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1、2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,1,第2章 水准测量,2.1 水准测量的原理（掌握）2.2 水准仪的介绍及操作（重点）2.3 自动安平水准仪（一般了解）2.4 水准测量及其成果处理（重点、难点）2.5 水准测量的误差来源及注意事项（掌握）,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,2,HB=HA+hAB=HA+a-b hAB 0 高差具有方向性，即高 差是有正负的。,2.1水准测量的原理,水准测量的原理：是利用水准仪建立一条水平视线，并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推算出未知点的高程。,则A、B两点间的高差为：hAB=a-b=后视读数-前视读数,后视
2、尺,前视尺,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,3,仪高法：Hi=HA+a，HB=Hi-b 仪器的视线高H i 等于已知点的高程加上后视读数。常用于施工测量，放样点的高程。,以上述计算B点高程的方法称为高差法 高差法：HB=HA+hAB=HA+(a-b),另一种测高法仪高法或视线高法:,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,4,A，B两点相距较远时，连续水准测量。中间设置转点(TP)，放置尺垫。h1=a1b1，h2=a2b2，h3=a3b3，hn=anbn。hAB=h1 h2 h3 hn=hihAB=aibi,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,5,2.2 水
3、准仪的介绍及操作,水准仪分成四个等级即：DS05、DS1、DS3、DS10,拓普康,北光DZS3-1(水准仪),第三章 水准测量,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,6,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,7,主要有望远镜、水准器及基座三部分。,2.2.1 水准仪的结构,1.微倾螺旋；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,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,9,组成物镜、调焦透镜、十字丝分
4、划板、目镜。倒像望远镜，正像望远镜。视准轴CC物镜中心与十字丝分划板中心连线。水准测量是在视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。中丝读取视准轴CC与标尺交点的读数。上下丝读取水准仪到标尺的距离(视距)。,1望远镜,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,10,十字丝分划板结构安装在金属圆环上，用四颗校正螺丝固定在望远镜筒上。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,11,倒像望远镜成像原理放大倍数从望远镜内所看到的目标影像的视角与人眼直接观察该目标的视角之比。即：V=DS3水准仪V=28,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,12,水准器分划值水准器上每2m
5、m弧长所对的圆心角值。反映了水准器的灵敏度和精度。,2 水准器：管水准器、圆水准器,水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。,DS3：水准器分划值分别为20“/2mm 和 810/2mm。,管水准器用来指示视准轴是否水平；圆水准器用来指示竖轴是否竖直。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,13,圆水准器轴线LL：通过内圆弧零点的球面法线。其分划值为：810 气泡居中时，LL铅垂，即圆水准器轴LL竖轴VV。只用于仪器的概略整平。,(1)圆水准器,用于指示仪器竖轴是否垂直。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,14,水准管分划值=2/R.其中：=206265
6、，R为水准管半经（mm）,水准管轴:过零点作水准管圆弧的切线。当气泡居中,水准管轴水平，即管水准器轴LL望远镜视准轴CC，用于仪器的精确整平。其分划值为：20“/2mm,(2)管水准器,微倾式水准仪调整微倾螺旋管水准气泡居中水平视线，,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,16,安装一组符合棱镜，通过反射作用，使气泡两端的像反映在望远镜旁的符合气泡观察窗中。若气泡两端的半像吻合时，就表示气泡居中。若气泡的半像错开，则表示气泡不居中，这时，应转动微倾螺旋，使气泡的半像吻合。提高管水准气泡的居中精度。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,17,18,2023/3/9,3基座,
