测量学第3章 水准测量（网院）.ppt

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1、1,3.1 水准测量原理3.2 水准仪及其使用3.3 自动安平水准仪3.4 数字水准仪3.5 水准测量方法3.6 水准仪的检验与校正3.7 水准测量误差分析及注意事项,DS3水准仪的使用及其他水准仪的简介,水准测量原理与水准测量的仪器及工具,知 识 点 一,水准测量与误差分析,2,水准测量原理与水准测量的仪器及工具,一、水准测量的原理基本原理连续水准测量原理几个概念二、水准测量的仪器及工具DS3水准仪的结构水准仪的主要轴线水准尺与尺垫,3,hAB = a b HB = HA + hAB,大地水准面,高差法,Hi= HA+ aHB= Hi-b,视线高法,当a b时，hAB 为正，B高于A；当a

2、b时， hAB 为负，B低于A。,后视点,前视点,后视尺,前视尺,关键词：水平视线 水准尺 高差，已知点高程 未知点的高程。,基本原理,高差hAB具有方向性。,4,例1：设已知HA为45.123m，B为待求点。后视读数a=1.732m，前视读数b=1.243m，请问A、B两点哪点高，并求B点高程？解：1、hAB = HB-HA =a-b=1.732-1.243=0.489 0 由此可知，B点高于A点。 2、HB= HA+ hAB=45.123+0.489=45.612m,例2 ：例1中,若a=1.243m， b=1.732m，结果又如何？解：则hAB =-0.489 0 B点低于A点。HB=

3、44.634m,5,高差法：利用高差计算高程。 （安置一次仪器测定一个点高程时使用） 视线高法：利用视线高计算高程。 （安置一次仪器测定多个点高程时使用）,常用于线路测量和施工放样测量（如下图）,6,A、B两点相距较远或高差较大时，需连续水准测量。中间设置转点（TP），转点上放置尺垫。h1=a1b1， h2=a2b2， ， hn=anbn。hAB= h1 h2 hn= hihAB=aibi,连续水准测量,结论：A 、B 两点间的高差等于后视读数之和减去前视读数之和,7,1）测站：2）后视：3）前视：4）视距：5）视线高程：6）转点：7）水准点：8）水准点高程：9）水准路线：,测量仪器所安置的地

4、点。,水准路线的后视方向。,水准路线的前视方向。,水准仪至标尺的水平距离。,视线的高度=后视高程+后视读数。,水准测量中起传递高程作用的中间点。,水准测量的固定标志点。,指标志点顶面的高程。,进行水准测量时所行走的路线。,几个概念,8,小结1、水准测量原理： hAB = HB-HA= a-b2、连续水准测量： hAB=aibi HB = HA+hAB3、几个概念,HB=HA+hAB =HA+ a-b,9,DS3水准仪的结构,按精度分：DS05、 DS1、 DS3、 DS10,拓普康,北光DZS3-1,按自动化程度分：微倾式、自动安平、电子水准仪,作用：为高差测量提供一条水平视线,仪器：水准仪，

5、工具：水准尺和尺垫。,10,望远镜,水准器,基座,主要有望远镜、水准器及基座三部分。,12,组成物镜、物镜调焦螺旋、调焦透镜、十字丝分划板、目镜、目镜调焦螺旋等。视准轴CC物镜中心与十字丝分划板中心的连线。水准测量是在视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。,望远镜,瞄准远处的水准尺并读数；,13,倒像望远镜成像原理,DS3水准仪放大倍数V=28,14,水准器：圆水准器、管水准器,水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。,管水准器用来指示视准轴是否水平；圆水准器用来指示竖轴是否竖直。,15,圆水准器轴线LL：通过内圆弧零点的球面法线。 其分划值为：810 气泡居中时，L

6、L铅垂，即圆水准器轴LL竖轴VV 。只用于仪器的概略整平。,（1）圆水准器,16,（2）管水准器,水准管轴：过零点作水准管圆弧的切线。当气泡居中, 水准管轴水平，即管水准器轴LL望远镜视准轴CC，用于仪器的精确整平。其分划值为：20”/2mm,17,微倾式水准仪安装一组符合棱镜：提高管水准气泡的居中精度旋转微倾螺旋管水准气泡居中水平视线,18,1,2,3,19,基座,轴座：承托仪器上部脚螺旋：调节脚螺旋使圆水准器气泡居中连接板：连接三脚架,组成,20,水准仪的主要轴线,水准仪的主要轴线： 视准轴CC 水准管轴LL 圆水准器轴LL 仪器竖轴VV必须满足的几何条件： LL CC（精平） LL VV

