国家一等水准测量的技术方案与实施--毕业论文(设计).doc
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1、陕西交通职业技术学院毕业设计报告国家一等水准测量的技术方案与实施 摘 要高程测量是测量任务的一部分。其中,水准测量是高程测量中精度最高、用途最广、一种普遍采用的测量方法。是确定建设工程地面点高程的方法之一。实施测量过程中,要求测量人员要精心操作、以水准点高程高度负责认真的态度来对待测量工作,养成良好的操作习惯。误差允许范围内的精度由于仪器和人为的影响而不容易控制,而且易出现隐蔽性错误,如果不能及早发现,基础资料是错误的,从而水准点高程不正确,直接影响路线纵断面设计和施工工作。本文为满足新技术条件下国民经济建设、国土资源管理、规划建设、灾害监测、交通及地球科学研究对三维动态大地测量基准框架的需求
2、,建立与国家空间数据基准框架相一致的国家大地测量基础三维坐标框架,为国家经济建设尤其是重大工程建设提供高精度的控制成果,国家测绘部门适时提出了国家精化大地水准面建设项目。受国家测绘部门勘测设计研究院委托,国家测绘局第一大地测量队承担了本项目一等水准路线的普查、GPS 点/水准共用点的连测、一等水准网观测任务。关键词:水准测量;水准仪;高程;误差目 录第1章 精密水准测量的原理及作业方法11.1 水准测量的基本原理11.2 水准测量方法与水准路线11.3 误差来源及控制措施21.3.1视准轴不平行水准管轴21.3.2 水准尺误差及控制方法21.3.3符合水准管气泡居中误差及控制方法31.3.4调
3、焦误差和视差的影响及控制方法31.3.5水准尺的倾斜误差及控制方法31.3.6 地球球气差和日照风力引起的误差及控制方法41.3.7仪器升降和水准尺下沉的影响5第2章 电子水准仪的使用62.1 测量原理62.2 电子水准仪的特点72.2.1电子水准仪的共同特点72.2.2莱卡DNA系列的具体特点72.3 电子水准仪的操作82.3.1认识硬件82.3.2数字水准仪在外业测量的操作92.3.3徕卡数字水准仪GSI数据格式简介:102.3.4 PROG测量应用程序122.4数据的下载及其处理132.4.1数据的下载132.4.2数据的处理16第3章 作业依据与作业要求203.1作业技术依据203.2
4、采用的测绘基准203.3精度指标203.4数据记录203.5 水准连测203.6观测方法和技术指标203.7测段往返高差不符值统计213.8每千米水准测量偶然中误差223.9 水准附合路线闭合差的计算223.10 野外高差与概略高程表的编算22第4章 一等水准测量的实施234.1工程概况234.2工作内容和完成工作量234.3仪器设备234.4仪器检验244.5 精密水准测量作业的一般规定254.6 精密水准测量观测26第5章 成果文件的建立与技术问题的处理规定305.1成果的建立305.2观测条件说明30第6章 安全措施336.1作业安全336.2成果资料安全33参考文献36致 谢附 录II
5、I陕西交通职业技术学院毕业设计报告第1章 精密水准测量的原理及作业方法1.1 水准测量的基本原理水准测量的基本原理是根据几何关系,利用仪器提供的水平视线观测立在两点间上的水准尺以测定两点间的高差。如图1所示,在需要测定高差的A、B两点上分别立上水准尺,在A、B两点的中点安置可获得水平视线的仪器(水准仪),水平视线在A、B两尺上的截尺数分别为a、b,设水准测量的前进方向是由A点向B点,则规定A点为后视点,其水准读数为a,称为后视读数;B点为前视点,其水准读数为b,称为前视读数。由于AB距离很短,地球曲率影响可忽略不计,则A、B两点的高差为下图1-1. 图1-1 水准测量几何原理 (1-1)于是B
