第四章高程测量.docx
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第四章高程测量
第4章水准测量
第一讲
教学目标:
1、掌握水准测量原理
2、熟练掌握水准仪操作步骤
重点难点:
重点:
1、水准测量原理
2、水准仪的操作步骤
教学内容:
高程测量的概念根据已知点高程,测定该点与未知点的高差,然后计算出未知点的高程的方法。
高程测量的方法分类按使用的仪器和测量方法分为:
水准测量、三角高程测量、气压高程测量、GPS测量
§4.1水准测量原理
一、水准测量原理
水准测量的原理是利用水准仪提供的“水平视线”,测量两点间高差,从而由已知点高程推算出未知点高程。
a后视读数A后视点
b——前视读数B——前视点
1、A、B两点间高差:
hAB=ab
2、由高差hAB,若已知A点高程Ha,则可得B点的高程为:
(高差法)
HB=HAhAB。
3、视线高程:
(场地平整时常采用此方法)
Hi=HAa
Hb=Hib
4、转点TP(TurningPoint)和测站
转点的作用:
传递高程
iii
hAB="h「a-'b
iii
结论:
A、B两点间的高差hAB等于后视读数之和减去前视读数之和
§4.2水准测量的仪器和工具
水准测量所使用的仪器为水准仪,工具有水准尺和尺垫。
国产水准仪按其精度分,有DS05,DS1,DS3及DS10等几种型号。
其中“D”表示大地测量,“S'表示水准仪,下标表示仪器的精度等级。
一、DS3微倾式水准仪的构造(仪器演示)
DS水准仪主要由望远镜、水准器及基座三部分组成。
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。
2、水准器
水准器有两种:
圆水准器——精度低,用于粗略整平。
水准管——精度高,用于精平。
特性:
气泡始终向高处移动。
3、基座
基座的作用是支承仪器的上部,并通过连接螺旋与三脚架连接。
二、水准尺和尺垫
1.水准尺
(1塔尺其长度有3m5m两种,尺的底部为零点,在米和分米处有数字注记。
(2)双面水准尺尺长为3m两根尺为一对。
尺的双面均有刻划,一面
为黑白相间,称为黑面尺(也称主尺);另一面为红白相间,称为红面尺(也称辅尺)。
(详细讲解该尺的使用方法)
2.尺垫(尺垫只能放在转点上,已知点和待求点上不允许放置尺垫)
是由生铁铸成,尺垫放置在转点上,为防止观测过程中水准尺下沉。
4.3水准仪的使用
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(边讲边演示)
(1)高度适中(仪器高度与观测者的身高相适宜)
(2)架头大致水平
(3)拧紧固紧螺旋
二、粗略整平(边讲边演示)通过调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。
规律:
气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致。
三、瞄准水准尺
(1)目镜调焦松开制动螺旋,将望远镜转向明亮的背景,转动目镜对光螺旋,使十字丝成像清晰。
(2)初步瞄准通过望远镜筒上方的照门和准星瞄准水准尺,旋紧制动螺旋。
(3)物镜调焦转动物镜对光螺旋,使水准尺的成像清晰。
(4)精确瞄准转动微动螺旋,使十字丝的竖丝瞄准水准尺边缘或中央。
(5)消除视差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。
产生的原因:
水准尺的尺像与十字丝平面不重合。
消除方法:
仔细反复交替调节目镜和物镜对光螺旋。
四、精确整平(边讲边演示)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。
说明:
若使用自动安平水准仪,仪器无微倾螺旋,故不需进行精平工作
五、读数
精平后,用十字丝的中丝在水准尺上读数。
方法:
米、分米看尺面上的注记,厘米数尺面上的格数,毫米估读。
规律:
读数在尺面上由小到大的方向读。
故对于望远镜成倒像的仪器,即从上往下读,望远镜成正像的仪器,即从下往上读。
(举例)
布置作业:
P1291、2
第4章水准测量
第二讲
教学目标:
1、掌握水准路线的布设形式及水准测量外业施测方法
2、掌握水准测量内业成果整理步骤
重点难点:
重点:
水准测量外业施测方法及内业成果整理
难点:
水准测量闭合差的分配。
教学内容:
§4.4水准测量的方法
、水准点和水准路线
1、水准点(BenchMark)
通过水准测量方法获得其高程的高程控制点,称为水准点,一般用BM表
示。
有永久性和临时性水准点两种。
2、水准路线(levelingline)
水准测量施测时所经过的路线,称为水准路线。
布设形式:
(1)闭合水准路线:
由已知点BM1――已知点BM1(用于大面积工程)
(2)附合水准路线:
由已知点BM1――已知点BM2(用于线路工程)
(3)支水准路线:
由已知点BM1――某一待定水准点A。
Q待测定髙桂点
支水推骑歧
已知高段点
、水准测量的方法、记录计算及注意事项如下图所示,已知水准点BMA的咼程为HA,现欲测定B点的咼程HB
进行方向
1、观测与记录
(1)一个测站的观测程序
1)在已知高程的水准点上立水准尺,作为后视尺。
2)在转点上放置尺垫,在尺垫上竖立水准尺作为前视尺。
3)安置水准仪于两点大致中间位置,使圆水准气泡居中。
4)瞄准后视尺消除视差,精确整平后,用中丝读数,并计入手簿
5)瞄准前视尺消除视差,精确整平后,用中丝读数,并计入手簿
6)计算两点之间的高差
(2)记录(参看教材Pio6表4.1讲解)
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
h厂_b1
h2=a?
