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1、第二章,水准测量和水准仪,2-1,水准测量原理与方法,2-2,水准仪和水准尺,2-3,水准测量外业施测,2-4,水准测量的误差分析,2-5,水准仪的检验与校正,实,习,2-1,水准测量原理和水准仪,一、水准测量原理,1,、水准测量,(leveling),原理,a-,后视读数,b-,前视读数,如上图：,H,A,+a=H,B,+b,则,h,AB,=H,B,-H,A,=a-b,2,、水准测量方法,h,AB,h,AB,=h,1,+h,2,+,.,+h,n,=(,a,1,-b,1,)+(a,2,-b,2,)+,.+(a,n,-b,n,),=,?,a-,?,b,P,1,、,P,2,、,P,3,称为转点，起
2、传递高程的作用，必须,保持稳定不动。,3,、地球曲率的影响,当前后视距的距离相等时，地球曲率对一个测,量站的高差没有影响。,2-2,水准仪和水准尺,一、水准仪的基本部件,水准仪的型号有,DS,05,、,DS,1,、,DS,3,、,DS,10,等,1,、望远镜,(telescope),2,、水准器,3,、基座,二、测量望远镜的构造及其成像原理,a.,望远镜成象原理,b.,十字丝分划板,中丝、上丝、下丝，而上丝和下丝又称为视距丝,视准轴：物镜光心与十字丝分划中心的连线,c.,望远镜的使用,步骤：,1,、目镜调焦，使十字丝分划板最清晰；,2,、物镜,调焦，使目标的像最清晰。,视差,眼睛在目镜处上下移
3、动时，发现目标的像与十字,丝分划板相对移动的现象。,产生视差的原因：目标的像没有成像于十字丝分划板上。,视差的消除：,1,、按正确的操作步骤调焦；,2,、控制眼,睛本身不作调焦。,三、水准器及其灵敏度,圆水准器,用于仪器粗平,管水准器,用于仪器精平,a.,管水准器（水准管）（精平）,上刻有,2mm,间隔分划线，分划线与中间的零点成对称。,管水准轴,过零点与圆弧相切的切线。,管水准器是个玻璃容器，其纵剖面上内侧呈圆弧形。,刻划线对称中点处的切线就是水准管轴。“气泡居中”,即水准管轴水平。,分划值,相邻两分划线间弧长所对的圆心角值。,设弧长为,2,毫米，曲率半径为,R,毫米，,则分划值,2,?,?
4、,?,R,?,?,60,30,20,10,秒,一般,水准管的分划值与圆弧的半径,R,成反比。,水准管的灵敏度,气泡准确而快速移居管中最高位置的,能力。,水准管的灵敏度与水准管的圆弧的半径,R,、内表面的,研磨情况、液体的性质、气泡的长度和温度等有关：,?,管子内壁光滑，液体与内壁的附着力小，则气泡对倾,斜反映的灵敏度高,?,曲率半径大，分划值小则精度高,?,气泡长，两端清晰，读数误差小则精度高,?,?,符合棱镜系统,把水准气泡两端成象在一起便于观察。,若直接用肉眼观察则,?,?,因为玻璃有厚度，斜视时会产生视差,要同时观察气泡的两端才能判断气泡是否居中,?,用,符合棱镜系统,观察，可以避免上述
5、缺点。判断“气,泡居中”的精度约可提高一倍。,b.,圆水准器（粗平）,圆水准轴,零点与球心的连线,圆水准器是个玻璃容器，上面有同心圆的刻划。上盖,的内表面是圆球形，同心圆圆心处的曲率半径就是圆水,准器的轴。“气泡居中”即水准器的轴垂直。,四、水准尺和尺垫,水准尺分为黑面与红面，黑红面的零点差为,4.687,或,4.787,。,尺垫由生铁铸成，其作用是防止在观测过程中水准,尺下沉和变位，一般放置在转点处。,五、水准仪的使用,步骤：,1,、安置：,用连接螺旋把仪器固定在三脚架上,2,、粗平：,使三脚架架头大致水平,;,转动脚螺旋使圆,水准器的气泡居中,返回,3,、瞄准,调节目镜：,照准明亮的物体（
6、如白色的墙）调节,目镜使之适合自己的视力（十字丝最清晰）；,粗瞄准：,转动仪器，利用望远镜外壳上的准星瞄,准目标；,精确瞄准：,转动调焦螺旋使目标象清晰，直至无,“视差”。,用微动螺旋,慢慢转动望远镜，直至精确瞄准目标,为止（十字丝的纵丝靠近水准尺）,返回,4,、,精平,用微倾螺旋使水准管气泡居中（符合气泡符合）,5,、,读数,用十字丝的横丝在水准尺上读数（先读毫米数，,然后米，分米，厘米数。每次读四位数，“,0”,也,是必,须记录的数字。）,返回,六、自动安平水准仪,（一）自动安平水准仪的特点,1,、没有水准管和微倾螺旋；望远镜和支架连成一体,2,、测量时，只需粗平,（二）自动安平水准仪基本
