工程测量第2章水准测量.ppt
郑州大学土木工程学院 宋建学,1,宋建学 郑州大学土木工程学院施工教研室郑州大学土木工程学院测量实验室2011-1,土木工程测量Civil Engineering Survey,郑州大学土木工程学院 宋建学,2,第2章 水准测量（4学时）内容：水准测量原理，DS3级水准仪构造，水准尺，尺垫，水准仪的使用，水准点。水准测量外业工程程序，水准测量的校核，水准测量数据的内业处理，精密水准测量，电子水准测量，自动安平水准仪，水准测量的误差分析理解：水准测量原理，DS3级水准仪的构造，精密水准测量，电子水准测量，自动安平水准仪熟悉：水准测量的误差分析掌握：水准仪的使用，水准点。水准测量外业工程程序，水准测量的校核，水准测量数据的内业处理,郑州大学土木工程学院 宋建学,3,高程是工程测量中三个基本量之一，在实际中具有重要的意义，如房屋的设计室内地坪测设，所有构件的安装测设，建筑沉降观测等都是以高程测量为依据的。高程测量按使用仪器和施测方法不同可分为水准测量、三角高程测量，其中水准测量（leveling survey）是最经典的测量方法，精度高、用途广，是高程测量中普遍采用的方法。,郑州大学土木工程学院 宋建学,4,2.1水准测量原理,水准测量是用水准仪和水准尺测定两固定点间高差,进而求得待测点高程。,如图所示，在A、B两点竖立水准尺，利用水准仪提供一条水平视线，水准尺上读数分别为a、b。若A点高程HA已知,则将A称为后视点，a为后视读数；未知高程点B为前视点，b为前视读数。则A、B两点高差为后视读数减前视读数，即：hAB=a-b=HB-HA,郑州大学土木工程学院 宋建学,5,、高差法,依据两点高差求待定点B高程，称为高差法。,HB=HA+hAB,、仪高法,利用视线高求高程的方法，称为仪高法。假设仪器的视线（视准轴）高程为Hi：,Hi=HA+a=HB+b,HB=Hi-b,在同一测站上，需要观测几个前视点的高程时，用仪高法是比较方便的。,郑州大学土木工程学院 宋建学,6,2.2水准测量的仪器和工具,水准测量所用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。,、DS3水准仪的构造,我国水准仪(level)系列分为四个等级，即DS05、DS1、DS3、DS10，其中“D”、“S”分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音字头，0.5、1、3、10为仪器精度，DS3表示水准仪每公里往返测高差偶然中误差不大于3mm。,郑州大学土木工程学院 宋建学,7,水准仪主要由望远镜、水准器、基座三部分构成,DS3水准仪构造,郑州大学土木工程学院 宋建学,8,目镜,水准管,圆水准器,底脚螺旋,物镜对光螺旋,水平微动螺旋,水平止动螺旋,微倾螺旋,DS3级水准仪实物,郑州大学土木工程学院 宋建学,9,郑州大学土木工程学院 宋建学,10,、水准尺,常见水准尺（staff）有塔尺和双面尺两种，由木材、铝合金等材料制成。塔尺多用于等外水准测量，双面尺多用于精度较高的水准测量。,a)双面尺 b)塔尺,郑州大学土木工程学院 宋建学,11,10mm分划水准尺（双面尺）,郑州大学土木工程学院 宋建学,12,5mm分划水准尺（塔尺）,郑州大学土木工程学院 宋建学,13,郑州大学土木工程学院 宋建学,14,郑州大学土木工程学院 宋建学,15,双面尺两根为一对，黑面为基本分划，底端起点为零，称主尺；红面为辅助分划，底端起点不为零，与黑面相差一个常数K，称副尺：在一对双面尺中，两根尺子的红面起始读数分别为K1=4.687mK24.787m红面起点不同，可配合使用，以免习惯性读数造成粗差注意：用主尺可以直接测量两点间高差；用副尺则必须对直接读数计算的高差加（或减）100mm，才能得到正确高差。,什么情况下加100mm，什么情况下减100mm？,郑州大学土木工程学院 宋建学,16,、尺垫(foot pin),由生铁铸成，下面有三个脚尖，能稳定地立于地上或踏入土中，上部中央有一凸起的半球体，供立尺之用。尺垫只限于用在转点上，以防水准尺下沉。,郑州大学土木工程学院 宋建学,17,2.3 水准仪的使用,水准仪的使用按以下五个步骤进行：,安置仪器,粗平,瞄准,精平,读数,粗平仪器,郑州大学土木工程学院 宋建学,18,、安置仪器在测站安置三脚架，使其高度适中，架头大致水平。