一b2
h5=a5-b5
将上述各式相加,得
hAB="h二・a_'b
则B点高程为:
HB=HAhAB二HA'h
(2)计算检核:
刀a-刀b=Eh=H_HA
3、水准测量的测站检核
(1)变动仪器高法:
(边演示边讲解)
要求:
两次高差之差w±5mm
(2)双面尺法:
(用于三、四等水准测量)(演示讲解)
要求:
两次高差之差w±5mm
三、水准测量的成果处理与计算
(一)水准测量内业计算步骤
1、计算闭合差:
fh八h测-'h理
(1)闭合水准路线:
花h测八h理二〉.h测
(2)附合水准路线:
fh='h测二人理='h测-(H终—H始)
(3)支水准路线:
仏八h往•ah返
2、计算高差闭合差容许值
[fh容=±401’L适用于平原区
对于普通水准测量,有:
h容
[fh容=±12Jn适用于山区
式中,仏容——高差闭合差限差,单位:
mm
L——水准路线长度,单位:
km;n——测站数
3、高差闭合差的调整
分配原则:
按与距离L或测站数n成正比,将高差闭合差反号分配到各段高差上。
fh
检核:
二:
Vi--fh
4、计算改正后的高差
hi改二hiM
检核:
刀hi改=日终-H始
5、计算各待定点的高程
用改正后的高差和已知点的高程,来计算各待定点的高程。
(二)水准测量的成果实例
【例1】如图为按图根水准测量要求施测某附合水准路线观测成果略图。
BMA和BMB为已知高程的水准点,图中箭头表示水准测量前进方向,路线上
方的数字为测得的两点间的高差(以m为单位),路线下方数字为该段路线的长
度(以km为单位),试计算待定点1、
+2,813
2、
3点的高程。
0M-A
.579
解算如下:
(1)计算咼差闭合差:
fh='h测一(H终一H始)=4.330-4.293=37(mm)
(2)计算容许值:
fh容二-40L=_407.4二_108.8(mm)
因为fh£fh容,可进行闭合差分配
(3)计算每改正数:
每km改正数为:
fh/刀L=37/7.4=5
各段高差改正数:
v=v0n。
舍六入后,使Vj=-fh。
故有:
Vi=-8mm,V2=-11mm,V3=-8mm,V4=-10mm。
(4)计算改正后的高差
hi改=h+Vj
^改=①w二2.323mh2改二h2v2=2.80m
h3改二h3v3=-2.252mh4改二h4v4=1.42m
检核:
'0改";4293m=HB-HA
(5)计算1、2、3点的高程
比=Ha入改=45.2862.323=47.609m
H2=H1h2改=47.6092.802=50.411m
H3=H2h3改=50.411—2.252=48.159m
Hb=H3h4改工48.1591.420=49.579m
检核:
HB推算=HB
【例2】如下图为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H为45.276m,1点为待定高程的水准点,往返测量的观测高差标注于图上。
往、返测的测站数共16站,求1点的高程。
h返=—2.520m
解:
(1)计算高差闭合
fh==h往h返“!
