1、工 程 测 量,任课教师：高 飞,合肥工业大学土木与水利工程学院测量工程系,水利水电工程专业09级,工 程 测 量 第4章 角度测量 4.1 角度测量原理 4.2 经纬仪及角度观测 4.3 电子经纬仪 4.4 经纬仪的检验与校正 3.5 角度测量误差分析及注意事项,现代普通测量学,工 程 测 量 第3章 水准测量 3.1 水准测量原理 3.2 水准仪及其使用 3.3 自动安平水准仪 3.4 数字水准仪 3.5 水准测量方法 3.6 水准仪的检验与校正 3.7 水准测量的误差分析及注意事项,现代普通测量学,工 程 测 量 第3章 水准测量 测量三项基本工作之一：高程测量 高程测量：测量地面上各点
2、高程的工作 高程测量有下列几种方法：1.几何水准测量是高程测量最主要的方法2.三角高程测量3.物理高程测量包括: 气压高程测量、液体静力水准测量4.GPS高程测量,现代普通测量学,工 程 测 量 第3章 水准测量 主要内容：水准测量原理、水准仪的构造及使用、水准测量的施测方法、水准仪的检验与校正。 主要目的：掌握水准测量原理、水准仪的使用，掌握地面点位高程测量过程，从而精确求出地面点高程。, 3.1 水准测量原理 原理：利用水准仪提供的一条水平视线，借助水准尺来测定地面两点间的高差，从而由已知点的高程和测得的高差，求出待定点的高程。,1.高差法: hAB=后视读数前视读数，即： 待定点B点的高
3、程：,2.仪高法(视线高法):,第3章 水准测量, 3.2 水准仪及其使用 水准测量所使用的仪器为水准仪，所使用的工具为水准尺和尺垫。,水准仪按其精度划分为四个等级：精密水准仪DS05、DS1；普通水准仪DS3、DS10D大地测量；S水准仪；后面的数字代表仪器的测量精度（每公里往返测高差中数的中误差，即精度）。 水准仪按其构造可分为四种：微倾式水准仪、自动安平水准仪、电子水准仪和数字水准仪 目前，普通工程测量中最常用的水准仪是：DS3微倾式水准仪（或DS3自动安平水准仪）,第3章 水准测量,一、DS3微倾式水准仪及其使用作用：为测量高差提供一条水平视线组成：望远镜、水准器、基座,1.微倾螺旋；
4、2.分划板护罩；3.目镜；4.物镜调焦螺旋；5.制动螺旋；6.微动螺旋；7.底板；8.三角压板； 9.脚螺旋；10.弹簧帽； 11.望远镜；12.物镜；13.管水准器；14.圆水准器；15.连接小螺钉；16.轴座, 3.2 水准仪及其使用,(1)望远镜 由物镜、目镜、调焦透镜和十字丝分划板组成,C C视准轴CC：物镜光心与十字丝交点的连线 视准轴在测量时必须保持水平，也就是水平视线！, 3.2 水准仪及其使用,（2）水准器 水准器分为圆水准器和管水准器两种。 管水准器用来指示视准轴是否水平,0 点 2mm,管水准器又称为长水准管 水准管分划值 ：是水准管表面2mm圆弧所对应的圆心角 水准管轴L
5、L：过水准管零点所作圆弧面的纵切线, 3.2 水准仪及其使用,2mm,圆水准器用来指示仪器竖轴是否竖直,圆水准器分划值 ：是圆水准器表面2mm圆弧所对应的圆心角DS3水准仪水准器分划值 通常为：长水准管圆水准器圆水准器轴 ：过圆水准器零点所作圆球面的法线, 3.2 水准仪及其使用,DS3水准仪 常采用符合水准管系统 目的是提高水准管气泡居中的精度,气泡符合,尚未符合,微倾螺旋,符合气泡符合， 水准管轴与视线水平, 3.2 水准仪及其使用,（3）基座 基座通过连接螺旋与三脚架相连 基座用于支承水准仪上部，水准仪旋转轴插入基座轴套可自由旋转 基座上的三个脚螺旋用于调节圆水准气泡 仪器竖轴VV：就是
6、水准仪的旋转轴,望远镜,水准器,基座,三脚架,V,V, 3.2 水准仪及其使用,水准仪的主要构造特点,水准仪的主要轴线：视准轴CC水准管轴LL圆水准器轴仪器竖轴VV 必须满足的几何条件： VV十字丝横丝 VV LL CC, 3.2 水准仪及其使用,2. 水准尺和尺垫 （1）水准尺有单面尺、双面尺、塔尺三种 （2）标准水准尺为一对双面尺， 其中: A尺和B尺黑面03m; A尺红面4.6877.687m, B尺红面4.7877.787m。 （3）尺垫半球形顶部用来竖立水准尺，并标志转点位置。, 3.2 水准仪及其使用,3. 水准仪的使用 为测定A、B两点的高差，首先将水准仪安置在A、B两点之间，然
