第5章高程控制测量.pptx

本章提要本章提要 重点精密水准仪与水准尺精密水准仪与水准尺、精密水准测量精密水准测量的实施、三角高程测量的实施、三角高程测量 难点正常水准面不平行性及其改正数计算正常水准面不平行性及其改正数计算 返回本章首页本章讲述高程控制网的布设，精密水准测量、三角高程测量。目的是解决高程控制点位置的测定问题。内容涉及国家高程基准、国家高程基准、高程控制网的布设、精密水准仪与水准尺高程控制网的布设、精密水准仪与水准尺、精密水准测量的主要精密水准测量的主要误差来源及其影响、精密水准测量的实施误差来源及其影响、精密水准测量的实施、正常水准面不平行性正常水准面不平行性及其改正数计算及其改正数计算、水准测量的概算、三角高程测量水准测量的概算、三角高程测量第1页/共125页.1.1国家高程基准国家高程基准.1.1 .1.1 高程基准面高程基准面.1.2.1.2水准原点水准原点 第2页/共125页.1.1.1.1高程基准面高程基准面 高程基准面就是地面点高程的统一起算面，由于大地水准面所形成的体形大地体是与整个地球最为接近的体形，因此通常采用大地水准面作为高程基准面。大地水准面是假想海洋处于完全静止的平衡状态时的海水面延伸到大陆地面以下所形成的闭合曲面。事实上，海洋受着潮汐、风力的影响，永远不会处于完全静止的平衡状态，总是存在着不断的升降运动，但是可以在海洋近岸的一点处竖立水位标尺，成年累月地观测海水面的水位升降，根据长期观测的结果可以求出该点处海洋水面的平均位置，人们假定大地水准面就是通过这点处实测的平均海水面。长期观测海水面水位升降的工作称为验潮，进行这项工作的场所称为验潮站。根据各地的验潮结果表明，不同地点平均海水面之间还存在着差异，因此，对于一个国家来说，只能根据一个验潮站所求得的平均海水面作为全国高程的统一起算面高程基准面。第3页/共125页1957年确定青岛验潮站为我国基本验潮站，以该站1950年至1956年7年间的潮汐资料推求的平均海水面作为我国的高程基准面。以此高程基准面作为我国统一起算面的高程系统名谓“19561956年黄海高程系统年黄海高程系统”。“1956年黄海高程系统”的高程基准面的确立，对统一全国高程有其重要的历史意义，对国防和经济建设、科学研究等方面都起了重要的作用。但从潮汐变化周期来看，确立“1956年黄海高程系统”的平均海水面所采用的验潮资料时间较短，还不到潮汐变化的一个周期（一个周期一般为18.61年），同时又发现验潮资料中含有粗差，因此有必要重新确定新的国家高程基准。新的国家高程基准面是根据青岛验潮站19521979年19年间的验潮资料计算确定，根据这个高程基准面作为全国高程的统一起算面，称为“19851985国家高程基准国家高程基准”。.1.1.1.1高程基准面高程基准面第4页/共125页.1.2.1.2水准原点水准原点 为了长期、牢固地表示出高程基准面的位置，作为传递高程的起算点，必须建立稳固的水准原点，用精密水准测量方法将它与验潮站的水准标尺进行联测，以高程基准面为零推求水准原点的高程，以此高程作为全国各地推算高程的依据。我国的水准原点网建于青岛附近。在“1985国家高程基准”系统中，我国水准原点的高程为72.260m72.260m。“1985国家高程基准”已经国家批准，并从1988年1月1日开始启用，今后凡涉及高程基准时，一律由原来的“1956年黄海高程系统”改用“1985国家高程基准”。由于新布测的国家一等水准网点是以“1985国家高程基准”起算的，因此，今后凡进行各等级水准测量、三角高程测量以及各种工程测量，尽可能与新布测的国家一等水准网点联测，也即使用国家一等水准测量成果作为传算高程的起算值，如不便于联测时，可在“1956年黄海高程系统”的高程值上改正一固定数值，而得到以“1985国家高程基准”为准的高程值。返回本章首页第5页/共125页5.2 5.2 高程控制网的布设高程控制网的布设国家高程控制测量 城市和工程建设高程控制测量 第6页/共125页国家高程控制测量国家高程控制测量主要是用水准测量方法进行国家水准网的布测。国家水准网是全国范围内施测各种比例尺地形图和各类工程建设的高程控制基础，并为地球科学研究提供精确的高程资料，如研究地壳垂直形变的规律，各海洋平均海水面的高程变化，以及其他有关地质和地貌的研究等。第7页/共125页国家水准网分4个等级布设，一、二等水准测量路线是国家的精密高程控制网。