7、（粗平） 十字丝横丝VV,如何操作才能满足仪器的几何条件？,21,分类：单面尺、双面尺和塔尺。 分划：1cm或0.5cm，每10cm处注有数字。单面尺/塔尺 用于等外水准测量双面尺(1对): A、B尺，黑面03m红面，A：4.6877.687m, B尺4.7877.787m。用于三、四等水准。,水准尺和尺垫,如何判断红面起点是4687还是4787？,尺垫：其半球形顶部用来竖立水准尺仅在转点处竖立水准尺时使用；防止点位移动和水准尺下沉。,22,注意：在已知点和待求点上不能放尺垫。,23,小 结1、水准仪的结构：望远镜、水准器、基座 望远镜的成像原理、视准轴、视差的概念 水准器的作用2、水准测量的

8、工具：水准尺与尺垫,24,3.1 水准测量原理3.2 水准仪及其使用3.3 自动安平水准仪3.4 数字水准仪3.5 水准测量方法3.6 水准仪的检验与校正3.7 水准测量误差分析及注意事项,DS3水准仪的使用及其他水准仪的简介,水准测量原理与水准测量的仪器及工具,知 识 点 二,水准测量与误差分析,25,DS3水准仪的使用及其他水准仪的简介,一、水准仪的使用二、其他水准仪的简介精密水准仪自动安平水准仪电子水准仪,26,1. 安置仪器,一、水准仪的使用,粗略整平,安置仪器,瞄准,读数,精平,27,2. 粗平,方法：对向转动脚螺旋1、2，使气泡移至1、2方向的中间，转动脚螺旋3，使气泡居中。,目的

9、：使圆水准气泡居中。,规律：气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致。,28,3. 瞄准,视差：眼睛上下移动，标尺成像与十字丝像之间相对移动的现象。,原因：目标的成像平面没有与十字丝分划板重合。,消除方法：旋转目镜调焦螺旋，使十字丝分划板清晰。旋转物镜调焦螺旋，使标尺像清晰。（反复对光）。,方法：目镜调焦：十字丝清晰粗瞄目标：拧紧止动螺旋物镜调焦：物像清晰精瞄目标：调微动螺旋,什么是视差？产生的原因？如何消除？,29,望远镜对准天空（或明亮背景）,旋转目镜调焦螺旋，使十字丝分划板清晰。,30,望远镜对准标尺，旋转物镜调焦螺旋，使标尺像清晰。,31,4. 精平,读数之前旋转微倾螺旋使水准管气泡符合

10、，此时视线（即视准轴）精确水平。若为自动安平水准仪，此步骤省略。,注意：每次读数前必须使水准管符合,微倾螺旋,32,十字丝横丝（即中丝）在水准尺上读数。 读数按由小到大（倒像的水准仪，应由上而下进行；正像的仪器，则由下而上读），先估读mm，后m、dm、cm。 读数记录四位数，以mm为单位。,黑面读数a=1274（mm）红面读数 b=5958（mm）,5. 读数,33,34,精密水准仪（DS05、DS1）主要用于国家一、二等水准测量和高精度的工程测量中；例如建构筑物的沉降观测，大型桥梁工程的施工测量和大型精密设备安装的水平基准测量等。,精密水准仪,主要是指精密、自动安平、数字水准仪,二、其他水准

11、仪的简介,35,DS1型精密水准仪,精密水准仪,36,（3）楔形十字丝：能较精确地瞄准水准尺的分划。,提供精确的水平视线和精确的读数。,（1）水准器：较高灵敏度，分划值为10/2mm。,（2）望远镜：光学性能良好，放大倍数（38），视场亮度较高。,（4）平板玻璃光学测微器装置：可直接读取0.1mm或0.05mm，估读到0.01mm。,（5）视准轴与水准轴：其联系相对稳定，受温度变化影响小。,特点,37,铟钢带水准尺 基辅分划：基本分划的注记从零开始，辅助分划的注记从某一常数K开始，K称为基辅差（K=3.01550m）。,精密水准尺刻度精确,38,（1）精平后，转动测微螺旋，楔形丝精确夹准某一整

12、分划线。 （2）读数时，将整分划值和测微器中的读数合起来。如：14865.5mm。,读数方法,39,自动安平水准仪无管水准器和微倾螺旋，只有一个圆水准器。安置仪器时，只要使圆水准器的气泡居中后，借助一种“补偿器”的特别装置，使视线自动处于水平状态。,自动安平水准仪,视准轴自动安平； 提高水准测量精度； 减少操作步骤，提高工作效率。,特点,40,视线自动安平的原理,41,安置仪器 粗平 瞄准（等待24秒） 读数,自动安平水准仪在结构和操作上与微倾水准仪有何不同？,自动安平水准仪的使用,数字水准仪,望远镜,基座脚螺旋,自动安平补偿器,电子水准仪,调焦螺旋制动、微动螺旋,行阵探测器：识别水准尺上的条