6、点的高程Hb可按下式计算: (1-2) 高差hab本身可正可负,当a大于b时,hab值为正,这种情况是B点高于A点;当a小于b时,hab值为负,即B点低于A点。为了避免计算高差时发生正、负号的错误,在书写高差hab时必须注意h下标的写法。如,hab是表示由A点至B点的高差;而hab表示由B点至A点的高差,即 (1-3)从2-1中还可以看出,B点的高程也可以利用水准仪的视线高程Hi(也称为仪器高程)来计算: (1-4) (1-5)当安置一次水准仪根据一个已知高程的后视点,需要求若干个未知点的高程时,用上式计算较为方便,此法成为视线高法,它在建筑工程中经常应用。1.2 水准测量方法与水准路线当地面
7、上两点间的距离较长或高差较大时,仅安置一次仪器不能直接测得两点间的高差,则进行连续的分段测量,将所得各段高差相加、即可求得两点间的高差。如某一点的高程通过转1、转2、转3、转n等点传递到另一点,这些用来传递高程的点,称为转点。任意转点位置的变动,都会直接影响到某一点的高程,因此,转点位置应选在坚实的地面上,在其上放置尺垫并踩实。水准路线是水准测量进行的路线。根据测区的具体情况,可选用不同的水准路线,水准路线分为附合水准路线、闭合水准路线、支水准路线等三种。1)附合水准路线:当测区附近有高级水准点时,可由一高级水准点开始,沿着待测各高程的水准点1、2、作水准测量,最后附合到另一高级水准点叫附合水
8、准路线。2)闭合水准路线:当测区附近有一高级水准点时,可从该点出发,沿着待测的水准点进行水准测量,最后仍回到起始点,形成一个闭合的路线。3)支水准路线:从某一水准点出发,进行水准测量到另一个点,即不符合到另一点,也不形成闭合的水准路线。1.3 误差来源及控制措施1.3.1视准轴不平行水准管轴仪器虽在测量前经过校正,仍会存在残余误差。一方面是制造误差,即仪器在制造过程中就存在制造缺陷误差,这项误差是无法消除的;另一方面是检验和校正后的残余误差。在这些误差中,影响最大、表现突出的就是照准轴和水准管轴不平行的误差,即i角误差。设A、B分别为同一测站的后视点和前视点,SA、SB分别为后视和前视的距离,
9、XA、XB为由于视准轴与水准管轴不平行而引起的读数误差。如果不考虑地球曲率和大气折光的影响,B点对A点的高差为: (1-6) 因 (1-7)故 (1-8)对于一测段有 (1-9)通过分析,i角误差的影响与仪器至前后视标尺的视距差及视距积累有关。因此造成水准管气泡居中,水准管轴居于水平位置而望远镜视准轴却发生倾斜,致使读数误差。要消除i角误差的影响,在实际作业中只要做到前后视距相等即可,这种误差与视距长度成正比。观测时可通过中间法(前后视距相等)和距离补偿法(前视距离和等于后视距离总和)消除。针对中间法在实际过程中的控制,立尺人是关键,通过应用普通皮尺测距离,之后立尺,简单易行。而距离补偿法不仅
10、繁琐,并且不容易掌握。残余i 角也不是固定不变的,即使在同一测站上,后视和前视的i 角往往由于太阳光照射的不同而不一样。为了避免这种误差的产生,在阳光下进行观测必须用测伞遮住仪器。在照准同一测站的前、后视尺时,尽量避免调焦。1.3.2 水准尺误差及控制方法主要包含尺长误差(尺子长度不准确)、刻划误差(尺上的分划不均匀)和零点差(尺的零刻划位置不准确),对于较精密的水准测量,一般应选用尺长误差和刻划误差小的标尺。对于尺长误差较大水准尺,使用时应在最后的高差加上水准尺每1m的尺长改正。水准尺的底面与标尺第一个分格的起始线(黑面为零、红面为4687或4787)应当是一致的。但由于使用磨损等原因,有时
11、不能完全一致,这个差数 是标尺的零点差(包括黑红面零点差及一对标尺零点差)。标尺零点差的影响对于测站数为偶数的水准路线是可以自行抵消的。当测站数为奇数时,高差中含有这种误差的影响。所以,在水准测量中,每测段的测站数应取偶数为好,这样就消除标尺的零点差对高程的影响;或者标尺的零误差的影响,控制方法可以通过在一个水准测段内,两根水准尺交替轮换使用(在本测站用作后视尺,下测站则用为前视尺),并把测段站数目布设成偶数,即在高差中相互抵消。同时可以减弱刻划误差和尺长误差的影响。 1.3.3符合水准管气泡居中误差及控制方法水准测量的主要条件是视线必须水平。假设当水准仪不存在i角误差的情况下,我们用微倾螺旋