一等水准测量路线构成的一等水准网是国家高程控制网的骨干，同时也是研究地壳和地面垂直运动以及有关科学问题的主要依据，每隔1520年沿相同的路线重复观测一次。构成一等水准网的环线周长根据不同地形的地区，一般在1 0002000km之间。在一等水准环内布设的二等水准网是国家高程控制的全面基础，其环线周长根据不同地形的地区在500750km之间。一、二等水准测量统称为精密水准测量。国家水准网的布设采用由高级到低级、从整体到局部逐级控制、逐级加密的原则。第8页/共125页国家高程控制测量我国一等水准网由289条路线组成，其中284条路线构成100个闭合环，共计埋设各类标石近2万余座。全国一等水准网布设略图如图所示。第9页/共125页国家高程控制测量二等水准网在一等水准网的基础上布设。我国已有1 138条二等水准测量路线，总长为13.7万公里，构成793个二等环。三、四等水准测量直接提供地形测图和各种工程建设所必须的高程控制点。三等水准测量路线一般可根据需要在高级水准网内加密，布设附合路线，并尽可能互相交叉，构成闭合环。单独的附合路线长度应不超过200km；环线周长应不超过300km。四等水准测量路线一般以附合路线布设于高级水准点之间，附合路线的长度应不超过80km。第10页/共125页城市和工程建设高程控制测量城市和工程建设高程控制网一般按水准测量方法来建立。为了统一水准测量规格，考虑到城市和工程建设的特点，城市测量和工程测量技术规范规定：水准测量依次分为二、三、四等3个等级。首级高程控制网，一般要求布设成闭合环形，加密时可布设成附合路线和结点图形。各等级水准测量的精度和国家水准测量相应等级的精度一致。城市和工程建设水准测量是各种大比例尺测图、城市工程测量和城市地面沉降观测的高程控制基础，又是工程建设施工放样和监测工程建筑物垂直形变的依据。水准测量的实施，其工作程序是：水准网的图上设计、水准点的选定、水准标石的埋设、水准测量观测、平差计算和成果表的编制。水准网的布设应力求做到经济合理，因此，首先要对测区情况进行调查研究，搜集和分析测区已有的水准测量资料，从而拟定出比较合理的布设方案。如果测区的面积较大，则应先在1：25 000 1：100 000比例尺的地形图上进行图上设计。第11页/共125页城市和工程建设高程控制测量图上设计应遵循以下原则：（1）水准路线应尽量沿坡度小的道路布设，以减弱前后视折光误差的影响。尽量避免跨越河流、湖泊、沼泽等障碍物。（2）水准路线若与高压输电线或地下电缆平行，则应使水准路线在输电线或电缆50m以外布设，以避免电磁场对水准测量的影响。（3）布设首级高程控制网时，应考虑到便于进一步加密。（4）水准网应尽可能布设成环形网或结点网，个别情况下亦可布设成附合路线。水准点间的距离：一般地区为24km；城市建筑区和工业区为12km。（5）应与国家水准点进行联测，以求得高程系统的统一。（6）注意测区已有水准测量成果的利用。第12页/共125页城市和工程建设高程控制测量 根据上述要求，首先应在图上初步拟定水准网的布设方案，再到实地选定水准路线和水准点位置。在实地选线和选点时，除了要考虑上述要求外，还应注意使水准路线避开土质松软地段，确定水准点位置时，应考虑到水准标石埋设后点位的稳固安全，并能长期保存，便于施测。为此，水准点应设置在地质上最为可靠的地点，避免设置在水滩、沼泽、沙土、滑坡和地下水位高的地区；埋设在铁路、公路近旁时，一般要求离铁路的距离应大于50m，离公路的距离应大于20m，应尽量避免埋设在交通繁忙的岔道口；墙上水准点应选在永久性的大型建筑物上。水准点选定后，就可以进行水准标石的埋设工作。我们知道，水准点的高程就是指嵌设在水准标石上面的水准标志顶面相对于高程基准面的高度，如果水准标石埋设质量不好，容易产生垂直位移或倾斜，那么即使水准测量观测质量再好，其最后成果也是不可靠的，因此务必十分重视水准标石的埋设质量。第13页/共125页城市和工程建设高程控制测量国家水准点标石的制作材料、规格和埋设要求，在国家一、二等水准测量规范（以下简称水准规范）中都有具体的规定和说明。关于工程测量中常用的普通水准标石是由柱石和盘石两部分组成，如左下图所示，标石可用混凝土浇制或用天然岩石制成。水准标石上面嵌设有铜材或不锈钢金属标志，如右下图所示。第14页/共125页城市和工程建设高程控制测量首级水准路线上的结点应埋设基本水准标石，基本水准标石及其埋设如左下图所示。墙上水准标志如右下图所示，一般嵌设在地基已经稳固的永久性建筑物的基础部分，水准测量时，水准标尺安放在标志的突分。