力测量量 因精密水准因精密水准测量成果需量成果需进行重力异常改正，故在一、行重力异常改正，故在一、二等水准路二等水准路线沿沿线要要进行重力行重力测量。量。国家高程控制网国家高程控制网38-规范范规定定：高程大于高程大于4 000m4 000m或水准点或水准点间的平均高差的平均高差为150150250m250m的地区，一、二等水准路的地区，一、二等水准路线上每个水准点均上每个水准点均应测定重力。定重力。高差大于高差大于250m250m的的测段，在地面段，在地面倾斜斜变化化处应加加测重力。重力。高程在高程在1 5001 5004 000m4 000m或水准点或水准点间的平均高差的平均高差为5050150m150m的地区，一等水准路的地区，一等水准路线上重力点上重力点间平均距离平均距离应小于小于11km11km；二等水准路；二等水准路线上上应小于小于23km23km。在我国西北、西南和在我国西北、西南和东北北边境等有境等有较大重力异常的地大重力异常的地区，一等水准路区，一等水准路线上每个水准点均上每个水准点均应测定重力。定重力。在由青在由青岛水准原点至国家大地原点的一等水准路水准原点至国家大地原点的一等水准路线上，上，应逐点逐点测定重力，以便精确求得大地原点的正常高。定重力，以便精确求得大地原点的正常高。国家高程控制网国家高程控制网39-5.2.5 我国国家水准网的布我国国家水准网的布设概况概况 我国国家水准网的布我国国家水准网的布设，按照布，按照布测目的、完成年代、目的、完成年代、采用技采用技术标准和高程基准等，基本上可分准和高程基准等，基本上可分为三期：三期：第一期主要是第一期主要是1976年以前完成的，以年以前完成的，以1956年黄海高程基年黄海高程基准起算的各等准起算的各等级水准网；水准网；第二期主要是第二期主要是1976年至年至1990年完成的，以年完成的，以“1985国家高国家高程基准程基准”起算的国家一、二等水准网；起算的国家一、二等水准网；第三期是第三期是1990年以后年以后进行的国家一等水准网的复行的国家一等水准网的复测和局和局部地区二等水准网的复部地区二等水准网的复测，现已完成外已完成外业观测和内和内业平差平差计算工作，成果已提供使用。算工作，成果已提供使用。国家高程控制网国家高程控制网40-工程工程测量控制网量控制网 5.3.1 工程工程测量控制网的分量控制网的分类测图控制网 施工控制网 变形观测专用控制网 5.3.2 工程平面控制网的布工程平面控制网的布设原原则分级布网，逐级控制要有足够的精度要有足够的密度要有统一的规格41-城市或工程GPS网的主要技术要求(注：当边长小于200m时，边长中误差应小于20mm。)等级平均距离（km）a(mm)B(ppm)最弱边相对中误差二等91021/120000三等51051/80000四等210101/45000一级110101/20000二级115201/10000工程工程测量控制网量控制网 42-以城市测量规范为例，它对控制网测设的主要技术要求都有具体的规定，其中电磁波测距导线的主要技术要求为：等级闭合环或附合导线长度(km)平 均 边长(m)测距中误差(mm)测 角 中 误差()导 线 全 长相 对 闭 合差差三等153000181.51/60000四等101600182.51/40000一级3.63001551/14000二级2.42001581/10000三级1.512015121/6000工程工程测量控制网量控制网 43-工工测控制网同相控制网同相应等等级的国家网比的国家网比较，平均，平均边长显著著地地缩短。短。布布设工工测控制网控制网时，应尽量与国家控制网尽量与国家控制网联测。这样可使工可使工测控制网控制网纳入到国家坐入到国家坐标系中，以便于各有关系中，以便于各有关部部门互相利用互相利用资料，而不造成重复料，而不造成重复测量和浪量和浪费。在布在布设专用控制网用控制网时，则要根据要根据专用控制网的特殊用用控制网的特殊用途和要求途和要求进行控制网的技行控制网的技术设计。工程工程测量控制网量控制网 44-1、水准水准测量建立工程高程控制网量建立工程高程控制网 水准测量是建立工程高程控制网的主要方法。