1、辽宁省交通高等专科学校,1,第六章 高程控制测量,3.1 高程基准面与高程系统 3.2 高程控制网的布设 3.3 精密水准仪和水准标尺 3.4 精密水准仪和水准标尺的检验 3.5 数字水准仪及条码标尺 3.6 精密水准测量的误差来源及影响 3.7 精密水准测量的实施 3.8 正常水准面的不平行性及改正 3.9 水准测量的概算 3.10 水准网平差算例及软件介绍,辽宁省交通高等专科学校,2,序,控制网,平面控制网,高程控制网,仪器：经纬仪、测距仪、全站仪 网形：三角网、测边网、导线网等 误差：外界、仪器、观测 观测：测回法、方向法 平差：求出控制点平差坐标(下学期),仪器：水准仪、经纬仪、全站仪
2、 网形：符合水准路线、水准网等 误差：外界、仪器、观测 观测：几何水准、三角高程 平差：求出控制点平差高程,辽宁省交通高等专科学校,3,6.1 高程基准面与高程系统,6.1.1 高程基准面和水准原点 高程基准面是地面高程的起算面 人们通常使用大地水准面作为高程基准面 大地水准面如何确定？验潮 1956年黄海高程系，使用了7年验潮资料 1985国家高程基准，使用了19年验潮资料 各国都通过水准原点表示水准面，中国的水准原点位于青岛,辽宁省交通高等专科学校,4,验潮与高程,辽宁省交通高等专科学校,5,6.1.2 高程系 我国现行的两个高程系统： 1956年黄海高程系的水准原点高72.2893米 1
3、985国家高程基准的水准原点高72.2604米 两高称系统间差一常数（0.0289m） H85=H56-0.0289m，如某点1956年黄海高程系的高程为60m，则该点1985高程基准的高程为59.9711m。,辽宁省交通高等专科学校,6,6.2 高程控制网的布设 6.2.1 国家水准网的布设方案和精度 国家水准网的作用：作为全国范围内高程控制测量的骨干和基础，是施测各种比例尺地形图和水利、交通、建筑等各类工程建设的最基本的高程控制。 布设原则：由高级到低级，从整体到局部，逐级控制，逐级加密； 分四个等级； 一等网是国家高程控制网的骨干； 二等网是国家高程控制网的全面基础； 三四等网主要为工程
4、建设而设置。,辽宁省交通高等专科学校,7,6.2.2 城市和工程建设高程控制网的布设 分级：二、三、四等，精度同国家水准网； 水准测量工作程序：图上设计、选点埋石、观测、平差计算、编制成果表。 图上设计注意事项 埋石注意事项,辽宁省交通高等专科学校,8,图6-4 基本水准标石埋设规格,图6-2 普通水准标石的埋设规格,图6-3 水准点标志,水准标石的规格,辽宁省交通高等专科学校,9,6.3.1 精密水准仪的特点 1. 高灵敏度的管水准器 水准器的作用：建立水平视线。 格值： 5 10/2mm； 具有微倾螺旋，用于精确整平。,辽宁省交通高等专科学校,10,2. 高精度的测微装置 用于测量小于水准
5、标尺分划的读数； 测微器100格，对应标尺一个分划：10mm； 直读到0.1mm，估读至0.01mm。,154 152 150 148 146 144 142,454 452 450 448 446 444 442,10 9 8,水准标尺,物镜,平行玻璃板,十字丝面,测微螺旋,测微分划尺,指标线,水 准 仪,读数：147 cm+0.960 cm= 147.960 cm,辽宁省交通高等专科学校,11,一点说明,由于在光路中加入了“测微器”，使得各读数均偏大了测微范围的一半 5mm。 对水准测量前后视影响相等。,154 152 150 148 146 144 142,454 452 450 448