埋设水准标石时，一定要将底部及周围的泥土夯实，标石埋设后，应绘制点之记，并办理托管手续。返回本章首页第15页/共125页5.3 5.3 精密水准仪与水准尺精密水准仪与水准尺.精密水准仪的构造特点.精密水准标尺的构造特点.Wild N3Wild N3精密水准仪.Zeiss Ni 004Zeiss Ni 004精密水准仪.国产S1S1型精密水准仪.6补偿式自动安平水准仪.7 徕卡公司数字水准仪DNA03和条 码水准尺第16页/共125页精密水准仪的构造特点对于精密水准测量的精度而言，除一些外界因素的影响外，观测仪器水准仪在结构上的精确性与可靠性是具有重要意义的。为此，对精密水准仪必须具备的一些条件提出下列要求。1.高质量的望远镜光学系统 为了在望远镜中能获得水准标尺上分划线的清晰影像，望远镜必须具有足够的放大倍率和较大的物镜孔径。一般精密水准仪的放大倍率应大于40倍，物镜的孔径应大于50mm。2.坚固稳定的仪器结构 仪器的结构必须使视准轴与水准轴之间的联系相对稳定，不受外界条件的变化而改变它们之间的关系。一般精密水准仪的主要构件均用特殊的合金钢制成，并在仪器上套有起隔热作用的防护罩。3.高精度的测微器装置 精密水准仪必须有光学测微器装置，借以精密测定小于水准标尺最小分划线间格值的尾数，从而提高在水准标尺上的读数精度。一般精密水准仪的光学测微器可以读到0.lmm，估读到0.Olmm第17页/共125页 4.高灵敏的管水准器 一般精密水准仪的管水准器的格值为10/2mm。由于水准器的灵敏度愈高，观测时要使水准器气泡迅速置中也就愈困难，为此，在精密水准仪上必须有倾斜螺旋（又称微倾螺旋）的装置，借以可以使视准轴与水准轴同时产生微量变化，从而使水准气泡较为容易地精确置中以达到视准轴的精确整平。5.高性能的补偿器装置 对于自动安平水准仪补偿元件的质量以及补偿器装置的精密度都可以影响补偿器性能的可靠性。如果补偿器不能给出正确的补偿量，或是补偿不足，或是补偿过量，都会影响精密水准测量观测成果的精度。我国水准仪系列按精度分类有S05型,S1型,S3型等。S是“水”字的汉语拼音第一个字母,S后面的数字表示每公里往返平均高差的偶然中误差的毫米数。我国水准仪系列及基本技术参数列于下表。精密水准仪的构造特点第18页/共125页我国水准仪系列及基本技术参数技术参数项目水准仪系列型号S05S1S3S10每公里往返平均高差中误差望远镜放大率望远镜有效孔径管状水准器格值测微器有效量测范围测微器最小分格值0.5mm40倍60mm10/2mm5mm0.1mm1mm40倍50mm10/2mm5mm0.1mm3mm30倍42mm20/mm10mm25倍35mm20/2mm自动安平水准仪补偿性能补偿范围安平精度安平时间不长于80.12s80.22s80.52s1022s第19页/共125页 精密水准标尺的构造特点 水准标尺是测定高差的长度标准，如果水准标尺的长度有误差，则对精密水准测量的观测成果带来系统性质的误差影响，为此，对精密水准标尺提出如下要求：（1）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，或仅有微小的变化。一般精密水准尺的分划是漆在因瓦合金带上，因瓦合金带则以一定的拉力引张在木质尺身的沟槽中，这样因瓦合金带的长度不会受木质尺身伸缩变形影响。水准标尺分划的数字是注记在因瓦合金带两旁的木质尺身上，如图（a）、（b）所示。第20页/共125页精密水准标尺的构造特点 （2）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。水准标尺分划的偶然误差和系统误差的大小主要决定于分划刻度工艺的水平，当前精密水准标尺分划的偶然中误差一般在8llm。由于精密水准标尺分划的系统误差可以通过水准标尺的平均每米真长加以改正，所以分划的偶然误差代表水准标尺分划的综合精度。（3）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。一般精密水准标尺的木质尺身均应以经过特殊处理的优质木料制作。为了避免水准标尺在使用中尺身底部磨损而改变尺身的长度，在水准标尺的底面必须钉有坚固耐磨的金属底板。第21页/共125页精密水准标尺的构造特点（4）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。