土木工程测量第二章水准测量zm.ppt

第二章 水准测量,工程测量,教学课件,高程测量l高程测量：测量地面点高程的工作。l 目的：获得未知点的高程。一般是通过测出已知点和未知点之间的高差，再根据已知点的高程推算出未知点的高程。l水准测量原点：直接由平均海水面测得高程的水准点。,2 水准测量,l 水准测量：利用水平视线来测量两点之间的高差。此方法施测简单，且精度较高，所以是高程测量中最主要的方法，被广泛应用于高程控制测量、工程勘测和各项施工测量中。l 三角高程测量：是通过测量两点之间的水平距离（或倾斜距离）和竖直角，然后利用三角公式计算出两点间的高差。此方法的精度受各种条件的限制，一般只在适当的条件下才被采用。l 气压高程测量、静力高程测量、摄影高程测量、GPS高程测量。,高程测量的方法,图2-1，A、B两点高差为：hAB=a-b(2-1),hAB=a-b,图2-1中，A为已知高程点，B为待测高程点，a为后视读数，b为前视读数。,若已知A点高程为HA，则B点高程为：HB=HA+hAB=HA+(a-b)(2-2),HB=HA+hAB=HA+(a-b),B点高程还可通过仪器的视线高程Hi计算：,(2-3),(2-2式)称高差法(2-3)式称仪高法,水准仪的种类 l光学水准仪：l 微倾式水准仪：用水准管来获得水平视线；l 自动安平水准仪：用补偿器来获得水平视线。l电子水准仪 水准仪按仪器精度分：DS05、DS1、DS3、DS10 四个等级。D、S 分别 是“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，数字05、1、3、10 表示该仪器的精度。DS05 和DS1 用于精密水准测量，DS3 用于一般水准测量，DS10 则用于简易水准测量。工程常用DS3 水准仪。,DS3型水准仪，进行水准测量每千米往、返测高差精度可达3mm.其主要由望远镜、水准器和基座三部分构成。,1、望远镜,望远镜主要由物镜、镜筒、调焦透镜、十字丝分划板、目镜等部件构成。,l 作用：它可以提供视线，并可读出远处水准尺上的读数 l 构造：物镜、目镜、对光 透镜和十字丝分划板。1）物镜：使目标的成像落在十字丝板前后。2）调焦透镜：使目标的成像与十字丝重合。3）目镜：放大十字丝和目标的成像。4）十字丝分划板：竖丝是为了瞄准目标，中丝（单丝或楔形丝）读取读数。视距丝：上、下短丝，用于测距。l视准轴（即视线）：十字丝交 点与物镜光心的连线。它是水准仪的主要轴线之一。DS3水准仪望远镜放大率一般为28倍。,图2-8,1.望远镜,2、水准器,水准器是用来标志视准轴是否水平或仪器竖轴是否铅垂的装置。,管水准器(水准管)用来指示视准轴是否水平,水准管圆弧中点O称为水准管零点。过零点与内壁圆弧的直线LL，称为水准管轴。当水准管气泡中心与零点重合时，称气泡居中，此时水准管轴处于水平位置；若气泡不居中，则水准管轴处于倾斜位置。,水准管零点,水准管轴,气泡居中,水准管分划值,定义：水准管2 mm 的弧长所对圆心角，即气泡每移动一 格时，水准管轴所倾斜的角值。水准管分划值的大小反映了仪器置平精度的高低。水准管纵向弧线半径 R 越大，值越小，则水准管灵敏度越高。DS3 型水准管分划值一般为20/2 mm。,图2-10,l 符合水准器 l 当气泡居中时，两端气泡的影像就能符合成吻合的抛物线，它用于微倾式水准仪。l 如果两端影像错开，则表示气泡不居中，这时可旋转微倾螺旋使气泡影像符合，使气泡居中。注：左边气泡影像的移动方向与微倾螺旋的转动方向一致。,图2-12,l 圆水准器：一个封闭的圆形玻璃容器，顶面内壁是球面，球面中央有一圆圈。