7、轴座：承托仪器上部脚螺旋：调节脚螺旋使圆水准器气泡居中连接板：连接三脚架,组成,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,19,（1）水准管轴LL视准轴 CC（调节符合水准器，最主要的）（2）圆水准器轴LL仪器竖轴VV（调节圆水准器）（3）十字丝横丝仪器竖轴VV,2.2.2 水准仪的主要轴线,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,20,水准尺有塔尺、折尺、普通单面尺、双面尺和精密水准尺。尺的底部为零点，尺上黑白格相间，每格宽度为1cm，有的为0.5cm，每一米和分米处均有注记。,2.2.3 水准尺和尺垫,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,21,直尺A、B尺，两把一
8、对，每把有黑、红两面分划与注记。A尺黑面分划03m，红面分划4.687m7.687m。B尺黑面分划03m，红面分划4.787m7.787m。A、B尺黑面注记的零点差为0，红面注记的零点差为0.1m。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,22,尺垫在转点处放置水准尺用,尺垫,起传递高程的作用，在已知点和待求点上不能放。,尺垫,23,2023/3/9,几个概念1、测站：测量仪器所安置的地点。2、后视：水准路线的后视方向。3、前视：水准路线的前视方向。4、视距：水准仪至标尺的水平距离。5、视线高程：后视高程+后视读数。6、转折点：水准测量中起传递高程作用的中间点。7、水准点：水准测量的固
9、定标志。8、水准点高程：指标志点顶面的高程。9、水准路线：进行水准测量时所行走的路线。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,24,1.安置水准仪,打开三角架并使高度适中，拧紧脚架伸缩螺旋；目估使架头大致水平并安置在测站上，检查架腿是否安置稳固。打开仪器箱取出水准仪，用连接螺旋把仪器固定在架头上。,2.2.4 水准仪的使用,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,25,水准仪的使用,第三章 水准测量,2.粗平,方法：调整脚螺旋。将圆水准器气泡调居中，使仪器竖轴大致铅垂，视准轴粗略水平。,目的：使圆水准气泡居中。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,26,水准仪的使
10、用,3.瞄准,视差：眼睛上下移动，标尺成像与十字丝像之间相对移动。,原因：目标通过物镜之后的像没有与十字丝分划板重合。,消除方法：旋转目镜调焦螺旋，使十字丝分划板清晰。旋转物镜调焦螺旋，使标尺像清晰。(或者说反复对光)。,方法：目镜调焦：十字丝清晰粗瞄目标：拧紧止动螺旋物镜调焦：物像清晰精瞄目标：调微动螺旋,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,27,望远镜对准天空(或明亮背景)旋转目镜调焦螺旋，使十字丝分划板清晰。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,28,望远镜对准标尺，旋转物镜调焦螺旋，使标尺像清晰。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,29,4.精平,
11、水准仪的使用,第三章 水准测量,读数之前应用微倾螺旋调整水准管气泡符合，使视线（即视准轴）精确水平。若为自动安平水准仪，此步骤可以省略。,注意：每次读数前必须使水准管符合,微倾螺旋,5 读数（精确整平之后）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（水准仪多为倒像望远镜，读数时应由上而下进行。），读出米、分米、厘米、并仔细估读毫米数(先估读mm、cm、dm、m)。读数记录一般均不加小数点，读记四位数，以mm为单位。,黑面读数a=1274（mm）红面读数 b=5958（mm）,水准仪的使用,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,31,2023/3/9,中南大学测绘与国土信
12、息工程系,32,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,33,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,34,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,35,36,2023/3/9,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。,自动安平水准仪正面,2.3 自动安平水准仪数字水准仪一、自动安平水准仪,38,2023/3/9,自动安平水准仪反面,自动安平水准仪后面,自动安平水准仪反面,自动安平水准仪正面,自动安平水准仪安平的工作原理,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息
13、工程系,40,水准仪的使用,第三章 水准测量,自动安平水准仪的使用安置仪器粗平瞄准读数,微倾水准仪的使用安置仪器粗平瞄准精平读数,二、数字水准仪,望远镜,基座 脚螺旋,自动安平补偿器,电子水准 仪,调焦螺旋制动、微动螺旋,调焦发送器：计算概略视距值；补偿监视器：监测安平补偿器的工作状态分光镜：将由物镜计入的光分为可见光和红外光行阵探测器：识别水准尺上的条码，进行读数,（电子水准仪）,42,2023/3/9,二、数字水准仪,下图为采用相关法的徕卡NA3003数字水准仪的机械光学结构图,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,44,2.4.1 水准点和水准路线 用水准测量方法测定的高程控制