7、原理,返回,自动安平补偿器结构,返回,七、电子水准仪,也称“数字水准仪”,?,具有自动安平功能。,?,自动显示水平视线读数和视距。,?,通过物镜获取水准尺图象，通过,仪器的处理系统，将图象信息转,换成数字显示。,?,能与计算机实现数据通讯。,?,基本避免了人为的观测误差（视,差、水准器精平误差、瞄准误差、,估读数误差）。,返回,Leica,电子水准仪图,条,码,尺,返回,2-3,水准测量外业施测,一、水准测量的主要技术要求,每公里,路线,等,高差,水准仪,中误差,长度,的,级,mm,km,型,号,二,三,2,6,50,水,准,尺,观,测,次,数,附合或,环,线,往返,各一次,往一次,往返各一次
8、,往返较差附合或,环线高差闭合差,平地,mm,山地,mm,与已知点,联,测,往返,各一次,往返,各一次,DS1,因瓦,DiNi12,条码,DS1,DS3,因瓦,双面,?,4,L,?,12,L,?,4,n,四,五,10,15,16,DS3,DS3,双面,单面,往返,各一次,往返,各一次,往一次,往一次,?,20,L,?,6,n,?,9,n,?,12,n,?,30,L,往一次,?,40,L,图,根,DS3,单面,往返各一,次,等,级,水准,前后视距不等差,m,仪,d,累积差,d,型,m,号,m,DS1,DS1,1,3,5,3,6,10,红黑面所,测,K+,黑,-,红,高差之差,mm,mm,0.5,
9、1,0.7,1.5,视,线,最长距离,m,中丝最,小读数,值,m,0.5,0.3,0.2,二,三,四,五,50,100,DS3,DS3,DS3,2,3,3,5,75,80,100,大致相等,注：二等水准视线长度小于,20m,时，其视线高度不应低于,0.3m,；,三、四等水准采用变仪高法观测单面水准尺时，所测两次高差较差，,应与黑面、红面所测高差之差的要求相同。,二、四等水准测量的观测步骤,1,、安置整平仪器，照准后尺黑面，调微倾螺旋使,符合水准器严密居中，依次读取上、下丝及中丝,读数，记入（,1,）、（,2,）、（,3,）栏中。,2,、转动仪器，照准前尺黑面，调微倾螺旋使符合,水准器严密居中，
10、依次读取上、下丝及中丝读数，,记入（,4,）、（,5,）、（,6,）栏中。,3,、前尺变红面朝向仪器，使符合水准器严密居中，,读取中丝读数，记入（,7,）栏。,4,、后尺变红面，仪器照准后尺红面，使符合水准,器严密居中，读取中丝读数，记入（,8,）栏。,以上观测顺序简称为：后前前后，或黑,黑红红。,水准测量记录手簿,2-4,水准测量的误差分析,一、仪器误差,1,仪器校正后的残余误差,i,角校正残余误差，这种影响与距离成正比，只要观测时注意前、,后视距离相等，可消除或减弱此项的影响。,2,水准尺误差,由于水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等影响，水准尺必须经,过检验才能使用。标尺的零点差可在一水准
11、段中使测站为偶数的,方法予以消除。,二、观测误差,1,水准管气泡居中误差,2,读数误差,在水准尺上估读毫米数的误差，与人眼的分辨能力、望远镜的放,大倍率以及视线长度有关,3,视差影响,当视差存在时，十字丝平面与水准尺影像不重合，若眼睛观察,的位置不同，便读出不同的读数，因而也会产生读数误差。,4,水准尺倾斜影响,水准尺倾斜将使尺上读数增大。,三、外界环境的影响,1,仪器下沉,由于仪器下沉，使视线降低，从而引起高差误差。采用“后、,前、前、后”的观测程序，可减弱其影响。,2,尺垫下沉,如果在转点发生尺垫下沉，将使下一站后视读数增大。采用往,返观测，取平均值的方法可以减弱其影响。,3.,大气折光影
12、响,对策是避免用接近地面的视线工作，尽量抬高视线，用前后,视等距的方法进行水准测量,。,4.,温度对仪器的影响,温度会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件,（物镜，十字丝和调焦镜）相对位置的变化，或者引起视准轴,相对与水准管轴位置的变化。由于光学测量仪器是精密仪器，,不大的位移量可能使轴线产生几秒偏差，从而使测量结果的误,差增大。,不均匀的温度对仪器的性能影响尤其大。例如从前方或后方,日光照射水准管，就能使气泡“趋向太阳”,-,水准管轴的零位,置改变了。,温度的变化不仅引起大气折光的变化，而且当烈日照射水准,管时，由于水准管本身和管内液体温度升高，气泡向着温度高,的方向移动，影响仪器水