调整水准仪三个脚螺旋大致等高，用连接螺旋将其安装在架头上。、粗平调节圆水准器气泡居中，从而视准轴粗略水平。调整步骤如图2.3-1所示，在整平过程中，气泡的移运方向与左手大拇指运动方向一致。、瞄准首先进行目镜对光，使十字丝清晰（因人而异）；然后进行物镜对光，使水准尺清晰，并消除视差。,郑州大学土木工程学院 宋建学,19,、精平调整微倾螺旋，使符合水准器的气泡两个半边影像符合，以使视准轴精密水平。左侧影像移动方向与右手大拇指转动的方向相同。,郑州大学土木工程学院 宋建学,20,、读数在视准轴精密水平时，用中丝在水准尺上读数。读数后，应立即查看符合水准器的气泡两个半边影像是否仍然符合，否则，应重新使气泡符合后再读数。读数时，先估读毫米数，然后报出全部读数。如读数为1.234米，习惯上只念“1234”四位数而不读小数点，即以毫米为单位。,郑州大学土木工程学院 宋建学,21,读数=?,读数=?,郑州大学土木工程学院 宋建学,22,读数,读数,郑州大学土木工程学院 宋建学,23,读数=?,读数=?,郑州大学土木工程学院 宋建学,24,2.4水准测量外业,、水准点,用水准测量方法测定的、高程达到一定精度的高程控制点称为水准点（benchmark）,简记为BM。埋设水准点后，应绘制水准点与附近固定物的关系图，在图上还要注明水准点的编号和高程，称为点之记，以便于日后寻找水准点位置之用。,郑州大学土木工程学院 宋建学,25,、水准测量的实施,当欲测的高程点距水准点较远或高差很大时，就需要多次安置仪器以测出两点的高差。此时设置转点（Turning Point 简记为TP）,连续观测，将数据记录在水准测量手簿中，并应注意前、后视水准尺应交替移动（测量中称为“倒尺”）。,水准测量的程序：,第一测站施测,架设设备,转站,郑州大学土木工程学院 宋建学,26,（1）、架设设备,将水准尺立于已知高程的水准点上作为后视，水准仪安置于水准路线附近的适当位置，在施测路线的前进方向上，在与后视距大致相等的地方放置尺垫作为转点TP，在尺垫上竖立水准尺作为前视。,郑州大学土木工程学院 宋建学,27,（2）第一测站施测,测量员将水准仪粗平后，瞄准后视尺，用微倾螺旋使管水准器气泡居中。用中丝读取后视读数a1，估读至mm。转动望远镜瞄准前视尺，精平后读取中丝读数b1，并由记录员立即计算本次高差h1=a1b1。此为第一测站的全部工作。,郑州大学土木工程学院 宋建学,28,（3）转站 第一测站施测结束后，记录员招呼后尺手沿水准路线向前转移，在适当位置设置下一个转点。然后，将水准仪迁至第二测站位置。此时，第一测站的前视点成为第二测站的后视点，重复第一测站上的工作，可以完成第二测站的测量，得到本站高差h2=a2b2，此步施测程序称为转站。重复转站工作，直至完成全部水准路线的观测为止，并得到各测站高差h3、h4 hn，则终点高程为：,郑州大学土木工程学院 宋建学,29,水准测量结果检校,测量工作的基本原则之是“本步不作检核不作下一步测量”，以保证观测精度。测量结果检核有三种常用方法：（1）测站检核为了避免离开测量现场后发现有不可弥补的错误，在每一个测站都必须进行测站检核。具体方法有变仪高法和双面尺法两种。（a）变仪高法：在同一测站位置上，采用两种不同的仪器视线高度测量高差。两次仪高通常相差10cm以上。当两次结果符合一定的误差限值时（四等水准测量，两次高差之差的绝对值不超过5mm），取平均值作为最终结果。,郑州大学土木工程学院 宋建学,30,（b）、双面尺法：采用双面尺，分别以黑面和红面进行测量。黑面为主尺，起点均为零，后视与前视之差即为高差。红面尺起点不一致（分别为4.787m和4.687m）。当前尺起点读数大时，计算结果加上100mm为实际高差；当前尺起点读数小时，计算结果减去100mm为实际高差。当两次结果误差小于一定限值时(如四等测量中为5mm)，取平均值作为最终结果。,起止点高差等于各段高差的代数和，且等于测量行程中后视总和减去前视总和。计算检核中只能检核计算过程中的错误，不能发现观测和记录时发生的错误。,（2）计算检核,郑州大学土木工程学院 宋建学,31,水准测量手簿（变仪高法）,郑州大学土木工程学院 宋建学,32,（3）成果检核,测站检核只能检核一个测站上误差不超限，不能保证全部测程上误差不会积累。