第二章水准仪和普通水准测量

第二章水准仪和普通水准测量学习情境1图根高程控制测量项目载体：北京工业职业技术学院图根高程控制网教学项目设计：1、任务分析：各学习小组的测区范围大约为200米X250米，进行高程控制测量是地形图测绘工作所必需的一项测量工作；测区的大部分地势平坦，因此图根高程控制测量采用等外水准测量是合适的，只有个别地区高差比较大，可以采用高程测量的方法进行；等外水准测量路线可以根据实际情况采用闭合水准路线、附合水准路线等形式；测区首级高程控制测量应采用三四等水准测量的方法由测区外已知高程控制点引测。2、任务分解：测区内高程控制测量的任务包括高级点引测和图根高程控制测量两部分内容，由于各个测区内均没有已知的高级控制点，所以需要以三四等水准测量的方法由测区外的已知高级控制点引测到测区；因此该项测量工作的任务可以分解为：三四等水准测量、等外水准测量、三角高程测量等3、各环节功能：三四等水准测量是在测区内建立已知高程点的重要手段，等外水准测量是建立测区内的全面的图根高程控制网的主要途径，三角高程测量是建立测区内全面高程控制的补充措施，尤其是对于高差大的地区，这种方法的又是更加明显。4、作业方案：测区内高程控制测量的任务包括高级点引测和图根高程控制测量两部分内容，由于各个测区内均没有已知的高级控制点，所以需要以三四等水准测量的方法由测区外的已知高级控制点引测到测区，然后根据在测区建立的已知高程点进行图根高程控制测量，对于地势比较平坦的地区应采用等外水准测量进行，当个别地区高差较大，进行水准测量有困难时，可以采用三角高程测量进行；图根高程控制网最多发展两级。5、教学组织：本学习情景的教学为24学时，分为8个相对独立又紧密联系的子学习情境，教学过程中以作业组为单位，每组一个测区，在测区内分别完成等外水准测量、三四等水准测量、三角高程测量、图根高程控制测量内业计算任务，作业过程中教师全程参与指导，每组领用的仪器设备包括水准仪、经纬仪、水准尺、尺垫、钢尺、小钢尺、测钎、花杆、测伞、点位标志、记录板、记录手簿等；要求尽量在规定时间内完成外业作业任务，个别作业组在规定时间内没有完成的，可以利用业余时间继续完成任务。在整个作业过程中教师除进行教学指导外，还要实时进行考评并做好记录，作为成绩评定的重要依据。子学习情景1-1水准仪及其操作与使用一、水准测量概述水准测量是测定地面点高程时，最常用、最基本、精度最高的一种方法，在国家高程控制测量、工程勘测和施工测量中广泛应用。它是在地面两点之间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按水准标尺上读数求得两点之间的高差，最后推算出未知点的高程。这种测量方法适用于平坦地区或地面起伏不太大的地区。水准测量通常可分为以下几种：1.国家水准测国家水准测量的目的是建立全国性的、统一的高程控制网，以满足国家经济建设和国防建设的需要。国家水准测量按控制次序和施测精度分为一、二、三、四等。高精度的一、二等水准测量可以作为三、四等水准测量及其它高程测量的控制和依据，并为研究大地水准面的形状、平均海水面变化和地壳升降等提供精确的高程数据。三、四等水准测量可为工程建设和地形测图提供高程控制数据，它是一二等水准测量的进一步加密。2.图根水准测量图根水准测量是在地形测量时，为直接满足地形测图的需要，提供计算地形点高程的数据而进行的水准测量，有时候也作为测区的基本高程控制。由于其精度低于四等水准，所以也叫等外水准测量。3.工程水准测量工程水准测量是为满足各种工程勘察、设计与施工需要而进行的水准测量。其精度依据工程要求而定，有的高于四等，有的低于四等。本学习情境中，着重介绍水准测量的原理、仪器和工具，以及普通水准测量的施测方法。还有图根水准测量和三角高程测量等内容也是重点要学习的基本技能。。