《建筑工程测量》第二章 水准测量.ppt

第二章 水准测量,教 学 要 点一、教学内容（1）水准测量的原理；（5）水准测量的内业计算（2）水准仪的构造和水准测量工具（6）水准仪的检验与正；（3）水准仪的使用；（7）水准测量的误差；（4）水准测量的施测方法；（8）其他水准仪简介。,二、重点和难点（1）、重点：水准仪的使用，水准测量的施测方法；（2）、难点：水准测量的内业计算和水准仪的检验与校正。三、教学要求（1）、了解水准测量路线的布设，水准仪的检验与校正，水准测 量误差及注意事项，自动安平水准仪、精密水准仪和电子水准仪 的使用方法。（2）、掌握水准测量的原理，DS3水准仪的构造及使用，普通水准测量的施测方法及内业计算。四、计划教学时数：理论教学6学时，操作练习2学时。,第一节 水准测量原理一、水准测量原理 水准测量是利用水准仪提供的水平视线，读取竖立在两个地面点上的水尺的读数，直接测定地面上两点间的高差，然后根据已知点高程和测得的差，推算出未知点高程。,图2-1如示，设水准测量是由A 向B 进行的，则A点为后视点，B点为前视点A 点尺上的后视读数为a，B尺上的前视读数为b。A、B 两点间高差hAB为：因此，高差等于后视读数减去前视读数。,（2-1）,二、计算未知点高程,1高差法,A,B,a,b,hAB,前进方向,大地水准面,HA,HB,HB,如果已知A点的高程HA，则B点的高程HB为：,2视线高法,A,B,a,b,hAB,前进方向,大地水准面,HA,HB,HB,Hi,B点高程也可以通过水准仪的视线高程Hi来计算，即,返回,下一节,在测量中，有时安置一次仪器，需测定多个地面点的高程，采用视线高法就比较方便。,第二节 水准测量的仪器和工具 水准测量所使用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。国产水准仪按其精度分DS05，DS1，DS3及DS10等几种型号。05、1、3 和10表示水准仪精度等级。DS表示大地水准仪。精度等级表示每千米往返测得的高差中数的中误差毫米值。一、DS3微倾式水准仪的构造DS3水准仪主要由望远镜、水准器及基座组成。如图23所示,图23 DS3水准仪立体图,1、望远镜 望远镜的作用是精确瞄准远处目标并对水准尺进行读数的部件望远镜由物镜、目镜、对光透镜 和十字丝分划板组成，如图2-4（1）、物镜和目镜：物镜是水准仪对准目标的镜头，目镜是眼睛观看的镜头。物镜和目镜采用复合 图2-4 望远镜纵平面图 透镜组，目标经过物镜成像后形成一个缩小实像。（2）、十字丝分划板 十字丝分划板由光学玻璃制成，如图25 所示。十字丝分划板的作用是瞄准目标和读 数用的。移动对光透镜，可使不同距离的目 标均能清晰地成像在十字丝平面上。（3）、视准轴 十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴C-C。视准轴的延长线即为视线，水准测量就是在视准轴水平时，用十字丝的中丝在 水准尺上截取读数的。,2水准器（1）、管水准器 管水准器用于精确整平仪器。如图2-6所示，它是玻璃管，其纵剖面方向的内壁研磨成一定半径的圆弧形，水准管上一般刻有间隔为2mm的分划线，分划线的中点O称为水准管零点，通过零点与圆弧相切的纵向切线LL称为水准管轴L-L。糜 水准管轴平行于视准轴。如图25所示水准管上2mm圆弧所对的圆心角，称为水准管的分划值，水准管分划愈小，水准管灵敏度愈高，用其整平仪器的精度也愈高。DS3型水准仪的水准管分划值为20，记作20/2mm。如图27所示。,图2-7 管水准器分划值,（2）、符合水准器为了提高水准管气泡居中的精度采用符合水准器。如图28所示。,图2-8 符合水准器,（3）、圆水准器 圆水准器装在水准仪基座上用 于粗略整平。圆水准器顶面的玻内表面研磨成球面，球面的正中刻有圆圈，其圆心称为圆水准器的点。过零点的球面法线LL，称为圆水准器轴。如图29所示,3、基座：支座作用是支承仪器的上部，并通 过连接螺旋与三脚架连接。