水準測量-土木工程測量

1、1,《測量學》,同濟大學 測量與國土信息工程系,第二章 水準測量,第二章 水準測量,第二章水準測量,§2-1 高程測量概述,一、高程及高程測量二、高程測量方法三、水準測量等級,1..地面點的高程,一、地面點的高程,高程測量——測定地面點高程的工作,二、高程測量的方法1、水準測量——用水準儀進行高程測量的工作。是高程測量的主要方法使用儀器：水準儀 水準儀的主要功能是能指出一條水平視線。,2、其他高程測量

2、方法：三角高程測量、GPS測量等,2.高程系統(tǒng)與高程基準,我國國家高程系統(tǒng)：黃海高程系我國國家高程基準： 1985年國家高程基準,◆我國取青島附近黃海平均海水面為大地水準面； 人為而定，相對穩(wěn)定(我國1956年取前6年的平 均潮位作為大地水準面；1985年取1953年?1979 年共26年觀測的平均潮位作為大地水準面)；◆水準原點建在青島市內(nèi)，作為我國的國家高程 基準。1956年高程基準的高程為72.289米，

3、 1985年高程基準的高程為72.260米。,上海地區(qū)高程系統(tǒng)：吳淞高程系,三、高程系統(tǒng)與高程基準,H吳=H黃-1.6008 （1985）,3.4.高程系統(tǒng)、等級,四、水準測量的等級 分一、二、三、四等（按精度要求、控制范圍）,,一等水準測量:——僅在國家等級中存在作為國家的高程控制,建立統(tǒng)一的高程基準;科學研究(地殼形變、地面沉降、精密測量）,二等水準測量:作為大城市的高程控制；地面沉降；精密工程測量,三、四等水準測量

4、:作為小地區(qū)的高程控制；普通工程測量圖根水準（普通水準）,§ 2-2 水準測量原理,要求：測量A，B兩點間的高差h思路：在A，B上豎立標尺，用水準儀指示一條水平視線該視線在兩尺上截得讀數(shù)a和b 則A、B的高差：注：高差有正有負,水準儀的主要軸線：望遠鏡視準軸（俗稱視線），用于觀察尺子，讀取讀數(shù)水準管軸，水準管是水平狀態(tài)指示器。用于把其軸置平儀器要求這兩個軸平行。從而可以借助水準器把視線置平,水準測量原

5、理,當Da=Db時，,中間法,考慮水準面彎曲,2.連續(xù)安置水準儀的測量方法,連續(xù)安置水準儀的測量方法 兩點間距離較長或高差較大時，在兩點間設若 干轉(zhuǎn)點，分段測量高差，取各分段高差的總和。,一.水準測量的儀器與工具,§ 2-3 水準尺和的水準儀,一、水準尺、尺墊直尺：雙面(黑、紅)水準尺， 尺常數(shù)4.687m、4.787m，用 于三等以下水準路線測量。,塔尺：可伸縮，伸足為3米、 5米，用于一般

6、工程測量。尺墊：轉(zhuǎn)點立尺用。,2.水準儀,二、水準儀,等級(精度系列)： DS05 DS1 DS3 DS10 型號下標：毫米數(shù)，表示 1公里往、返測量的高差平 均值的中誤差(由于儀器引 起的) 。,構造： 望遠鏡 水準器 支架 基座,S3 水準儀外型,一般的望遠鏡只需望遠，不需瞄準。所以有物鏡，目鏡（加調(diào)焦鏡）即可。測量望遠鏡要能瞄準。所以要有十字絲。目標的象與十字絲重合即瞄準。,望遠鏡

7、與視差,望遠鏡與視差,●測量望遠鏡及十字絲,視準軸：十字絲分劃中心與物鏡光心的連線。物鏡的作用：把目標成象（拉近）。目鏡的作用：把十字絲（和目標象）放大。十字絲固定不動。為了讓儀器適用于不同視力的人，目鏡可以前后調(diào)節(jié)，稱為目鏡調(diào)焦。調(diào)焦鏡的作用：使遠近不同的目標都能成象于十字絲面上。移動調(diào)焦鏡稱為物鏡調(diào)焦。視差：如果目標象沒有落在十字絲面上，則當觀測員的眼睛上下左右移動時，會感到目標象與十字絲之間有相對錯動。這種現(xiàn)象稱為視差。

