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第第4章章 水准测量和水准仪水准测量和水准仪 4.1 4.1 水准测量原理水准测量原理前进方向前进方向水平视线水平视线大地水准面大地水准面HiHAHBAB后视尺后视尺前视尺前视尺abh hABAB水准测量原理：根据水平视线测定两点之间的高差水准测量原理：根据水平视线测定两点之间的高差4.2 4.2 水准仪和水准尺水准仪和水准尺一、水准仪种类与构造一、水准仪种类与构造1 1、种类：、种类：微微倾倾式式自自动动安安平平式式数数字字式式2 2、水准仪的组成、水准仪的组成望远镜作用：提供观测视线和读数。望远镜作用：提供观测视线和读数。视准轴：物镜光心与十字丝交点的连线。视准轴：物镜光心与十字丝交点的连线。整平设备：使望远镜接受水平光线整平设备：使望远镜接受水平光线水准器：用于微倾式水准仪水准器：用于微倾式水准仪结构：结构：圆圆水水准准器器管管水水准准器器符符合合水水准准管管分划值与灵敏度分划值与灵敏度分划值与灵敏度成反比分划值与灵敏度成反比圆圆水水准准器器分分划划值值：2 21010/2mm-用用于于粗粗略整平视线。略整平视线。管管水水准准器器分分划划值值：6 630 30/2mm/2mm用用于于精确整平视线。精确整平视线。微倾式水准仪轴线关系微倾式水准仪轴线关系圆水准器轴圆水准器轴竖轴；竖轴；水准管轴水准管轴视准轴；视准轴；十字丝横丝十字丝横丝竖轴。竖轴。VVLL LLCC自动安平补偿器自动安平补偿器读数设备读数设备直读式：普通水准仪采用直读式：普通水准仪采用0741074114971497正像望远镜正像望远镜倒像望远镜倒像望远镜直读直读+测微器：精密水准仪采用测微器：精密水准仪采用读数：读数：148.655cm148.655cm轴座脚螺旋底板三角压板基座基座作用：支撑仪器上部并与三脚架相连作用：支撑仪器上部并与三脚架相连二、水准尺与尺垫二、水准尺与尺垫1 1、水准尺种类：、水准尺种类：2 2、尺垫、尺垫尺垫尺垫:转点立尺用。转点立尺用。三、水准仪使用三、水准仪使用2 2、粗平：、粗平：3 3、瞄准：、瞄准：1 1、安置：脚架高度合适，架腿分布两侧，架头水平。、安置：脚架高度合适，架腿分布两侧，架头水平。目镜调焦：将十字丝调清晰；目镜调焦：将十字丝调清晰；粗粗略略瞄瞄准准：通通过过瞄瞄准准器器使使望望远远镜镜对对准准目目标标，水水平平制制动动锁锁定；定；1233123124、精确整平、读数：微倾水准管气泡居中，快速读数。、精确整平、读数：微倾水准管气泡居中，快速读数。物镜调焦：移动调焦透镜，使物像成像于十字丝分划板；物镜调焦：移动调焦透镜，使物像成像于十字丝分划板；精确瞄准：水平微动仪器，尺像移至竖丝旁；精确瞄准：水平微动仪器，尺像移至竖丝旁；一、名词与概念：一、名词与概念：水水准准点点（bench bench markmark，BMBM）：利利用用水水准准测测量量方方法法测测高程的高程控制点。永久性，临时性。高程的高程控制点。永久性，临时性。4.34.3水准测量外业实施水准测量外业实施水准路线：通过水准测量将水准点联系起来的路线。水准路线：通过水准测量将水准点联系起来的路线。(3)(3)支水准路线支水准路线(1)(1)附附合水准路线合水准路线(4)(4)水准网水准网(2)(2)闭合闭合水准路线水准路线432BMABMB1BMA1232BMA1BMABMBBMC123二、普通水准测量二、普通水准测量普通水准测量一测站观测方法普通水准测量一测站观测方法双双面面尺尺法法：利利用用双双面面尺尺两两次次观观测测高高差差，同同尺尺双双面面读读数数互互差不超差不超3mm3mm，高差互差不超，高差互差不超6mm6mm（对等外水准）。（对等外水准）。测站：安置仪器的地点。测站：安置仪器的地点。转点（转点（Turning Point/TPTurning Point/TP）：传递高程的临时立尺点。）：传递高程的临时立尺点。测段：两水准点之间的一段水准路线。测段：两水准点之间的一段水准路线。变变仪仪器器高高法法：两两次次安安置置仪仪器器高高差差观观测测，高高差差互互差差不不超超6mm（对等外水准）。（对等外水准）。返回返回注意：注意：测站检核正确后方可迁站；测站检核正确后方可迁站；迁站过程中前视点尺垫不能移动。