2.532(一2.520=0.012m12mm
(2)计算高差闭合差容许值
fh容=12'、n=1216=:
48mm
因|fh|<|fh容I,说明野外观测成果合格。
(3)计算平均高差
2.532m2.520m
2.526m
(4)计算待定点咼程
H"二HAhA4二45.276m2.526m二47.802m
布置作业:
P1303
第4章水准测量
第三讲
教学目标:
1掌握普通水准仪的检校方法、自动安平水准仪的使用
2、了解精密水准仪的使用方法。
重点难点:
普通水准仪i角的检验
教学内容:
§4.5水准仪的检验与校正
一、水准仪应满足的几何条件
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,水准仪在结构上应满足如下图所示的条件。
(1圆水准器轴L'L'应平行于仪器的竖轴VV
(2)十字丝的中丝应垂直于仪器的竖轴VV;
(3)水准管轴LL应平行于视准轴CC。
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。
二、水准仪的检验(要求只会检验即可)
1、圆水准器轴L'L'平行于仪器的竖轴VV的检验
旋转脚螺旋使圆水准器气泡居中,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。
2、十字丝中丝垂直于仪器的竖轴的检验(画图讲解)
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,然后旋紧制动螺旋,转动微动螺旋,如果目标点不离开中丝,则表示中丝垂直于仪器的竖轴;如果目标点离开中丝,则需要校正。
3、水准管轴平行于视准轴的检验(即?
角的检验)
在较平坦的地面上选择相距约80m的A、B两点,打下木桩或放置尺垫。
用皮尺丈量,定出AB的中间点Co
(1)在C点处安置水准仪,用变动仪器高法,连续两次测出AB两点的高差,若两次测定的高差之差不超过3mm则取两次高差的平均值hAB作为最后结果。
由于距离相等,视准轴与水准管轴不平行所产生的前、后视读数误差Xi相等,故高差hAB不受视准轴误差的影响。
(2在离B点大约3m左右的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:
a2二b2hAB
然后,瞄准A点水准尺,读出中丝的读数比,如果a2'与a2相等,表示两
轴平行。
否则存在?
角,其角值为:
i=a2a2
DAB
式中Dab——AB两点间的水平距离(m);
i——视准轴与水准管轴的夹角(〃);
P――一弧度的秒值,p=206265〃。
对于DS3型水准仪来说,?
角值不得大于20〃,如果超限,则需要校正。
§4.6水准测量误差来源及其影响
、仪器误差
1、水准管轴与视准轴不平行误差
水准管轴与视准轴不平行,虽然经过校正,仍然可存在少量的残余误差。
这种误差的影响与距离成正比,只要观测时注意使前、后视距离相等,便可消除此项误差对测量结果的影响。
2、水准尺误差
由于水准尺刻划不准确、尺长变化、弯曲等原因,会影响水准测量的精度因此,水准尺要经过检核才能使用。
二、观测误差(此类误差不能消除只能严格按照操作程序操作)
1、水准管气泡的居中误差
2、估读水准尺的误差
3、视差的影响误差
4、水准尺倾斜的影响误差
三、外界条件的影响误差
1、水准仪下沉误差
由于水准仪下沉,使视线降低,而引起高差误差。
如采用“后、前、前、
后”的观测程序,可减弱其影响。
2、尺垫下沉误差
如果在转点发生尺垫下沉,将使下一站的后视读数增加,也将引起高差的
误差。
采用往返观测的方法,取成果的中数,可减弱其影响。
为了防止水准仪和尺垫下沉,测站和转点应选在土质实处,并踩实三脚架
和尺垫,使其稳定。
3、地球曲率及大气折光的影响
地球曲率和大气折光的影响,可采用使前、后视距离相等的方法来消除。
4、温度的影响误差
温度的变化不仅会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,气泡向着温度高的方向移动,从而影响了水准管轴的水平,产生了气泡居中误差。