在尺身上一般还应有扶尺环的装置，以便扶尺者使水准标尺稳定在垂直位置。（5）为了提高对水准标尺分划的照准精度，水准标尺分划的形式和颜色与水准标尺的颜色相协调，一般精密水准标尺都为黑色线条分划，与浅黄色的尺面相配合，如21页图所示，有利于观测时对水准标尺分划精确照准。在精密水准测量作业时，水准标尺应竖立于特制的具有一定重量的尺垫或尺桩上。尺垫和尺桩的形状如下图所示。第22页/共125页 线条分划精密水准标尺的分格值有l0mm和5mm两种。分格值为10mm的精密水准标尺如图（a）所示，它有两排分划，尺面右边一排分划注记从0300cm，称为基本分划，左边一排分划注记从300600cm称为辅助分划，同一高度的基本分划与辅助分划读数相差一个常数，称为基辅差，通常又称尺常数，水准测量作业时可以用以检查读数的正确性。分格值为5mm的精密水准尺如图（b）所示，它也有两排分划，但两排分划彼此错开5mm,所以实际上左边是单数分划，右边是双数分划，也就是单数分划和双数分划各占一排，而没有辅助分划。木质尺面右边注记的是米数，左边注记的是分米数，整个注记从0.15.9m，实际分格值为5mm，分划注记比实际数值大了一倍，所以用这种水准标尺所测得的高差值必须除以2才是实际的高差值。精密水准标尺的构造特点第23页/共125页精密水准仪 WildN3精密水准仪的外形如下图a所示。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l0mm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（在下图a中没有表示出来），它们是符合气泡观察目镜和测微器读数目镜，在3个不同的目镜中所见到的影像如下图b所示。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。第24页/共125页图aWild N3精密水准仪 第25页/共125页 图b图cWild N3精密水准仪 第26页/共125页1.N3精密水准仪的倾料螺旋装置 上图c所示是N3型精密水准仪倾斜螺旋装置及其作用示意图。它是一种杠杆结构，转动倾斜螺旋时，通过着力点可以带动支臂绕支点转动，使其对望远镜的作用点产生微量升降，从而使望远镜绕转轴作微量倾斜。由于望远镜与水准器是紧密相联的，于是倾斜螺旋的旋转就可以使水准轴和视准轴同时产生微量的变化，借以迅速而精确地将视准轴整平。在倾斜螺旋上一般附有分划盘，可借助于固定指标进行读数，由倾斜螺旋所转动的格数可以确定视线倾角的微小变化量，其转动范围约为7周。借助于这种装置，可以测定视准轴微倾的角度值，在进行跨越障碍物的精密水准测量时具有重要作用。第27页/共125页 必须指出，由上图c可见仪器转轴并不位于望远镜的中心，而是位于靠近物镜的一端。由圆水准器整平仪器时，垂直轴并不能精确在垂直位置，可能偏离垂直位置较大。此时使用倾斜螺旋精确整平视准轴时，将会引起视准轴高度的变化，倾斜螺旋转动量愈大，视准轴高度的变化也就愈大。如果前后视精确整平视准轴时，倾斜螺旋的转动量不等，就会在高差中带来这种误差的影响。因此，在实际作业中规定：只有在符合水准气泡两端影像的分离量小于lcm时（这时仪器的垂直轴基本上在垂直位置），才允许使用倾斜螺旋来进行精确整平视准轴。但有些仪器转轴的装置，位于过望远镜中心的垂直几何轴线上。1.N3精密水准仪的倾料螺旋装置第28页/共125页 下图是N3精密水准仪的光学测微器的测微工作原理示意图。由图可见，光学测微器由平行玻璃板、测微器分划尺、传动杆和测微螺旋等部件组成。平行玻璃板传动杆与测微分划尺相连。测微分划尺上有100个分格，它与10mm相对应，即每分格为0.lmm，可估读至0.0lmm。每10格有较长分划线并注记数字，每两长分划线间的格值为lmm。当平行玻璃板与水平视线正交时，测微分划尺上初始读数为5mm。转动测微螺旋时，传动杆就带动平行玻璃板相对于物镜作前俯后仰，并同时带动测微分划尺作相应的移动。平行玻璃板相对于物镜作前俯后仰，水平视线就会向上或向下作平行移动。若逆转测微螺旋，使平行玻璃板前俯到测微分划尺移至10mm处，则水平视线向下平移5mm，反之，顺转测微螺旋使平行玻璃板后仰到测微分划尺移至0mm处，则水平视线向上平移5mm。2.N3精密水准仪的测微器装置第29页/共125页在下图中，当平行玻璃板与水平视线正交时，水准标尺上读数应为在两相邻分划148与149之间，此时测微分划上读数为5mm，而不是0。