1、2019/7/1,1,第三章 水准仪及水准测量,教学目标：掌握水准测量原理，熟悉水准仪的构造及使用；掌握用DS3型水准仪进行普通水准测量的外业、内业工作，掌握DS3型水准仪的检验与校正方法；了解自动安平及精密水准仪的使用方法、水准测量误差的产生原因及消减方法。,教学重点：水准测量原理，水准测量外业及内业工作、水准管轴平行于视准轴的检验与校正方法。,2019/7/1,2,第一节 水准测量原理,第二章 水准仪及水准测量,利用水准仪测量地面点高程的方法，称为水准测量。它是高程测量中最精密、 最常用的方法。,第一节 水准测量原理,图3-1,2019/7/1,3,如上图所示， A、B两点间高差hAB为
2、hAB=a - b （3-1） 设水准测量是由A向B进行的，则 A点为后视点，A点尺上的读数a称为后视读数； B点为前视点，B点尺上的读数b称为前视读数。 高差等于后视读数减去前视读数。 在同一水平视线下，某点的读数越大则该点就越低，反之亦然。,hAB,第一节 水准测量原理,一、水准测量原理,水准测量是利用水准仪提供的水平视线，借助于带有分划的水准尺，直接测定地面上两点间的高差，然后根据已知点高程和测得的高差，推算出未知点高程。,2019/7/1,4,二、计算未知点高程,2视线高法（也称仪高法）如图2-1所示，B点高程也可以通过水准仪的视线高程Hi来计算，即,1高差法测得A、B两点间高差hAB
3、后，如果已知A点的高程HA，则B点的高程HB为：HB=HA+hAB （3-2）这种直接利用高差计算未知点B高程的方法，称为高差法。,高差法与视线高法都是利用水准仪提供的水平视线测定地面点高程。施测过程中，水准仪安置的高度对测算地面点高程或高差并无影响。,这种利用仪器视线高程Hi计算未知点B点高程的方法，称为视线高法。在施 工测量中，有时安置一次仪器，需测定多个地面点的高程，采用视线高法就 比较方便。,（3-3）,第一节 水准测量原理,2019/7/1,5,3.连续水准测量,当A、B两点间距离较远或高差较大时，必须设置多个测站才能测定出高差。由图3-2可知 h1=a1-b1h2=a2-b2hn=
4、an-bn (3-4),图3-2,第一节 水准测量原理,2019/7/1,6,图中的立尺点称为转点，是测量过程中临时选定的，在确定B点的高程工作中，转点起到传递高程的作用。此时,第一节 水准测量原理,2019/7/1,7,第二节 水准仪及水准尺,水准测量所使用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。,1物镜； 2物镜对光螺旋； 3水平微动螺旋； 4水平制动螺旋； 5微倾螺旋； 6脚螺旋； 7符合气泡观察镜； 8水准管； 9圆水准器； 10圆水准器校正螺丝； 11目镜调焦螺旋； 12准星； 13缺口； 14轴座,国产水准仪按其精度分，有DS05，DS1，DS3及DS10等几种型号。工程测量一般使用D
5、S3级水准仪。,DS3微倾式水准仪的构造,第二节 DS3型水准仪及水准尺,2019/7/1,8,1望远镜望远镜是用来精确瞄准远处目标并对水准尺进行读数的。它主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板组成。,（1）物镜 使瞄准的物体成像。,望远镜的构造示意图,（2）物镜对光螺旋和对光凹透镜 转动物镜对光螺旋可以使对光透镜沿视线方向 前后移动，从而使不同距离的目标均能清晰地成像在十字丝分划板平面上,（3）目镜对光螺旋和目镜 调节目镜对光螺旋可以使十字丝清晰并将成像在十字丝分划板的物像边同十十字丝一起放大成虚像。于是观测者在看清十字丝的同时又能清晰地照准目标。,一 、DS3微倾式水准仪的构造及各部件的
6、作用,DS3主要由望远镜、水准器及基座三部分组成。,第二节 水准仪及水准尺,第二章 水准测量,2019/7/1,9,（4）十字丝分划板 是用来准确照准目标和读数的。在中丝的上、下刻有两条对称的短丝，称为视距丝，用于测量仪器到目标的距离。,（5）视准轴 十字丝交点与物镜光心的连线。视准轴的延长线就是我们通过望远镜瞄准远处目标的视线。因此，当视准轴水平时，通过十字丝交点看出去的视线就是水准测量原理中提到的水平视线。,第二节 水准仪及水准尺,2019/7/1,10,（1）管水准器,管水准器分划值,2水准器,它是一个密封的玻璃管，水准管上一般刻有间隔为2mm的分划线，分划线的中点O称为水准管零点，通过