二、水准测量的原理水准测量是测定地面点高程的最精确的一种方法，其基本测法是：若A点高程已知，欲测定待定点B的高程，首先测出A、B两点之间的高差ABh,如图1-1所示,则B点的高程Bh为ABABhHH（1-1-1）为测出A、B两点之间的高差，可在A、B两点上分别竖立有刻划的尺子——水准尺；并在A、B点之间安置一架能提供水平视线的仪器——水准仪。根据仪器的水平视线，在A点尺上读数，设为a；在B点尺上读数，设为b，则A、B两点之间的高差为bahAB（1-1-2）图1-1-1如果水准测量是由A到B进行的，如图1-1中的箭头所示，由于A点为已知高程点，故A点尺上读数a称为后视读数；B点为欲求高程的点，则B点尺上读数b称为前视读数。即高差等于后视读数减去前视读数。a＞b高差为正；反之为负。式（1-1-1）和（1-1-2）是直接利用高差ABh计算B点高程的，称为高差法。还可通过仪器的视线高Hi计算B点的高程bHHaHHiBAi(1-1-3)式（1-3）是利用仪器视线高Hi，计算B点高程的，称为仪高法。当安置一次仪器要求测出几个点的高程时，仪高法比高差法计算方便。水准测量所使用的仪器是水准仪，辅助工具有水准尺和尺垫等。三、水准仪水准仪按其精度可分为DS05、DS1、DS3、DS20（1982年颁布的标准）等不同型号。其具体的系列参数见下表，在地形测量中最常用的是S3型水准仪。表1-1-1水准仪系列的分级及其基本参数(GB3160-82)参数名称单位等级DS05DS1DS3DS20仪器精度mm±0.5±1.0±3.0±20.0望远镜放大镜倍数，不小于物镜有效孔径，不小于最短视距，不大倍mmm42553.038473.028382.01.5201.5于管状水准器角值符合式（″）/2mm101020-普通式---60自动安平补偿性能补偿范围安平精度安平时间，不长于（′）（″）s±8±0.12±8±0.22±8±0.52±15±42粗水准器角值直交型管状（′）/2mm22--圆形88815测微器测量范围mm55--最小格值0.050.05--仪器净重，不大于kg6.56.03.02.0主要用途国家一等水准测量及地震水准测量国家二等水准测量及其他精密水准测量国家三四等水准测量及其它一般工程水准测量建筑及简易农田水利工程水准测量水准仪的种类很多，尽管它们在外型上有所不同，但基本结构都是由望远镜、水准器和基座三部分组成。图1-1-2是上海光学仪器厂生产的S3水准仪。整个仪器通过基座和三脚架连接，安装在三脚架上。基座上装有一个圆水准器，基座下部的三个脚螺旋，用于粗略整平仪器。望远镜由物镜、目镜和十字丝分划板组成。望远镜旁装有一个管水准器，转动微动螺旋，管水准器随望远镜上下仰俯。当气泡居中时，望远镜视线便处于水平状态。用制动螺旋和微动螺旋来控制仪器在水平方向的转动。当制动螺旋拧紧后，转动微动螺旋可使仪器在水平方向上作微小转动。图1-1-2（一）望远镜及水准器1、望远镜成像原理图1-1-3为望远镜的成像原理图，目镜和物镜位于同一条光轴上。由几何光学原理可知，从物体A发出的平行于光轴的光线，过物镜后折向其后焦点F；另一条光线，自A点发出，过物镜光心不发生折射。这两条光线交于a1点。同理，自B点的光线，交于b1点，则物体AB经物镜后成像为a1b1，是倒立而缩小的实像。目镜是起放大作用的，当a1b1处于目镜焦点以内时，经目镜再成像，得到一个a1b1放大了的虚像a2b2。图1-1-3从望远镜内看到物体虚像的视角β与眼睛看到的视角α之比，称为望远镜的放大率，一般用v表示，即v（1-1-4）因一般物体离观测者较远，望远镜镜筒长与之相比就显得很短，故可认为眼睛在目镜处直接看到物体的视角α与在望远镜物镜处看到的视角近似相等。当物体离望远镜较远时，物体经物镜所成的实像a1b1至物镜的距离oc，可认为近似地等于物镜的焦距f物，a1b1至目镜的距离o1c近似地等于目镜焦距f目。由相似三角形ob1c和o1b1c，得即因为视角一般都很小，它们的正切函数可以用弧度来表示，故上式可写成故望远镜的放大率目物ffv(1-1-5)望远镜的放大率是衡量望远镜的主要指标。