6、 446 444 442,10 9 8,水准标尺,物镜,平行玻璃板,十字丝面,测微螺旋,测微分划尺,指标线,水 准 仪,辽宁省交通高等专科学校,12,3. 高质量望远镜 孔径：大于50mm； 放大倍率大于40倍； 十字丝设计为楔形。,辽宁省交通高等专科学校,13,4. 坚固稳定的仪器结构 视准轴与水准轴关系稳定； 因钢制造，温度系数小； 加隔热层。,辽宁省交通高等专科学校,14,5、高性能的补偿装置 具有精准的补偿量。,辽宁省交通高等专科学校,15,6.3.2 精密水准仪 1. 威特N3精密水准仪（ S1级） 标尺分划间隔：10mm，测微范围：10mm； 读数=标尺读数+测微器读数；（米分米厘
7、米）+毫米0.1毫米 1）微倾装置 用于精平仪器，使用前提：符合气泡端距1cm 2）测微器 100分格，测量范围：10mm，,辽宁省交通高等专科学校,16,N3水准仪读数视场,150 148 146 144 142 140 138 136,452 450 448 446 444 442 440 438,6,7,物镜视场,符合水准气泡,测微器读数,十字丝刻划,十字丝卡准刻划,辽宁省交通高等专科学校,17,测微器工作原理,154 152 150 148 146 144 142,454 452 450 448 446 444 442,10 9 8,水准标尺,物镜,平行玻璃板,十字丝面,测微螺旋,测微
8、分划尺,指标线,水 准 仪,假设没有测微器，直接估读：约为 147.5 cm 用测微器读：147 cm+0.960 cm= 147.961 cm,辽宁省交通高等专科学校,18,辽宁省交通高等专科学校,19,2. 蔡司Ni004水准仪（S05级） 标尺分划间隔：5mm，测微范围：5mm； 测微器100格，分格值0.05mm；,辽宁省交通高等专科学校,20,3. 国产S1水准仪（ S1级） 北京光学仪器厂生产 基本参数与Ni004相似。,辽宁省交通高等专科学校,21,水准仪技术参数：,辽宁省交通高等专科学校,22,6.3 精密水准标尺 特点：1. 温度特性好；2. 标尺刻划精密、正确；3. 尺身不
9、易弯曲；4. 附有圆水准器和扶尺环；5. 底面坚固耐磨，且垂直尺身；6. 尺身颜色协调。 标尺构成：铟钢刻划尺 + 木制尺面。 标尺分格值：5mm；10mm。 刻划形式：基、辅刻划；奇、偶刻划。,辽宁省交通高等专科学校,23,6.4.1 精密水准仪的检验,按水准测量规范的规定，水准测量作业前应做如下项目的检验： 水准仪的检视； 水准仪上概略水准器的检校； 光学测微器隙动差和分划值的测定； 水泡式水准仪交叉误差的检校； i角检校。 对于新购置的仪器还需要进行调焦透镜运行误差的测定；微倾螺旋隙动差、分划误差和分划值的测定。用于跨河水准测量的仪器，还要进行符合水准器分划值的测定。,辽宁省交通高等专科
10、学校,24,6.4.1.1 水准仪的检视 外观检查，各部件是否清洁，有无碰伤、划痕、污点、脱胶、镀膜脱落等现象； 转动部件检查，各转动部件、转动轴和调整制动等转动是否灵活、平稳，各部件有无松动、失调、明显晃动，螺纹的磨损程度等 ； 光学性能检查，望远镜视场是否明亮、清晰、均匀，调焦性能是否正确等； 补偿性能检查，对于自动安平水准仪应检查其补偿器是否正常，有无沾摆现象； 设备件数清点，仪器部件及附件和备用零件是否齐全。,辽宁省交通高等专科学校,25,6.4.1.2 水准仪上概略水准器的检校 用脚螺旋使概略水准气泡居中，然后旋转仪器180。此时若气泡偏离中央，则用水准器改正螺丝改正其偏差的一半，用
11、脚螺旋改正另一半，使气泡回到中央。 如此反复检校，直到仪器无论转到任何方向，气泡中心始终位于中央时为止。,辽宁省交通高等专科学校,26,6.4.1.3 视准轴与水准管轴相互关系的检验与校正 水准测量的基本原理是根据水平视线在水准标尺上的读数，从而求得各点间的高差，而水平视线的建立又是借助于水准气泡居中来实现的。 视准轴与水准轴是两条既不平行也不相交。 两轴在垂直面内投影直线的交角为：i 角误差。 两轴在水平面内投影直线的交角为： 角误差（也叫交叉误差）。 i 角对水准测量的影响较角要大得多。,辽宁省交通高等专科学校,27,1. i 角误差检验,辽宁省交通高等专科学校,28,测站 观测次序 水准