7、零点与圆弧相切的纵向切线LL称为水 准管 轴。水准管轴应平行于视准轴。水准管上2mm圆弧所对的圆心角，称为水准管的分划值，水准管分划愈小，水准管灵敏度愈高，用其整平仪器的精度也愈高。,用于精确整平仪器。,第二节 水准仪及水准尺,2019/7/1,11,它是一个密封的玻璃圆盒，里面有一圆形气泡。圆水准器顶面 的玻璃内表面研磨成球面，球面的正中刻有圆圈，其圆心称为圆水准器的零点。过零点的球面法线LL，称为圆水 准器轴。圆水准器轴LL平行于仪器竖轴VV。如图2-8所示。气泡中心偏离零点2mm时竖轴所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值，一般为8 10，精度较低。,3基座基座的作用是支承仪器的上部，并通过
8、连接螺旋与三脚架连接。它主要由 轴座、脚螺旋、底板和三脚压板构成。转动脚螺旋，可使圆水准气泡居中。,（2）圆水准器,圆水准器装在水准仪基座上，用于粗略整平。,第二节 水准仪及水准尺,2019/7/1,12,1)水准尺,（2）双面水准尺 如图b 尺长为3m，两根尺为一对。尺的双面均有刻划，一面为黑面尺，另一面为红面尺 。黑面尺尺底均从零开始，而红面尺尺底，一根从4.687m开始，另一根从4.787m开始。,2)尺垫,尺垫是由生铁铸成。一般为三角形板座，其下方有三个 脚，可以踏入土中。尺垫上方有一突起的半球体，水准尺立于半球顶面。尺垫仅在转点处竖立水准尺时使用。,（1）塔尺 如图a,二、水准尺和尺
9、垫,水准尺是进行水准测量时与水准仪配合使用的。 常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。,第二节 水准仪及水准尺,2019/7/1,13,自动安平水准仪是利用自动补偿器代替水准管，观测时只用圆水准器进行粗平，照准后不需要精平，然后借助自动补偿器自动地把视准轴置平，即可读出视线水平时的读数。,在建筑工程施工测量中，自动安平水准仪的应用也较为广泛。,三、自动安平水准仪,其操作程序为：安置粗平照准读数。,使用自动安平水准仪不仅简化了操作，提高了速度，同时对由于水准仪整置不当、地面有微小的震动或脚架的不规则下沉等原因的影响，也可以由补偿器迅速调整而得到正确的读数，从而提高了观测的精度。,应当注意的是，自动安平
10、水准仪的补偿范围是有限的，当视线倾斜较大时，补偿器将会失灵。在使用前应对圆水准器进行检校。在使用、携带和运输的过程中，要严禁剧烈震动，防止补偿器失灵。,第二节 水准仪及水准尺,2019/7/1,14,第二节 水准仪及水准尺,微倾式水准仪的基本操作程序为：安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。,一）安置仪器,(1)如图所示，用两手按箭头所指的相对方向转动脚螺旋1和2，使气泡沿着1、2连线方向由a移至b。,圆水准器整平,二）粗略整平,四、水准仪的操作使用方法,(2)用左手按箭头所指方向转动脚螺旋3，使气泡由b移至中心。整平时，气泡移动的方向与左手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向一致，与右手大
11、拇指旋转脚螺旋时的移动方向相反。,2019/7/1,15,（5）消除视差,精确瞄准与读数,眼睛在目镜端上下移动，有时可看见十字丝的中丝与水准尺影像之间相对移动，这种现象叫视差。产生视差的原因是水准尺的尺像与十字丝平面不重合，如右图a所示。视差的存在将影响读数的正确性，应予消除。消除视差的方法是仔细地转动物镜对光螺旋，直至尺像与十字丝平面重合。,三）瞄准水准尺,（1）目镜调焦,（2）初步瞄准,（3）物镜调焦,（4）精确瞄准,第二节 水准仪及水准尺,2019/7/1,16,精确整平简称精平。眼睛观察水准气泡观察窗内的气泡影像，用右手缓慢地转动微倾螺旋，使气泡两端的影像严密吻合。此时视线即为水平视线