城市和工程建设的水准测量的实施，和国家等级水准测量相似，其主要步骤一般是：水准网图上设计、选点、标石埋设、外业观测、平差计算和成果表的编制等内容。2 2、三角高程、三角高程测量建立工程高程控制网量建立工程高程控制网 高程导线各边的高差测定宜采用对向观测。需检查如下限差：由两个单方向算得的高程不符值；由对向观测所求得的高差较差；由对向观测所求得的高差中数，计算闭合环线或附合路线的高程闭合差。工程工程测量控制网量控制网 45-5.6 精密角度精密角度测量方法量方法 精密角度精密角度测量量仪器介器介绍：1.精密光学精密光学经纬仪的主要特点的主要特点角度标准设备度盘及其读数系统由光学玻璃组成，水平度盘和垂直度盘有读数显微镜和光学测微器，并实现双面(对径)读数。目标照准设备望远镜均为消色差的或经过消色差校正。一般给出目标的倒像，但现代望远镜大多数给出目标的正像；一般制动及微动螺旋分离设置。设有强制归心机构，精密光学对点器，经纬仪有垂直度盘指标自动归零补偿器，从而提高了仪器精度和测量效率。经纬仪由优质有机材料和合金制造。46-1垂直水准器观测棱镜；2垂直度盘照明反光镜；3望远镜调焦螺旋；4十字丝校正螺旋；5垂直度盘水准器微动螺旋；6望远镜目镜；7照准部制动螺旋；8仪器装箱扣压垛；9水平度盘照明反光镜；10望远镜制动螺旋；11十字丝照明转轮；12测微螺旋；13换像螺旋；14望远镜微动螺旋；15照准部水准器；16测微器读数目镜；17照准部微动螺旋；18水平度盘变位螺旋的护盖；19脚螺旋调节螺丝；20脚螺旋；21基座底板 47-2.精密精密电子子经纬仪的主要特点的主要特点 1)1)角度角度标准准设备：采用编码度盘及编码测微器的绝对式采用光栅度盘并利用莫尔干涉条纹测量技术的增量式。2)2)微微处理器，主要功能：理器，主要功能：控制和检核各种测量程序；实现电子测角，并计算竖轴倾斜引起的水平角及竖直角的改正。实现电子测距和计算，对所测距离进行地球曲率和气象改正，并进行相应的数据处理如水平距离、高差及坐标增量的计算等。将观测值及计算结果显示在显示器上或自动记录在电子手簿上或存储器内。48-49-3)竖轴倾斜自动测量和改正系统是供仪器自动整平及整平剩余误差对水平盘读数和竖盘读数的自动改正。4)现代电子经纬仪具有自动观测功能(带有马达伺服装置和CCD摄像镜头，能够自动搜索目标、精密照准、按程序进行测量和记录)。50-5.6.1 精密精密测角的角的误差来源及影响差来源及影响1、外界条件的影响外界条件的影响 p大气层密度的变化对目标成像稳定性的影响早晨太阳升起时，目标成像也仅有轻微的波动；日出以后，有一段时间，大约13h，成像较稳定；1215h，成像波动较大；日落前有一段成像稳定而有利于观测的时间；夜间大气层一般是平衡的。51-q水平折光的影响光线通过密度不均匀的空气介质时，经过连续折射后形成一条曲线，并向密度大的一方弯曲，当来自目标B的光线进入望远镜时，望远镜所照准的方向为这条曲线在望远镜A处的切线方向，弦线与切线交角，称为微分折光。微分折光可以分解为纵向和水平两个分量，由于大气温度的梯度主要发生在垂直面内，所以微分折光的纵向分量是微分折光的主要部分。微分折光的水平分量影响着视线的水平方向。52-q照准目标的相位差53-q温度变化对视准轴的影响假定在一个测回的短时间观测过程中，空气温度的变化与时间成比例，那么可以采用按时间对称排列的观测程序来削弱这种误差对观测结果的影响。q外界条件对觇标内架稳定性的影响假定在一测回的观测过程中，觇标内架或三脚架的扭转是匀速发生的，因此采用按时间对称排列的观测程序也可以减弱这种误差对水平角的影响。54-2.2.仪器器误差的影响差的影响水平度盘位移的影响照准部旋转不正确的影响照准部水平微动螺旋作用不正确的影响垂直微动螺旋作用不正确的影响3.3.照准和照准和读数数误差的影响差的影响 照准误差受外界因素的影响较大,与照准目标的形状和清晰度密切相关。55-5.6.2 精密精密测角的一般原角的一般原则 观测应在目标成像清晰、稳定的有利于观测的时间进行，以提高照准精度和减小旁折光的影响。观测前应认真调好焦距，消除视差。在一测回的观测过程中不得重新调焦，以免引起视准轴的变动。各测回的起始方向应均匀地分配在水平度盘和测微分划尺的不同位置上，以消除或减弱度盘分划线和测微分划尺的分划误差的影响。