精密水准测量实验.ppt
精密水准测量,郭丹丹,目录,第一章精密水准仪的认识与使用,第二章精密水准测量的实施,第一章精密水准仪的认识与使用,精密水准仪的构造特点 精密水准标尺的构造特点,1.1精密水准仪与水准尺,Wild N3精密水准仪 Zeiss Ni 004精密水准仪国产S1型精密水准仪,1.2几种精密水准仪的介绍,1.1精密水准仪与水准尺,1.1.1 精密水准仪的构造特点,精密水准仪与一般水准仪比较，其特点是能够 精密地整平视线和精确地读取读数。为此，在结构上应满足：（1）水准器具有较高的灵敏度。如DS1水准仪的管水准器值为10/2mm。（2）望远镜具有良好的光学性能。如DS1水准仪望远镜的放大倍数为38倍，望远镜的有效孔径47mm，视场亮度较高。十字丝的中丝刻成楔形，能较精确地瞄准水准尺的分划。（3）具有光学测微器装置。可直接读取水准尺一个分格（1cm或0.5cm）的1/100单位（0.1mm或0.05mm），提高读数精度。（4）视准轴与水准轴之间的联系相对稳定。精密水准仪均采用钢构件，并且密封起来，受温度变化影响小。,精密水准仪的构造特点,对于精密水准测量的精度而言，除一些外界因素的影响外，观测仪器水准仪在结构上的精确性与可靠性是具有重要意义的。为此，对精密水准仪必须具备的一些条件提出下列要求:1.高质量的望远镜光学系统 为了在望远镜中能获得水准标尺上分划线的清晰影像，望远镜必须具有足够的放大倍率和较大的物镜孔径。一般精密水准仪的放大倍率应大于40倍，物镜的孔径应大于50mm。2.坚固稳定的仪器结构 仪器的结构必须使视准轴与水准轴之间的联系相对稳定，不受外界条件的变化而改变它们之间的关系。一般精密水准仪的主要构件均用特殊的合金钢制成，并在仪器上套有起隔热作用的防护罩。3.高精度的测微器装置 精密水准仪必须有光学测微器装置，借以精密测定小于水准标尺最小分划线间格值的尾数，从而提高在水准标尺上的读数精度。一般精密水准仪的光学测微器可以读到0.lmm，估读到0.Olmm,4.高灵敏的管水准器 一般精密水准仪的管水准器的格值为10“/2mm。由于水准器的灵敏度愈高，观测时要使水准器气泡迅速置中也就愈困难，为此，在精密水准仪上必须有倾斜螺旋（又称微倾螺旋）的装置，借以可以使视准轴与水准轴同时产生微量变化，从而使水准气泡较为容易地精确置中以达到视准轴的精确整平。5.高性能的补偿器装置 对于自动安平水准仪补偿元件的质量以及补偿器装置的精密度都可以影响补偿器性能的可靠性。如果补偿器不能给出正确的补偿量，或是补偿不足，或是补偿过量，都会影响精密水准测量观测成果的精度。我国水准仪系列按精度分类有S05型,S1型,S3型等。S是“水”字的汉语拼音第一个字母,S后面的数字表示每公里往返平均高差的偶然中误差的毫米数。,精密水准仪的构造特点,我国水准仪系列及基本技术参数,1.1.2 精密水准标尺的构造特点,精密水准尺一般是在木质尺身的槽内，安有一根因瓦合金带。带上标有刻划，数字注在木尺上。精密水准尺须与精密水准仪配套使用。精密水准尺上的分划注记形式一般有两种：一种是尺身上刻有左右两排分划，右边为基本分划，左边为辅助分划。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，K称为基辅差。另一种是尺身上两排均为基本划分，其最小分划为10mm，但彼此错开5mm。尺身一侧注记米数，另一种侧注记分米数。尺身标有大、小三角形，小三角形表示半分米处，大三角形表示分米的起始线。这种水准尺上的注记数字比实际长度增大了一倍，即5cm注记为1dm。因此使用这种水准尺进行测量时，要将观测高差除以2才是实际高差。,精密水准标尺的构造特点,水准标尺是测定高差的长度标准，如果水准标尺的长度有误差，则对精密水准测量的观测成果带来系统性质的误差影响，为此，对精密水准标尺提出如下要求：（1）当空气的温度和湿度发生变化时，水准标尺分划间的长度必须保持稳定，或仅有微小的变化。一般精密水准尺的分划是漆在因瓦合金带上，因瓦合金带则以一定的拉力引张在木质尺身的沟槽中，这样因瓦合金带的长度不会受木质尺身伸缩变形影响。