土木工程测量学课件(完整版)第二章.ppt

第二章 水准测量,高程测量概念（Height Measurement）根据已知点高程，测定该点与未知点的高差，然后计算出未知点的高程的方法。,高程测量的方法分类,1、水准测量(leveling)2、三角高程测量(trigonometric leveling)3、气压高程测量(air pressure leveling)4、GPS测量。(GPS leveling),水准测量是利用水平视线来测量两点间的高差。由于水准测量的精度较高，所以是高程测量中最主要的方法。三角高程测量是测量两点间的水平距离或斜距和竖直角(即倾斜角)，然后利用三角公式计算出两点间的高差。三角高程测量一般精度较低，只是在适当的条件下才被采用。,高程基准面:通常采用大地水准面即平均海水面作为高程基准面。“1956黄海高程系”:解放后我国采用青岛验潮站19501956年观测结果求得的黄海平均海水面作为高程基准面。-72.289m:水准原点作为全国高程测量的基准点。“1985国家高程基准”:19521979年的观测资料，计算得出的平均海水面作为新的高程基准面。-72.260m。,高程控制点称水准点BM(Bench Mark)。标石水准点、墙脚水准点、简易标志水准点。,2.1 水准测量的原理,水准测量是利用水平视线来求得两点的高差。水准尺、水准仪 高程：地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，当该地面点在大地水准面之上时取正值，反之取负值。高差具有方向性，其值可正可负。,A后视点 a后视读数B前视点 b前视读数,2.2 水准仪和水准尺,微倾式水准仪自动安平水准仪数字(电子)水准仪我国的水准仪系列标准分为：DS05、DS1、DS3和DS20 水准尺：尺垫：,一、DS3微倾式水准仪的构造在一般水准测量中使用较广的DS3型微倾式水准仪由下列三个主要部分组成：望远镜 它可以提供视线，并可读出远处水准尺上的读数。水准器 用于指示仪器或视线是否处于水平位置。基座 用于置平仪器，它支承仪器的上部并能使仪器的上部在水平方向转动。,1.望远镜 十字丝分划板 视准轴视线,十字丝分划板 视准轴视线2.水准器(1)管水准器 又称水准管用于精平,(2)圆水准器 圆水准器的分划值，是顶盖球面上2mm弧长所对应的圆心角值，水准仪上圆水准器的角值为8至15(R=0.460.86m)。用于粗平特性：气泡始终向高处移动。,二、水准尺(leveling staff)与尺垫(staff plate),主要有单面尺、双面尺和塔尺1、尺面分划为1cm，每10cm处（E字形刻划的尖端）注有阿拉伯数字。2、双面尺的红面尺底刻划：一把为4687mm，另一把为4787mm。,尺垫(staff plate)放在转点上，以防水准尺下沉。,三、DS3微倾式水准仪的使用操作程序：粗平瞄准精平读数 1.安置水准仪首先打开三脚架，安置三脚架要求高度适当、架头大致水平并牢固稳妥，在山坡上应使三脚架的两脚在坡下一脚在坡上。然后把水准仪用中心连接螺旋连接到三脚架上，取水准仪时必须握住仪器的坚固部位，并确认已牢固地连结在三脚架上之后才可放手。2.仪器的粗略整平-圆水准气泡居中左手拇指法则，或右手食指法则：(1)先旋转两个脚螺旋，然后旋转第三个脚螺旋；(2)旋转两个脚螺旋时必须作相对地转动，即旋转方向应相反。(3)气泡移动的方向始终和左手大拇指移动的方向一致。,图形：粗平的操作方法示意图,规律：气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致。,3.照准目标准星瞄准目镜调焦、物镜调焦使十字丝竖丝照准水准尺,视差：当观测时把眼睛稍作上下移动，如果尺像与十字丝有相对的移动，即读数有改变，这一现象叫视差。其原因是尺像没有落在十字丝平面上。