12、使管水准气泡居中,此时一般认为管水准轴就水平了因而望远镜照准轴水平了。其实不然,在观察到气泡居中的一瞬间,还不能认为水准轴是水平的。由于符合水准气泡未能做到严格居中,造成望远镜视准轴倾斜,产生读数误差。读数误差的大小与水准管的灵敏度有关,主要是水准管分划值的大小。此外,读数误差与视线长度成正比。水准管居中误差一般认为是0.1,根据公式m居=0.1S/2,DS3级水准仪水准管的分划值一般为20,视线长度S为75m,=206265,那么,m居=0.4mm。由此看来,只要观测时符合水准管气泡能够认真仔细进行居中,且对视线长度加以限制,与中间法一致,此误差可以消除。1.3.4调焦误差和视差的影响及控制
13、方法在观测时,若在照准后、前尺时均调焦,必然使在前、后尺读数时i角高度不一致,从而引起读数误差。前后视距相等时可避免在一站中重复调焦。当存在视差时,尺像不与十字丝平面重合,观测时眼睛所在的位置不同,读出的数也不同,因此,产生读数误差。所以在每次读数前,控制方法就是要仔细进行物镜对光,消除视差。普通水准测量中水准尺以厘米刻划,考虑仪器的基本性能,影响估读精度的因素主要与十字丝的粗细、望远镜放大倍率及视线长度等因素有关。其中视线长度影响较大,有关规范对不同等级水准测量时的视线均作了规定,作业时应认真执行。 1.3.5水准尺的倾斜误差及控制方法水准尺如果是向视线的左右倾斜,观测时通过望远镜十字丝很容
14、易察觉而纠正。但是,如果水准尺的倾斜方向与视线方向一致,则不易察觉。尺子倾斜总是使尺上读数增大。它对读数的影响与尺的倾斜角和尺上读数的大小(即视线距地面的高度)有关。尺的倾斜角越大,对读数的影响就越大;尺上读数越大,对读数的影响就越大。如1-2所示。当水准尺的倾斜角为时,其尺上读数为a1,则由1-2可知 (1-10) (1-11)图1-2 水准尺倾斜对读数影响即a得大小取决于水准尺倾斜角和标尺上读数a1的大小。所产生的读数误差为a =a(1-cos)。当=3o,a=1.5m时,a = 2mm,由此可以看出,此项影响是不可忽视的,通常我们立镜高度是1.7m, 则a = 2.33mm,。因此,在水
15、准测量中,立尺是一项十分重要的工作,一定要认真立尺,使尺处于铅垂位置。尺上有圆水准的应使气泡居中。必要时可用摇尺法,即读数时尺底置于点上,尺的上部在视线方向前后慢慢摇动,读取最小的读数。当地面坡度较大时,尤其应注意将尺子扶直,并应限制尺的最大读数。最重要的是在转点位置。 1.3.6 地球球气差和日照风力引起的误差及控制方法大地水准面BAbababaHAHB图1-3 地球曲率及大气折光的影响如上图3所示,A、B为地面上两点,大地水准面是一个曲面,如果水准仪的视线ab平行于大地水准面,则A、B两点的正确高差为: (1-12)但是,水平视线在水准尺上的读数分别为a、b。a、a之差与b、b之差,就是地
16、球曲率对读数的影响,用c表示。即: (1-13)式中 D水准仪到水准尺的距离(km); R地球的平均半径,R=6 371km。由于大气折光的影响,视线是一条曲线,在水准尺上的读数分别为a、b;a、a之差与b、b之差,就是大气折光对读数的影响,用r表示。在稳定的气象条件下,r约为c的1/7,即 (1-14)地球曲率和大气折光的共同影响为: (1-15)由于地球曲率的缘故,在同一水准面上的两个点其高差并不为零。由此产生用水平面代替水准面对高程的影响,可以用公式C =D2/(2R)表示,地球半径R =6 371Km,当D =1Km时,C =8cm;显然,以水平面代替水准面时高程所产生的误差要远大于测