迁站过程中前视点尺垫不能移动。普通水准测量一测段观测实施普通水准测量一测段观测实施测站测站测点测点后视读数后视读数前视读数前视读数高高 差差(m)平均平均高差高差(m)高程高程(m)计计 算算检检 核核1BMATP125150964565072031551155315522TP1TP215631387607762490176017201743TP2TP313502100075067906034075607534TP3TP409322024-109267145620-1094-10935TP4BMB0876077254605562-01020103 392043663825661283(a-b)/2=1283 h/2=1283 K=4687K=4687-0104普通水准测量外业检核普通水准测量外业检核测站检核测站检核双面尺法及变仪器高法双面尺法及变仪器高法计算检核计算检核路线检核路线检核 理论：理论：实际：实际：理论：理论：实际：实际：普通水准测量内业计算普通水准测量内业计算2、闭合差调整：、闭合差调整：依据测段高差误差与测段长度依据测段高差误差与测段长度li（或测站（或测站数数ni)成正比成正比 3、改正后高差：、改正后高差：4、高程推算：、高程推算：（见图表）（见图表）（见图表）1、闭合差计算：、闭合差计算：（见图表）-三、国家三、四等水准测量三、国家三、四等水准测量 一测站上水准仪照准双面水准尺的一测站上水准仪照准双面水准尺的顺序顺序为：为：1.照准后视标尺黑面，进行视距丝、中丝读数；照准后视标尺黑面，进行视距丝、中丝读数；2.照准前视标尺黑面，进行中丝、视距丝读数；照准前视标尺黑面，进行中丝、视距丝读数；3.照准前视标尺红面，进行中丝读数；照准前视标尺红面，进行中丝读数；4.照准后视标尺红面，进行中丝读数；照准后视标尺红面，进行中丝读数；即即“后前前后后前前后”（黑、黑、红、红）（黑、黑、红、红）等等级级仪器仪器类型类型标准标准视线视线长度长度后前后前视距视距差差后前视后前视距差累距差累计计黑红面黑红面读数差读数差黑红面黑红面所测高所测高差之差差之差检测间检测间歇点高歇点高差之差差之差三三等等S365m3.0m6.0m2.0mm 3.0mm 3.0mm四四等等S380m5.0m10.0m3.0mm 5.0mm 5.0mm测测站站编编号号点点号号后尺后尺 上上丝丝 前尺前尺 上上丝丝方向方向及及尺号尺号标尺读数标尺读数(m m)黑黑+K红红(mm)高差中高差中数数(mm)下下丝丝下下丝丝后视距后视距(mm)前视距前视距(mm)黑面黑面红面红面视距差视距差d d(m)d d(m)(1)(5)后后(3)(8)(10)(18)(2)(6)前前(4)(7)(9)(12)(13)后前后前(16)(17)(11)(14)(15)1ATP1后后1前前2后前后前1525152513421342183183-0.4-0.41268126810811081187187-0.4-0.41432143211721172+0260+02606220622058605860+0360+0360-1-1-1-10 0+0260+02604.4 4.4 水准测量的误差分析水准测量的误差分析 一、仪器误差一、仪器误差1 1、视准轴与水准管轴不平行的误差、视准轴与水准管轴不平行的误差 (1 1)i 角对读数的影响角对读数的影响 (2 2)i 角对高差的影响角对高差的影响 2 2、水准尺误差、水准尺误差 水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等，会影响水准测量水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等，会影响水准测量的的精度，因此，水准尺需经过检验才能使用。精度，因此，水准尺需经过检验才能使用。一一对对水水准准尺尺的的零零点点差差，可可在在一一测测段段中中使使测测站站数数为为偶偶数数的的方方法予以消除。法予以消除。二、二、观测误差观测误差.精平误差：严格精平，快速读数。精平误差：严格精平，快速读数。.调焦误差：前、后视间物镜调焦，改变调焦误差：前、后视间物镜调焦，改变 i 角。角。前、后视距相等可避免调焦。前、后视距相等可避免调焦。.估读误差：与视线长度有关，应控制视距长度。估读误差：与视线长度有关，应控制视距长度。.