第二章 水准测量

教学课件§2.1水准测量原理一、定义：1、利用水准仪测定地面点高程的方法称为水准测量。2、利用水准仪提供的水平视线对竖立在两点之间的水准尺进行观测，并通过其中一个点（A点）的高程推算另一个点(B点)的高程，称为水准测量的原理；即，如图2-1所示：AB大地水准面水准尺水平视线abhABHBHA图2-1HihAB=a-b=后视读数--前视读数B点高程为：HB=HA+hAB=HA+(a-b)视线高程：Hi=HA+aB点高程：HB=Hi-b前进方向二、水准测量观测方法：（1）高差法：在M、N两点间安置水准仪，在M、N两点分别竖立水准尺，利用水准移的水平视线分别读取M点、N点上的读数a、b，则两点的高差为：则N点的高程HN为a：后视读数(后视观测读数)；b：前视读数(前视观测读数)。M：后视点N：前视点永远是后视减前视bahMNMNMNhHH（2）视线高法（单站多测法）：安置一次仪器可以测算多个点高程的方法；首先算出水准仪的视线高程Hi，然后分别计算出各个点的高程：bj为第j个前视点的读数；Hj为第j个前视点的高程；这种方法常用于路线纵断面测量。大地水准面MjbjHMHjHi大地水准面MjbjHMHjHiaHHMijijbHH(j=1,2,3,……)aHHMijijbHH(j=1,2,3,……)高差法：利用高差计算高程。（安置一次仪器测定一个前视点高程时采用）视线高法：利用视线高计算高程。（安置一次仪器测定多个前视点高程时采用）（3）连续水准测量（路线水准测量）：应用前提：两待测点之间距离较远、高差较大，或中间有障碍。方法：加设若干个临时立尺点（称为转点ZD），依此测定相邻两个点的高差，取各高差的代数和即得到起终两个点的高差，即：则M、N两点的高差为：niiniiniiMNbahh111),......,3,2,1(niiiibah（4）提高精度的观测方法：“中间法”观测：各测站前、后视线长度大致相等“中间法”观测的作用削弱水准管轴与视准轴不平行的仪器误差地球曲率和大气折光的影响对光透镜运行误差注意要测算地面上两点间的高差，所依据的就是一条水平视线，如果视线不水平，上述公式不成立。因此，视线必须水平，是水准测量中要牢牢记住的操作要领。§2-2水准仪和水准尺（1）表示方法：DSn：D表示大地测量S表示水准仪，n为数字表示仪器精度，数值n越小,表示仪器精度越高。如DS0.5,,表示每公里往返测量高差中数的偶然中误差小于或等于0.5mm；（2）常用水准仪的等级划分及主要用途：一般工程水准测量国家三四等水准测量及一般工程水准测量国家二等测量及其他精密水准测量国家一等水准测量及地震测量主要用途仪器精度DS10DS3DS1DS0.5仪器系列型号一般工程水准测量国家三四等水准测量及一般工程水准测量国家二等测量及其他精密水准测量国家一等水准测量及地震测量主要用途仪器精度DS10DS3DS1DS0.5仪器系列型号mm5.0mm1mm3mm10一、水准仪的表示方法及其等级（国产仪器）：二、DS3水准仪的构造：仪器各部件的名称管水准器准星缺口目镜调焦螺旋目镜符合水准器影像观测镜管水准器校正螺钉园水准器园水准器校正螺丝基座脚螺旋2DS3水准仪的构造：仪器各部件的名称基座底板微倾螺旋物镜调焦螺旋望远镜物镜望远镜制动螺旋望远镜微动螺旋DS3微倾式水准仪DS3自动安平水准仪（北京光学仪器）目镜调焦螺旋目镜圆水准器校正螺丝堵盖粗瞄准器反光镜圆水准器度盘指标脚螺旋制动微动螺旋1、望远镜：它主要由物镜、目镜、调焦透镜和十字丝分划板等组成；它的作用的照准和看清目标及读数的设备。2、水准器：它分为圆水准器和管水准器；它的作用是保证水准仪提供一条水平视线。（1）圆水准器：当圆气泡居中时，视线大概水平（即粗平）（2）管水准器：当气泡居中时，视线水平（即精平）。为了便于观测长气泡的居中情况和提高居中的精度，在水准管的上方装有符合棱镜系统。当气泡居中时，在观察窗内看到两边的半圆弧吻合成一抛物线状。见图：3、基座：粗平精平DS3级微倾水准仪的构造：望远镜组成及其成像原理望远镜由物镜、目镜、对光凹透镜和十字丝四个主要部分组成。