12、尺读数 高差 A尺读数a B尺读数b (a-b) i角计算1 158 712 179 140 S=20.6m2 704 142 2mm = (a2-b2)J1 3 708 154 (a1-b1)4 708 150 = +4.90mm中数 158 708 179 146 -204.38 i“=10 =+24.5“1 166 708 186 3942 456 410 校正后标尺读数：J2 3 444 396 a/2=a2-2=1659624 458 400 b/2=b2- =186155中数 166 452 186 400 -199.48,i 角的检验,仪器：N3 52965 水准尺： A 163
13、1 观测者：王 刚 时间：8时15分 B 1632 记录者：李玉敏 日期：75年9月25日 成 像：清晰稳定 检查者：张建功,辽宁省交通高等专科学校,29,6.4.1.4 测微器隙动差与分划值的测定,测微器是量测工具，要准确。 测定测微器分划值： 1、设置仪器和“特制标尺”，使二者相距30米。 2、用测微器去量取特制标尺的刻划间隔。 3、利用公式 g=d/L 计算测微器的 实际分格值。 4、实际的 g 与其 名义值之差应小于0.001mm。 测微器效用正确性：旋进读数与旋出读数之差。其值应小于测微器的2格（0.2mm)。 规定：测微器应 旋进读数。,辽宁省交通高等专科学校,30,1 2 3 4
14、 5 6 7 8,刻划线宽 度：1mm,分划线间隔 值：8mm,测微器效用正确性检验用的特制尺,说明： 1、刻划线的名义间隔 为8mm，实际的间隔 值应由计量部门精确 检定。 2、右图所示的特制尺 是检验测微范围为10 mm水准仪而专用的。,辽宁省交通高等专科学校,31,光学测微器效用正确性和格值的测定,测 分划线 测微器读数 旋进减 分划尺的分划间隔 测微器格值旋进 旋出 中数 选出 测微器测的格数 标准尺检定的长度 回 号数 （往）（返） l L=li+1li d g = d / L1 0 4.9 8.0 6.45 -3.1 1 83.1 87.0 85.05 -3.9 78.60 7.9
15、20 0.1008mm2 0 5.1 7.2 6.15 -2.11 81.8 86.4 84.10 -4.6 77.95 7.920 0.10163 1 4.9 8.5 6.70 -3.62 85.1 88.0 86.55 -2.9 79.85 7.970 0.09984 1 6.0 8.8 7.40 -2.82 86.2 88.2 87.20 -2.0 79.80 7.970 0.0999 8 4 8.4 8.6 8.50 -0.25 86.6 87.4 87.00 -0.8 78.50 8.030 0.1023中数=-1.4 g中数=0.1006mm,视线长度:30米 仪器:N3 NO52
16、965 观测者: 日期:79.9.15 温度:始4.8C 记录者:末5.0C 检查者:,辽宁省交通高等专科学校,32,6.4.2 精密水准标尺的检验,按水准测量规范规定，在作业前对水准标尺应检验的项目为： 标尺的检视； 标尺上圆水准器的检校； 标尺分划面弯曲差的测定； 标尺名义米长及分划偶然中误差的测定； 标尺尺带拉力的测定； 标尺温度膨胀系数的测定； 水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定。 对于新购置的水准标尺还需进行标尺中轴线与标尺底面垂直性等项目的检验。,辽宁省交通高等专科学校,33,6.4.2.1 水准标尺的检视此项检验，要求从外观上对水准标尺作出评价，并作记载。检查内容如下： 标