水准标尺分划的数字是注记在因瓦合金带两旁的木质尺身上，如图（a）、（b）所示。,精密水准标尺的构造特点,（2）水准标尺的分划必须十分正确与精密，分划的偶然 误差和系统误差都应很小。水准标尺分划的偶然误差和系 统误差的大小主要决定于分划刻度工艺的水平，当前精密水准标尺分划的偶然中误差一般在8llum。由于精密水 准标尺分划的系统误差可以通过水准标尺的平均每米真长 加以改正，所以分划的偶然误差代表水准标尺 分划的综合精度。（3）水准标尺在构造上应保证全长笔直，并且 尺身不易发生长度和弯扭等变形。一般精密水 准标尺的木质尺身均应以经过特殊处理的优质 木料制作。为了避免水准标尺在使用中尺身底 部磨损而改变尺身的长度，在水准标尺的底面必须钉有坚固耐磨的金属底板。,精密水准尺的构造特点,（4）在精密水准标尺的尺身上应附有圆水准器装置，作业时扶尺者借以使水准标尺保持在垂直位置。在尺身上一般还应有扶尺环的装置，以便扶尺者使水准标尺稳定在垂直位置。（5）为了提高对水准标尺分划的照准精度,水准标尺分划的形式和颜色与水准标尺的颜色相协调，一般精密水准标尺都为黑色线条分划，与浅黄色的尺面相配合，如21页图所示，有利于观测时对水准标尺分划精确照准。在精密水准测量作业时，水准标尺应竖立于特制的具有一定重量的尺,垫或尺桩上。尺垫和尺桩的形状如下图所示。,线条分划精密水准标尺的分格值有l0mm和5mm两种。分格值为10mm的精密水准标尺如图（a）所示，它有两排分划，尺面右边一排分划注记从0300cm，称为基本分划，左边一排分划注记从300600cm称为辅助分划，同一高度的基本分划与辅助分划读数相差一个常数，称为基辅差，通常又称尺常数，水准测量作业时可以用以检查读数的正确性。分格值为5mm的精密水准尺如图（b）所示，它也有两排分划，但两排分划彼此错开 5mm,所以实际上左边是单数分划，右边是双数分划，也就是单数分划和双数分划各占一排，而没有辅助分 划。木质尺面右边注记的是米数，左边注记的是分米数，整个注记从0.15.9m，实际分格值为5mm，分划注记比实际数值大了一倍，所以用这种水准标尺所测得的高差值必须除以2才是实际的高差值。,1.1.2 精密水准标尺的构造特点,WildN3精密水准仪的外形如下图a所示。望远镜物镜的有效孔径为50mm，放大倍率为40倍，管状水准器格值为10“/2mm。N3精密水准仪与分格值为l0mm的精密因瓦水准标尺配套使用，标尺的基辅差为301.55cm。在望远镜目镜的左边上下有两个小目镜（在下图a中没有表示出来），它们是符合气泡观察目镜和测微器读数目镜，在3个不同的目镜中所见到的影像如下图b所示。转动倾斜螺旋，使符合气泡观察目镜的水准气泡两端符合，则视线精确水平，此时可转动测微螺旋使望远镜目镜中看到的楔形丝夹准水准标尺上的148分划线，也就是使148分划线平分楔角，再在测微器目镜中读出测微器读数653(即6.53mm)，故水平视线在水准标尺上的全部读数为148.653cm。,1.2几种精密水准仪的介绍,Wild N3精密水准仪,图a,Wild N3精密水准仪,图b,图c,Wild N3精密水准仪,1.N3精密水准仪的倾料螺旋装置 上图c所示是N3型精密水准仪倾斜螺旋装置及其作用示意图。它是一种杠杆结构，转动倾斜螺旋时，通过着力点可以带动支臂绕支点转动，使其对望远镜的作用点产生微量升降，从而使望远镜绕转轴作微量倾斜。由于望远镜与水准器是紧密相联的，于是倾斜螺旋的旋转就可以使水准轴和视准轴同时产生微量的变化，借以迅速而精确地将视准轴整平。在倾斜螺旋上一般附有分划盘，可借助于固定指标进行读数，由倾斜螺旋所转动的格数可以确定视线倾角的微小变化量，其转动范围约为7周。借助于这种装置，可以测定视准轴微倾的角度值，在进行跨越障碍物的精密水准测量时具有重要作用。,必须指出，由上图c可见仪器转轴并不位于望远镜的中心，而是位于靠近物镜的一端。由圆水准器整平仪器时，垂直轴并不能精确在垂直位置，可能偏离垂直位置较大。此时使用倾斜螺旋精确整平视准轴时，将会引起视准轴高度的变化，倾斜螺旋转动量愈大，视准轴高度的变化也就愈大。