它主要由轴座、脚螺旋、底板和三脚压板构成。转动脚螺旋，可使圆水准气泡居中。,二、水准尺 水准尺是进行水准测量时与水准仪配合使用的标尺。常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。（1）、塔尺 是一种逐节缩小的组合尺，其长度为3m5m，有两节 或三节连接在一起，尺面上有宽度为1cm黑白相间的刻划。（2）、双面水准尺 尺长为3m，两根尺为一对。尺的双面均有刻划，一面为 黑白相间，称为黑面尺，尺底为0.000m；另一面为红白相 间，称为红面尺，一直尺的尺底为4.787m,另一直尺的尺 底为4.687；两尺差为常数0.1m,这个常数称为尺常数。三、尺垫 尺垫是由生铁铸成。一般为三角形板座，其下方有三个脚，可以踏入土中。尺垫上方有一突起的半球体，水准尺立于半球顶面。图2-10 水准尺和尺垫,第三节 水准仪的使用 微倾式水准仪的基本操作程序为：安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数一、安置仪器（1）、调整安置脚架 松开三脚架架腿的固定 螺旋，调整架腿长度，再 拧紧固定螺旋，张开三脚 架将架腿踩实，使三脚架 架头大致水平。（2）、架头上连接水准仪 图2-11 水准仪的连接 从仪器箱中取出水准仪，用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上。如图2-11所示。,二、粗略整平 通过调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。（1）、先调平两个脚螺旋 将园水准器置于两脚螺 旋之间，用两手按相对方 向转动两脚螺旋，使气泡 沿两脚螺旋连线方向由a 移至b，调平两个脚螺旋。（2）调平另一个脚螺旋 用手转动另一个脚螺旋使气泡由b 移至中心，调平脚螺旋。整平时，气泡移动的方向与左手大拇指旋转脚螺旋的方向一致，与右手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向相反。如图2-12所示,图2-12 圆水准器整平,三、瞄准水准尺（1）、目镜调焦 松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。（2）、初步瞄准 通过望远镜筒上方的照门和准星瞄准水准 尺，旋紧制动螺旋。（3）、物镜调焦 转动物镜对光螺旋，使水准尺的成像清晰。（4）、精确瞄准 转动微动螺旋，使十字丝的竖丝瞄准水准 尺边缘或中央，直至尺像与十字丝平面重合，如图2-13、14所示,图2-13 精确瞄准与读数,a）存在视差 b）没有视差图2-14 视差现象,四、精确整平 精确整平简称精平。观察水准气泡窗内的气泡影像，用右手缓慢地转动微倾螺旋，使气泡两端的影像严密吻合。此时视线即为水平视线。如图2-15所示。五、读数 符合水准器气泡居中后，应立即用十字丝中丝在水准尺上读数。读数时应从小数向大数读，直接读取米、分米和厘米，并估读出毫米，共四位数。如图2-16所示，读数是1.336m。读数后再检查符合水准器气泡是否居中，若不居中，应再次精平，重新读数。图2-16 水准尺读数,图2-15 精确整平,第 三 讲 教 学 要 点 一、教学内容 1、水准测量的施测方法 2、水准测量的内业计算 二、教学重点和难点 1、重点：水准测量的施测方法 2、难点：水准测量的内业计算 三、教学要求 1、了解水重点和水准路线的布设。2、掌握水准测量的方法和内业计算方法。四、思考题和作业 1、思考题：2-5、2-7 2、作 业：2-6、2-8,第四节 水准测量的施测方法一、水准点及水准路线的布设形式 1、水准点用水准测量的方法测定的高程控制点称为水准点，记为BMx。水准点有永久性和临时性两种。（1）、永久性水准点 国家等级水准点设为永久性水准点如图2-17和图2-18所示。建筑工地上的永久性水准点，其形式如图2-189所示。