17、尺有无凹陷、裂缝、碰伤、划痕、脱漆等现象； 标尺刻划线和注记是否粗细均匀、清晰、有无异常伤痕，能否读数。,辽宁省交通高等专科学校,34,6.4.2.2 水准标尺上圆气泡的检校 距仪器约50米处安置水准标尺，使水准标尺的中线（或边缘）与望远镜竖丝精密重合。如标尺上的气泡偏离，则用改针将标尺圆气泡导至中央； 将水准标尺旋转180，使水准标尺的的中线（或边缘）与望远镜竖丝精密重合。观察气泡，若气泡居中，表示标尺此面已经垂直，否则应对水准仪十字丝进行检校； 旋转水准标尺90，检查标尺另一面是否垂直，其检验方法同、； 如此反复检校多次，使标尺能按尺面上圆水准器准确地竖直。,辽宁省交通高等专科学校,35,
18、6.4.2.3 水准标尺分划面弯曲差的测定 水准标尺分划面如有弯曲，将使读数失之过大。 水准标尺弯曲差：通过分划面两端点的直线中点至分划面的距离。 设标尺的弯曲长度为l，直线长度L。则尺长变化l=l-L。若测得分划面的弯曲差为f，则：,弯曲差的测定方法是：在水准标尺的两端点引张一条细线，量取细线中点至分划面的距离，即为标尺的弯曲差。,辽宁省交通高等专科学校,36,6.4.2.4 一对水准标尺分划线每米真长的测定 平均米真长误差：一对标尺平均每米真长（每米刻划的真实长度）与名义值1米之差。f = 平均每米真长1m 规定：当| f | 0.1mm，标尺报废。当| f | 0.02mm，须对高差进行
19、改正 高差改正公式：h/=h+=h+fh f 的测定：目前一般都是由专门的计量检定部门用“双频激光干涉法”测定。,辽宁省交通高等专科学校,37,6.4.2.5 一对标尺零点不等差及基、辅差常数的测定 标尺零点误差：标尺底面到第一分划线的距离与注记不符，其差值为 标尺零点误差 一对标尺零点差：两根水准标尺零点误差之差。 此误差对高差的影响可在偶数站中抵消。 基辅差常数：同一视线高度，同一水准标尺基本刻划与辅助刻划读数之差。（讨论：同一视线高度） 基辅差（尺常数)种类：60650、30155。,辽宁省交通高等专科学校,38,6.5 数字水准仪及条码标尺 6.5.1 数字水准仪结构及测量原理 图6-
20、18是南京久测仪器公司生产的徕卡数字水准仪。 测量原理：标尺的条形码作为参考信号存储在仪器内，测量时线译码器捕获仪器视场内的标尺影象作为测量信号，然后与仪器的参考信号进行比较，就获得视线高度和水平距离。象光学水准测量一样，测量时标尺要立直。,辽宁省交通高等专科学校,39,辽宁省交通高等专科学校,40,6.5.2 数字水准仪的特点 （1）数据自动输出，自动存贮； （2）能自动进行地球曲率改正； （3）可以在标尺稍低于零的位置测量； （4）可以建立简便测量或多功能测量模式，如取平均值，取中间值等； （5）具有自动递增前视点点号； （6）可以自动作i角改正。,辽宁省交通高等专科学校,41,6.5.3
21、 条形码水准标尺 与数字水准仪配套使用的条形码水准标尺如右图。 通过数字水准仪的探测器来识别水准尺上的条形码，再经过数字影象处理，给出水准尺上的读数，取代了在水准尺上的目视读数。,辽宁省交通高等专科学校,42,6.6.1 仪器误差 6.6.1.1 视准轴与水准轴不平行的误差 1. i 角误差的影响,i 角误差对一站高差的影响：,i 角误差对一测段高差的影响：,规范规定：二等水准，前后视距差应小于1米，视距累积差应小于3米。,辽宁省交通高等专科学校,43,2. 交叉误差的影响 若仪器无i角误差 当垂直轴严格垂直时，交叉误差对读数不产生影响。 当垂直轴倾斜时，将对读数产生影响。 措施： 检验并校正