8、視差影響瞄準的精度。物鏡調(diào)焦可以消除視差。,測量望遠鏡,視差,●視差： 望遠鏡內(nèi)目標像與十字絲分劃板未重合。 現(xiàn)象：觀測時，改變眼睛與目鏡的相對位置， 十字絲與目標的像有相對移動。,,消除視差的步驟： 目鏡調(diào)焦，使十字絲最清晰； 物鏡調(diào)焦，使目標像最清晰，且無視差。,水準器,（1）圓水準器 靈敏度 8?/2mm 用于儀器粗平 （2）管水準器 靈敏度20?/2mm 用于儀

9、器精平,水準器,水準器分圓形和管形兩種管水準器是個玻璃容器，其縱剖面上內(nèi)側(cè)呈圓弧形?？虅澗€對稱中點處的切線就是水準管軸?！皻馀菥又小奔此疁使茌S水平。圓水準器是個玻璃容器，上面有同心圓的刻劃。上蓋的內(nèi)表面是圓球形，同心圓圓心處的曲率半徑就是圓水準器的軸?！皻馀菥又小奔此疁势鞯妮S垂直。,水準管,圓水準器,,軸,,水準管的精度：管子內(nèi)壁光滑，液體與內(nèi)壁的附著力小，則氣泡對傾斜反映的靈敏度高曲率半徑大，格值小則精度高氣泡長，兩端清晰

10、，讀數(shù)誤差小則精度高格值是相鄰分劃線之間的弧所對的圓心角。設弧長為2毫米，曲率半徑為R毫米，則格值 一般 秒,,符合棱鏡系統(tǒng)把水準氣泡兩端成象在一起便于觀察。若直接用肉眼觀察則因為玻璃有厚度，斜視時會產(chǎn)生視差要同時觀察氣泡的兩端才能判斷氣泡是否居中用符合棱鏡系統(tǒng)觀察，可以避免上述缺點。判斷“氣泡居中”的精度約可提高一倍。,觀察

11、窗,三、水準儀的使用,1 、安置： 用連接螺旋把儀器固定在三腳架上2、粗平：使三腳架架頭大致水平;轉(zhuǎn)動腳螺旋使圓水準器的氣泡居中3、瞄準調(diào)節(jié)目鏡：照準明亮的物體（如白墻）調(diào)節(jié)目鏡使之適合自己的視力（十字絲最清晰）；粗瞄準：轉(zhuǎn)動儀器，利用望遠鏡外殼上的準星瞄準目標； 精確瞄準：轉(zhuǎn)動調(diào)焦螺旋使目標象清晰，直至無“視差”。用微動螺旋 慢慢轉(zhuǎn)動望遠鏡，直至精確瞄準目標為止（十字絲的縱絲靠近水準尺）,4、 精平 用微傾螺旋使水準管氣

12、泡居中（符合氣泡符合）5、讀數(shù) 用十字絲的橫絲在水準尺上讀數(shù)（先讀毫米數(shù)，然后米，分米，厘米數(shù)。每次讀四位數(shù)，“0”也 是必須記錄的數(shù)字。）,水準管的校正螺絲像片,,腳螺旋,粗平,用連接螺旋把儀器固定在三腳架上，固定兩個腳架，動第三個腳架，使三腳架架頭大致水平;轉(zhuǎn)動腳使螺旋圓水準器的氣泡居中,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2、粗平,（左手拇指法則）,調(diào)節(jié)目鏡：照準明亮的物體（如白墻）調(diào)節(jié)目鏡使之適合自

13、己的視力（十字絲最清晰）；粗瞄準：轉(zhuǎn)動儀器，利用望遠鏡外殼上的準星瞄準目標； 精確瞄準：轉(zhuǎn)動調(diào)焦螺旋使目標象清晰，檢查有無“視差”（消除視差）。 用微動螺旋 慢慢轉(zhuǎn)動望遠鏡，直至精確瞄準目標為止（十字絲的縱絲靠近水準尺）,3、瞄準,水準管的校正螺絲像片,,缺口,視差,●視差： 望遠鏡內(nèi)目標像與十字絲分劃板未重合。 現(xiàn)象：觀測時，改變眼睛與目鏡的相對位置， 十字絲與目標的像有相對移動。,,消除