成像原理：目标经过物镜和对光凹透镜的作用，在镜筒内造成倒立、缩小的实像，通过调节对光凹透镜，就可以使像清晰地成在十字丝平面上。（望远镜的放大倍数）视准轴•目镜的作用：放大，人眼经过目镜，可以看到目标的小实像与十字丝一起放大了的虚像。•十字丝的作用：提供照准目标的标准。其中心交点和物镜光心的连线称为视准轴，即视线。玻璃片上的上、下短丝称为视距丝。水准测量就是当视线水平时，用中间横丝截取水准尺读数。•视准轴：十字丝中央交点和物镜光心的连线；（水准仪四条轴线之一）•竖轴：望远镜底部与基座相连的轴的中心线；（水准仪四条轴线之一）视距丝横丝水准器（1）水准器的用途：衡量视线是否水平、竖轴是否铅垂的标志；（2）水准器种类：水准盒及水准管；水准盒用于粗调整平，水准管则用于精密整平；（3）水准盒轴线：水准盒顶面中心（水准盒零点）的球面法线（水准仪四条主要轴线之一）（4）水准管轴线：过水准管圆弧中心点（水准管零点）与顶面圆弧内壁相切的直线（水准仪四条主要轴线之一）（5）水准器灵敏度：用分划值表示，即当气泡移动2mm时，水准盒（管）轴相应倾斜的角度；（6）水准器分类：水准器是用来标志视准轴是否水平或仪器竖轴是否铅垂的装置；①管水准器(水准管)——用来指示视准轴是否水平；水准管圆弧中点O称为水准管零点。过零点与内壁圆弧相切的直线LL，称为水准管轴。当水准管气泡中心与零点重合时，称气泡居中，此时水准管轴处于水平位置；若气泡不居中，则水准管轴处于倾斜位置。水准管零点水准管轴气泡居中水准管2mm的弧长所对应的圆心角τ称为水准管分划值。(2-4)R2R——水准管圆弧半径，mmρ——206265″DS3型水准管分划值为20″/2mm水准管分划值符合水准器②圆水准器——用来指示竖轴是否竖直。球面中央圆圈，圆圈的圆心称为水准器零点。过零点的球面法线，称为圆水准轴，当圆水准器气泡居中时，圆水准轴处于竖直位置。圆水准器分划值是指通过零点的任意一个纵断面上，气泡中心偏离2mm的弧长所对圆心角的大小。DS3水准仪圆水准器分划值一般为8′～10′/2mm，故只用于仪器的概略整平。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：连接三脚架组成轴座脚螺旋连接板1、水准尺：三、水准尺和尺垫：塔尺——由两节或三节套接而成，长3m或5米，接头处存在误差，多用于精度较低的水准测量中。双面尺(直尺或板尺)：黑面尺(基本分划)、红面尺(辅助分划)；常数K1=4.687m，K2=4.787m。用于三、四等精度以下的水准测量中。2、尺垫：水准尺用途：用于水准测量的目标点观测种类：塔尺和板尺两种。塔尺是可以伸缩的塔尺一般长3米，由三节组成。板尺一般2米。水准尺的刻度与标注：精度比较：板尺精度高于塔尺；用途：板尺一般常用于三、四等水准测量，而塔尺则用于等外水准测量。使用注意事项：使用前应认清尺子刻划线与数字之间的位置关系，是否为正、倒数字，尺底的数值；对于塔尺，当使用两节以上时应注意两节接口位置是否对准、卡簧是否卡住。标准水准尺：是一对双面尺，其中:A尺和B尺黑面0～3m;A尺红面4.687～7.687m；B尺红面4.787～7.787m；脚架张开角度勿太大或太小四、水准仪的使用：安置仪器粗平瞄准三角架脚螺旋圆水准器泡脚螺旋与左手大拇指方向一致水准尺误差如何识别和消除误差精平水准管气泡微倾螺旋读数中丝读数刻度大小正、倒像安置水准仪•打开三脚架并使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架腿是否安置稳固，脚架伸缩螺旋是否拧紧，然后打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固连在三脚架头上。粗平目的：调节脚螺旋，使圆水准气泡居中。方法：对向转动脚螺旋1、2——使气泡移至1、2方向中间——转动脚螺旋3，使气泡居中。