22、圆水准器。 检验并校正交叉误差。,辽宁省交通高等专科学校,44,6.6.1.2 水准标尺每米长度误差的影响,一测站高差应加的米真长改正数：,一测段高差应加的米真长改正数：,辽宁省交通高等专科学校,45,6.6.1.3 一对标尺零点误差的影响,h12=(a1- a)-(b1-b)=(a1-b1) -a+b,h23= (b2-b)-(a2-a)=(b2-a2) -b+a,h13= h12+ h23=(a1-b1)+(b2-a2),结论：偶数站且相邻测站轮流做前尺可消除标尺零点差对水准测量的影响。,辽宁省交通高等专科学校,46,离地面越近，空气密度越大，对视线的折射越严重。,平原地区：前后视尽量相等
23、，尽量抬高视线，最佳时段。,坡度地区：除上款外，还要考虑适当缩短视距。,规范规定：最佳观测时段，视线高度，不同时段往返测，最大视距限制。,6.6.2 外界因素的影响而产生的误差 6.6.2.1 大气垂直折光的影响,辽宁省交通高等专科学校,47,6.6.2.2 仪器和标尺垂直位移的影响,仪器下沉：设仪器在一测站观测中 均匀下沉，则采用“后前前 后”的观测程序可有效消除 其影响。,标尺下沉：标尺下沉主要发生在迁站时，其影响特征是后视读数总是偏大，是系统误差。该误差影响主要通过“往返测取平均值”来消除,辽宁省交通高等专科学校,48,6.6.2.3 温度变化对 i 角的影响,外界温度变化1C，i角将平
24、均变化0.5 “ ，最大可达2 “ 。 设在短时间内 i角变化与时间成比例，则对于基本分划在相邻测站上，采用如下观测程序： 测站I： 后 前 测站II： 前 后 可消除i角变化的影响。,辽宁省交通高等专科学校,49,同理，相邻测站辅助分划的观测程序：测站I： 前 后测站II：后 前 综上，两相邻测站基、辅分划观测程序：奇数站：后（基）前（基）前（辅）后（辅）偶数站：前（基）后（基）后（辅）前（辅） 规范规定：精密水准测量观测程序应为：奇数站 后前前后，偶数站 前后后前,辽宁省交通高等专科学校,50,观测误差的影响,观测误差：气泡居中误差照准标尺分划的误差读数误差该影响在一测站一般小于0.1mm
25、。,辽宁省交通高等专科学校,51,辽宁省交通高等专科学校,52,精密水准测量的实施,“精密水准测量”指国家一、二等水准测量。 国家水准测量等级：一、二、三、四等。 工程测量等级：二、三、四等。 本书后面的叙述将以“二等”为例。,辽宁省交通高等专科学校,53,6.7.1 精密水准作业的一般规定,1. 测前凉仪器，使仪器与环境温度一致。防止视准轴变化。 2. 一测站禁止二次调焦。 3. 前后视距相等，限差：d限=1米；d限=3米。消除i角误差及垂直折光的影响。 4. 相邻测站观测程序： 后前前后； 前后后前。消除与时间成比例的误差，如：i角的变化、仪器的垂直位移。 5. 测段排成偶数站。,辽宁省交
26、通高等专科学校,54,6. 采用往、返测，消除标尺垂直位移的影响。 7. 往返测应在不同光段进行。避免大气折光影响。 8. 对于自动安平水准仪，要使园气泡正确。 9. 水准测量的间歇尽量选在固定点上，否则应对间歇点进行检验。间歇点限差：1毫米。,6.7.1 精密水准作业的一般规定（续）,辽宁省交通高等专科学校,55,6.7.2.2 操作步骤,1. 整平仪器，各方向符合气泡偏移小于1cm。 2. 后视，符合气泡近于符合，上下丝（读至mm）；气泡精密符合，中丝（基）。 3. 前视，气泡精密符合，中丝（基），上下丝（读至mm） 。 4. 气泡精密符合，中丝（辅）。 5. 后视，气泡精密符合，中丝（辅