l水准器零点:圆圈圆心称为。l圆水准器轴:通过零点的球面法线。l 当圆水准器气泡居中时，圆水准器轴竖直，仪器竖轴竖直。l 圆水准器的分划值:气泡中心偏离零点2 mm的弧长所对圆心角的大小。DS3水准仪圆水准器分划值一般为810/2 mm。由于它的精度较低，故只用于仪器的粗略整平。,图2-13,（2）圆水准器：反映竖轴是否竖直，用于粗平。,3、基座,主要由轴座、脚螺旋和连接板构成。,轴座,脚螺旋,连接板,1、水准尺,塔尺由两节或三节套接而成，长3m或5米，接头处存在误差，多用于精度较低的水准测量中。双面尺(直尺或板尺)；黑面尺(基本分划)、红面尺(辅助分划)；常数K1=4.687m，K2=4.787m。用于三、四等精度以下的水准测量中。,2、尺垫,2.2.3 DS3微倾式水准仪的使用,微倾式水准仪的使用包括安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精平与读数等操作步骤。1安置仪器 l 在测站上安置三脚架，架头大致水平。l 用连接螺旋将仪器牢固地连接在三脚架头上。2粗略整平（粗平）l 粗平概念：用脚螺旋使圆水准器的气泡居中，使仪器竖轴大致铅直，从而使视准轴粗略水平。l 气泡的移动方向 与左手大拇指（右手的食指）运动的方向一致 操作：（脚螺旋顺时针转动该端升高，逆时针转动该端降低，气泡向高处移动）,操作：（气泡的移动方向与左手大拇指（右手的食指）运动的方向一致）气泡未居中而位于a 处，则先按图上箭头所指的方向用两手相对转动脚螺旋和，使气泡移到b的位置（如图b）。然后单独转动脚螺旋使气泡居中。如有偏差可重复进行。,3瞄准水准尺,l 目镜对光：对准白色目标，旋转目镜，使十字丝成像清晰。l 粗略瞄准：缺口、准星、目标（尺）三点一线，制动望远镜。l 物镜调焦（对光）：转动物镜调焦螺旋，使目标成像清晰。l 精确照准：转动水平微动螺旋使目标的对称中心与竖丝重合（或在竖丝附近）注意：瞄准水准尺时必须消除视差。,视差：观测者的眼睛在目镜端上下移动时，物像与十字丝间有相对运动的现象，叫十字丝视差，简称视差。产生视差的原因及消除的方法：l产生视差的原因:尺像与十字丝分划板不重合。l消除的方法：重新调焦（物镜）,图 2-15,l 精平：转动微倾螺旋使符合水准管气泡居中。l读数：用十字丝横丝切尺上的刻划直接读出米、分米和厘米数，并估读出毫米数，保证每个读数均为四位数，即使某位数是零也不可省略。,读数方法：由小到大的读（倒像仪器从上到下）。图2-12的读数为:1.259m。,图2-12,4精平与读数,用水准测量方法测定的高程控制点称为水准点(记为BM.(Bench Mark)国家水准点分为一、二、三、四等，按规范规定埋设永久性标石标志。普通水准点和施工测量水准点常采用临时性标志。,图2-15转点(Turing Point),简写为TP,每一测站可测得前、后视两点间的高差，即：,h1=a1-b1 h2=a2-b2 hn=an-bn,各式相加，得：hAB=h=a-bB点高程为：HB=HA+h(2-5),hAB=h=a-b,HB=HA+h,21.024,21.618,20.471,1、测站检核,变动仪高法是在同一个测站上用两次不同的仪器高度(10cm)，测得两次高差以相互比较进行检核。两次所测高差之差不超过容许值(水准测量容许值为5mm)。否则必须重测。,双面尺法:是仪器的高度不变，而立在前视点和后视点上的水准尺分别用黑面和红面各进行一次读数，测得两次高差，相互进行检核。若同一水准尺红面与黑面读数(加常数后)之差，不超过3mm；且两次高差之差，又未超过5mm,则取其平均值作为该测站的观测高差。