水准尺倾斜误差：水准尺倾斜误差：尺子水准器气泡居中；尺子水准器气泡居中；前后前后 晃尺法（普通水准）。晃尺法（普通水准）。三、外界环境的影响三、外界环境的影响1 1、水准仪、水准尺下沉误差、水准仪、水准尺下沉误差水水准准仪仪在在测测站站上上随随安安置置时时间间的的增增加加而而下下沉沉，采采用用“后后前前前前后后”的的观观测测程程序序可可减减少少仪仪器器下下沉沉对对高差的影响。高差的影响。消消除除水水准准尺尺下下沉沉的的影影响响，办办法法有有：踩踩实实尺尺垫垫；观观测测间间隔隔间间将将水水准准尺尺从从尺尺垫垫上上取取下下，以以减减小小下下沉沉量量；采采用用往往返返观观测测，取取高高差差平平均均值值的的方法可减弱其对高差影响。方法可减弱其对高差影响。2 2、地球曲率及大气折光影响、地球曲率及大气折光影响地势平坦时对读数影响地势平坦时对读数影响地势平坦时对高差影响地势平坦时对高差影响当当DA=DB时，时，fA=fB，地面坡度较大时大气折光对高差影响地面坡度较大时大气折光对高差影响视线应高出地面视线应高出地面0.30.3m选择合适的天气选择合适的天气避开不利的环境避开不利的环境3 3、日照及风力引起的误差、日照及风力引起的误差光照会造成仪器各部分受热不均使轴线关系改变；光照会造成仪器各部分受热不均使轴线关系改变；风大时会使仪器抖动、不易精平等；风大时会使仪器抖动、不易精平等；消除和减弱其影响的方法：选择好的天气测量，给仪器消除和减弱其影响的方法：选择好的天气测量，给仪器打伞遮光等。打伞遮光等。4.5 4.5 水准仪的检验与校正水准仪的检验与校正 一、水准仪应满足的条件一、水准仪应满足的条件1、水准仪应满足的主要条件有：、水准仪应满足的主要条件有：水准管的水准轴应与望远镜水准管的水准轴应与望远镜 的视准轴平行的视准轴平行 望远镜的视准轴不因调焦望远镜的视准轴不因调焦 而变动位置而变动位置2、水准仪应满足的次要条件有：、水准仪应满足的次要条件有：圆水准器的水准轴应与仪器的旋转轴平行圆水准器的水准轴应与仪器的旋转轴平行十字丝的横丝应与仪器的旋转轴垂直十字丝的横丝应与仪器的旋转轴垂直二、水准仪的检验与校正二、水准仪的检验与校正1、圆水准器水准轴应与仪器旋转轴平行的检验和校正、圆水准器水准轴应与仪器旋转轴平行的检验和校正（1）检验原理）检验原理（2 2）检验方法）检验方法 先用脚螺旋将圆水先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后将准器气泡居中，然后将仪器旋转仪器旋转180180，若气，若气泡有了偏移，则表明条泡有了偏移，则表明条件没有满足。件没有满足。气泡偏移弧长代表气泡偏移弧长代表了仪器旋转轴和水准轴了仪器旋转轴和水准轴的交角的两倍。的交角的两倍。（3）校正）校正用圆水准器校正螺钉来实现。用圆水准器校正螺钉来实现。分分别别调调动动三三个个校校正正螺螺钉钉使使气气泡泡向向居居中中位位置置移移动动偏偏离离量量的的一一半半见见图图(a)(a)；用用脚脚螺螺旋旋将将仪仪器器整整平平，则则仪仪器器旋旋转转轴轴处处于于竖竖直直状状态，见图态，见图(b)(b)。(a)(a)(b)(b)2 2、十字丝横丝应与仪器旋转轴垂直的检验和校正、十字丝横丝应与仪器旋转轴垂直的检验和校正（1）检验原理）检验原理（2）校正）校正校正用校正用十字丝校正十字丝校正螺钉螺钉进行。放松校进行。放松校正螺钉使整个十字正螺钉使整个十字丝环转动，让横丝丝环转动，让横丝与图中所示的虚线与图中所示的虚线位置重合或平行。位置重合或平行。3 3、望远镜视准轴应与水准管水准轴平行的检验和校正、望远镜视准轴应与水准管水准轴平行的检验和校正望远镜视准轴与水准管轴望远镜视准轴与水准管轴在在竖直面竖直面上的投影是否平行的检验称为上的投影是否平行的检验称为i角角检验检验。在在水平面水平面上的投影是否平行的检验称为上的投影是否平行的检验称为交叉误差交叉误差检验。检验。检验检验i角的基本原理角的基本原理在地面选定两个固定点在地面选定两个固定点、B，测出，测出、B 间间的两次高差的两次高差hAB和和h/AB 。设仪器存在。设仪器存在i角误差。角误差。(1)(1)微倾式水准仪微倾式水准仪i角的检验与校正角的检验与校正主条件误差及其分量主条件误差及其分量返回检验检验规范规范规定用于一、二等规定用于一、二等水准测量的仪器水准测量的仪器i角不得角不得大于大于1515；用于三、四；用于三、四等的仪器等的仪器i角不得大于角不得大于2020。