消除视差的方法是先调目镜调调焦螺旋使十字丝清晰，然后一面调节物镜调焦螺旋一面仔细观察，直到不再出现尺像和十字丝有相对移动为止，即尺像与十字丝在同一平面上。,4.视线的精确整平粗平 精平每次读数前都需要重新使气泡符合5.读数用十字丝中间的横丝读取水准尺的读数。从尺上可直接读出米、分米和厘米数，并估读出毫米数，所以每个读数必须有四位数。,图形：水准仪读数实例,水准仪读数实例,6252,1478,0721,1.扶尺目的 将水准尺立于测点上，并处于铅垂线位置。操作 扶尺员应站在尺后，双手握住把手，两臂紧贴身躯，借助尺上水准器将尺铅直立在测点上。,五、扶尺和搬站,2.搬站目的 将仪器顺利、安全地转移到下一测站。操作 严禁将仪器扛在肩上搬站，防止发生仪器事故。,2.3 水准测量的实施,一、水准点(Bench Mark)通过水准测量方法获得其高程的高程控制点，称为水准点，一般用BM表示。有永久性和临时性两种。,水准点示意图,二、水准路线(leveling line),1闭合水准路线(closed leveling line),由已知点BM已知点BM,2附合水准路线(annexed leveling line),由已知点BM1另一已知点BM2,3支水准路线(spur leveling line),由已知点BM某一待定水准点2。,三、水准测量的实施（外业）,1 若A、B 两点间布设一些过渡点（转点）TP1、TP2、TP3，将其分为n段，则用水准仪分别测得各段高差为h1，h2 hn;,2 水准仪安置在离前、后视距离大致相等之处。3 为及时发现错误，通常采用“两次仪器高法”或“双面尺法”。两次仪器高法：高差之差h-h5mm,hAB=h1+h2+hn=(a1-b1)+(a2-b2)+(an-bn)=a-b,当两点相距较远或高差太大时，则可分段连续进行，从图中可得：,测站:架设仪器的点位转点：转点起传递高程的作用。,4 水准测量实施与记录对照图,123,BMATP1 TP1 TP2TP2TP3,1134,1677,1444,1324,1822,0876,-0.543,+0.120,+0.946,水准测量外业的操作演示,四、水准测量成果的检核(一)测站检核1.两次仪器高法,2.双面尺法,同一测站，不同仪器高。H 10cm,h高差之差6mm,同一测站，同一仪器高。检核：h同一点3mm h 5mm,(二)计算检核 h=a-b(三)水准路线的检核1.附合水准路线附合水准路线的高程闭合差为：高程闭合差的大小在一定程度上反映了测量成果的质量。2.闭合水准路线,3.水准支线理论上有：一般水准测量的容许高程闭合差为：铁路线路水准测量的容许高程闭合差则为：,五、水准测量成果整理步骤,（一）、计算高差闭合差(closing error),公式：,故对于闭合水准路线，有：,对于附合水准路线，有：,（二）分配高差闭合差,1、计算高差闭合差的容许值（tolerance）,对于普通水准测量：,式中，fh容高差闭合差限差，单位：mm；L水准路线长度，单位：km；n测站数。,判断：,？,2、分配原则,按与距离L或测站数n成正比原则，将高差闭合差反号分配到各段高差上。,或,（三）计算各待定点高程用改正后的高差和已知点的高程，来计算各待定点的高程。,改正后的高差：,待定点的高程（递推公式）：,六.水准测量成果整理实例,【例】如图按图根水准测量施测某附合水准路线观测成果略图。BM-A和BM-B为已知高程的水准点，图中箭头表示水准测量前进方向，路线下方的数字为测得的两点间的高差(以m为单位)，n为测站数，试计算待定点1、2、3点的高程。,1,3,4,2,首先：将检查无误的野外观测成果（即各测段的测站数ni 和高差值hi）以及已知数据填入计算表；,A,1,2,3,B,7,3,4,6,20,+4.363,+1.263,-3.121,+2.413,+4.918,第一步：高差闭合差的计算,fh=+24mm,第二步：高差闭合差的调整,-8,-5,-4,-7,-24,第三步：待定点高程的计算根据改正后的高差hi，由起始点A开始，逐点推算出各点的高程，列入表中。