7、后按以下四个步骤进行操作：,（1）粗平（粗略整平）目的是使仪器竖轴铅直调节三个脚螺旋使圆水准器气泡居中，气泡移动的方向始终与左手大拇指的运动方向一致。, 3.2 水准仪及其使用,（2）瞄准（瞄准水准尺） 首先转动目镜调焦螺旋使十字丝清晰，转动望远镜瞄准水准尺，再转动物镜调焦螺旋使目标清晰。注意消除视差！ 什么是视差？产生的原因？如何消除？, 3.2 水准仪及其使用,（3）精平（精确整平） 在每次读数之前，都应注视符合水准气泡观测窗，转动微倾螺旋使水准管气泡居中，即符合水准器的两端气泡影像对齐，只有当气泡已经稳定不动而又居中的时候，水准管轴水平，视准轴亦水平，即提供了一条水平视线。, 3.2 水
8、准仪及其使用,（4）读数（精确整平） 仪器精确整平后，即可用十字丝横丝（即中丝）在水准尺上读数。 读数按由小到大的方向，读出米、分米、厘米、并仔细估读毫米数。 读数记录一般均不加小数点，读记四位数，以毫米为单位。,黑面读数 a=1274（mm） 红面读数b=5958（mm）, 3.2 水准仪及其使用, 3.2 水准仪及其使用,精密水准仪（DS05、DS1）主要用于国家一、二等水准测量(the first and second order leveling)和高精度的工程测量中； 例如建构筑物的沉降观测，大型桥梁工程的施工测量和大型精密设备安装的水平基准测量等。,一、DS3微倾式水准仪及其使用
9、二、精密水准仪及其使用, 3.2 水准仪及其使用,第3章 水准测量,1) 望远镜的放大倍数大，分辨率高，如规范要求DS1不小于38倍，DS05不小于40倍； 2) 管水准器分划值为10/2mm，精平精度高； 3) 望远镜的物镜有效孔径大，亮度好； 4) 望远镜外表材料一般采用受温度变化小的因瓦合金钢，以减小环境温度变化的影响； 5) 采用平板玻璃测微器读数，读数误差小； 6) 配备精密水准尺。, 3.2 水准仪及其使用,二、 精密水准仪及其使用 1. 精密水准仪的构造特点,精密水准尺：是在木质尺身的凹槽内，引张一根因瓦合金钢带，其中零点端固定在尺身上，另一端用弹簧以一定的拉力将其引张在尺身上，
10、以使因瓦合金钢带不受尺身伸缩变形的影响。 长度分划在因瓦合金钢带上，数字注记在木质尺身上，精密水准尺的分划值分为基辅分划（10mm）和奇偶分划（5mm）两种。 基辅分划差为：3.01550 m,二、 精密水准仪及其使用 2. 精密水准尺（因瓦水准尺）, 3.2 水准仪及其使用,下图就是新N3微倾式精密水准仪，其每km往返测高差中数的中误差为0.3mm。为了提高读数精度，精密水准仪上设有平行玻璃板测微器。, 3.2 水准仪及其使用,二、 精密水准仪及其使用 3N3精密水准仪的使用,N3精密水准仪读数原理 测微尺的读数通过光路成像在测微尺读数窗内。, 3.2 水准仪及其使用,旋转N3的平行玻璃板可
11、以产生的最大视线平移量为10mm，它对应测微尺上的100个分格。 测微尺上1个分格等于0.1mm，如在测微尺上估读到0.1分格，则可以估读到0.01mm。 实际读数为：如下图的读数为148+0.655=148.655cm=1.48655m。,N3精密水准仪测微尺的读数,自动安平水准仪不需要水准管和微倾螺旋，只有一个圆水准器，安置仪器时，只要使圆水准器的气泡居中后，借助一种“补偿器”的特别装置，使视线自动处于水平状态。,自动安平水准仪, 3.3 自动安平水准仪,第3章 水准测量,一、自动安平水准仪的结构, 3.3 自动安平水准仪,第3章 水准测量,二、自动安平水准仪的补偿工作原理, 3.3 自动
12、安平水准仪,第3章 水准测量,数字水准仪（digital levels）是一种新型的智能化水准仪，又称为电子水准仪。它最大的特点是用CCD传感器代替眼睛对条码水准标尺读数，从而实现水准测量观测自动化。根据测量原理的不同，主要有：徕卡DNA系列采用相关法，蔡司（天宝）DiNi系列、索佳SDL系列都使用几何法，拓普康 DL系列采用相位法和国产南方系列竖直水准仪等。目前数字水准仪高程测量的精度（每公里往返测高差中数的中误差）可达0.3mm/km，测距精度为 测程为1.5m100m，测量时间3秒，补偿精度0.2，补偿工作范围15。, 3.4 数字水准仪,第3章 水准测量,一、数字水准仪的构造,（电子水