14、視差的步驟： 目鏡調(diào)焦，使十字絲最清晰； 物鏡調(diào)焦，使目標像最清晰，且無視差。,,符合棱鏡系統(tǒng)把水準氣泡兩端成象在一起便于觀察。用符合棱鏡系統(tǒng)觀察，可以避免上述缺點。判斷“氣泡居中”的精度約可提高一倍。調(diào)節(jié)微傾螺旋，使氣泡吻合成一個完整的拋物線,觀察窗,4、精平,（普通水準尺）,水準尺的分劃不是線劃式而是區(qū)格式的。區(qū)格的邊緣是分劃的位置，區(qū)格內(nèi)的小數(shù)即毫米“估讀”。 區(qū)格式分劃便于從遠處觀察并讀數(shù)。,5、讀

15、數(shù),瞄準與讀數(shù),水準測量的瞄準與讀數(shù),a,自動安平水準儀原圖,四、自動安平水準儀,（一）自動安平水準儀的特點,1、沒有水準管和微傾螺旋；望遠鏡和支架連成一體2、測量時，只需粗平,自動安平水準儀原圖,（二）自動安平水準儀基本原理,2.自動安平補償器結構,自動安平補償器結構,兩個擺動棱鏡的補償器,兩個直角棱鏡是補償器的擺動部分。鏡筒傾斜時水平光線與其豎平面不正交，從而使光線在棱鏡系統(tǒng)中產(chǎn)生折射，最后把水平光線導至十字絲中心。,Koni00

16、7自動安平水準儀,Zeiss Koni007自動安平水準儀,§ 2-4水準測量的方法及成果處理,一、水準點和水準路線（一）水準點埋設在永久、固定的地點,,,,,,,,,,,,,（二）水準路線,1、支水準路線2、閉合水準路線3、附合水準路線,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,二、水準測量方法,（一）兩次儀器高法已知HA，求HB,,,,,,,,,,,,,,,,,,a1,b1,a2,b2,h1=a1-b1,h2

17、=a2-b2,h1-h2<=f=±5mm,水準測量記錄（兩次儀器法）,（二）雙面尺法,已知HA，求HB,,,,,,,,,,,,,a1,b1,a2,b2,h1=a1-b1,h2=a2-b2,h1-h2<=f=±5mm,,,水準測量記錄（雙面尺法）,三、水準測量成果整理,,,,,,,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.

18、0km,HA=45.286m,HB=49.579m,,,,,(一）、高差閉合差計算,,0,閉合水準,HB –HA=H終-H始,附合水準,無,支水準,支水準路線無閉合差，所以采用往、返測量,三、水準測量成果整理,,,,,,,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,HA=45.286m,HB=49.579m,(一）高差閉合差計算,,,,,高差閉合差的

19、允許值,L---以公里為單位,三、水準測量成果整理,,,,,,,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,HA=45.286m,HB=49.579m,（二 ）高差閉合差的分配,水準測量成果整理,§ 2-5 水準儀的檢驗與校正,(一)水準儀的主要軸線望遠鏡視準軸水準管軸縱軸圓水準軸,一、水準儀的主要軸線及滿足的條件,視準軸：

20、十字絲分劃中心與物鏡光心的連線。水準管軸:經(jīng)過水準管零點的切線縱軸:儀器旋轉(zhuǎn)軸圓水準軸:經(jīng)過圓水準管零點的法線,）圓水準器軸平行于儀器縱軸 L´L´∥VV）十字絲的橫絲垂直于縱軸 ）水準管軸平行于視準軸LL∥CC,L´L´∥VV,LL∥CC,(二) 水準儀滿足的條件,二、水準儀檢驗與校正,（一）圓水準器軸平行于儀器縱軸的檢驗與校正誤差的影響：不影響讀數(shù)，但使縱軸傾斜，影響操作速

