高程控制测量

中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第1页第五章高程控制测量一、国家高程基准及高程控制网的布设二、精密水准仪和水准尺的认识及检验三、精密水准测量的实施及主要误差分析四、正常水准面不平行性及其改正数的计算五、三角高程测量中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第2页一、国家高程基准及高程控制网的布设1）高程基准面------通常采用大地水准面作为高程基准面•大地水准面的确定：验潮站，（浙江）坎门，吴淞口，青岛，大连•1956年黄海高程系统(1950~1956)•1985年国家高程基准(1952~1979),1988年1月1日开始启用。1、国家高程基准位置适中半日潮有规律不在江河入海口海面开阔、无岛礁海底平坦，水深在10m以上中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第3页2）水准原点------青岛观象山1956年黄海高程系统，水准原点的高程值72.289m1985年国家高程基准，水准原点的高程值72.2604m两系统相差-0.0286m一、国家高程基准及高程控制网的布设主点—原点、参考点和副点共6个点组成水准原点网。中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第4页•由于确定大地水准面具有区域性，各国通过验潮确定的大地水准面和高程基准点有较大差异。如珠穆朗玛峰的高度不一样。以黄海高程起算面珠穆朗玛峰的高度与以印度海洋平面起算面的高度相差近20cm。全球高程基准的统一：采用精密重力测量，确定精确的大地水准面模型，采用卫星测量确定各点精确的大地高，进而在统一的框架确定精确的正高或正常高。一、国家高程基准及高程控制网的布设中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第5页1）国家高程控制网一、国家高程基准及高程控制网的布设2、高程控制网的布设用途：经济建设的基本高程控制、地球科学研究（如地壳运动、海面变化等）布设原则：从高级到低级、从整体到局部分四个等级布设，逐级控制、逐级加密。水准网分四个等级：一、二等水准网为精密水准网；三、四等网在高级水准网内加密，直接服务于地形测量和各种工程建设。中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第6页国家高程控制网自1951年开始分以下几个阶段：1951~1975：一等水准长度50000公里，精度2~3mm/km二等水准长度140000公里,精度4mm/km1976~1984：一等水准路线289条，构成100个闭合环，联测42个验潮站，长度93000公里，按环闭合差估算的精度1.03mm/km1981~1990：重新布设国家二等水准路线136000公里，由822闭合环或附合到一等点的附合路线构成。由环闭合差求得精度为1.54mm/km1986年完成国家一等水准网的平差计算，求得每公里测量中误差为1.15mm。1976年~1990年完成的水准网称为国家第二期水准网。一等水准网的环长在1000~2000km之间，二等水准网的环长在500~750km之间一、国家高程基准及高程控制网的布设中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第7页一、国家高程基准及高程控制网的布设中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第8页2）城市和工程建设高程控制网城市与工程水准网分二、三、四等3个等级布设，精度与相应等级的国家水准网一致。联测2个以上的国家精密水准点，起始高程应采用稳定的基岩点。一、国家高程基准及高程控制网的布设尤其在如上海这种软土地区域的精密水准网，由于地面沉降，一般每年都至少复测一次，且有足够密度的基岩标或深层标。上海地面每年约沉降1厘米，有些城市如苏州、宁波更大，北方城市，特别是华北平原的城市，因大量开采地下水，地面沉降更是惊人。中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第9页因此，使用水准点成果时，特别要注意水准点是否沉降。需要进行检验，确认没有沉降后才能使用。精密水准网布设的工作程序：1、水准网的图上设计；2、水准点的选定；3、水准标石的埋设；4、水准测量观测；5、平差计算和成果表编制一、国家高程基准及高程控制网的布设中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第10页图上设计的要点：1、沿坡度较小的道路布设，避免跨越水域；2、应考虑下级网的加密需要；3、尽可能布设成环形或结点形，也可以是附合路线4、水准点密度：一般地区2~4km，城区：1~2km工业区：1km5、应该与国家点联测，以统一高程系统6、注意已有测量成果的利用一、国家高程基准及高程控制网的布设中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第11页1、精密水准仪与水准尺二、精密水准仪和水准尺的认识及检验1）精密水准仪的构造特点每公里往返平均高差中误差1mm中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第12页2）精密水准标尺的构造特点（1）因瓦合金带上分划，木质尺上注记。（2）精密水准标尺分划的偶然中误差一般在8～11μm。（3）全长笔直，并且不易弯曲，金属底板耐磨损。尺垫尺桩105mmmm基辅分划与注记左单右双分划水准标尺有二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第13页读数：197.150cm测微器读数窗水准器视窗楔型丝二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第14页二、精密水准仪和水准尺的认识及检验3）WildN3精密水准仪与分格值为10mm的精密因瓦水准尺配套使用,标尺的基辅差为301.55cm.中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第15页二、精密水准仪和水准尺的认识及检验148.653cm中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第16页二、精密水准仪和水准尺的认识及检验此时测微分划上读数为5mm,而不是0.