13、准仪）, 3.4 数字水准仪,第3章 水准测量, 3.4 数字水准仪,第3章 水准测量,二、数字水准仪的测量原理, 3.4 数字水准仪,第3章 水准测量,三、数字水准仪的特点,数字水准仪是光电、图像和计算机技术于一体的新型的水准仪，有如下特点：1无需人工读数，避免了人为误差；2自动读数、显示、存储、传输，速度快，效率高；3使用多个条码计算视线高和视距，精度高，数据可靠；4自动改正测量误差。, 3.5 水准测量方法,一、水准测量的外业实施 1. 水准点事先埋设标志在地面上，用水准测量方法建立的高程控制点(Bench Mark), 常以BM表示。水准点分为永久性和临时性两种，其顶部通常为凸起的半球
14、面, 用于放置水准尺。,第3章 水准测量,一、水准测量的外业实施 2. 待定点高程的测量和计算检核,已知HA， 求高程HB，中间临时放置标尺的过度点1，2.称为转点, 起高程传递作用, 常用TP表示，实测时转点上应使用尺垫 。, 3.5 水准测量方法,每测站高差： 各测站高差之和： 待定点B点高程：,施测方法（动画）,一、水准测量的外业实施 2. 待定点高程的测量和计算检核, 3.5 水准测量方法,普通水准测量记录表,0.718,2.209,50.583,1.268,1.425,ZD1,ab=5.358 3.867=1.491 h=2.209 0.718=1.491 HB HA=51.491
15、50.000=1.491 HB HA=h=a b (计算无误),计算检核,3.867,5.358,51.491,0.346,B,50.618,1.581,1.219,ZD3,51.336,0.672,0.863,ZD2,HA=50.000m,50.000,0.583 0.7530.873,1.851,A,前视,+,后 视,备 注,高 程 （m）,高 差,标尺读数（m）,测点,0.718,为保证每一测站的高差正确，或在误差允许范围之内，必须进行测站检核。 测站检核有双仪高法和双面尺法 （1）双面尺法：黑面读数高差：红面读数高差：红黑面高差之差：最后高差中数： （2）双仪高法：改变仪器高度10cm
16、以上，测出两次高差，进行检核。, 3.5 水准测量方法,一、水准测量的外业实施 3. 测站检核,双面尺法水准测量观测记录表,双仪高法水准测量观测记录表,二、水准路线测量的成果检核,1.闭合水准路线从某已知点BMA出发,经待定点1,2,3,4; 再回到A点。 高差理论值：高差闭合差：2.附合水准路线 从已知点BMA出发到另一已知点B,高差理论值： 高差闭合差：, 3.5 水准测量方法,O,O,O,O,3.结点水准网（1） 独立水准网（2）单结点附合水准网4.支水准路线 从已知点BMA出发到待定点1,二、水准路线测量的成果检核, 3.5 水准测量方法,O,O,O,O,O,三、水准测量的内业计算 按
17、一定的原则将计算出的水准线路高差闭合差进行分配，确保各测段（或各测站）高差经改正后严格满足检核条件。,等外水准测量 高差闭合差容许误差：山地：平地：,国家四等水准测量 高差闭合差容许误差：山地：平地：, 3.5 水准测量方法,内业计算步骤,h2,1）计算闭合差,2）判断闭合差是否超限,3）计算各测段观测高差的改正数,5）计算各测段的改正后的高差,6）计算各点的高程值,4）检查闭合差是否分配完, 3.5 水准测量方法,1.3,例：附合水准测量内业计算,普通水准测量记录计算表,-0.016,-0.014 -0.119,B,56.902,0964 5754,1563 6348,B,fh= h = 0
18、.016 m = 16 mm,检核,BMA,55.352,0772 5560,BMA,E,55.243,2024 6712,0876 5566,E,D,56.332,2100 6886,0932 5720,D,C,57.079,1387 6076,1350 6035,C,HA=55.352m,55.352,2512 7200,BMA,平均高差,高差,前视,后 视,备 注,高 程 （m）,高 差,标尺读数（m）,测点,7.233 30.869,7.247 30.988,+1.548 +1.446,+0.176 +0.272,-0.750 -0.851,-1.092 -0.992,+0.104 +