21、度1、檢驗：（如何發(fā)現(xiàn)誤差？）a)以圓水準器為準（氣泡居中）安置儀器的縱軸b)把儀器連帶水準器繞縱軸旋轉(zhuǎn)180度。如果氣泡仍然居中，則水準器軸平行儀器縱軸。否則，水準器軸不平行儀器縱軸。,2、校正：（如何減少誤差？）（氣泡移動量一半所表示的傾斜度就是縱軸的傾斜度。）動校正螺絲，使氣泡返回移動量的一半。重復上述檢驗和校正一、二次，使該這誤差盡可能小。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,L ´,V

22、,,( 二) 十字絲的橫絲垂直于縱軸,1、檢驗： 用圓水準器使縱軸垂直后，用十字絲的橫絲照準某一清晰目標。用微動螺旋轉(zhuǎn)動望遠鏡，如果十字絲的橫絲一直不離開目標，則無誤差。否則要校正。2、校正：松開十字絲的固定螺絲，轉(zhuǎn)動十字絲。,,(三)水準管軸平行于視準軸,影響： 如果水準管軸不平行視準軸（其夾角為 )，則讀數(shù)誤差有 則此誤差對高差的影響為檢驗：在正常視線長2 倍的兩端固定兩根水準尺，其間距為2S。

23、儀器架于中點，測量兩端點的高差作為標準值 把儀器移至一個端點，再測量兩端點的高差,(三)水準管軸不平行視準軸,如果h2=h 表明水準管軸不平行視準軸，引起遠尺上讀數(shù)有誤差，以至h2有誤差。至于近尺上的讀數(shù)，由于距離很小，受水準管軸不平行視準軸誤差的影響很小，可以忽略。校正：轉(zhuǎn)動傾斜螺旋，使望遠鏡視準軸對準遠尺正確的讀數(shù)。這時水準管軸隨著也傾斜了。用水準管的校正螺絲使氣泡重新居中。,,水準管的校正螺絲像片,（2）校正3,方

24、法2：校正十字絲環(huán),方法2：校正十字絲,,b.調(diào)整十字絲環(huán)上、下校正螺絲，使橫絲對準讀數(shù) 即 CC水平，從而LL // CC。,a.保持水準管氣泡居中即LL水平；卸下望遠鏡目鏡罩,,水準管的校正螺絲像片,,（一）精密水準尺,水準尺：因瓦鋼+分劃式,§2-6 精密水準儀和電子水準儀,一、精密水準儀和水準尺,§2-6 精密水準儀和電子水準儀,格值小(τ=7~10″)，氣泡長、大，符合精度高

25、；望遠鏡放大倍率高（30×→40×），瞄準精度高（≈15″/V）微動螺絲精細，望遠鏡微傾對高度的影響小……,（二）精密水準儀,讀數(shù)：瞄準+平行玻璃板+測微分劃尺,精密水準儀和水準尺,水準尺：因瓦鋼+分劃式讀數(shù)：瞄準+平行玻璃板+測微分劃尺,精密水準儀、水準尺,WILD N3、精密水準尺,WILD N3精密自動安平水準儀,精密水準尺,精密水準儀讀數(shù)圖,讀數(shù)：197150,測微器讀數(shù)窗,水準器視窗

26、,,,楔型絲,,平行玻璃板測微裝置,平行玻璃板測微裝置,測微器結構與測微原理,?轉(zhuǎn)動測微螺旋，改變平行玻璃板的傾斜角度，可使 視線作上、下平移，平移量在測微分劃尺上讀取。,三. 電子水準儀,二、 電子水準儀,也稱“數(shù)字水準儀”,具有自動安平功能。自動顯示水平視線讀數(shù)和視距。通過物鏡獲取水準尺圖象，通過 儀器的處理系統(tǒng)，將圖象信息轉(zhuǎn) 換成數(shù)字顯示。能與計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊?；颈苊饬巳藶榈挠^測誤差（視差、水準器精平誤差、

27、瞄準誤差、估讀數(shù)誤差。,電子水準儀圖,電子水準儀圖,條碼尺,,測量鍵,電子水準儀的瞄準,電子水準儀的瞄準,§2-7 水準測量的誤差分析,測量誤差主要有三種：儀器誤差操作誤差外界的影響其它水準測量也具有這些誤差水準測量的儀器誤差）圓水準器軸不平行儀器縱軸L’L’∥VV）十字絲的橫絲不水平 ）水準管軸與視準軸不平行LL∥CC,一、水準測量的操作誤差,（1）氣泡居中不準引起的誤差（2）水準尺傾斜引起的