12、。微倾螺旋的转动方向与左侧半气泡影像的移动方向一致，如图所示。,符合水准器气泡居中后，应立即用十字丝中丝在水准尺上读数。读数时应从小数向大数读，如果从望远镜中看到的水准尺影像是倒像，在尺上应从上到下读取。直接读取米、分米和厘米，并估读出毫米，共四位数。读数后再检查符合水准器气泡是否居中，若不居中，应再次精平，重新读数。,五）读数,四）精确整平,第二节 水准仪及水准尺,2019/7/1,17,第三节 普通水准测量,（1）永久性水准点 国家等级永久性水准点，如图a所示。有些永久性水准点的金属标志也可镶嵌在稳定的墙角上，称为墙上水准点，如图b所示。,（2）临时性水准点 临时性的水准点可用地面上突出的
13、坚硬岩石或用大木桩打入地下，桩顶钉以半球状铁钉，作为水准点的标志，如图c所示。,图a 国家等级水准点,图b 墙上水准点,图c 临时性水准点,第三节 普通水准测量,一、水准点和水准路线,一）水准点：用水准测量的方法测定的高程控制点，称为水准点，记为BM(Bench Mark)。水准点有永久性水准点和临时性水准点两种。,2019/7/1,18,各测段高差代数和与其理论值的差值，称为高差闭合差，即,在水准点间进行水准测量所经过的路线，称为水准路线。相邻两水准点间的路线称为测段。在一般的工程测量中，水准路线布设形式主要有以下三种形式。,二）水准路线布设形式,从理论上讲，附合水准路线各测段高差代数和应等
14、于两个已知高程的水准点之间的高差，即,附和水准路线,1附合水准路线,第三节 普通水准测量,2019/7/1,19,闭合水准路线的布设方法 如图所示，从已知高程的水准点BM.A出发，沿各待定高程的水准点1、2、3、4进行水准测量，最后又回到原出发点BM.A的环形路线，称为闭合水准路线。,从理论上讲，闭合水准路线各测段高差代数和应等于零，即,2闭合水准路线,闭合水准路线,如果不等于零，则高差闭合差为：,第三节 普通水准测量,2019/7/1,20,支水准路线的布设方法 如图所示，从已知高程的水准点BM.A出发，沿 待定高程的水准点1进行水准测量，这种既不闭合又不附合的水准路线，称为支水准路线。支水
15、准路线要进行往返测量，以资检核。,3支水准路线,从理论上讲，支水准路线往测高差与返测高差的代数和应等于零。,如果不等于零，则高差闭合差为：,第三节 普通水准测量,2019/7/1,21,二、水准测量的外业,2计算与计算检核 （1）计算 每一测站都可测得前、后视两点的高差，即h1=a1-b1h2=a2-b2h3=a3-b3将上述各式相加，得则B点高程为：（2）计算检核 为了保证记录表中数据的正确，应对后视读数 总和减前视读数总和、高差总和、B点高程与A点高程之差进行检核，这三个数字应相等。,1.观测与记录将测站、测点、前、后视读数及已知水准点A的高程填入下表中有关各栏内。,第三节 普通水准测量,
16、2019/7/1,22,3水准测量的测站检核,（1）变动仪器高法,（2）双面尺法,是在同一个测站上用两次不同的仪器高度，测得两次高差进行检核。要求：改变仪器高度应大于10cm，两次所测高差之差不超过容许值（例如等外水准测量容许值为6mm），取其平均值作为该测站最后结果，否则须要重测。,分别对双面水准尺的黑面和红面进行观测。利用前、后视的黑面和红面读数，分别算出两个高差。如果不符值不超过规定的限差（例如四等水准测量容许值为5mm），取其平均值作为该测站最后结果，否则须要重测。,第三节 普通水准测量,2019/7/1,23,表3-1 水准测量手簿,第三节 普通水准测量,2019/7/1,24,第四
17、节 水准测量的内业计算,等外水准测量的高差闭合差容许值规定为：,成果计算步骤：检查野外观测手薄，计算各点间高差，经检核无误，则根据野外观测高差计算高差闭合差，若闭合差符合规定的精度要求，则调整闭合差，最后计算各点的高程。以上工作，称为水准测量的内业。,式中：L水准路线长度，以公里计；n测站数,如平均1千米测站数少于15站，用L式；如平均1千米测站数多于15站，用n式。平均每千米测站数可按下式求得：每千米测站数=n/L,一、水准测量的精度要求,2019/7/1,25,例：如图是一附合水准路线等外水准测量示意图，A、B为已知高程的水准点，1、2、3为待定高程的水准点，h1、h2、h3和h4为各测段