中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第17页4）补偿式自动安平水准仪（1）自动安平水准仪的补偿原理光学补偿器fgafg二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第18页如果则也就是说，如果光学补偿器安置在望远镜像方光路上的f/2处，当偏转角β等于两倍视准轴倾斜角α时，补偿器能得到正确的补偿。同样，若补偿器能使来自水平的光线平移量a=fα，则平移后的光线也将正确地进入十字丝分划O1处，从而得到正确补偿的目的。2fg2fg二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第19页5）自动安平水准仪Koni007与分格值为5mm的精密因瓦水准尺配套使用。二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第20页二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第21页5）自动安平水准仪Ni004特点：没有水平方向制动，目镜可以在仪器上沿水平方向转动。与分格值为5mm的精密因瓦水准尺配套使用。二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第22页三.电子水准仪6）电子水准仪●也称“数字水准仪”具有自动安平功能。自动显示水平视线读数和视距。通过物镜获取水准尺图象，通过仪器的处理系统，将图象信息转换成数字显示。能与计算机实现数据通讯。基本避免了人为的观测误差（视差、水准器精平误差、瞄准误差、估读数误差。二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第23页电子水准仪图电子水准仪图条码尺测量键二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第24页要求竖丝位于条码带上，否则不能读数要求尺子立直（以圆气泡为准），否则拒绝工作。二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第25页2、精密水准仪和水准标尺的检验•1）精密水准仪的检验（1）光学测微器隙动差和分划值的测定（了解）（2）视准轴与水准轴相互关系的检验与校正（重点）二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第26页（1）光学测微器隙动差和分划值的测定（了解）测定光学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。方法：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，若特制分划尺分划线间隔值为d，则测得的测微器分划尺一个分格值为g，则有：dgL0.001gmm名二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第27页光学测微器隙动差的测定方法：比较旋进测微螺旋和旋出测微螺旋照准特制分划尺上同一分划线在测微器分划尺上的读数之差Δ（理论上应该相等），Δ不应超过2格。二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第28页•视准轴与水准轴必须满足相互平行这一重要条件，但一般视准轴与水准轴既不在同一平面内，也不互相平行，而是二条空间直线，在垂直平面上投影的交角，称为i角误差，在水平平面上投影的交角，称为φ角误差，也叫交叉误差.（2）视准轴与水准轴相互关系的检验与校正（重点）①i角误差检验与校正二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第29页2222222211111111hbab2abahhba2babah12hh1221hh/sisi10i要求。校正在j2测站上进行，先求出A标尺上的正确读数a’2=a2－2Δ，调节测微螺旋和倾斜螺旋，使水准标尺A上的读数为a’2，此时气泡影象不重合，再校正气泡两端校正螺旋使其符合。15i精密若s=20.6m二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第30页•注意：1、测定i角过程中考虑到温度变化对i角的影响，所以最好选在阴天测定。2、按上述方法测定i角时，若考虑到调焦透镜运行误差对测定i角的影响，应使仪器距近尺的距离s=5~7m，距远尺的距离S=40~50m为宜，此时计算i角的公式如下：()BABAissss21221111[()()]22hhabab二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第31页②φ角误差的检验与校正检验方法：整平仪器后使仪器绕视准轴左右倾斜，根据水准气泡移动的方向和大小来判断是否有交叉误差存在。若气泡现两端保持符合，或同向离开相同距离，则表示无交叉误差，若两端异向离开，则表示不能满足，异向离开大于2mm，必须进行校正。50m二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第32页•2）精密水准尺的检验（了解）①水准标尺分划面弯曲差的测定②水准标尺名义米长及分划偶然中误差的测定③一对水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第33页①水准标尺分划面弯曲差的测定尺面如有弯曲，观测时将使读数偏大。如图：弯曲的尺长l伸直可认为BC，而正确的长度L。2224flL283fLll283fllLl二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第34页②水准标尺名义米长及分划偶然中误差的测定平均米真长偏差f(mm/m)，f=平均每米真长-1m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δ，则改正后的高差h′=h+δ=h+fh二、精密水准仪和水准尺的认识及检验中南大学测绘与国土信息工程系《大地测量学基础》第35页③一对水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定如：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