测站误差有积累的可能，还必须对整个水准路线进行成果检核，以保证测量资料满足使用要求。成果检核有以下方法:,（a）、闭合水准路线(closed leveling route),起止于同一已知水准点的封闭水准路线，称为闭合水准路线。,郑州大学土木工程学院 宋建学,33,整个测程从起点回到终点，高差之和必等于零，即 h理=0。,由于存在测量误差，一般情况下高差之和h测不等于零，则称为高差闭合差（简称闭合差），记为 fh。,fh=h测,如闭合差fh小于某一限值时（由对应等级的精度指标控制），即为合格。但需要采用相应方法进行闭合差调整，最后得到各水准点的高程。,郑州大学土木工程学院 宋建学,34,（b）、附合水准路线(connecting leveling route),起止于两个已知水准点间的水准路线，称为附合水准路线。各段高差之和应等于终点高程减去起点高程，即 h理=H终-H始。,如果h测与h理不相等，两者之差即为高程闭合差 fh,fh=h测-（H终-H始）,附合水准路线,郑州大学土木工程学院 宋建学,35,（c）支水准路线(spur leveling route),从一已知水准点出发，终点不附合也不闭合于另一已知水准点的水准路线，称为支水准路线。支水准路线无检核条件，应进行往返观测，以资检核。,fh=h往+h返,当闭合差小于某一限值时，即为合格，但需要进行闭合差调整，最后得到各点的高程。,郑州大学土木工程学院 宋建学,36,2.5水准测量的内业,整理野外测量结果，计算高差闭合差，若闭合差在容许值范围内，则调整闭合差，最后计算各点高程，此项工作称为水准测量的内业。,四等水准测量闭合差容许值,等外水准（图根）闭合差限值,L_水准路线长度，以公里为单位n_水准路线测站数。,郑州大学土木工程学院 宋建学,37,附合水准路线的计算,例题【2.5.1】：如图所示，进行等外水准测量。已知A、B两点高程HA=90.000m、HB=91.754m,各测段高差与测站数如下：hA1=+0.624m,8站;h12=+0.763m、9站；h23=0.505m,7站；h3B=+0.831m、10站。求1、2、3点高程。,郑州大学土木工程学院 宋建学,38,（1）、将已知数据填入计算表格,（2）、计算高差闭合差,fh=h测-（H终-H始）,=（0.6240.7630.5050.831）(91.75490.000),=1.7131.754,=0.041（m）=-41（mm）,（3）、计算容许闭合差,郑州大学土木工程学院 宋建学,39,（4）、闭合差的调整,在同一条水准路线中，假定各测站产生误差的机会是相等的，则各测段产生误差的机会与其对应的距离或测站数成正比。,闭合差的调整原则：将闭合差反号，按上述假定分配到各测段或测站上。则各测段改正数Vi为：,式中：ni,Li第i 段的测站数和距离；ni,Li线路总测站数和总长。,郑州大学土木工程学院 宋建学,40,各测段改正数Vi与高差测量值hi相加，即得各测 段改正后高差hi改。,注意：由于DS3级水准仪只有估读到mm位，所以其测量结果只保留到mm位。在误差分配过程中可能会出现0.1mm位上的小数，此时可以按四舍五入的方法保留至整数，但要保证调整后的高差没有闭合差。,郑州大学土木工程学院 宋建学,41,每一站的改正数为,测段的改正数分别为V1=1.28=9.6=+10 mm V2=1.29=10.8=+11 mmV3=1.27=8.4=+8 mmV4=1.210=12=+12 mm Vi=+41 mm=fh=41 mm,说明计算无误。将各测段实测高差加上相应的改正数，便得到改正后的高差。改正后的高差总和应与A、B两点高差相等。,郑州大学土木工程学院 宋建学,42,（5）、计算待定点高程,郑州大学土木工程学院 宋建学,43,、闭合水准路线的计算,其闭合差为fh=h测，如在容许范围内，则计算步骤同附合水准路线。,、支水准路线的计算,支水准路线高差闭合差：fh=h往+h返,容许闭合差计算公式同前，n应为往测与返测测站数的平均值，L为往、返距离平均值。,调整后高差,符号与往返高差符号相同。,郑州大学土木工程学院 宋建学,44,2.6 精密水准测量,采用高精度的仪器、工具和测量方法所进行的每千米高差全中误差小于2mm的水准测量，称为精密水准测量。