14、点称为水准点(Bench Mark)，简记为BM。水准测量等级：一、二、三、四等与图根水准；一、二等为精密水准测量，三四等为普通水准测量。水准测量通常是从水准点引测其它点的高程。水准点有永久性和临时性两种。,2.4 水准测量的实施,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,45,水准路线的形式有：1.闭合水准路线：3.支水准路线：2.附合水准路线：4.水准网：,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,46,一般要求：等外水准：DS10或DS3+单面尺（图根可用双面）；作业前应检验和校正；一般性测量，可单程观测，作基本控制或支水准往返观测；仪尺距：一般100m，最大可为150m；闭
15、、附合水准=8km;水准网两结点间的路线=6km；支水准=4km。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,47,每站高差观测两次，以检核观测数据的正确性。1)两次仪器高法两次不同仪器高度的水平视线(改变仪器高度应在10cm以上)测定相邻两点间的高差，图根水准测量两次高差之差应小于6mm，取其平均值作为最后结果。否则应重测。,2.4.2、水准测量实施,48,2023/3/9,例：,注意：为保证高程传递的准确性，在相邻测站的观测过程中，必须使转点保持稳定（高程不变）。,A,TP1,TP2,TP3,1011,B,1554,1444,1324,1604,1488,HA=123.446m,HB
16、,大 地 水 准 面,前进方向,1134,1677,49,2023/3/9,a,b,1、安置仪器于A、TP1大致中间，立尺于A、TP1点（尺垫）上；2、粗略整平；3、瞄准后视尺A，精平、读数a，记录1134；4、瞄准TP1前视尺，精平、读数b，记录1677m；,5、计算：h1=a b=1.134-1.677=-0.543m6、仪器高度变化10cm，同法测得 a=1.011，b=1.554 h1=-0.543 h1=h1-h1=06mm7、计算高差的平均值：h1=-0.543m。8、搬站：同法依次测出，数据记录如下表,a,b,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,50,2023/3/9
17、,中南大学测绘与国土信息工程系,51,2)双面尺法 读取每一把水准尺的黑面和红面分划读数，前、后视尺的黑面读数计算出一个高差，前后视尺的红面读数计算出另一个高差，两次高差之差应小于6mm，否则应重测。瞄准后视点水准尺黑面分划精平读数；瞄准后视点水准尺红面分划精平读数；瞄准前视点水准尺黑面分划精平读数；瞄准前视点水准尺红面分划精平读数。上述观测顺序简称为“后后前前”或“黑红黑红”。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,52,53,2023/3/9,2.4.3 成果处理,水准测量时，一般将已知水准点和待测水准点组成一条水准路线；在水准测量的施测过程中，测站检核只能检核一个测站上是否存在
18、错误或误差是否超限；计算检核只能发现每页计算是否有误；对一条水准路线来讲必须进行成果检核。,54,2023/3/9,1、检核的主要内容闭合差：观测值与理论值的差值。高差闭合差就是高差的观测值与理论值之差；用fh表示，即 fh=h测-h理限差：,1）附合水准路线检核 2）闭合水准路线检核 3）支水准路线检核,限差的单位为mm.其中：L水准路线的长度，单位km。n水准路线的测站数,要求：fh fh允,55,2023/3/9,2、闭合差fh的计算 附和水准路线：h测=h1+h2+h3+hn h理=H终 H始 fh=h测-h理=h测-（H终 H始）闭合水准路线：h测=h1+h2+h3+hn h理=0
19、fh=h测-h理=h测 支水准路线：h测=h往+h返 h理=0 fh=h测-h理=h往+h返,56,2023/3/9,水准测量的内业处理步骤,3、分配高差闭合差并检验闭合差是否分配完全,4、计算各未知高程点的高程,高差闭合差按每一测段的测站数或路线长成比例分配。,由已知高程点开始，用改正后的高差逐点推算出各点的高程。,判断f h f h容？,hi=hi+Vi,57,2023/3/9,一、附合水准路线的内业计算 如图为一符合水准路线：,A、B为已知水准点，HA=65.376m，HB=68.623m点1、2、3 为待测水准点，各测段高差、测站数、距离见下图：,举例,58,2023/3/9,备注,1
20、,2,3,4,A1,2,3,B,1.0 8+1.575,1.2 12+2.036,1.4 14-1.742,2.2 16+1.446,5.8 50+3.315,辅助计算,-0.012,-0.014,-0.016,-0.026,-0.068,+1.563,+2.022,-1.758,+1.420,+3.247,65.376,66.939,68.961,67.203,68.623,附合水准测量成果计算表,已知,已知,59,2023/3/9,1、计算闭合差：,2、检核：,故其精度符合要求。,60,2023/3/9,3、计算改正数 分配原则：按与测段距离（或测站数）成正比，并反其符号改正到各相应的高差