19、0.006,+3 +1.547,+3 +0.174,+3 -0.750,+3 -1.092,+4 +0.105, 3.6 水准仪的检验与校正 （微倾式光学水准仪）,一、圆水准器的检验与校正检验目的是保证：圆水准器轴,仪器VV,二、十字丝的检验与校正检验目的是保证：十字丝横丝 仪器VV,三、管水准器的检验与校正检验目的是保证：视准轴CC 水准管轴LL（水准仪的主条件）,第3章 水准测量, 3.6 水准仪的检验与校正,一、圆水准器的检验与校正,第3章 水准测量, 3.6 水准仪的检验与校正,二、十字丝的检验与校正,第3章 水准测量, 3.6 水准仪的检验与校正,三、管水准器的检验与校正1首先在A、
20、B中点S1安置水准仪，两次测定A、B间高差小于3mm时，取其平均值得hAB。2将仪器移至S2点，当仪器CCLL时，A尺正确读数应为： ；当存在 i 角误差时， A尺正确读数为,第3章 水准测量, 3.7 水准测量误差分析及注意事项,一、仪器误差1. 仪器校正后的残余误差2. 水准尺误差(包含: 刻划、变形和零点误差等）,二、观测误差1. 读数误差; 2. 视差影响；3. 水准管气泡居中误差；4水准尺倾斜误差。,三、外界条件的影响1. 仪器下沉和尺垫下沉误差2. 地球曲率和大气折光的影响3. 温度的影响,第3章 水准测量, 3.7 水准测量误差分析及注意事项,第3章 水准测量,地球曲率和大气折光
21、的影响,地球曲率和大气折光的影响,1）视线高出地面0.3m，2）选择合适的天气（阴天、晚上、无风等）3）避开不利的环境（日出后、日落前半小时、中午、大风等）4）最主要的是要求前后视距离应相等！,在晴天，地面温度高，空气的密度较上面的稀，光线向上折射。, 3.7 水准测量误差分析及注意事项,第3章 水准测量,习题及思考题 1高程测量有几种方法？ 2设A为后视点，B为前视点，A点高程为20.123m。当后视读数为1.456m， 前视读数为1.579m时，问A、B两点高差是多少? B、A两点的高差又是多少? 计算出B点高程并绘图说明。 3何谓视差？产生视差的原因是什么？怎样消除视差？ 4水准仪上的圆
22、水准器和管水准器的作用有何不同？何谓水准器分划值？ 5水准仪有哪几条主要轴线? 它们之间应满足什么条件? 何谓主条件? 为什么? 6水准测量时，要求选择一定的路线进行施测，其目的何在? 转点的作用是什么? 7.水准测量时，为什么要求前、后视距离大致相等? 8试述水准测量的计算检核方法。,第3章 水准测量,习题及思考题 9水准测量测站检核有哪几种？如何进行？ 10为什么使用水准仪时，仅需将圆水准器气泡居中即可进行观测？ 11简述自动安平水准仪的工作原理，测量时自动安平水准仪的视线是否水平？ 12.简述数字水准仪的工作原理和读数方法。 13数字水准仪与普通光学水准仪相比，主要有哪些特点? 14.
23、自动安平水准仪与数字水准仪在结构上有哪些异同点？ 15何谓光学视准轴？电子i角? 16.将图3-40中的水准测量数据填入表3-3中， A、B两点为已知高程点， HA=23.456m，HB=25.080m，计算并调整高差闭合差， 最后求出各点高程。 ,第3章 水准测量,第3章 水准测量,习题及思考题17.设A、B两点相距80m，在其中点安置水准仪，精确测得高差;仪 器搬至B点附近,又测得B尺读数，A尺读数为。试问该水准仪的水准管轴是否平行于视准轴？如不平行，应如何校正？ 18.试比较数字水准仪i角检定的四种方法各自的优缺点。 19试分析水准尺倾斜误差对水准尺读数的影响，并推导其计算公式。 20.调整图3-41所示的闭合水准路线的观测成果，并求出各点高程。 h1=+1.224m; n1=10站 h2=-1.424m; n2=8站 h3=+1.781m; n3=8站 h4=-1.714m; n4=11站 h5=+0.108m; n5=12站,第3章 水准测量,