转动测微螺旋，平行玻璃板作前俯，使水平视线向下平移与就近的148分划重合，这时测微分划尺上的读数为6.50mm,而水平视线的平移量应为6.505mm，最后读数为 =148cm+6.50mm-5mm即 =148.650cm-5mm 由上述可知，每次读数中应减去常数（初始读数)5mm,但因在水准测量中计算高差时能自动抵消这个常数，所以在水准测量作业时，读数、记录、计算过程中都可以不考虑这个常数。但在单向读数时就必须减去这个初始读数。N3精密水准仪的测微器装置第30页/共125页精密水准仪 该仪器的主要特点是对热影响的感应较小，即当外界温度变化时，水准轴与视准轴之间的交角的变化很小，这是因为望远镜、管状水准器和平行玻璃板的倾斜设备等部件，都装在一个附有绝热层的金属套筒内，这样就保证了水准仪上这些部件的温度迅速达到平衡。第31页/共125页仪器物镜的有效孔径为56mm，望远镜放大倍率为44倍，望远镜目镜视场内有左右两组楔形丝，如右图所示，右边一组楔形丝的交角较小，在视距较远时使用，左边一组楔形丝的交角较大，在视距较近时使用，管状水准器格值为10/2mm。转动测微螺旋可使水平视线在10mm范围内平移，测微器的分划鼓直接与测微螺旋相连（见右图），通过放大镜在测微鼓上进行读数，测微鼓上有100个分格，所以测微鼓最小格值为0.1mm。从望远镜目镜视场中所看到的影像如右图所示，视场下部是水准器的符合气泡影像。Ni 004精密水准仪与分格值为5mm的精密因瓦水准尺配套使用。在右图中，使用测微螺旋使楔形丝夹准水准标尺上197分划，在测微分划鼓上的读数为340，即3.40mm，水准标尺上的全部读数为197.340cm。Zeiss Ni 004精密水准仪第32页/共125页国产S1型精密水准仪 S1型精密水准仪由北京测绘仪器厂生产。仪器物镜的有效孔径为50mm，望远镜放大倍率为40倍，管状水准器格值为10/2mm。转动测微螺旋可使水平视线在10mm范围内作平移，测微器分划尺有100个分格，故测微器分划尺最小格值为0.1mm。第33页/共125页国产S1型精密水准仪望远镜目镜视场中所看到的影像如右图所示，视场左边是水准器的符合气泡影像，测微器读数显微镜在望远镜目镜的右下方。该仪器与分格值为5mm的精密水准标尺配套使用。在右图中，使用测微螺旋使楔形丝夹准198分划，在测微器读数显微镜中的读数为150，即1.50mm，水准标尺上的全部读数为198.150cm。国产S1型精密水准仪 第34页/共125页补偿式自动安平水准仪1.自动安平水准仪的补偿原理当仪器的视准轴水平时,在十字丝分划板o的横丝处得到水准标尺上的正确读数A,当仪器的垂直轴没有完全处于垂直位置时,视准轴倾斜了角,这时十字丝分划板移到o1,在横丝处得到倾斜视线在水准标尺的读数A1.而来自水准标尺上正确读数A的水平光线并不能进入十字丝分划板o1,这是由于视准轴倾斜了角,十字丝分划板位移了距离a.现在设在望远镜像方光路上,离十字丝分划板g的地方安置一种光学元件,使来自水准标尺上读数A的水平光线通过该光学元件偏转角(或平移a)而正确落在十字丝分划板o1的横丝处,该光学元件称为光学补偿器.正确补偿条件 =2第35页/共125页补偿式自动安平水准仪2.自动安平水准仪Koni007第36页/共125页徕卡公司数字水准仪DNA03和条码水准尺第37页/共125页精密水准仪的检验精密水准标尺的检验5.4 精密水准仪和水准尺的检验第38页/共125页精密水准仪的检验作业前应检验的项目为:(1)水准仪的检视(2)概略水准器(圆水准器)的检校(3)光学测微器隙动差和分划值的测定(4)水泡式水准仪交叉误差的检校(5)i角的检校(6)双摆位自动安平水准仪摆差2C的测定第39页/共125页1.水准仪及其附件的检视检视的内容有:(1)仪器的外表是否良好、清洁，有无碰伤、零件密封性是否良好，等等。(2)光学零件表面质量和清洁情况,如有无油污、擦痕、霉点，胶合面有无脱胶，镀膜是否完整等。此外还应检查望远镜的视场是否明亮，成像是否清晰，符合水准器成像是否良好，读数设备是否明亮，分划是否清晰、均匀等。(3)仪器各转动部分垂直轴、脚螺旋、调焦螺旋、倾斜螺旋、测微螺旋等是否灵活，制动和微动螺旋是否有效。(4)仪器的附件、备件是否齐全完好。例如：脚架是否牢固，仪器箱、背带是否安全可靠，配件是否完备可用等。第40页/共125页2.