否则，需要检查原因，重新观测。,2、成果检核,附合水准路线,高差闭合差 fh=h测-(H终-H始)(2-6),fh=h测-(H终-H始),闭合水准路线,高差闭合差 fh=h测(2-7),fh=h测,支水准路线,高差闭合差 fh=h往+h返(2-8),fh=h往+h返,2、成果检核,高差闭合差是各种因素产生的测量误差，故闭合差的数值应该在容许范围内，否则应检查原因，返工重测。,普通水准测量高差闭合差容许值为：平地山地,四等水准测量高差闭合差容许值为：平地山地,式中：L为水准路线总长(km)；n为测站数,高差闭合差的计算由式(2-6)：fh=h测-(HB-HA)=-9.811-(32.509-42.365)=+0.045m=+45mm,按山地水准精度计算闭合差容许差为：fh容=12n1/2=12241/2=58mm|fh|fh容|，符合水准测量技术要求。,fh=h测-(HB-HA)=-9.811-(32.509-42.365)=+0.045m=+45mm,闭合差调整闭合差的调整是按与距离或与测站数成正比例反符号分配到各测段高差中。第i测段高差改正数按下式计算：,式中：n路线总测站数；ni第i段测站数；L路线总长；Di第i段距离。由式(2-11)算出第一段(A1)的改正数为：,(2-11),或,(2-12),其他各测段改正数按式(2-11)算出中。改正数的总和与高差闭合差大小相等符号相反。每测段实测高差加相应的改正数便得到改正后的高差。,计算各点高程用改正后的高差，由已知水准点A开始，逐点算出各点高程，由计算得到的B点高程应与B点的已知高程相等，以此作为计算检核。,闭合水准路线高差闭合差按式(2-7)计算，若闭合差在容许值范围内，按上述附合水准路线相同的方法调整闭合差，并计算高程。,表2-3 附合水准路线成果计算(例图2.19),2-6 水准仪的检验和校正,检校的时间：购进仪器之后长途运输之后项目开工之后出现问题之后检校目的：使仪器各种轴系关系处于正常状态。,水准仪有以下主要轴线：视准轴、水准管轴、仪器竖轴和圆水准器轴，以及十字丝横丝，见图2-18。,各轴线间应满足的几何条件是:圆水准器l轴平行仪器竖轴；十字丝横丝垂直仪器竖轴；水准管轴平行视准轴。,（一）圆水准器轴平行于仪器竖轴的检验和校正,目的 使LLVV，圆水准器气泡居中时，竖轴位于铅垂位置。检验（1）旋转脚螺旋使圆水准器气泡居中（2）将望远镜水平方向绕竖轴旋转180，若气泡仍居中，则LLVV，若气泡偏离，则需进行校正。,校正 先用脚螺旋使气泡向中央方向移动偏离量的一半；稍松中间的固定螺丝（有的仪器无此螺丝）；再用校正针拨动圆水准器的三个校正螺丝使气泡居中。重复上述的检验和校正，使仪器上部旋转到任何位置气泡都能居中为止。最后应注意旋紧固定螺丝。,图 2-25,（二）十字丝横丝垂直于仪器竖轴的检验和校正,目的 使横丝VV，当仪器粗略整平后，横丝基本水平，用横丝上任意位置所得读数均相同。,检验 水准仪整平后，先用十字丝横丝的一端切准一个点状目标P，若P点始终在横丝上移动，说明横丝已与竖轴垂直；若P点移动的轨迹离开了横丝，则说明横丝与竖轴不垂直，需要校正。,图2-27,校正 打开十字丝分划板的护罩，可见到三个或四个分划板的固定螺丝松开这些固定螺丝用手转动十字丝分划板座，使横丝的另一端与目标相切。反复试验使横丝的两端都能与目标相切，则校正完成。最后旋紧所有固定螺丝。,图2-28,（三）水准管轴平行视准轴的检验与校正,l i角：水准管轴和视准轴在垂直面上的投影的夹角。l 交叉误差：上述两轴在水平面上投影的夹角。在普通（等外）水准 测量中可忽略其影响 为使LLCC，两轴在水平面和垂直面的投影都应平行。