,图2-17 国家就等级水准点,图2-18 墙上水准点,（2）、临时性水准点 临时性水准点可用地面上突出的坚硬岩石或用大木桩打入地下，桩顶钉铁钉，作为水准点的标志，如图2-19b示。,图2-19 建筑工程水准点a）永久性水准点 b）临时性水准点,2、水准路线的布设形式分类 在水准点间进行水准测量所经过的路线，称为水准路线。（1）附合水准路线 从已知高程水准点出发，沿待定高程的水准点进行测量，最后附合到另一已知高程水准点的水准路线，称附合水准路线。如图2-20,（3）、支水准路线 从已知高程水准点出发，沿待定高程水准点进行水准测量，既不闭合又不附合的水准路线，称为支水准路线。支水准路线要进行往返测量。图2-22,（2）、闭合水准路线 从已知高程水准点出发，沿各待定高程点进行水准测量，最后又回到原出发点的环形路线，称为闭合水准路线,二、水准测量的施测方法 转点用TPx表示，在水准测量中它们起传递高程的作用。如图2-23所示，已知水准点BMA 的高程为HA，现欲测定B点的高程HB。1、水准测量观测：,2观测与记录,表2-1 水 准 测 量 手 簿,3计算与计算检核（1）计算 每一测站都可测得前、后视两点的高差，即：.,将上述各式相加，得：,则B点高程为：,（2）计算检核 为了保证记录表中数据的正确，应对后视读数总和减前视读总和、高差总、B点高程与A点高程之差进行检核，这三个数字应相等,三、水准测量成果检测1、水准路线测量成果检测,（2）闭合水准测量路线成果检核 闭合水准路线各测段高差代数和应等于零，即:如果不等于零，则高差闭合差为：,（3）支水准测量路线的成果检核 支水准路线往测高差与返测高差的代数和应等于零。,如果不等于零，则高差闭合差为：,（1）附合水准测量的成果检核 附合水准路线各测段高差代数和应等于两个已知高程的水准点间的高差，即,实测高差代数和与其理论高 差的差称为高差闭合差,2水准测量的测站检核（1）变动仪器高法 在同一个测站上用两次不同的仪器高度，测得两次高差进行检核。要求：改变仪器高度应大于10cm，两次所测高差之差不超过容许值（等外水准测量容许值为6mm），取其平均值作为该测站最后结果，否则须要重测。（2）双面尺法 分别对双面水准尺的黑面和红面进行观测。利用前、后视的黑面和红面读数，分别算出两个高差。如果不符值不超过规定的限差（四等水准测量容许值5mm），取其平均值作为该测站最后结果，否则须要重测。3、普通水准测量的高程闭合差容许值规定：普通水准测量的高差闭合差均不得超过规定的容许值，即fh fh容（1）平地 fh容=40L mm（2）山地 fh容=12 n mm 注：L为水准路线长度（km）；n为测站数。,第 四 讲 教 学 要 点 一、教学内容 1、水准仪的检验与校正 2、水准测量的误差 3、其他水准仪简介 二、重点和难点 1、重点：水准仪的检验与校正 2、难点：其他水准仪简介 三、教学要求 1、了解其他水准仪的构造和使用原理，理解水准测量 误差原因及减小方法和措施。2、掌握水准仪的检验和校正方法。四、思考题和作业 1、思考题：2-10、2-12 2、作 业：2-11,第六节 微倾式水准仪的检验与校正一、水准仪应满足的几何条件 根据水准测量的原理，水准仪必须能提供一条水平的视线，它才能正确地测出两点间的高差。为此，水准仪在结构上应满足以下的几何条件。,图2-24 水准仪的轴线,（1）圆水准器轴LL应 平行于仪器的竖轴VV；（2）十字丝的中丝应垂直 于仪器的竖轴VV；（3）水准管轴LL 应平行 于视准轴CC。如图2-4所示 在水准测量之前，应对水准 仪进行检验和校正。,二、水准仪的检验与校正1圆水准器轴LL平行于仪器的竖轴VV的检验与校正（1）、检验方法 旋转脚螺旋使圆水准器气泡居中，然后将仪器绕竖轴旋转180，如果气 泡仍居中，则表示该几何条件满足；否则需要校正。（2）、校正方法 先调整脚螺旋，使气泡向零点方向移动偏离值的一半，此时竖轴处于铅垂位置。然后稍旋松圆水准器底部的固定螺钉，用校正针拨动三个校正螺钉，使气泡居中，紧固定螺钉。