校正校正仪器在仪器在B点一端不动，计算点一端不动，计算A点标尺的正确读数点标尺的正确读数a2 2 用微倾螺旋使读数对准用微倾螺旋使读数对准a2。调节校正螺钉使水准管气泡居中。调节校正螺钉使水准管气泡居中。实际操作时，需先实际操作时，需先后紧。后紧。校正的实质是先将视线水平，即读数对准，然后校校正的实质是先将视线水平，即读数对准，然后校正水准轴至水平位置。正水准轴至水平位置。检验校正应反复进行，直到符合要求为止。检验校正应反复进行，直到符合要求为止。（2 2）微倾式水准仪交叉误差的检验与校正）微倾式水准仪交叉误差的检验与校正水准测量时仪器旋转轴横向倾斜，水准测量时仪器旋转轴横向倾斜，可能转变为可能转变为i角误差角误差，用符号用符号i表示。表示。交交叉叉误误差差在在一一个个测测站站上上的的影影响响是是系系统统性性的的，它它与与前前、后视距离之和成正比。后视距离之和成正比。交交叉叉误误差差在在高高差差中中的的影影响响对对各各个个测测站站而而言言是是偶偶然然性性的。的。在水准测量中，仪器竖轴的倾斜方向相对于三脚架大体保持在在水准测量中，仪器竖轴的倾斜方向相对于三脚架大体保持在某一固定的位置，三脚架的某两个脚如果固定在线路的一方，某一固定的位置，三脚架的某两个脚如果固定在线路的一方，仪器竖轴的倾斜方向没有变化，各测站仪器竖轴的倾斜方向没有变化，各测站在水准测量成果中的在水准测量成果中的影响便是系统性的。影响便是系统性的。水准测量水准测量规范规范规定：应使其中两脚与线路规定：应使其中两脚与线路方向平行，而第三脚轮换置于路线方向的左侧与右侧。方向平行，而第三脚轮换置于路线方向的左侧与右侧。三、自动安平水准仪补偿器性能的检验三、自动安平水准仪补偿器性能的检验在较平坦地方选择在较平坦地方选择A、B两点，两点，AB长约长约100m100m左右，在左右，在A、B点点各钉入一木桩（或用尺垫代替），将水准仪置于各钉入一木桩（或用尺垫代替），将水准仪置于AB连线的中连线的中点，并使两个脚螺旋中心的连线点，并使两个脚螺旋中心的连线(为讲述方便称为第为讲述方便称为第1 1、2 2脚螺脚螺旋旋)与与AB连线方向垂直。连线方向垂直。降降低低第第3 3个个脚脚螺螺旋旋，使使仪仪器器向向下下（或或上上）倾倾斜斜，测测出出两两点点间间的的高差；高差；升升高高第第3 3个个脚脚螺螺旋旋，使使仪仪器器向向上上（或或下下）倾倾斜斜，测测出出两两点点间间的的高差；高差；首首先先用用圆圆水水准准器器将将仪仪器器置置平平，测测出出A A、B B两两点点间间的的高高差差h hABAB，此值作为正确高差；此值作为正确高差；升高第升高第3 3个脚螺旋，使圆水准器气泡居中；个脚螺旋，使圆水准器气泡居中；升升高高第第1 1个个脚脚螺螺旋旋，使使后后视视时时望望远远镜镜向向左左（或或向向右右）倾倾斜斜，测测出两点间的高差；出两点间的高差；无无论论上上、下下、左左、右右倾倾斜斜，仪仪器器的的倾倾斜斜角角度度均均由由圆圆水水准准器器气气泡泡位位置置确确定定，四四次次倾倾斜斜的的角角度度应应相相同同，一一般般取取补补偿偿器器所所能能补偿的最大角度。补偿的最大角度。将仪器倾斜时测得的将仪器倾斜时测得的4 4次高差与次高差与正确高差正确高差相比较，视其差数相比较，视其差数确定补偿器的性能；对于普通水准测量，此差数一般应小于确定补偿器的性能；对于普通水准测量，此差数一般应小于5mm5mm。降降低低第第1 1个个脚脚螺螺旋旋，使使后后视视时时望望远远镜镜向向右右（或或向向左左）倾倾斜斜，测出两点间的高差。测出两点间的高差。四、水准尺的检验四、水准尺的检验区格式木质水准尺区格式木质水准尺1.一般检视一般检视2.圆水准器的检验与校正圆水准器的检验与校正3.水准尺分划的检验水准尺分划的检验水准尺每米平均真长的测定水准尺每米平均真长的测定 每米长度误差，不得超过每米长度误差，不得超过0.5mm水准尺每分米分划误差的测定水准尺每分米分划误差的测定 分划线位置误差不得超过分划线位置误差不得超过0.1mm水准尺红黑面零点差的测定水准尺红黑面零点差的测定 应为应为4687或或4787mm一对水准尺黑面零点差一对水准尺黑面零点差 设置偶数测站设置偶数测站