精密水准测量主要用于国家一、二级水准测量和高精度的工程测量中，例如建筑物沉降观测，大型精密设备安装等测量工作。,郑州大学土木工程学院 宋建学,45,、光学精密水准仪DS05、DS1,DS1级光学水准仪,郑州大学土木工程学院 宋建学,46,郑州大学土木工程学院 宋建学,47,郑州大学土木工程学院 宋建学,48,（1）、水准管分划值较小，一般为10/2 mm。（2）、望远镜放大率较大，一般不小于40倍；望远镜的亮度好，仪器结构稳定，受温度的变化影响小等。（3）、为了提高读数精度，精密水准仪上设有光学测微器，最小读数可达0.05mm。（4）、密水准仪配有精密水准尺，即因瓦合金尺（invar staff）。这种水准尺一般都是在木质尺身的槽内，引张一根因瓦合金带。在因瓦带上标有刻划，数字注在木尺上，精密水准尺的分划值有1cm和0.5cm两种，与之相适应，精密水准仪的测微尺范围也有1cm和0.5cm两种。,精密水准仪的构造与DS3水准仪基本相同，也是由望远镜、水准器和基座三部分组成。其不同之点是：,郑州大学土木工程学院 宋建学,49,光学测微器分划尺有100个分格，与水准尺上的分划值相对应。因瓦合金水准尺上的分划值为10mm或5mm，则测微尺能直接读到0.1mm或0.05mm。,右图所示为因瓦精密水准尺的一种，其分划值为1cm。水准尺全长3.2m，因瓦合金带上有两排分划，右边一排的注记数字自0cm至300cm，称为基本分划；左边一排注记数字自300cm至600cm，称为辅助分划。基本分划和辅助分划有常数差K=3.01550m，称为基辅差，其作用类似于双面尺，可以进行水准测量的测站校核。,郑州大学土木工程学院 宋建学,50,郑州大学土木工程学院 宋建学,51,精密水准仪的操作方法与一般水准仪基本相同，也需要在仪器精确整平后读数（用微倾螺旋使目镜视场左面的符合水准气泡半像吻合），但读数方法有所同。当光学测微器测出不足一个分格的数值时，即十字丝横丝往往不会恰好对准水准尺上某一整分划线，这时就要转动测微轮使视线上、下平行移动（实际视线高度并未变化，仅光路改变而已），使十字丝的楔形丝正好夹住个整分划线，读取整cm数。mm及以下位数由测微尺读出。,如图所示为N3水准仪的视场图，楔形丝夹住的读数为1.48m，测微尺的读数为6.50mm，所以全读数为：1.48650m。,郑州大学土木工程学院 宋建学,52,、电子水准仪,徕卡（Lecia,Switzerland）公司在20世纪90年代首次推出了利用影像处理技术自动读取高差和距离，并自动进行数据记录的全数字化电子水准仪，现已发展成为NA2000、NA2002、NA3000、NA3003四个型号。,郑州大学土木工程学院 宋建学,53,DNA03电子水准仪,郑州大学土木工程学院 宋建学,54,（1）、电子水准仪测量原理,电子水准仪使用的标尺与传统的标尺不同。它采用条形码尺，条形码印制在铟瓦合金条或玻璃钢的尺身上。观测时，标尺上的条形码由望远镜接收后，探测器将采集到的标尺编码光信号转换成电信号，并与仪器内部储存的标尺编码信号进行比较。在仪器中安置一传感器，由传感器通过调焦使标尺成像清晰。这一过程采集到调焦镜的移动量，对编码电信号进行缩放，使其接近仪器内部储存的信号，因此可以在较短的时间内确定读数。,郑州大学土木工程学院 宋建学,55,（2）、电子水准仪的特点,（a）、无疲劳观测及操作，只要照准标尺，调焦后按动测量键即可完成标尺读数和视距测量。（b）、采用REC模块自动记录和存储数据或直接连接电脑操作。（c）、自动计算高差。（d）、快速量测并提取成果，可见测尺范围30cm即可测量。（e）、含用户测量程序、视准差检测改正程序及水准网平差程序。（f）、全自动高精度以电子方式量测条形码标尺，能保证最佳精度。,郑州大学土木工程学院 宋建学,56,（3）、电子水准仪主要性能指标,精度（1km往返误差）NA2002 1.5mm,0.9mm（用铟钢尺）NA3003 1.2mm,0.4mm（用铟钢尺）测量范围 电子测量1.8m100m 光学测量0.6m 测距精度 1mm5mm 测量时间 4s 水准测量方式 NA2002 后前（B-F）NA3003 后前前后（B-F-F-B）,郑州大学土木工程学院 宋建学,57,水准网测量：二至四等水准（NA2002）一至二等水准（NA3003）,A地形测量：碎部及区域测量、等高线、控制点测定。