圆水准器安置正确性的检验和校正检验方法如下:概略整平仪器后,使望远镜与两个脚螺旋的连线平行,用两个脚螺旋将管水准气泡精密整置居中.旋转望远镜180后,若气泡偏离中央,则用两个脚螺旋和倾斜螺旋各改正其偏差量的一半.再将望远镜转180,按上法再改正气泡的偏差,如此反复检校,直至望远镜旋转180前后气泡始终居中为止.此后,再旋转望远镜90用第三个脚螺旋使管水准气泡精密居中.这时仪器的垂直轴已经垂直,若圆水准气泡偏离中央位置,则用圆水准器校正螺旋使气泡居中,再固紧校正螺旋.第41页/共125页3.光学测微器隙动差和分划值的测定测定测微器分划值的基本思想利用一根分划值经过精密检定的特制分划尺和测微器分划尺进行比较求得.将特制分划尺竖立在与仪器等高的一定距离处,旋转测微螺旋,使楔形丝先后对准特制分划尺上两相邻的分划线,这时测微器分划尺移动了L格.现设特制分划尺上分划线间隔值为d,测微器分划尺一个分格值为g,则 g=d/L特制分划尺上的分划线宽度约为1mm,分划线间隔为8mm(用于N3精密水准仪)或4mm(用于其它精密水准仪),每一分划线依次编号.特制分划尺可用三等标准金属线纹尺或其它同等精度的钢尺,用其1mm分划而进行此项检验.第42页/共125页4.视准轴和水准轴相互关系的检验和校正对于水准管式水准仪,视准轴应平行于水准器轴.由于各种原因,仪器不可能完全满足这一要求.视准轴CC与水准器轴LL的关系可能是既不在一平面上也不相互平行的两条空间直线,它们在水平面上的投影线L1L1,C1C1的交角称为交叉误差,在垂直面上的投影线L2L2,C2C2的交角称为i角.第43页/共125页a.交叉误差的检验和校正如果仪器存在交叉误差,整置仪器后若使仪器绕视准轴分别向左右两侧对称倾斜时,水准管轴便相应地向不同的方向倾斜,其表现为管水准气泡异向离开中央位置相同距离.检验方法:(1)距标尺50米处整置仪器(2)整平仪器,并用倾斜螺旋使符合水准器气泡两端影象精密符合(3)旋转视准轴右侧的脚螺旋两周使其升高,再降低左侧脚螺旋两周(4)将左侧脚螺旋升高四周,右侧脚螺旋降低四周第44页/共125页根据气泡移动的情况判断交叉误差(1)气泡位置保持重合,仪器既无交叉误差又无i角(2)气泡位置异向离开中央相同的距离,有交叉误差而无i角(3)气泡位置同向离开中央相同的距离,无交叉误差而有i角(4)气泡位置异向离开中央不相同的距离,既有交叉误差又有i角,且交叉误差影响大于i角.(5)气泡位置同向离开中央不相同的距离,既有交叉误差又有i角,且i角影响大于交叉误差.校正交叉误差的方法 当异向离开量大于2mm时,必须校正交叉误差.校正方法是放松水准管侧方一个校正螺丝,拧紧另一侧方的校正螺丝,即改变水准管的水平方向,至气泡两端影像符合时为止.自动安平水准仪交叉误差的检验方法与上述相同,但校正方法不一样第45页/共125页b.i角误差的检验与校正检验原理 利用i角对水准标尺上的读数的影响与距离成比例的特点检验方法 在平坦场地上相距61.8m处设测站J1、J2。J1J2之间等分为S=20.6m的三段.先后在J1、J2上整置仪器，按水准测量的方法，在两测站上对A、B处的标尺进行读数。每一测站对每根标尺均要读数4次。采用4次读数的中数来进行计算。第46页/共125页J1测站上 h1=a1-b1=（a1-）-（b1-2）=a1-b1+J2测站上 h2=a2-b2=（a2-2）-（b2-）=a2-b2-不顾及其它误差的影响 h1=h2 2=（a2-b2）-（a1-b1）用h2、h1 分别表示J2、J1两测站测得的高差，则 2=h2-h1 =1/2（h2-h1）又 =is/则 i=/S=206265/20600mm10第47页/共125页校正方法 用于精密水准测量的仪器，如果i角大于15，则需要进行校正。校正在J2站进行。先求出水准标尺A上的正确读数a2 a2=a2-2 使用测微螺旋和倾斜螺旋,使水准标尺A上的读数为a2,此时水准器气泡影像分离,校正水准器的上、下改正螺旋，使气泡两端影像恢复符合为止，然后检查另一水准标尺B上的读数是否正确（其正确读数为b2=b2-），否则还应反复进行检查校正。在校正水准器的改正螺旋时应先松开一个改正螺旋，再拧紧另一个改正螺旋，不可将上、下两个改正螺旋同时拧紧或同时松开。水准规范规定，在作业开始后的一周内，对于具有倾斜螺旋装置的微倾式精密水准仪，要求每天上、下午各检i角一次。若确认i角较为稳定，以后可每隔15天检校一次。