如：H1=HA+h1=58.012+4.355=62.367m,+1.256,-3.126,+4.894,+2.409,+4.355,62.906,61.650,64.776,62.367,58.012,各测段实测高差加改正数，得改正后的高差hi,2.5 水准仪的检验和校正一、水准仪轴线应满足的几何关系,水准管轴LL视准轴CC圆水准轴LL 竖轴VV横丝要水平（即：VV）,水准仪轴线的的几何关系操演示,二.水准仪的检验与校正,（一）圆水准器的检验与校正1、检验：气泡居中后，再将仪器绕竖轴旋转180，看气泡是否居中。2、校正：用三个脚螺旋使气泡向中央移动一半,再用三个“校正螺旋”，使气泡居中。,圆水准器的检验和校正的原理,圆水准器检校的操作演示,（二）十字丝横丝的检验与校正,1、检验：整平后，用横丝的一端对准一固定点P，转动微动螺旋，看P点是否沿着横丝移动。2、校正：旋下目镜处十字丝环外罩，转动左右2个“校正螺丝”。,十字丝横丝检校的操作演示,（三）水准管轴视准轴（i角）的检校,1、检验：（1）平坦地上选A、B两点，约100m。（2）在中点C架仪器，读取a1、b1,（3）在距B点约23m处架仪，读取a2、b2，得h2=a2-b2。若h2h1,则水准管轴不平行视准轴。,2、校正,校正水准管旋转微倾螺旋，使十字丝横丝对准(a2=h1+b2)，拨动水准管“校正螺丝”，使水准管气泡居中。,水准管检校的操作演示,2.5 水准测量的误差及其消减方法,一、仪器误差(一)视准轴与水准管轴不平行引起的误差(二)调焦引起的误差(三)水准尺的误差二、观测误差(一)气泡居中误差(二)估读水准尺分划的误差(三)扶水准尺不直的误差三、外界环境的影响(一)仪器下沉和水准尺下沉的误差1.仪器下沉的误差2.水准尺下沉的误差(二)地球曲率和大气折光的误差1.地球曲率引起的误差2.大气折光引起的误差(三)气候的影响,2.6 三、四等水准测量(leveling surveying),一、三、四等水准测量要求（一）适用：平坦地区的高程控制测量。（二）精度技术要求：,表二：三、四等水准测量主要技术要求,等级 每公里高 附合路 水准仪 往返测高 附合路线或 差中误差 线长度 级别 差不符值 环线闭合差(mm)(km)(mm)(mm)三等 6 45 S1或S3 12R 12L或4 n四等 10 15 S1或S3 20R 20L或6n,注：R为测段的长度；L为附合路线的长度，均以km为单位。,二、每站观测程序,（1）顺序：“后前前后（黑黑红红）”；一般一对尺子交替使用。（2）读数：黑面“三丝法”（上、下、中丝）读数，红面仅读中丝。,后视(黑面)上丝读数，下丝读数，中丝读数 前视(黑面)上丝读数，下丝读数，中丝读数 前视(红面)中丝读数 后视(红面)中丝读数,三、计算与记录格式（见表）,（1）视距=100|上丝-下丝|（2）前后视距差di=后视距-前视距 di要求:等3m,等5m,（3）视距差累积值di=前站的视距差累积值di-1+本站的前后视距差di di要求:等6m,等10m（4）黑红面读数差=黑面中丝+K-红面中丝。（K=4787mm或4687mm）要求:等2mm,等3mm（5）黑面高差h黑=黑面后视中丝-黑面前视中丝,（6）红面高差h红=红面后视中丝-红面前视中丝（7）黑红面高差之差=h黑-（h红0.100m）要求:等3mm,等5mm（8）高差中数=h黑+（h红0.100m）/2（9）水准路线总长L=后视距+前视距,图表：四等水准测量记录表,四、水准测量的检核,1、计算检核,2、测站检核：黑、红面高差之差的计算,3、路线检核：水准路线闭合差的计算,五、水准测量成果处理,详见第3节,