圆水准器校正螺钉的结构如图2-25所示。此项校正，需反复进行，直至仪器旋转到任何位置时，圆水准器气泡皆居中为止。最后旋紧固定螺钉。,图2-25 圆水准器校正螺钉,2十字丝中丝垂直于仪器的竖轴的检验与校正（1）、检验方法 安置水准仪，使圆水准器的气泡严格居中。用十字丝交点瞄准某一明显的点状目标M，旋紧制动螺旋。转动微动螺旋，如果目标点M不离开中丝，中丝垂直于仪器竖轴如果目标点M 离开中丝，如图2-26c所示，则需要校正。,（2）、校正方法 松开十字丝分划板座的固定螺钉，转动十字丝分划板座，使中丝一端对准目标点M，再将固定螺钉拧紧。此项校正也需反复进行。,3水准管轴平行于视准轴的检验与校正（1）、检验方法 1）、在较平坦的地面上选择相距约80m的A、B 两点，打木桩或放置尺垫。用皮尺丈量定出AB 的中间点C。2）、在C点安置水准仪，用变动仪器高法，连续两次测出A、B 两点的高差，若两次测定的高差之差不超过3mm，则取两次高差的平均值作为高差hAB。由于距离相等，前、后视读数误差x1相等，故高差hAB不受视准轴误差的影响。,图227水准管轴平行视准轴的检验,3）在离B点大约3m左右的D点处安置水准仪，精平后读得B点尺上的读数为b2。根据b2和高差hAB算出A点尺上视线水平时的应读读数为：,4）瞄准A点水准尺，读出中丝 的读数a2，如果a2与a2相等，表示 两轴平行。否则需要校正。如图2-28所示,（2）校正方法 1）转动微倾螺旋，使十字丝的中丝对准A点尺上应读读数a2，2）用校正针拨松水准管一端左、右和上、下校正螺钉，使气泡居 中，将校正螺钉旋紧。如图2-35所示 3）再进行检验，直至达到要求。,第七节 水准测量误差与注意事项一、仪器误差1、水准管轴与视准轴不平行误差 经校正任存在的残余误差。这种误差的影响与距离成正比，观测时使前、后视距离相等，可消除此项误差。2、水准尺误差 因水准尺刻划不准确、尺长变化、弯曲等原因产生的误差。因此，水准尺要经过检核才能用。,二、观测误差 1水准管气泡的居中误差 气泡不居中存在误差，致使视线偏离水平位置，产生的读数误 差为减小该误差，每次读数时，都要使水准管气泡严格居中。,2读数误差 估读水准尺毫米数的误差为读数误差。读数误差的大小与望远镜的放大倍率以及视线长度有关。测量工作中，对不同等级的水准测量应满足对望远镜放大倍率和最大视线长度的规定，以保证估读精度。3视差的影响误差 存在视差时，由于十字丝平面与水准尺影像不重合，若眼睛的位置不同，便读出不同的读数，而产生读数误差。因此，观测时要仔细调焦，严格消差。4水准尺倾斜的影响误差 水准尺倾斜，将使尺上读数增大，从而带来误差。为了减少这种误差的影响，水准尺必须扶直。,三、外界条件的影响误差1水准仪下沉误差 由于水准仪下沉，使视线降低，而引起高差误差。如采用“后、前、前、后”的观测程序，可减弱其影响。2尺垫下沉误差 如果在转点发生尺垫下沉，将使下一站的后视读数增加，也将引起高差的误差。采用往返观测的方法，取成果的中数，可减弱其影响。为了防止水准仪和尺垫下沉，测站和转点应选在土质实处，并踩实三脚架和尺垫，使其稳定。,3地球曲率及大气折光的影响,水准测量时用水平视线代替水准面在水准尺上的读数产生的误差为,由于大气折光的影响,视线要发生弯曲，在水准尺上的读数将减小r值就是大气折光对读数的影响,在稳定的气象条件下,r 约为c的1/7，地球曲率和大气折光的共同影响为：,地球曲率和大气折光影响，采用前、后视距离相等的方法可消除,4、温度的影响误差温度的变化不仅会引起大气折光的变化，而且产生水准管变形和管内液体温度的升高，气泡向着温度高的方向移动，影响水准管轴的水平，产生了气泡居中误差。测量中应随时注意为仪器打伞遮阳。,第八节 其他水准仪简介一、精密水准仪和精密水准尺 1、精密水准仪 精密水准仪与一般水准仪比较，在结构具有如下特征：（1）、水准器具有较高的灵敏度。水准仪的管水准器值较小。（2）、望远镜具有良好的光学性能。