如果前后视精确整平视准轴时，倾斜螺旋的转动量不等，就会在高差中带来这种误差的影响。,因此，在实际作业中规定：只有在符合水准气泡两端影像的分离量小于lcm时（这时仪器的垂直轴基本上在垂直位置），才允许使用倾斜螺旋来进行精确整平视准轴。但有些仪器转轴的装置，位于过望远镜中心的垂直几何轴线上。,N3精密水准仪的 倾料螺旋装置,下图是N3精密水准仪的光学测微器的测微工作原理示意图。由图可见，光学测微器由平行玻璃板、测微器分划尺、传动杆和测微螺旋等部件组成。平行玻璃板传动杆与测微分划尺相连。测微分划尺上有100个分格，它与10mm相对应，即每分格为0.lmm，可估读至0.0lmm。每10格有较长分划线并注记数字，每两长分划线间的格值为lmm。当平行玻璃板与水平视线正交时，测微分划尺上初始读数为5mm。转动测微螺旋时，传动杆就带动平行玻璃板相对于物镜作前俯后仰，并同时带动测微分划尺作相应的移动。平行玻璃板相对于物镜作前俯后仰，水平视线就会向上或向下作平行移动。若逆转测微螺旋，使平行玻璃板前俯到测微分划尺移至10mm处，则水平视线向下平移5mm，反之，顺转测微螺旋使平行玻璃板后仰到测微分划尺移至0mm处，则水平视线向上平移5mm。,2.N3精密水准仪的测微器装置,在下图中，当平行玻璃板与水平视线正交时，水准标尺上读数应为在两相邻分划148与149之间，此时测微分划上读数为5mm，而不是0。转动测微螺旋，平行玻璃板作前俯，使水平视线向下平移与就近的148分划重合，这时测微分划尺上的读数为6.50mm,而水平视线的平移量应为6.505mm，最后读数为148cm+6.50mm-5mm=148.650cm-5mm。由上述可知，每次读数中应减去常数（初始读数)5mm,但因在水准测量中计算高差时能自动抵消这个常数，所以在水准测量作业时，读数、记录、计算过程中都可以不考虑这个常数。但在单向读数时就必须减去这个初始读数。,N3精密水准仪的测微器装置,Zeiss Ni 004精密水准仪,该仪器的主要特点是对热影响的感应较小，即当外界温度变化时，水准轴与视准轴之间的交角的变化很小，这是因为望远镜、管状水准器和平行玻璃板的倾斜设备等部件，都装在一个附有绝热层的金属套筒内，这样就保证了水准仪上这些部件的温度迅速达到平衡。,仪器物镜的有效孔径为56mm，望远镜放大倍率为44倍，望远镜目镜视场内有左右两组楔形丝，如右图所示，右边一组楔形丝的交角较小，在视距较远时使用，左边一组楔形丝的交角较大，在视距较近时使用，管状水准器格值为10/2mm。转动测微螺旋可使水平视线在10mm范围内平移，测微器的分划鼓直接与测微螺旋相连（见右图），通过放大镜在测微鼓上进行读数，测微鼓上有100个分格，所以测微鼓最小格值为0.1mm。从望远镜目镜视场中所看到的影像如右图所示，视场下部是水准器的符合气泡影像。,Ni 004精密水准仪与分格值为5mm的精密因瓦水准尺配套使用。在右图中，使用测微螺旋使楔形丝夹准水准标尺上197分划，在测微分划鼓上的读数为340，即3.40mm，水准标尺上的全部读数为197.340cm。,Zeiss Ni004精密水准仪,1.2.3 国产S1型精密水准仪,S1型精密水准仪由北京测绘仪器厂生产。仪器物镜的有效孔径为50mm，望远镜放大倍率为40倍，管状水准器格值为10/2mm。转动测微螺旋可使水平视线在10mm范围内作平移，测微器分划尺有100个分格，故测微器分划尺最小格值为0.1mm。,国产S1型精密水准仪望远镜目镜视场中所看到的影像如右图所示，视场左边是水准器的符合气泡影像，测微器读数显微镜在望远镜目镜的右下方。该仪器与分格值为5mm的精密水准标尺配套使用。在右图中，使用测微螺旋使楔形丝夹准198分划，在测微器读数显微镜中的读数为150，即1.50mm，水准标尺上的全部读数为198.150cm。,国产S1型精密水准仪,1.3精密水准仪的操作与使用,1.安置脚架和连接仪器。在选好的测站上松开脚架伸缩螺旋，按需要调整高度，架头大致保持水平，旋紧脚架伸缩螺旋。用连接螺旋将仪器固定在架头上。2.粗平。