第48页/共125页精密水准标尺的检验按水准规范规定,在作业前应检验的项目为:(1)标尺的检视;(2)标尺上的圆水准器的检校;(3)标尺分划面弯曲差的测定;(4)标尺名义米长及分划偶然中误差的测定;(5)标尺尺带拉力的测定;(6)一对水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定;对于新购置的水准标尺还需进行标尺中轴线与标尺底面垂直性等项目的检验.第49页/共125页1.标尺的检视应检视因瓦合金带与尺身的联结是否牢固,分划面有无磨损,底板有无损坏,把手是否灵活、可靠，圆水准器是否完好，尺台（或尺桩）及扶尺杆等配件是否齐全。2.标尺上圆水准器的检校装在标尺上的圆水准器轴应平行于标尺的中心轴线,只有这样才能利用圆水准器来垂直竖立标尺.检验的方法是:在距水准仪约50m处的尺桩上竖立标尺,扶尺员按观测员的指挥,使标尺的边缘与望远镜视场中的垂直丝重合,然后用改针将圆水准气泡导致中央.再将标尺转动90,用同法检校.如此反复进行,直至标尺处于垂直位置时,圆气泡严格居中为止.第50页/共125页3.水准标尺分划面弯曲差的测定 水准标尺分划面如有弯曲,观测时将会使读数失之过大.水准标尺分划面的弯曲程度用弯曲差来表示.所谓的弯曲差即通过分划面两端点的直线中点至分划面的距离.设弯曲的分划面长度为l,分划面两端点的直线长度为L,则尺长变化l=l-L.若测得分划面的弯曲差为f,可导得尺长变化l与弯曲差f的 关系式 l=8f2/(3l)设标尺的名义长度l=3m,测得f=4mm,则l=0.014mm,影响每米分划平均真长为0.005mm,对高差的影响是系统性的.水准规范规定,对于线条式因瓦水准标尺,弯曲差f不得大于4mm,否则加尺长改正.弯曲差的测定方法是:在水准标尺的两端引张一条细线,量取细线中点至分划面的距离,即为标尺的弯曲差.第51页/共125页4.标尺名义米长及分划偶然中误差的测定 一对水准标尺的平均每米真长与名义长度1m之差称为平均米真长偏差,f=平均米真长-1m 用于精密水准测量的水准标尺,规范规定,如果一对水准标尺的平均米真长偏差大于0.1mm,就不能用于作业.当一对水准标尺的平均米真长偏差大于0.02mm,则应对水准测量的观测高差施加每米真长改正,从而得到改正后高差h,即 h=f+=h+f h h以米为单位,f以mm/m为单位.在作业期间可用一级线纹米尺对一对水准标尺的平均米真长作监测,而不作观测成果的改正用.试验表明,用一级线纹米尺和人工检定方法测定因瓦水准标尺每米间隔真长,从精度上和使用上都不符合现代的要求.我国已引进美国休利特帕卡德公司生产的双频激光干涉仪,作为现代因瓦水准标尺尺长检定设备.第52页/共125页5.一对水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定水准标尺的注记是从底面算起的,对于分格值为10mm的精密因瓦水准尺,如果从底面至第一分划线的中线的距离不是1dm,其差数叫做零点误差.两支水准标尺的零点误差之差,叫做一对水准标尺的零点不等差.在相邻两测站所得观测高差之和中,这种误差的影响可以得到抵消,因此,规定在水准路线的每个测段应安排成偶数测站.在同一视线高度时,水准尺上的基本分划与辅助分划的读数差称为基辅差,(也称为尺常数)对于1cm分格的水准标尺为3.0155m.检定方法:在距水准仪2030m处,打下三个木桩,桩上钉以圆帽钉,各桩间的高差约为20cm.将两根标尺依次整置在三个木桩上,每次整置后,用水准仪对基、辅两排分划照准读数三次，这叫做一测回。一测回中不得改变视准轴的位置，用上法共测三个测回，测回间变动仪器高。按每根标尺分别计算基本分划和辅助分划所有读数的中数，以及所有基、辅分划读数差的中数。两根标尺基本分划读数中数之差，即为一对标尺的零点差。每根标尺基本分划读数的中数与辅助分划读数的中数之差，即为每根标尺基、辅分划读数差常数。基、辅差常数与名义值之差超过0.05mm时,以实测为准.第53页/共125页第54页/共125页5.5 精密水准测量的主要误差来源及其影响视准轴与水准轴不平行的误差 水准标尺长度误差的影响 仪器和水准标尺（尺台或尺桩）垂直位移的影响 大气垂直折光的影响 电磁场对水准测量的影响观测误差的影响 第55页/共125页1.i角的误差影响 虽然经过 角的检验校正，但要使两轴完全保持平行是困难的，因此，当水准气泡居中时，视准轴仍不能保持水平，使水准标尺上的读数产生误差，并且与视距成正比。