规律：气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致；瞄准目标目的：使目标和十字丝成像清晰。方法：①初步瞄准（用准星对准目标）②目镜调焦（使十字丝清晰）③物镜调焦（使目标成像清晰）④精确瞄准（使纵丝对准目标）注意：瞄准时应消除视差。视差：当目镜、物镜对光不够精细时，目标的影像不在十字丝平面上，以致两者不能同时被看清。消除方法：仔细进行目镜、物镜调焦。在每次读数之前，都应注视符合水准气泡观测窗，转动微倾螺旋使水准管气泡居中，即符合水准器的两端气泡影像对齐，只有当气泡已经稳定不动而又居中的时候，水准管轴水平，视准轴亦水平，即提供了一条水平视线。微倾螺旋精平（精确整平）方法：仪器精确整平后，即可用十字丝横丝（即中丝）在水准尺上读数。读数按由小到大的方向，读出米、分米、厘米、并仔细估读毫米数；读数记录一般均不加小数点，读记四位数，以毫米为单位。•黑面读数：a=1274（mm）•红面读数：b=5958（mm）读数规律：读数在尺面上由小到大的方向读，故仪器若成倒像的，从上往下读；若成正像，即从下往上读。图形：水准仪读数实例水准仪读数实例：6.2421.5240.725bcaABab1、安置仪器于AB之间，立尺于A、B点上；2、粗略整平；3、瞄准A尺，精平、读数a，记录1.568m；4、瞄准B尺，精平、读数b，记录1.471m；5、计算：hAB=a–b=1.568-1.471=0.115m即B点比A点高0.115m。hBA=–hAB=–0.115m，即A点比B点低0.115m。五、一个测站的水准测量工作：1、测站：测量仪器所安置的地点。2、水准路线：进行水准测量时所行走的路线。3、后视：水准路线的后视方向。4、前视：水准路线的前视方向。5、视线高程：后视高程+后视读数。6、视距：水准仪至标尺的水平距离。7、水准点：水准测量的固定标志。8、水准点高程：指标志点顶面的高程。9、转折点：水准测量中起传递高程作用的中间点。水准点六、有关概念：§2-4水准测量的外业和内业一、水准测量的外业:1、水准点和水准路线:（1）水准点：定义：用水准测量方法测定的高程控制点称为水准点，用“BM”表示,符号“”分类:水准点分为永久性和临时性水准点。水准点按其精度和作用的不同，分别为国家等级水准点和普通水准点。国家等级水准点作为全国范围内的高程控制点，以满足地形测量和各种工程测量的需要，需埋设规定形式的永久性的标志；普通水准点则是从国家等级水准点引测的、直接用于某一测区或施工场地的高程控制点，埋设永久性或临时性的水准点标志。永久性水准点用钢筋混凝土或石料制成，埋深应在冻土线以下，顶部嵌入金属或磁质半球标志。临时性水准点可选用地面上坚硬的地物点或用大木桩打入土中，在桩顶钉一铁钉。永久性水准点：临时性水准点：建筑场地永久性水准点：临2点之记：砖2（2）水准路线：定义：即水准测量所经过的地面。水准路线检核的形式：a、闭合水准路线：见右图BM—A—B—C—BMBM86.668ABCb、附合水准路线：见下图BM1—1—2—3—BM2BM188.363BM289.655123C、支水准路线：见右图BM2—G1——G2G2G1闭合水准路线从一个已知水准点BM3开始，沿各待测高程点1、2、3等点进行水准测量，最后又回到原水准点BM3，这种水准路线称为闭合水准路线BM3（已知）h1h2h3h4h51234提出问题：?理h结论：正是上述，因此闭合水准路线才具检校功能。0理h附合水准路线从一个已知水准点BM1开始，沿各待测高程C、D、E等点进行水准测量，最后又回到原水准点BM2，这种水准路线称为附合水准路线12HHh理结论:因,所以附合水准路线也具检校功能。BM1(已知)BM2(已知)h1h2h3h4CDE支水准路线从已知高程的水准点BM1出发，进行待定高程水准点A的水准测量，这种既不闭合又不附合的水准路线，称为支水准路线。BM1Ah往h返由于支水准路线不具检校功能，因此要进行往返测量，以资检核。二、水准测量的外业观测、记录和计算：水准测量通常是从一个已知高程的水准点开始，按照