转动脚螺旋，使圆水准器或粗平水准管气泡居中，使仪器的竖轴大致垂直。3.瞄准。将望远镜对准水准尺，进行目镜调焦和物镜调焦，使十字丝和水准尺像均十分清晰，注意消除视差。具体方法同DS3水准仪。4.精平。转动微倾螺旋，使水准管气泡严格居中（符合），可以在目镜视场中看到水准管气泡两端的影像，使气泡两端影像符合。5.读数。水准仪精平后，视线水平。通过测微装置使视线平行移动，为了能精确地对准水准尺上某一分划，精密水准仪的十字丝一侧刻成楔形的双丝，用它去夹住某一分划。,第二章精密水准测量的实施,2.1 精密水准测量作业的一般规定2.2 精密水准测量观测,2.1 精密水准测量作业的一般规定,根据各种误差的性质及其影响规律，水准规范中对精密水准测量的实施作出了各种相应的规定：（1）观测前30分钟，应将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致；观测时应用测伞遮蔽阳光；迁站时应罩以仪器罩。（2）仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等，其差应小于规定的限值：二等水准测量中规定，一测站前、后视距差应小于1.0m，前、后视距累积差应小于3m。这样，可以消除或削弱与距离有关的各种误差对观测高差的影响，如角误差和垂直折光等影响。（3）对气泡式水准仪，观测前应测出倾斜螺旋的置平零点，并作标记，随着气温变化，应随时调整置平零点的位置。对于自动安平水准仪的圆水准器，须严格置平。（4）同一测站上观测时，不得两次调焦；转动仪器的倾斜螺旋和测微螺旋，其最后旋转方向均应为旋进，以避免倾斜螺旋和测微器隙动差对观测成果的影响。,2.1 精密水准测量作业的一般规定,（5）在两相邻测站上，应按奇、偶数测站的观测程序进行观测，对于往测奇数测站按“后前前后”、偶数测站按“前后后前”的观测程序在相邻测站上交替进行。返测时，奇数测站与偶数测站的观测程序与往测时相反，即奇数测站由前视开始，偶数测站由后视开始。这样的观测程序可以消除或减弱与时间成比例均匀变化的误差对观测高差的影响，如角的变化和仪器的垂直位移等影响。（6）在连续各测站上安置水准仪时，应使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，而第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。（7）每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准标尺应互换位置，并应重新整置仪器。在水准路线上每一测段仪器测站安排成偶数，可以削减两水准标尺零点不等差等误差对观测高差的影响。（8）每一测段的水准测量路线应进行往测和返测，这样，可以消除或减弱性质相同、正负号也相同的误差影响，如水准标尺垂直位移的误差影响。,2.1 精密水准测量作业的一般规定,（9）一个测段的水准测量路线的往测和返测应在不同的气象条件下进行，如分别在上午和下午观测。（10）使用补偿式自动安平水准仪观测的操作程序与水准器水准仪相同。观测前对圆水准器应严格检验与校正，观测时应严格使圆水准器气泡居中。（11）水准测量的观测工作间歇时，最好能结束在固定的水准点上，否则，应选择两个坚稳可靠、光滑突出、便于放置水准标尺的固定点，作为间歇点加以标记，间歇后，应对两个间歇点的高差进行检测，检测结果如符合限差要求（对于二等水准测量，规定检测间歇点高差之差应1.Omm），就可以从间歇点起测。若仅能选定一个固定点作为间歇点，则在间歇后应仔细检视，确认没有发生任何位移，方可由间歇点起测。,2.2 精密水准测量观测,1.测站观测程序 往测时，奇数测站照准水准标尺分划的顺序为 后视标尺的基本分划；前视标尺的基本分划；前视标尺的辅助分划；后视标尺的辅助分划；往测时，偶数测站照准水准标尺分划的顺序为 前视标尺的基本分划；后视标尺的基本分划；后视标尺的辅助分划；前视标尺的辅助分划。返测时，奇、偶数测站照准标尺的顺序分别与往测偶、奇数测 站相同。