由式（1-1-5）可看出，为了得到较大的望远镜的放大率，应尽量选用长焦距物镜和短焦距目镜。在地形测量工作中，使用望远镜的放大率一般为2tan2tan1目物ffcb目物ff2tan2tan目物ff18倍~30倍。2、望远镜的基本结构望远镜是用来瞄准远方目标的。望远镜分外对光望远镜和内对光望远镜。现代测量仪器都采用内对光望远镜。在此仅介绍内对光望远镜的基本结构。望远镜主要由物镜筒、十字丝分划板和目镜组成。图1-1-6中，物镜和十字丝分划板固定在望远镜镜筒上，调焦镜固定在望远镜内部一个调焦镜筒上，它用齿轮与外部的调焦螺旋相连。目镜装在可以旋转的螺旋套筒上，转动目镜筒，可使目镜沿主光轴移动，便于调节目镜与十字丝分划板之间的距离，使视力不同的人眼都能看清楚十字丝，这种操作称为目镜调焦，又称目镜对光。1-物镜筒，1-物镜，3-调焦透镜，4-调焦螺旋，5-十字丝板，6-目镜，图1-1-6十字丝分划板安装在物镜与目镜之间，板上有呈“十”字交叉的刻线，以其作为瞄准和读数的依据。图1-1-7所示为一般测量仪器上的几种十字丝图形。它们都是在玻璃板上刻有两根垂直相交的十字细线。中间的一根称为横丝或竖丝，竖直的一根（或双丝的对称中线）称为纵丝或竖丝。横丝上、下还有两根对称的水平丝，称为视距丝，又称为上丝、下丝，用它可测量距离（见视距测量）。图1-1-7十字丝交点与物镜光心的连线称为望远镜的视准轴，望远镜照准目标就是指视准轴对准目标；望远镜提供的水平视线，就是指视准轴呈水平状态。图1-1-8为内调焦（即内对光）望远镜成像原理图。按照望远镜成像原理，当照准远近不同的目标时，物镜的成像距离也各不同。为便于在望远镜中准确照准目标或读数，要求物体的实像a1b1始终能落在十字丝分划板的平面上。为此，在物镜与目镜之间置一凹透镜，即调焦镜。利用调焦螺旋控制调焦镜前后移动，在照准不同距离的目标时，使目标影像始终落在十字丝分划板上。图1-1-8（二）水准器水准器是水准仪的重要部件，借助于它才能使视准轴处于水平状态。水准器又分管水准器（又称水准管）和圆水准器两种。装在基座上的圆水准器，作粗略整平仪器用；与望远镜连在一起的水准管，供精确整平仪器用。1．水准管水准管是用管状玻璃制成，如图1-1-9所示。管内壁研制成曲率半径很大的圆弧面，精密水准管的曲率半径为80m~100m，一般精度的水准管曲率半径为7m~20m，管内装酒精或乙醚，经加热融封而成。待冷却后管内便形成一个气泡，气泡恒处于管内最高处。为了便于安装保护，整个玻璃管装在一个绝热并有玻璃窗口的金属管内。图1-1-9水准管圆弧的中点（即管上刻划的中点）称为水准管的零点（图1-1-9中O点），过零点的切线LL称为水准管轴。气泡居于被零点平分的位置，叫做气泡居中。管壁上刻有以零点对称的刻划，每格2mm。气泡偏离中央，即表示水准管轴发生倾斜。气泡每移动一格，水准管轴倾斜一个角度，称水准管分划值，亦即2mm弧长所对的圆心角τ，其值为R2R2（1-1-6）式中2——水准管每格弧长2mm；R——水准管内壁的曲率半径，mm；ρ″——1弧度所对应的以秒为单位的角值，ρ″=206265″。水准管分化值越小，水准管灵敏度越高。一般水准仪上水准管分化值为1″~20″。上海光学仪器厂生产的S3型水准仪τ值为20″。2．符合水准器为了提高目估气泡居中的精度，在水准管上方安装一组符合棱镜（图1-1-10），通过棱镜系统的连续折光作用，将水准管气泡两端各一半的影像传递到望远镜目镜旁的显微镜内，观测者在观测时不须移动位置，就能看到水准管气泡两端符合的影像，其影像如图1-1-11所示。两个半气泡影像符合一致时（如图1-1-11（a）所示），表示气泡居中。两个半气泡影像上下错开（如图1-1-11（b）所示），表示水准管气泡不居中，此时可调节微倾螺旋，使两个半气泡影像符合成图1-1-11（a）所示形状。图1-1-10图1-1-113.圆水准器图1-1-12为圆水准器。圆水准器玻璃内壁是一个球面，球面中心是一个小圆圈，小圆圈的中点