28、誤差（3）瞄準和讀數(shù)的誤差分析討論：（1）設氣泡居中不準引起的讀數(shù)誤差為 則,（2）水準尺傾斜引起的誤差,水準尺傾斜引起的讀數(shù)誤差 與水平視線離尺底的高度h，尺子的傾斜度 ，以及尺底的厚度b和尺子安放的情況有關。,θ,對策精密水準測量時，尺上要裝水準器普通水準測量時盡量把尺扶直或扶尺員慢慢地把尺前后搖動，觀察員取尺上最小的讀數(shù),（3）瞄準和讀數(shù)的誤差,對于區(qū)格式的水準尺，最小一位讀

29、數(shù)是估讀的。一般說來估讀的誤差約為1毫米。 十字絲粗約為0.005毫米。望遠鏡物鏡焦距約為300毫米。當S=60m時，投影在尺面上十字絲的象粗為 所以當視線長度大于60米時，讀數(shù)誤差會增加。,二、外界條件對水準測量的影響,（1）地球曲率的影響（2）大氣折光的影響（3）大氣抖動的影響（4）溫度對儀器的影響,（1）地球曲率的影響,工作時水準儀的視準軸是水平直線，而大地水準面是曲面。由此，在讀數(shù)中 就有

30、誤差當S=100米時，對策：如果前視水準尺和后視水準尺到測站的距離相等，則在前視讀數(shù)和后視讀數(shù)中含有相同的差值 。這樣在高差中就沒有這誤差的影響了。因此，放測站時要爭取“前后視相等”,（2）大氣折光的影響,接近地面的空氣溫度不均勻，所以空氣的密度也不均勻。光線在密度不勻的介質(zhì)中沿曲線傳布。這稱為“大氣折光”?？傮w上說，白天近地面的空氣溫度高，密度低，彎曲的光線凹面向上；晚上近地面的空氣溫度低，密度高，彎曲的光線凹面向下。,接近

31、地面的溫度梯度大大氣折光的曲率大由于空氣的溫度不同時刻不同的地方一直處于變動之中。所以很難描述折光的規(guī)律。對策：避免用接近地面的視線工作盡量抬高視線用前后視等距的方法進行水準測量,（3）大氣抖動的影響,除了規(guī)律性的大氣折光以外，還有不規(guī)律的部分：白天近地面的空氣受熱膨脹而上升，較冷的空氣下降補充。因此，這里的空氣處于頻繁的運動之中，形成不規(guī)則的湍流。湍流會使視線抖動，從而增加讀數(shù)誤差。對策：夏天中午一般不做水準測量在沙地

32、，水泥地……湍流強的地區(qū)，一般只在上午10點之前作水準測量。高精度的水準測量也只在上午10點之前進行。,（4）溫度對儀器的影響,溫度會引起儀器的部件漲縮，從而可能引起視準軸的構件（物鏡，十字絲和調(diào)焦鏡）相對位置的變化，或者引起視準軸相對與水準管軸位置的變化。由于光學測量儀器是精密儀器，不大的位移量可能使軸線產(chǎn)生幾秒偏差，從而使測量結果的誤差增大。不均勻的溫度對儀器的性能影響尤其大。例如從前方或后方日光照射水準管，就能使氣泡“趨向太陽”

33、---水準管軸的零位置改變了。,對策：儀器制作時采取保護措施：如Zeiss004在望遠鏡筒外面還有一個保護筒。量筒之間靜止的空氣起隔熱作用精密水準測量時必須撐傘精密水準儀從箱中拿出來后要靜置半小時后再開始工作避免日光直接照射水準管,（5）其他影響,轉(zhuǎn)點的唯一性問題：水準測量常需多次設站把高程傳遞到待定點。為此必須利用轉(zhuǎn)點。在轉(zhuǎn)點上水準尺有二次工作狀態(tài)。必須保證轉(zhuǎn)點狀態(tài)不變。土質(zhì)松軟轉(zhuǎn)點會下沉平坦的硬質(zhì)路面上立尺會因尺子傾斜