,2.2 精密水准测量观测,以往测奇数测站为例，一测站的操作程序如下：（一）置平仪器。气泡式水准仪望远镜绕垂直轴旋转时，水准气泡两端影像的分离，不得超过lcm，对于自动安平水准仪，要求圆气泡位于指标圆环中央。（二）将望远镜照准后视水准标尺，使符合水准气泡两端影像近于符合（双摆位自动安平水准仪应置于第摆位）。随后用上、下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数（如下表中的（1）和（2）。视距读取4位，第四位数由测微器直接读得。然后，使符合水准气泡两端影像精确符合，使用测微螺旋用楔形平分线精确照准标尺的基本分划，并读取标尺基本分划和测微分划的读数（3）。测微分划读数取至测微器最小分划。（三）旋转望远镜照准前视标尺，并使符合水准气泡两端影像精确符合（双摆位自动安平水准仪仍在第摆位），用楔形平分线照准标尺基本分划，并读取标尺基本分划和测微分划的读数（4）。然后用上、下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数（5）和（6）。,（四）用水平微动螺旋使望远镜照准前视标尺的辅助分划，并使符合气泡两端影像精确符合（双摆位自动安平水准仪置于第摆位），用楔形平分线精确照准并进行标尺辅助分划与测微分划读数（7）。（五）旋转望远镜，照准后视标尺的辅助分划，并使符合水准气泡两端影像精确符合（双摆位自动安平水准仪仍在第摆位），用楔形平分线精确照准并进行辅助分划与测微分划读数（8）。下表中第（1）至（8）栏是读数的记录部分，（9）至（18）栏是计算部分。,2.2 精密水准测量观测,测自 至 20 年 月 日 时间 始 时 分 末 时 分 成 像 温度 云量 风向风速 天气 土质 太阳方向,2.2 精密水准测量观测,现以往测奇数测站的观测程序为例，来说明计算内容与计算步骤 视距部分的计算（9）=（1）-（2）（10）=（5）-（6）（11）=（9）-（10）（12）=（11）+前站（12）高差部分的计算与检核（14）（3）+K-（8）式中K为基辅差（对于N3水准标尺而言K=3.0155m)（13）=（4）+K-（7）（15）=（3）-（4）（16）=（8）-（7）（17）=（14）-（13）=（15）-（16）检核（18）=（15）+（16）以上即一测站全部操作与观测过程。,2.2 精密水准测量观测,精密水准测量的实施动画,2.2 精密水准测量观测,一、二等精密水准测量外业计算尾数取位规定如下表：,一、二等水准测量限差规定如下表：,2.水准测量限差,测段路线往返测高差不符值、附合路线和环线闭合差以及检测已测测段高差之差的限值如下表：,2.2 精密水准测量观测,若测段路线往返测不符值超限，应先就可靠程度较小的往测或返测进行整测段重测；附合路线和环线闭合差超限，应就路线上可靠程度较小，往返测高差不符值较大或观测条件较差的某些测段进行重测，如重测后仍不符合限差，则需重测其他测段。,由个测段往返测的高差不符值计算每公里单程高差的偶然中误差（相当于单位权观测中误差）的公式为,2.2 精密水准测量观测,往返测高差平均值的每公里偶然中误差 为,式中，是各测段往返测的高差不符值，取mm为单位；R是各测段的距离，取km为单位；n是测段的数目。,3.水准测量的精度,按水准规范规定，一、二等水准路线须以测段往返高差不符值计算每公里水准测量往返高差中数的偶然中误差。当水准路线构成水准网的水准环超过20个时，还需按水准环闭合差计算每公里水准测量高差中数的全中误差。计算每公里水准测量高差中数的全中误差的公式为,式中，是水准环线经过正常水准面不平行改正后计算的水准环闭合差矩阵，的转置矩阵 为环的闭合差，以mm为单位；为水准环的数目，协因数矩阵 中对角线元素为各环线的周长，非对角线元素，如果图形不相邻，则一律为零，如果图形相邻，则为相邻边长度（公里数）的负值。,3.水准测量的精度,每公里水准测量往返高差中数偶然中误差和全中误差的限值列于下表中。,偶然中误差，全中误差 超限时，应分析原因，重测有关测段或路线。,3.水准测量的精度,再见,