图2-31 精密水准仪 如DS1水准仪望远镜放大倍数为40倍，能较精确地瞄准 水准尺的划（3）、具有光学测微器装置。可直接读取水准尺一个分格，提高读数精度。（4）、视准轴与水准轴间的联系相对稳定，受温度变化小。,2精密水准尺 精密水准仪必须配精密水准尺使用。精密水准尺一般有两种（1）、基辅分划水准尺 尺身刻有左右两排分划，右边为基本分划，左边为辅助划。基本分划的注记从零开始，辅助分划的注记从某一常数K开始。（2）、双基本分划尺 尺身两排均为基本划分，但彼此错开5mm。尺身两侧分别注记米数和分米数。尺身标有大小三角形分别表示分米的起始线和半分米处。水准尺上的注记数字比实际长度增大了一倍，使用这种水准尺测量时，要将观测高差除以2才是实际高差。如图2-30示3精密水准仪的操作方法 精密水准仪的操作方法与一般水准仪基本相同，只是读数方法有些差异。在水准仪精平后，要转动测微轮使视线上、下平行移动，使十字丝的楔形丝正好夹住一个整分划线，被夹住的分划线读数为m、dm、cm。此时视线上下平移的距离则由测微器读数窗中读出mm。实际读数为全部读数的一半。,二、自动安平水准仪 自动安平水准仪没有水准管和微倾螺旋，而是在望远镜的光学系统中装置了补偿器，不须精平。,1视线自动安平的原理 圆水准器气泡居中后，视准轴仍存在一个微小倾角，在望远镜的光路上安置一补偿器，使通过物镜光心的水平光线经过补偿器后偏转一个角，仍通过十字丝交点，使十字丝交点上读出的水准尺读数，图2-32 自动安平水准仪为视线水平时应该读出的数。由于无需精平，可以缩水准测量的 观测时间，提高水准测量的观测精度。2自动安平水准仪的使用使用自动安平水准仪时，首先将圆水准器气泡居中，然后瞄准水准尺，（读数前按补偿器按钮）等待24秒后，即可进行读数。,三、激光水准仪 1、激光水准仪的构造 如图2-34所示，激光水准仪由激光器、水准仪和电源组成。2、激光水准仪的特点 受大气折光影响小、观测精度高 3、激光水准仪的原理 将激光器发出的激光导入水准仪的望远镜内，在望远镜的视准轴方向射出一束可见红色激光，利用激光在水准尺上的光斑读数 4、激光水准仪的使用（1）、安置水准仪和激光器及连接电源。（2）、粗平水准仪和瞄准水准尺（3）、精平水准仪、调焦距、调目镜使水准尺和十字丝清晰（4）、接通激光器电源发射激光，在望远镜中读取水准尺上激光斑点处的水准尺的读数。激光水准仪配合光电反光棱镜可在建筑施工场地平整测设中使用。,四、电子水准仪简介 1、电子水准仪的主要特点（1）操作简捷观测时间短，自动观测和记录及数字显示测量果。（2）附有数据处理器及与之配套的软件，可实现测量工作自化。2电子水准仪的观测精度 电子水准仪的观测精度高，电子水准仪的分辨力为0.1mm，每千米往返测得高差中数的偶然中误差为2.0mm；3电子水准仪测量原理 电子水准仪使用的水准尺为铟钢条形编码尺，电子水准仪识别和摄入水准标尺上的条形编码后，经处理器转变为相应的数字通过信号转换和数据化，在显示屏上直接显示中丝读数和视距。4电子水准仪的使用 电子水准仪由1键盘测操作量键工作。有两行LCD显示器显示测量结果和系统的状态。观测时，电子水准仪在人工完成安置与粗平瞄准条形编码水准尺后，按下测量键后约34秒即显示出测量结果。其测量结果可贮存在电子水准仪内。,第二章 水准测量 小 结一、水准测量原理和水准仪及使用 要求理解水准测量原理、了解普通水准仪的基本构造，掌握普 通水准仪的粗平、瞄准、精平和水准尺的读数方法。二、普通水准测量的施测与内业计算 要求理解水重点和水准路线的布设方法，掌握水准测量的观测、记录计算和测量成果的检核方法及水准测量路线的高差闭合差的计算和调整方法。三、水准仪的检验与校正 要求了解水准仪应满足的几何条件，掌握园水准器、十字丝板、水准管轴的检验与校正方法。四、水准测量的误差和其他水准仪 要求了解水准测量的误差来源和精密水准仪、自安平动水准仪、激光水准仪、电子水准仪的特点及基本构造和基本原理。掌握消减水准测量误差的措施和其他四种水准仪的使用方法。,