在上、下半测回之间倒转望远镜，以消除和减弱视准轴误差、水平轴倾斜误差等影响，同时可以由盘左、盘右读数之差求得两倍视准误差2 c，借以检核观测质量。56-上、下半测回照准目标的次序应相反，并使观测每一目标的操作时间大致相同，即在一测回的观测过程中，应按与时间对称排列的观测程序，其目的在于消除或减弱与时间成比例均匀变化的误差影响，如觇标内架或三脚架的扭转等。为了克服或减弱在操作仪器的过程中带动水平度盘位移的误差，要求每半测回开始观测前，照准部按规定的转动方向先预转12周。使用照准部微动螺旋和测微螺旋时，其最后旋转方向均应为旋进。为了减弱垂直轴倾斜误差的影响，观测过程中应保持照准部水准器气泡居中。57-5.7 精密的精密的电磁波磁波测距距方法方法 本节的主要内容:1)了解相位法与脉冲法测距的基本原理2)了解测距仪采用间接测尺频率测距的基本原理3)掌握仪器检验的几种方法以及相关计算4)熟练掌握测距成果的归算5)掌握测距误差来源以及精度估算方法与基本思想1电磁波测距仪的分类按载波和光源来分:光电测距仪(光波为载波)微波测距仪(无线电波为载波)58-电磁波磁波测距距仪的分的分类和分和分级测距原理：相位式测距仪（固定频率、可变频率）、脉冲式测距仪测程：长(十10km以上)、中(数公里至10km)、短(3km)载波源：红外、激光、微波载波数：单频、双频反射目标：合作目标、漫反射目标精度：高精度、一般精度、低精度 重要指标：精度、测程 59-5.7.1 电磁波磁波测距基本距基本原理原理 1.电磁波测距基本原理公式 2.相位式测距原理公式 60-5.7.2 N值解算的一般解算的一般原理原理 1.可变频率法61-2.固定频率法 为解决扩大测程和提高精度的矛盾，既得到距离的单值解，同时具有高精度和远测程，相位式测距仪一般采用一组测尺共同测距，即用精测频率测定余长以保证精度，设置多级频率(粗测频率)来解算N(通常称为多级固定频率测距仪)而保证测程，从而解决“多值性”问题。测尺频率15MHz1.5MHz150kHz15kHz1.5kHz测尺长度精 度10m1cm100m10cm1km1m10km10m100km100m62-5.7.3 距离距离观测值的改的改正正 1.气象改正气象改正 Dn 这是电磁波测距的重要改正，因为电磁波在大气中传输时受气象条件的影响很大。此项改正的实质是大气折射率对距离的改正。因折射率与气压、气温、湿度有关，因此习惯上我们称为气象改正。测距仪的调制频率是根据测距仪选定的参考大气条件设计的，设与参考大气条件相应的折射率为，故仪器测算出来的距离为：实际距离为：63-单一波长的光，巴雷尔-西尔色散公式：A=2 876.0410;B=16.28810；C=0.13610;n为在温度0，气压760 mmHg，湿度0%，含0.03%CO的标准大气压条件下的折射率。64-群折射率为一般大气条件下光的折射率例如 DI20 测距仪的红外波长=0.835m，参考大气条件15oC,760mmHg:65-2.仪器加常数改正和乘常数改正器加常数改正和乘常数改正1)仪器加常数改正器加常数改正 因测距仪、反光镜的安置中心与测距中心不一致而产生的距离改正，称仪器加常数改正,包括测距仪加常数和反光镜加常数。在测距仪的调试时，常通过电子线路补偿，使其为0，但实际上不可能严格为零，即存在剩余值，故有时又称为剩余加常数。当多次或用多种方法测定并确认仪器存在明显的加常数时，应在测距成果中加入仪器加常数改正：66-2)乘常数改正乘常数改正 因测距仪的基准频率等因素产生的尺度参数成为乘常数。设 为标准频率，假定无误差,为实际工作频率,令频率偏差67-3)六段法测定仪器加常数的基本原理68-为提高测距精度，应增加多余观测，故采用全组合观测法，共测21个距离值。在六段法中，点号一般取为0、1、2、3、4、5、6，则须测定如下距离：69-3.波道曲率改正波道曲率改正 电磁波在近距离上的传播可看成是直线，但当距离较远时，因受大气垂直折射的影响，就不是一条直线，而是一条半径为的弧线，实际测得的距离就是弧线D，我们把弧长D化为弦长D的改正称为第一速度改正。实际测距时，一般只是在测线两端测定气象元素，由此求出测线两端折射率的平均值，代替严格意义下的测线折射率的积分平均值。