B公路、铁路、建筑：区域和碎部水准、横断面、高程控制、坡度控制、确定路面磨损、后续监测。C管道、河道建设：管道定位、坡度控制、确定落差。D变形测量：沉降测量、检查负载的精密量测。E工业测量：机器、底座表面、地基、轴颈轴承、转台的精密测量。,应用范围,郑州大学土木工程学院 宋建学,58,2.7自动安平水准仪,自动安平水准仪只用圆水准器进行粗平，仪器借助于自身的补偿功能使视准轴水平，故不必精平即可读数。自动安平水准仪可以提高工效，且通常为正像，但光强不足，视距短。自动安平水准仪是用设置在望远镜内的自动补偿装置代替水准管，观测时，只需将水准仪上的圆水准器气泡居中，便可通过中丝读到水平视线在水准尺上的读数。由于仪器不用调节水准管气泡居中，从而简化了操作，提高了观测速度。现在工程中常用的水准仪大都是自动安平水准仪。,郑州大学土木工程学院 宋建学,59,自动安平水准仪,郑州大学土木工程学院 宋建学,60,2.8 微倾式水准仪的检验与校正,、仪器构造应满足的条件,为了保证仪器提供一条水平视线，水准仪的四条主要轴线：圆水准器轴LL、仪器竖轴VV、水准管轴LL和视准轴CC。它们应满足以下条件：,（1）、圆水准器轴应平行于仪器竖轴，即LL VV；（2）、十字丝中丝应垂直于竖轴；（3）、水准管轴应平行于视准轴，即LLCC。,为社会提供公正数据的测量设备必须由当地省、市级质量技术监督局校正，并出具合格证明（包括有效期限）,郑州大学土木工程学院 宋建学,61,国家质量技术监督局标志,河南省质量技术监督局,郑州大学土木工程学院 宋建学,62,i角检验校正示意图,、水准管轴平行于视准轴的检验与校正,郑州大学土木工程学院 宋建学,63,（1）、目的：满足条件LLCC，通过使水准管气泡居中，可以确保视准轴处于水平位置。（2）、检验：选择一平坦地段，安置水准仪，向左右各量出相等的4060米距离，定出A、B两点。用变仪高法精确确定A、B两点高差（两次相差不超过3mm），取其平均值作为A、B两点高差hAB。由于水准仪离两点距离相等，视准轴不平行于视准管轴所产生的读数误差h可在高差计算中自动消除，故hAB值不受视准轴误差的影响，可认为是正确高差。,郑州大学土木工程学院 宋建学,64,（3）、校正：先调节望远镜微倾螺旋，使中丝对准的读数恰为a2，然后调整管水准器校正螺丝，使水准管气泡居中。,将水准仪移动至离B点3m左右，精平仪器后，读出B点水准尺上的读数b2，由于仪器离B点较近，可将b2看作是视线水平时的读数。于是，水平视线在A点水准尺上的读数应为a2=b2+hAB，而实际在A尺上读数为a2。于是,对于DS3级水准仪来说，当i角小于20秒时可不校正。,2062651弧度,郑州大学土木工程学院 宋建学,65,2.9 水准测量的误差分析,水准测量，其误差来源可分为三类：仪器误差，观测误差，外界条件影响产生的误差。,、仪器误差,（1）、仪器校正后的残余误差，如LLCC条件 若不满足，误差与距离成正比。消除方法：使测站前后视距相等，即D前=D后。（2）、水准尺误差如水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等，因此，水准尺须经过检验才能使用。至于尺的零点差，可在水准测段中使测站为偶数从而予以消除。,郑州大学土木工程学院 宋建学,66,、观测误差,（1）、气泡居中误差：居中误差一般为0.15，采用符合式水准器时，气泡居中精度可提高一倍（2）、读数误差（3）、视差影响（4）、水准尺倾斜影响,郑州大学土木工程学院 宋建学,67,、外界条件影响产生的误差,（1）、仪器下沉 采用后-前-前-后的观测方法可削弱其影响。（2）、尺垫下沉 采用往返观测，取高差平均值的方法，可减弱其影响。（3）、地球曲率及大气折光影响 使前、后视距相等，可以消除或减弱其影响。（4）、温度影响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的升高，气泡向温度高的方向移动，从而影响仪器水平，产生气泡居中误差。观测时应注意为仪器撑伞遮阳。,郑州大学土木工程学院 宋建学,68,本章结束,