视准轴与水准轴不平行的误差第56页/共125页 上图中，为前后视距，由于存在 角，并假设 角不变的情况下，在前后水准标尺上的读数误差分别为 和 ，对高差的误差影响为对于两个水准点之间一个测段的高差总和的误差影响为1.i角的误差影响第57页/共125页 设 ，要求 对高差的影响小到可以忽略不计的程度，如 =0.lmm，那么前后视距之差的容许值为为了顾及观测时各种外界因素的影响，所以规定，二等水准测量前后视距差应1m。为了使各种误差不致累积起来，还规定由测段第一个测站开始至每一测站前后视距累积差，对于二等水准测量而言应3m。由此可见，在 角保持不变的情况下，一个测站上的前后视距相等或一个测段的前后视距总和相等，则在观测高差中由于 角的误差影响可以得到消除。但在实际作业中，要求前后视距完全相等是困难的。下面讨论前后视距不等差的容许值问题。视准轴与水准轴不平行的误差第58页/共125页2.角误差的影响当仪器不存在 角，则在仪器的垂直轴严格垂直时，交叉误差 并不影响在水准标尺上的读数，因为仪器在水平方向转动时，视准轴与水准轴在垂直面上的投影仍保持互相平行，因此对水准测量并无不利影响。但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，仪器在水平方向转动时，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。为了减少这种误差对水准测量成果的影响，应对水准仪上的圆水准器进行检验与校正和对交叉误差 进行检验与校正。视准轴与水准轴不平行的误差第59页/共125页3.温度变化对i角的影响 精密水准仪的水准管框架是同望远镜筒固连的，为了使水准轴与视准轴的联系比较稳固，这些部件是采用因瓦合金钢制造的，并把镜筒和框架整体装置在一个隔热性能良好的套筒中，以防止由于温度的变化，使仪器有关部件产生不同程度的膨胀或收缩，而引起i角的变化。但是当温度变化时，完全避免i角的变化是不可能的。例如仪器受热的部位不同，对i角的影响也显著不同，当太阳射向物镜和目镜端影响最大，旁射水准管一侧时，影响较小，旁射与水准管相对的另一侧时，影响最小。因此，温度的变化对i角的影响是极其复杂的，实验结果表明，当仪器周围的温度均匀地每变化1oC时，i角将平均变化约为0.5，有时甚至更大些，有时竟可达到12 。第60页/共125页由于i角受温度变化的影响很复杂，因而对观测高差的影响是难以用改变观测程序的办法来完全消除，而且，这种误差影响在往返测不符值中也不能完全被发现，这就使高差中数受到系统性的误差影响，因此，减弱这种误差影响最有效的办法是减少仪器受辐射热的影响，如观测时要打伞，避免日光直接照射仪器，以减小i角的复杂变化，同时，在观测开始前应将仪器预先从箱中取出，使仪器充分地与周围空气温度一致。如果我们认为在观测的较短时间段内，由于受温度的影响，i角与时间成比例地均匀变化，则可以采取改变观测程序的方法在一定程度上来消除或削弱这种误差对观测高差的影响。两相邻测站、对于基本分划如按下列、程序观测，即 在测站上：后视 前视 在测站上：前视 后视 3.温度变化对i角的影响第61页/共125页则由下图可知，对测站、观测高差的影响分别为 为视距，为每次读数变化了的i角。3.温度变化对i角的影响第62页/共125页 由于我们认为在观测的较短时间段内，i角与时间成比例地均匀变化，所以，由此可见，在测站、的观测高差之和中就抵消了由于i角变化的误差影响，但是，由于i角的变化不完全按照与时间成比例地均匀变化，因此，严格地说，不一定完全相等，再说相邻奇偶测站的视距也不一定相等，所以按上述程序进行观测，只能说基本上消除由于i角变化的误差影响。根据同样的道理，对于相邻测站、辅助分划的观测程序应为 在测站上：前视 后视 在测站上：后视 前视 综上所述，在相邻两个测站上，对于基本分划和辅助分划的观测程序可以归纳为奇数站的观测程序 后（基）前（基）前（辅）后（辅）偶数站的观测程序 前（基）后（基）后（辅）前（辅）所以，将测段的测站数安排成偶数，对于削减由于角变化对观测高差的误差影响也是必要的。3.温度变化对i角的影响第63页/共125页水准标尺长度误差的影响 1.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 对于一个测段来说，应加的改正数为 式中 为一个测段各测站观测高差之和。第64页/共125页2.两水准标尺零点差的影响 两水准标尺的零点误差