l i角检验：是水准仪检校中最重要的一项，l i角检验目的 当水准管气泡符合时，视准轴就处于水平位置，使读数正确。,a2 a2 a1,a2 a2 a1,仪器在 II 处，用微倾螺旋使远点A的读数从a2改变到a2=b2+h1。此时视准轴处于水平位置，但水准管也因随之变动而气泡不再符合。用校正针拨动水准管一端的校正螺丝使气泡符合，(图2-30)则水准管轴也处于水平位置，从而使水准管轴平行于视准轴。水准管的校正螺丝，校正时先松动左右两校正螺丝，然后拨上下两校正螺丝使气泡符合。拨动上下校正螺丝时，应先松一个再紧另一个逐渐改正，当最后校正完毕时，所有校正螺丝都应适度旋紧。以上检验校正要反复进行，直到i角小于20为止。,校正方法（图 2-29）,图 2-30,仪器校正后的残余误差,水准仪经过校正后，不可能绝对满足水准管轴平行视准轴的条件，因而使读数产生误差。这种误差的影响与距离成正比，只要观测时注意使前、后视距离相等，便可消除或减弱此项误差的影响。,水准尺误差,包括水准尺长度变化、刻划误差和零点误差等。精密水准测量应对水准尺进行检定，并对读数进行尺长误差改正。零点误差在成对使用水准尺时，可采取设置偶数测站的方法来消除；也可在前、后视中使用同一根水准尺来消除。,水准管气泡对中误差,水准管气泡居中误差一般为0.15。符合水准器，气泡居中精度可提高一倍。由气泡居中误差引起的读数误差为：,读数误差估读毫米数的误差，与人眼分辨能力、望远镜放大率以及视线长度有关。按下式计算：,式中：V望远镜放大率；D视线长；60人眼能分辨的最小角度；206265；水准管分划值。,(2-15),(2-16),为保证读数精度，各等水准测量对望远镜放大率和最大视线长有相应规定。,视差影响视差对水准尺读数会产生较大误差。应仔细调焦，避免出现视差。,水准尺倾斜误差水准尺倾斜会使读数增大，其误差大小与尺倾斜的角度和在尺上的读数大小有关。,仪器下沉,选择坚实的地面作测站，并将脚架踏实。用双面尺法进行测站检核时，采用“后、前、前、后”的观测程度，可减小其影响。,尺垫下沉,水平视线在尺上的读数b，理论上应改算为相应水准面截于水准尺的读数b，两者的差值c称为地球曲率差。,测量中当前、后视距相等时，通过高差计算可消除该影响。,地球曲率的影响,(2-17),大气折光影响,由于地面上空气密度不均匀，使I光线发生折射。因而水准测量中，实际的读数不是水平视线的读数，而是一向下弯曲视线的读数。两者之差称为大气折光差，用表示。在稳定的气象条件下，大气折光差约为地球曲率差的1/7，即：,温度的影响,(2-18),此项误差可用前、后视距相等的方法来消除。地球曲率差和大气折光差是同时存在的两者对读数的共同影响可用下式计算：,(2-19),精密水准仪主要用于国家一、二级水准测量和高精度的工程测量中，例如建筑物沉降观测，大型精密设备安装等测量工作。精密水准仪的构造与DS3水准仪基本相同，也是由望远镜、水准器和基座三部分组成。其不同之点是：水准管分划值较小，一般为10/2mm；望远镜放大率较大，一般不小于40倍；望远镜亮度好，仪器结构稳定，受温度的变化影响小等。为了提高读数精度，精密水准仪上设有光学测微器。,精密水准仪必须配有精密水准尺。这种水准尺一般是在木质尺身的槽内，引张一根因瓦合金带。在带上标有刻划，数字注在木尺上。,a.读数为197.152cm,b.读数为148.650cm,用自动补偿器代替水准管，只需将水准仪上的圆水准器气泡居中，便可通过中丝读到水平视线在水准尺上的读数。,结构形式较多，国产DSZ3型采用悬吊棱镜组借助重力作用达到补偿。,习题与思考题 P35,1、2、3、6、7、8、9、10,本章结束,