18、观测高差，n1、n2、n3和n4为各测段测站数，L1、L2、L3和L4为各测段长度。现已知HA65.376m，HB68.623m，各测段站数、长度及高差均注于图中。,1填写观测数据和已知数据,二、附合水准路线高差闭合差的计算与调整,2计算高差闭合差,3调整高差闭合差,或,4计算各测段改正后高差,5计算待定点高程并检核,第四节 水准测量的内业计算,2019/7/1,26,表3-2 水准测量手簿,第四节 水准测量的内业计算,2019/7/1,27,三、闭合水准路线高差闭合差的计算与调整,例：如图是一支线水准路线等外水准测量示意图，A为已知高程的水准点，其高程HA为45.276m，1点为待定高程的水
19、准点，h往和h返为往返测量的观测高差。n往和n返为往、返测的测站数共16站，则1点的高程计算如下。,1计算高差闭合差,2计算高差容许闭合差,3计算改正后高差,4计算待定点高程,四、支线水准路线的计算,第四节 水准测量的内业计算,2019/7/1,28,（1）圆水准器轴LL应平行于仪器的竖轴V V； （2）十字丝的中丝应垂直于仪器的竖轴V V； （3）水准管轴LL 应平行于视准轴CC 。,水准仪的轴线,第五节 微倾式水准仪的检验与校正,一、水准仪应满足的几何条件,第五节 DS3倾式水准仪的检验与校正,根据水准测量的原理，水准仪必须能提供一条水平的视线，它才能正确地测出两点间的高差。为此，水准仪在
20、结构上应满足如图所示的条件。,水准仪应满足上述各项条件，在水准测量之前应对水准仪进行认真的检验与校正。,2019/7/1,29,1圆水准器轴LL平行于仪器的竖轴VV的检验与校正,圆水准器校正螺钉,二、水准仪的检验与校正,（2）校正方法 校正时，先调整脚螺旋，使气泡向零点方向移动偏离值的一半，此时竖轴处于铅垂位置。然后，稍旋松圆水准器底部的固定螺钉，用校正针拨动三个校正螺钉，使气泡居中，这时圆水准器轴平行于仪器竖轴且处于铅垂位置。,圆水准器校正螺钉的结构如图所示。此项校正，需反复进行，直至仪器旋转到任何位置时，圆水准器气泡皆居中为止。最后旋紧固定螺钉。,（1）检验方法 旋转脚螺旋使圆水准器气泡居
21、中，然后将仪器绕竖轴旋转180，如果气泡仍居中，则表示该几何条件满足；如果气泡偏出分划圈外，则需要校正。,第五节 微倾式水准仪的检验与校正,2019/7/1,30,（1）检验方法 安置水准仪，使圆水准器的气泡严格居中后，先用十字丝交点瞄准某一明显的点状目标M，如图a所示，然后旋紧制动螺旋，转动微动螺旋，如果目标点M不离开中丝，如图b所示，则表示中丝垂直于仪器的竖轴；如果目标点M离开中丝，如图c所示，则需要校正。,（2）校正方法 松开十字丝分划板座的固定螺钉转动十字丝分划板座，使中丝一端对准目标点M，再将固定螺钉拧紧。此项校正也需反复进行。,2十字丝中丝垂直于仪器的竖轴的检验与校正,第五节 微倾
22、式水准仪的检验与校正,2019/7/1,31,3水准管轴平行于视准轴的检验与校正,（1）检验方法,水准管轴平行于视准轴的检验,1）在中点C处安置水准仪。由于前后视距相等，视准轴与水准管轴不平行所产生的前、后视读数误差x1相等，故高差hAB不受视准轴误差的影响。,2）在靠近B点的D点处安置水准仪，精平后读得B点尺上的读数为b2，因水准仪离B点很近，两轴不平行引起的读数误差x2可忽略不计。根据b2和高差hAB算出A点尺上视线水平时的应读读数为：a2 =b2+hAB然后，瞄准A点水准尺，读出中丝的读数a2，如果a2与a2相等，表示两轴平行。否则存在角。,第五节 微倾式水准仪的检验与校正,2019/7/1,32,（2）校正方法 转动微倾螺旋，使十字丝的中丝对准A点尺上应读读数a2，用校正针先拨松水准管一端左、右校正螺钉，如图所示，再拨动上、下两个校正螺钉，使偏离的气泡重新居中，最后要将校正螺钉旋紧。此项校正工作需反复进行，直至达到要求为止。,第五节 微倾式水准仪的检验与校正,