这种以测线两端点的折射率代替测线折射率而产生的改正，叫第二速度改正。70-4.4.归心改正心改正5.5.周期周期误差改正差改正 71-5.7.4 测距的距的误差来源差来源和精度表达式和精度表达式 1.测距的主要误差来源2.测距的精度表达式m=a+bD72-5.8 精密水准精密水准测量的量的方法方法 精密水准精密水准仪和水准尺和水准尺 气泡式的精密水准仪、自动安平的精密水准仪、数字水准仪以及相应的因瓦合金水准尺1 1、WildNWildN3 3精密水准精密水准仪简介介：望远镜物镜的有效孔径为50mm，放大倍率为40倍，管状水准器格值为10/2mm。N3精密水准仪与分格值为10mm的精密因瓦水准标尺配套使用，标尺的基辅差为301.55cm。在望远镜目镜的左边上下有两个小目镜，它们是符合气泡观察目镜和测微器读数目镜 73-1 1、WildNWildN3 3精密水准精密水准仪简介介(续)1望远镜目镜2水准气泡反光镜3倾斜螺旋4调焦螺旋5平行玻璃板测微螺旋6平行玻璃板旋转轴7水平微动螺旋8水平制动螺旋9脚螺旋10脚架主要特征：倾斜螺旋，平行玻璃板测微器74-1 1、WildNWildN3 3精密水准精密水准仪简介介(续)转动倾斜螺旋，使符合气泡观察目镜的水准气泡两端符合，则视线精确水平，此时可转动测微螺旋使望远镜目镜中看到的楔形丝夹准水准标尺上的148分划线，也就是使148分划线平分楔角，再在测微器目镜中读出测微器读数653(即6.53mm)，故水平视线在水准标尺上的全部读数为148.653cm。75-2.2.自自动安平水准安平水准仪简介介1测微器2圆水准器3脚螺旋；4保护玻璃5调焦螺旋6制动扳把7微动螺旋8望远镜目镜9水平度盘读数目镜主要特征：光学补偿器自动安平Koni007 76-2.2.自自动安平水准安平水准仪简介介(续)光学补偿器光学补偿器6是一块等腰直角棱镜，用弹性薄簧片悬挂形成重力摆，以摆轴为中心可以自由摆动，在重力作用下，最后静止在与重力方向一致的位置上 77-光学补偿器的原理当仪器整平时，补偿棱镜在位置，使来自水平方向的光线A转向180，最后进入十字丝分划板横丝，此时补偿棱镜仅起转向作用，不起补偿作用。当仪器向前倾，即望远镜物镜端向下倾斜一个小角度时，望远镜目镜随同十字分划板向上位移a，此时，补偿棱镜产生与视准轴倾斜相反的方向摆动，在重力的作用下最后静止在位置。当补偿棱镜摆动最后静止在位置时，将来自水平的光线A，经180转向后平移了距离a，再经过转向和成像的倒置而正确地进入仪器倾斜后的十字丝分划板横丝处，从而达到了补偿的目的。2.2.自自动安平水准安平水准仪简介介(续)78-精密水准尺精密水准尺精密水准尺的分划印刷在因瓦合金钢带上，由于这种合金的温度膨胀系数很小，长度准确而稳定。因瓦合金钢带不受木质尺身伸缩的影响，以一定的拉力将其引张在木质尺身的凹槽内。水准尺的分划为线条式，水准尺的分划值有10mm和5mm两种，与所用水准仪的测微器相配合。79-10mm分划的精密水准尺如图(a)两排分划，右边注记为0300cm，称为基本分划；左边注记为300600cm，称为辅助分划。基本分划与辅助分划相差一个常数301.55cm，称为基基辅差差，又称尺常数尺常数。5mm分划的精密水准尺如图(b)两排分划，错开5mm。左边是单数分划，右边是双数分划，右边注记是米数，左边注记是分米数，分划注记恒比实际数值大了一倍，读数应除以2才为实际的高度。80-3.3.电子数字水准子数字水准仪简介介主主要要特特征征：由由传感感器器识别条条形形码水水准准标尺尺上上的的条条形形码分分划划，经信信息息转换处理理获取取观测值，并并以以数数字字形形式式显示或存示或存储在在计算机内。算机内。81-观测时，经自动调焦和自动置平后，水准标尺条形码分划影像射到分光镜上，并将其分为两部分：其一是可见光，通过十字丝和目镜，供照准用；其二是红外光射向探测器，它将望远镜接收到的光光图像像信信息息转换成电影影像像信信号号，并传输给信息处理机，与机内原有的关于水准标尺的条形码本源信息进行相关处理，从而得出水准标尺上水平视线的读数。3.3.电子数字水准子数字水准仪简介介(续)82-精密水准精密水准仪的主要特点的主要特点 高质量的望远镜光学系统 坚固稳定的仪器结构 高精度的测微器装置 高灵敏的管水准器 高性能的补偿器装置 4.4.