13、码，进行读数调焦发送器：计算概略视距值；补偿监视器：监测安平补偿器的工作状态分光镜：将由物镜计入的光分为可见光和红外光,（电子水准仪）,1. 组成,圆水准器,下图为采用相关法的徕卡NA3003数字水准仪的机械光学结构图,44,操作简便:自动安平、自动观测、记录、自动显示结果。 观测时间短：避免了人为观测误差，提高精度。 能与计算机数据通讯：进行后处理，实现测量工作自动化和流水线作业，大大提高工作效率。 必须配备条形码标尺。,2. 特点,45,观测时，只需在人工完成安置与粗平、瞄准目标（条形编码水准尺）后，按下测量键（一般在侧面）后约34秒既显示出测量结果。其测量结果自动显示，并可贮存在电子水准

14、仪内或通过电缆连接存入机内记录器中。,3. 电子水准仪的使用,46,47,小 结1、水准仪的操组步骤： 安置仪器 整平 瞄准 精平 读数 (脚螺旋) (消除视差) (每次读数前) (从小到大)2、介绍了精密水准仪、自动安平水准仪、电子水准仪的特点、操作方法。,48,3.1 水准测量原理3.2 水准仪及其使用3.3 自动安平水准仪3.4 数字水准仪3.5 水准测量方法3.6 水准仪的检验与校正3.7 水准测量误差分析及注意事项,DS3水准仪的使用及其他水准仪的简介,水准测量原理与水准测量的仪器及工具,知 识 点 三,水准测量与误差分析,49,水准测量与误差分析,水准点和水准路线,水准测量实施 （

15、外业）,成果数据处理（内业）,水准测量的成果实例,一、水准测量,二、水准测量误差分析及注意事项,50,水准点请勿碰动！,水准点和水准路线,水准测量等级：一、二、三、四等与图根水准；一、二等为精密水准测量，三四等为普通水准测量。水准点分为永久性和临时性两种。,1. 水准点,水准测量通常是从水准点引测其它点的高程,51,绘制点之记 现场找明显标志，画出示意图，并注明尺寸作为水准点资料。便于以后寻找。,(5).绘制点位图,电杆,房屋,道路,控制点,52,2.水准路线,1）闭合水准路线,2）附合水准路线,2. 水准路线,4）水准网,53,设置转点（TP）：转点上放置尺垫，传递高程。,测站检核有双仪高法

16、和双面尺法。,hAB= hi=aibi,中间法:视距一般100m，最大为150m；,同一测站,不同仪高测高差两次（仪高变化应10cm) ，高差之差容许值（图根水准:6mm），取中数为该站观测结果。否则应重测。,1. 双仪器高法,水准测量实施（外业）,54,例：,注意：为保证高程传递的准确性，在相邻测站的观测过程中，转点必须保持固定不变，否则重测。,TP1,TP2,TP3,1011,1554,前进方向,1134,1677,Why？,a, 置仪器于A、TP1约中间处，立尺于A、TP1点上；, 计算：h1 = ab = 1.134-1.677=-0.543m, 瞄准TP1前视尺，精平、读数b，记录1

17、677m；, 仪器高度变化10cm，同法测得 a =1.011，b =1.554 h1=-0.543, h1= h1- h1=06mm, 粗平；瞄准后视尺A，精平、读数a，记录1134；, 搬站：同法依次测出，数据记录如下表, 计算高差的平均值： h1 = -0.543m。,注意：（1）起始点只有后视读数，结束点只有前视读数，中间点既有后视读数又有前视读数。 （2） ，只表明计算无误，不表明观测和记录无误。,123.446,124.646,57,分别读取后、前视尺黑面和红面各一次，两次高差，进行检核。,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：,等外水准的观测顺序简称为“后后前

18、前”或“黑红黑红”。,普通水准的观测顺序简称为“后前前后”或“黑黑红红”。,2. 双面尺法,58,标尺A的尺常熟为4787，标尺B的尺常熟为4687.,59,在水准测量的施测过程中，测站检核只能检核一个测站上是否存在错误或误差是否超限； 计算检核只能发现每页计算是否有误；对一条水准路线来讲必须进行成果检核。,成果数据处理（内业）,60,计算高差闭合差：即高差的观测值与理论值之差； 用fh表示，即 fh=h测 - h理,1）附合水准路线检核 2）闭合水准路线检核 3）支水准路线检核,单位为mm。L水准路线的长度，km。n水准路线的测站数,要求： fh fh允。否则，分析原因，重新观测,限差：,1