27、），,辽宁省交通高等专科学校,56,6.7.2.2 操作步骤,往测奇数站：,后视，基本分划； 前视，基本分划； 前视，辅助分划； 后视，辅助分划。,往测偶数站：,前视，基本分划； 后视，基本分划； 后视，辅助分划； 前视，辅助分划。,简称：后前前后,简称：前后后前,返测观测程序与往测相反。即：奇数站：前后后前；偶数站：后前前后,辽宁省交通高等专科学校,57,关于“后前前后”,转仪器,转仪器,后视：,后视：,前视：,上、下丝 中丝（基）,中丝（基） 上、下丝,中丝（辅）,中丝（辅）,后前前后,辽宁省交通高等专科学校,58,1,2406 1986420,1809 1391418,219 83,16
28、0 06,461 63,521 38,+059.75,+059.75,+059.760,+2,+2,+2,2,1800 1351449,1639 1189450,157 40,141 40,442 92,458 95,+016.00,+016.03,+016.015,-1,+1,-3,辽宁省交通高等专科学校,59,一 S05 35 0.5 1.5 0.5 0.4 3.0 二 S1 50 1.0 3.0 0.3 0.7 3.0 S05 60 1.0 3.0 0.3 0.7 3.0,等级,仪器 视距类型 m,前后 视距差m,前后视距 累积差m,视线高 度下丝 读数m,基辅分 划所得 高差之差mm,
29、上下丝 读数平 均值与 中丝读 数之差mm,水准路 线测段 往返测 高差不 符值mm,一、二等水准测量的有关限差,辽宁省交通高等专科学校,60,6.7.3 精密水准测量的精度计算,每公里往返测高差中数的偶然中误差：,规范规定：对于二等水准，M1mm。,符号说明 ：闭合差； R：测段距离； n：测段数。,每公里高差中数的全中误差：,符号说明 F：环线长； w：环闭合差； N：水准环个数。,辽宁省交通高等专科学校,61,6.8 正常水准面的不平行性及改正计算,辽宁省交通高等专科学校,62,6.8.1 正常水准面的不平行性,水准面是重力等位面，其上单位质点的重力位能： W=gh A、B两点在两个水准
30、面的位能差：W = gAhA = gBhB gAgB，hA hB。即： 正常水准面不平行,注：水准面又称重力等位面，也叫正常水准面。,辽宁省交通高等专科学校,63,正常水准面不平行性对水准测量产生的影响,O,B,C,H1,H2,H3,Hn,h1,h2,h3,h/1,h/2,h/3,大地水准面,结论：沿两条不同路线施测的两点间高差结果不一致。,措施：对高差结果加改正数， 统一到“正常高高程系统”。,A,N,辽宁省交通高等专科学校,64,6.8.2 正常水准面不平行性改正数计算, 正常水准面不平行性改正数（mm） A 常系数，A=0.0000015371sin2 Hm 测段端点近似高程平均值（m）
31、 测段端点纬度差（）,公式：,路线闭合差：,辽宁省交通高等专科学校,65,6.9 水准测量的概算,水准测量的概算是水准测量平差前所必须进行的准备工作。 在概算前必须对水准测量的外业观测资料进行严格的检查，在确认正确无误、各项限差都符合要求后，方可进行概算工作。 概算的主要内容有：观测高差各项改正数的计算和水准点概略高程的计算等。,辽宁省交通高等专科学校,66,6.9.1 水准标尺每米长度误差的改正数计算 水准标尺每米长度误差对高差的影响是系统性的。当一对水准标尺每米长度的平均误差大于0.02mm时，就要对测段观测高差进行改正：,按往返测观测高差分别计算改正数。 算例：一对标尺平均米真长：999.96mm，改正数：（999.961000）mm-0.04mm。某段h20.34442mm，则改正数为：（-0.04）mm（20.34442）-0.81mm。,辽宁省交通高等专科学校,67,6.9.2 正常水准面不平行的改正数计算 按水准测量规范规定，各等级水准测量结果，均须计算正常水准面不平行的改正。即,辽宁省交通高等专科学校,68,辽宁省交通高等专科学校,69,