精密水准精密水准仪和水准和水准尺的主要特点尺的主要特点83-精密水准尺的主要特点精密水准尺的主要特点 当空气的温度和湿度发生变化时，水准标尺分划间的长度必须保持稳定；水准标尺的分划必须十分正确与精密，分划的偶然误差和系统误差都应很小；水准标尺在构造上应保证全长笔直，并且尺身不易发生长度和弯扭等变形；在精密水准标尺的尺身上应附有圆水准器装置，作业时扶尺者借以使水准标尺保持在垂直位置；4.4.精密水准精密水准仪和水准和水准尺的主要特点尺的主要特点(续)84-5.8.1 5.8.1 精密水准精密水准测量量的的误差来源及影响差来源及影响 1.仪器器误差差1)i角的误差影响-二等水准测量：前后视距差应1 m。前后视距累积差，应3m。85-2）角误差的影响-当仪器的垂直轴倾斜时，如与视准轴正交的方向倾斜一个角度，那么这时视准轴虽然仍在水平位置，但水准轴两端却产生倾斜，从而水准气泡偏离居中位置。这时，仪器在水平方向转动，水准气泡将移动。当重新调整水准气泡居中进行观测时，视准轴就会偏离水平位置而倾斜，显然它将影响在水准标尺上的读数。86-3)水准标尺每米长度误差的影响在精密水准测量作业中必须使用经过检验的水准标尺。设f为水准标尺每米间隔平均真长误差，则对一个测站的观测高差h应加的改正数为-一个测段应加的改正数为：87-4)两水准标尺零点差的影响 两水准标尺的零点误差不等，设a,b水准标尺的零点误差分别为a和b，它们都会在水准标尺上产生误差。-水准测量作业中各测段的测站数目应安排成偶数，且在相邻测站上使两水准标尺轮流作为前视尺和后视尺。88-2.外界因素引起的误差3.观测误差精密水准测量的观测误差，主要有水准器气泡居中的误差，照准水准标尺上分划的误差和读数误差-89-3.观测误差精密水准测量的观测误差，主要有水准器气泡居中的误差，照准水准标尺上分划的误差和读数误差-90-5.8.2 精密水准精密水准测量的量的实施施 1.精密水准精密水准测量作量作业的一般的一般规定定 (1)仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等，其差应小于规定的限值：二等水准测量中规定，一测站前、后视距差应小于1.0m，前、后视距累积差应小于3m。(2)在两相邻测站上，应按奇、偶数测站的观测程序进行观测。对于往测奇数测站按“后前前后”，偶数测站按“前后后前”的观测程序在相邻测站上交替进行。返测时，奇数测站与偶数测站的观测程序与往测时相反，即奇数测站由前视开始，偶数测站由后视开始。(3)每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准标尺应互换位置，并应重新整置仪器。每一测段的水准测量路线应进行往测和返测 (4)一个测段的水准测量路线的往测和返测应在不同的气象条件下进行，如分别在上午和下午观测。91-2.精密水准精密水准测量量观测1)测站观测程序 往测:奇数测站照准顺序 后视尺基本分划；前视尺基本分划；前视尺辅助分划；后视尺辅助分划；往测:偶数测站照准顺序 前视尺基本分划；后视尺基本分划；后视尺辅助分划；前视尺辅助分划。返测:奇、偶数测站照准标尺顺序分别与往测 偶、奇数测站相同。92-2)测站的记录与计算 (9)=(1)-(2)(10)=(5)-(6)(11)=(9)-(10)(12)=(11)+前站(12)(14)=(3)+K-(8)(13)=(4)+K-(7)(15)=(3)-(4)(16)=(8)-(7)(17)=(14)-(13)=(15)-(16)(18)=(15)+(16)93-5.8.3.水准水准测量的概算量的概算 概算的主要内容：观测高差的各项改正数的计算和水准点概略高程表的编算等。1.水准水准标尺每米尺每米长度度误差的改正数差的改正数计算算 当一对水准标尺每米长度的平均误差f大于0.02 mm 时，就要对观测高差进行改正，大小为：fh 2.2.正常水准面不平行的改正数正常水准面不平行的改正数计算算3.水准路水准路线闭合差合差计算算 94-4.高差改正数的计算5.计算水准点的概略高程 95-
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