19、. 成果检核的主要内容,61,2. 闭合差fh的计算,1） 附和水准路线： h测=h1+h2+h3+ + hn h理=H终 H始 fh = h测 - h理= h测-（H终 H始）2） 闭合水准路线： h测= h1+h2+h3+ + hn h理= 0 fh = h测 - h理= h测3） 支水准路线： h测= h往+ h返 h理= 0 fh = h测 - h理= h往+ h返,62,3. 分配高差闭合差并检验闭合差是否分配完全,高差闭合差按每一测段的测站数或路线长成比例分配。,判断fh fh容？,hi = hi+ Vi,注意：凑整，分配完全,4. 计算各未知高程点的高程,63,1、附合水准路线的

20、内业计算,如图为一符合水准路线：A、B为已知水准点，HA =65.376m ， HB =68.623m，点1、2、3 为待测水准点，各测段高差、测站数、距离见下图：,水准测量的成果实例,64,备注,测段,点名,距离km,测站数,实测高差m,改正数m,改正后的高差 m,高程m,1,2,3,4,5,6,7,8,9,1,2,3,4,A1,2,3,B,1.0 8 +1.575,1.2 12 +2.036,1.4 14 -1.742,2.2 16 +1.446,5.8 50 +3.315,辅助计算,-0.012,-0.014,-0.016,-0.026,-0.068,+1.563,+2.022,-1.7

21、58,+1.420,+3.247,附合水准测量成果计算表,已知,已知,68.961,67.203,68.623,66.939,65.376,65,1）. 计算闭合差： 2）. 检核：,4）. 计算改正后高差： 5）. 计算各测点高程：,闭合水准路线的计算与附合水准路线基本相同。,3）. 计算高差改正数：,2、闭合水准路线成果计算,66,3、支水准路线成果计算,1）. 计算闭合差：,2）. 检核：,，故精度符合要求。,3）. 计算高差（取平均值，其符号与往测相同）,4）. 计算高程,H1=186.785-1.386=185.399m,(HA=186.785m),67,仪器误差 1. 仪器校正后的

22、残余误差主要是i角误差。 （前后视距相等可消除）,2. 水准尺误差 包括刻划不准、尺长变化（或零点差）、 尺身弯 曲等误差。（作业前必须检验，前后视尺交替使用、测站数为偶数可减弱或消除）,二 水准测量的误差及消减方法,DS3水准仪误差来源： 仪器误差 + 观测误差 + 外界条件的影响,68,仪器残余误差,主要表现为水准管轴与视准轴不平行（i角误差）,当存在i角误差时，,只有前后视距相等时，a=b，i角对高差的影响为零。,中间法观测的目的：消除水准管轴与视准轴不平行误差消除地球曲率对高差的影响消除大气折光的影响,69,观测误差 1. 视差（仔细调焦可消除） 2. 读数误差（减小视线长度、读数认真

23、果断） 3. 水准气泡居中误差（严格符合后立即读数，操作中不用手扶仪器） 4. 水准尺倾斜的影响（认真扶尺、气泡居中）,外界条件的影响 1. 仪器下沉（踩紧脚架、减少观测时间） 2. 尺垫下沉（尺垫踩实、往返测取中数） 3. 地球曲率和大气折光（前后视距相等可消除） 4. 大气温度和风力（打伞遮阳、选择好的天气）,70,自动安平水准仪和数字水准仪的误差,圆水准器位置不正确误差,补偿器误差,如果不正确，则竖轴倾斜,与补偿器共同形成水平面倾斜误差，是系统误差，影响精密水准，而对普通水准无影响。 措施：校正。,主要是补偿性能误差和补偿器的安置误差。出厂时0.2， 0.3。 措施：避磁场。,71,视准

24、轴误差,分光学和电子i角，受温度、磁场，望远镜调焦影响。数字水准仪一般是指温度20、目标无穷远的话的i角。 措施：中间距离法，仪器检校。,十字丝分划板与CCD传感器光敏面不一致的误差,除十字丝分划板上十字丝外，光敏上的“十字丝”用于电子读数。二者位于望远镜系统的焦面上，且严格重合。 措施：送厂家检校。,72,1. 水准测量的实施为了确保观测质量，每一测站必须测站检核，方法有变仪高法和双面尺法。2. 数据处理计算闭合差：fh=h测 - h理， fh fh允计算高差改正数：,计算各未知高程点的高程,hi = hi+ Vi,3. 水准测量的误差分析及消减误差的方法仪器误差、观测误差、外界条件的影响方法：中间法、偶数站观测等,小结,