13、平，产生气泡居中误差，观测时应注,意撑伞遮阳。,返回,2-5,水准仪的检,验与校正,水准仪应满足的主要,条件：,1,）圆水准器轴平行,于仪器纵轴,2,）十字丝的横丝,垂,直于纵轴,3,）水准管轴平行于,视准轴,一、圆水准器轴平行于仪器的竖轴的检验和校正,1,、检验,：,转动脚螺旋，使圆水准器的气泡居中，然后将仪器旋转,180,?,，如果气泡仍居中，则说明满足此条件，否则，需要校正。,2,、校正,：旋转脚螺旋使气泡向中心移动偏距的一半，然后用校正,针拨圆水准器底下的三个校正螺丝使气泡居中。在拨动各个校正,螺丝以前，应先松一下松紧螺丝，校正完毕后勿忘把松紧螺丝再,旋紧。此项检验和校正应反复进行，直
14、至满足条件为止。,二、十字丝横丝应直于竖轴的检验和校正,1,、检验,精平仪器后，用十字丝横丝一端对准某一标志,A,，拧紧制,动螺旋，转动微动螺旋的同时观察,A,点的移动轨迹与十字丝横丝,是否重合，如果重合，则说明满足此条件，否则，需要校正。,2,、校正,打开十字丝分划板的护盖，松开十字丝分划板座上四个固,定螺丝，轻轻地转动分划板座，使横丝与,A,点的移动轨迹重合。,此项检验和校正应反复进行，直到,A,点的移动轨迹与十字丝横丝,重合为止。最后，拧紧固定螺丝，旋上十字丝分划板护盖。,三、水准轴平行于视准轴的检验和校正,1,、,i,角误差的对读数的影响,2,、,i,角误差的对测高差的影响,3,、,i
15、,角误差的检验原理,在地面选定两个固定点,A,、,B,，在不同的位置测出,A,、,B,的两次高差,4,、检验,（,1,）在比较平坦的地面上选取距离为,20.6,米的,A,、,B,两点，然,后在,BA,延长线上选取一点,1,，使,1,到,A,的距离等于,20.6,米，最后在,AB,延长线上选取,2,点，使,2,点到,B,点的距离也等于,20.6,米。,（,2,）在,A,、,B,两点放上尺垫并在尺垫上竖立水准尺，在,1,点架设水,准仪分别读取在,A,、,B,两点所竖立的水准尺上的中丝读数,a,1,、,b,1,（为了提高,a,1,、,b,1,的精度，可在,A,、,B,两点水准尺上读中丝读数,3,至,
16、4,次，然后取其平均值）；,（,3,）将水准仪搬至,2,点，以同样的方法分别获取,A,、,B,两点所竖立,的水准尺上的中丝读数,a,2,、,b,2,；,（,4,）根据下式即可计算出水准轴与视准轴之间的夹角,i,角：,5,、校正,此时仪器在,2,点，先计算,出视准轴水平时在,A,尺上的,正确读数,a,2,?,=a,2,-5*i,，然后,转动微倾螺旋，使,A,尺上的,中丝读数变为,a,2,?,，此时水准,管气泡必然不居中，用校正,针拨动水准管上、下两校正,螺丝，使气泡重新居中。此,项检验与校正应反复进行，,直至,i,角误差在规定的限差,之内为止,。,返回,四、注意事项,1,、水准轴平行于视准轴的检
17、验和校正是水准仪的主要检,校项目，应认真进行。,2,、根据检校原则，应按照操作步骤一步一步地进行检验,和校正。,3,、由于初学者缺乏经验，校正应在教师或专业技术人员,的指导下进行。,返回,实习六,水准仪的认识,一、实习内容,1,、了解水准仪的基本构造,2,、学会水准仪的使用,(,安置、粗平、瞄准、精平,),3,、练习读数,(,黑、红面,),4,、练习如何使前后视距相等,二、实习要求,1,、黑红面读数差,3mm,2,、前后视距差,5m,3,、读数前一定要精平水准仪。,实习七,四等水准测量,一、实习内容,用四等水准测量方法测一闭合环,二、实习要求,1,、实习前了解四等水准测量各项限差,2,、每个测
18、站必须符合限差后才能搬站，转点严格保持不,动。,3,、闭合环测站数必须为偶数站。,4,、每个同学轮流完成记录、观测及立尺,作。,5,、闭合环高差闭合差,20,S,(,mm,),6,、实习结束后，各小组上交水准测量记录手簿,实习八,水准仪的检校,一、实习内容,进行水准仪的各项检校，包括以下项目：,1,、圆水准器轴平行于仪器的竖轴的检验和校正,2,、十字丝横丝垂直仪器旋转轴的检校,3,、水准轴平行于视准轴的检校,(i,角检校,),二、实习要求,1,、,i,角检校须进行两次，两次测得的,i,角之差不超过,15,2,、用于三、四等水准测量的仪器,i,角,得大于,20,，否则应,进行校正。,3,、实习结束后各小组上交水准仪,i,角,检验表,