21、上，得改正后高差。,按距离：,按测站数：,以第1测段为例，测段改正数为：,检核：,61,2023/3/9,4、计算改正后高差,检核：,以第1测段为例，改正后的高差为：,5、计算高程,如：,检核：,否则说明高程计算有误。,62,2023/3/9,二、闭合水准路线成果计算 1、计算闭合差：2、检核：3、计算高差改正数：闭合水准路线的计算与附合水准路线基本相同。,4、计算改正后高差：5、计算各测点高程：,63,2023/3/9,三、支水准路线成果计算,1,1、计算闭合差：,2、检核：,，故精度符合要求。,3、计算高差（取往、返测绝对值的平均值，其符号与往测相同）,4、计算高程,H1=186.785-
22、1.386=185.399m,(HA=186.785m),64,2023/3/9,误差来源：仪器误差+观测误差+外界条件的影响,一、仪器误差 1、仪器校正后的残余误差主要是i角误差。（前后视距相等可消除）,3.5 水准测量的误差及消减方法,2、水准尺误差 包括刻划不准、尺长变化（或零点差）、尺身弯曲等误差。（作业前必须检验，前后视尺交替使用、测站数为偶数可减弱或消除）,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,65,仪器误差,仪器残余误差,主要表现为水准管轴与视准轴不平行。此误差常称为i角误差。,存在i角误差时，,只有前后视距相等时，a=b，i角对高差的影响为零。,66,2023/3/9
23、,二、观测误差 1、视差（仔细调焦可消除）2、读数误差（减小视线长度、读数认真果断）3、水准器泡居中误差（符合后立即读数）4、水准尺倾斜的影响（认真扶尺、气泡居中）,三、外界条件的影响 1、仪器下沉（踩紧脚架、减少观测时间）2、尺垫下沉（尺垫踩实、往返测取中数）3、地球曲率和大气折光（前后视距相等可消除）4、大气温度和风力（打伞遮阳、选择好的天气）,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,67,外界环境误差,仪器下沉和尺垫下沉,实际测量时，应尽量将脚架、尺垫踩实。,所以采用“后、前、前、后”，或称“黑、黑、红、红”的观测程序可以消除或减弱。,当仪器下沉，可使观测视线降低，则：,当尺垫下
24、沉时，下一站的后视读数增大，造成高程传递误差，难以消除。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,68,本章作业：,教材后所有的思考题和习题,实验一：水准仪的认识及使用,了解水准仪的结构及各部件的作用，掌握S3型水准仪的读数方法及水准测量方法。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,69,一、实验目的与要求1了解DS3微倾式水准仪的基本构造、各部件及调节螺旋的名称和作用，熟悉其使用方法。2掌握DS3水准仪的安置、瞄准、精平和读数方法。3练习普通水准测量一测站的观测、记录与计算方法。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,70,二、实验内容,1、认识水准仪各个部件，熟
25、悉各个螺旋的作用，掌握水准仪的操作使用方法。2、用DS3水准仪测量地面二点之间的高差。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,71,三、DS3微倾式水准仪构造,72,中南大学测绘与国土信息工程系,d)水准仪配套工具,双面水准尺,铟钢条码尺,尺垫,脚架,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,73,四、水准仪的使用,粗平旋转水准仪基座上的三个脚螺旋使圆水准器气泡居中。在整平过程中，旋转脚螺旋方向与圆水准气泡移动方向的规律是：用左手旋转脚螺旋，则气泡移动方向和左手大拇指移动方向一致（俗称左手法则）；用右手旋转脚螺旋，则气泡移动方向和右手食指移动方向一致。如图1-1所示。,2023
26、/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,74,图1-1,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,75,瞄准水准尺将望远镜对向一明亮背景，转动望远镜目镜调焦螺旋，使望远镜内的十字丝影像非常清晰。转动望远镜，用望远镜上的粗瞄器瞄准水准尺，然后旋紧制动螺旋。从望远镜中观测目标，旋转望远镜物镜调焦螺旋，使水准尺的成像清晰。旋转水平微动螺旋，使十字丝纵丝位于水准尺中心线上或水准尺的一侧。观测员眼睛在目镜端上下移动，观察水准尺影像是否与十字丝有相对移动。若有，则说明存在视差，反复仔细调节目镜和物镜对光螺旋，直到水准尺影像与十字丝无相对移动为止。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,76
27、,精平从气泡观察窗内观察水准管气泡，旋转微倾螺旋，使气泡两端影像严密吻合（即气泡居中）注意转动微倾螺旋要徐徐而进，不宜太快；微倾螺旋转动方向与符合水准器气泡左侧影像移动方向一致。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,77,读数仪器精平后，应立即用十字丝的中丝在水准尺上读数。读数一般应为四位数，即米、分米、厘米和毫米；读数后应立即查看水准管气泡两端影像是否仍然吻合，若仍吻合，则读数有效，否则应重新使水准管气泡两端影像吻合后再读数。,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,78,十字丝与水准尺成像图,（中丝读数为1.612米，毫米级为估读数）,2023/3/9,中南大学测绘与国土信息工程系,79,请批评指正,