17、量高程的误差。所以,对于高程而言,即使距离很短,也不能将水准面当作水平面,一定要考虑地球曲率对高程的影响。实测中采用中间法可自动消除曲率对前后视读数的影响。大气折光使视线成为一条曲率约为地球半径7倍的曲线,使读数减小,可以用公式h =D2/(2x7R)表示,视线离地面越近,折射越大,因此,视线距离地面的高度不应小于0.3m,并且其影响也可用中间法消除或减弱。此外,应选择有利的时间,一日之中,上午10时至下午4时这段时间大气比较稳定,便于消除大气折光的影响,但在中午前后观测时,尺像会有跳动,影响读数,应避开这段时间,阴天、有微风的天气可全天观测。日照及风力引起的误差影响是综合的,比较复杂。如果光
18、照会造成仪器各部分受热不均使轴线关系发生改变、风大时会使仪器抖动、不易精平等会引起误差。处选择好的天气测量外,给仪器打伞遮光等都是消除和减弱其影响的好办法。1.3.7仪器升降和水准尺下沉的影响在观测中,由于仪器的自重、测站上土质松软等原因,使仪器随时间逐渐下沉;或由于土壤的弹性会使仪器上升,它将使尺上读数减小或增大。为减小下沉的影响,仪器应安置在土质坚实的地方,脚架要踏实。在测站采用往返观测法,提高观测速度,可消除其影响。水准尺下沉的误差是指仪器在搬迁过程中,转点发生下沉,使迁站后的后视读数增大,算得的高差也增大。如果采取往返测,往测高差增大,返测高差减小,所以取往返高差的平均值,可以减弱水准
19、尺下沉的影响。最有效的方法是应用尺垫,在转点的地方必须放置尺垫,并将其踩实,以防止水准尺在观测过程中下沉。第2章 电子水准仪的使用电子水准仪又称数字水准仪,它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。它采用条码标尺,各厂家标尺编码的条码图案不相同,不能互换使用。目前照准标尺和调焦仍需目视进行。人工完成照准和调焦之后,标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上,供目视观测,另一方面通过望远镜的分光镜,标尺条码又被成像在光电传感器(又称探测器)上,即线阵CCD器件上,供电子读数。因此,如果使用传统水准标尺,电子水准仪又可以象普通自动安平水准仪一样使用。不过这时的测量精度低于电子测量的精度。特别是精密电子水准
20、仪,由于没有光学测微器,当成普通自动安平水准仪使用时,其精度更低。当前电子水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法:1)相关法(徕卡NA3002/3003)2) 几何法(蔡司DiNi10/20)3) 相位法(拓普康DL101C/102C)2.1 测量原理数字水准仪又称电子水准仪,具有与自动安平水准仪相同的光学机械结构,采用了典型的交叉吊带光学机械补偿器(如图11所示),它融光机电技术、图象处理技术、计算机技术于一体,以条码间隔影像信息与参考信号进行数字图像处理的原理,自动采集数据、信息处理和获取自动记录观测值,从而实现了水准测量的自动化。数字水准仪水准标尺采用条形码分划,代替人们眼睛读
21、数的是光电二极管阵列(CCD探测器)。在水准测量中,仪器完成照准调焦之后,条形码的象通过一个分光器,将光线分为两束,一束转射到传感器光电二极管阵列上,供电子读数,另一束转射到观测望远镜的分划板上,供目视观测。目前标尺条码信号的分析和处理采用的方法(也就是自动电子读数方法)有相关法、几何法和相位法三种,三种方法在原理上有较大差别,Leica公司的数字水准仪均采用的是相关法,将储存在仪器内的基准码与传感器阵列的图象信号进行比较,仪器和标尺之间的高差即是标尺条形码象的位移量和因仪器、标尺间距离而产生的条形码象的大小的二维相关函数。二维相关是在标尺条形码影像上先确定一个待定点,称之为目标点,以此待定点
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