所以,测量中应随时注意为仪器打伞遮阳。
4.7精密水准仪、自动安平水准仪和电子水准仪
一、精密水准仪简介
1.精密水准仪精密水准仪与一般水准仪比较,其特点是能够精密地整平视线和精确地读取读数。
为此,在结构上应满足:
(1水准器具有较高的灵敏度。
如DS水准仪的管水准器t值为10〃/2mm
(2)望远镜具有良好的光学性能。
如DS1水准仪望远镜的放大倍数为38倍,望远镜的有效孔径47mm视场亮度较高。
十字丝的中丝刻成楔形,能较精确地瞄准水准尺的分划。
(3)具有光学测微器装置。
可直接读取水准尺一个分格(1cm或0.5cm)的1/100单位(0.1mm或0.05mm,提高读数精度。
(4)视准轴与水准轴之间的联系相对稳定。
精密水准仪均采用钢构件,并且密封起来,受温度变化影响小。
2.精密水准尺精密水准仪必须配有精密水准尺。
这种尺一般是在木质尺身的槽内,安有一根因瓦合金带。
带上标有刻划,数字注在木尺上。
精密水准尺须与精密水准仪配套使用。
精密水准尺上的分划注记形式一般有两种:
一种是尺身上刻有左右两排分划,右边为基本分划,左边为辅助分划。
基本分划的注记从零开始,辅助分划的注记从某一常数K开始,K称为基辅差。
另一种是尺身上两排均为基本划分,其最小分划为10mm但彼此错开5mm尺身一侧注记米数,另一种侧注记分米数。
尺身标有大、小三角形,小三角形表示半分米处,大三角形表示分米的起始线。
这种水准尺上的注记数字比实际长度增大了一倍,即5cm注记为1dm因此使用这种水准尺进行测量时,要将观测高差除以2才是实际高差。
3.精密水准仪的操作方法
精密水准仪的操作方法与一般水准仪基本相同,只是读数方法有些差异。
在水准仪精平后,十字丝中丝往往不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,十字丝的楔形丝正好夹住一个整分划线,被夹住的分划线读数为mdmcm此时视线上下平移的距离则由测微器读数窗中读出mm实际读数为全部读数的一半。
二、自动安平水准仪自动安平水准仪与微倾式水准仪的区别在于:
自动安平水准仪没有水准管
和微倾螺旋,而是在望远镜的光学系统中装置了补偿器。
1.视线自动安平的原理
当圆水准器气泡居中后,视准轴仍存在一个微小倾角a,在望远镜的光路
上安置一补偿器,使通过物镜光心的水平光线经过补偿器后偏转一个B角,仍
能通过十字丝交点,这样十字丝交点上读出的水准尺读数,即为视线水平时应该读出的水准尺读数。
由于无需精平,这样不仅可以缩短水准测量的观测时间,而且对于施工场地地面的微小震动、松软土地的仪器下沉以及大风吹刮等原因,引起的视线微小倾斜,能迅速自动安平仪器,从而提高了水准测量的观测精度。
2.自动安平水准仪的使用使用自动安平水准仪时,首先将圆水准器气泡居中,然后瞄准水准尺,等待2〜4秒后,即可进行读数。
有的自动安平水准仪配有一个补偿器检查按钮,每次读数前按一下该按钮,确认补偿器能正常作用再读数。
三、电子水准仪简介电子水准仪的主要优点是:
(1)操作简捷,自动观测和记录,并立即用数字显示测量结果。
(2)整个观测过程在几秒钟内即可完成,从而大大减少观测错误和误差。
(3)仪器还附有数据处理器及与之配套的软件,从而可将观测结果输入计算机进入后处理,实现测量工作自动化和流水线作业,大大提高功效。
1.电子水准仪的观测精度
电子水准仪的观测精度高,如瑞士徕卡公司开发的NA2000型电子水准仪的分辨力为0.1mm每千米往返测得高差中数的偶然中误差为2.0mmNA3003型
电子水准仪的分辨力为0.01mm每千米往返测得高差中数的偶然中误差为
0.4mm。
2.电子水准仪测量原理简述与电子水准仪配套使用的水准尺为条形编码尺,通常由玻璃纤维或铟钢制成。
在电子水准仪中装置有行阵传感器,它可识别水准标尺上的条形编码。
电子水准仪摄入条形编码后,经处理器转变为相应的数字,在通过信号转换和数据化,在显示屏上直接显示中丝读数和视距。
3.电子水准仪的使用
NA2000电子水准仪用15个键的键盘和安装在侧面的测量键来操作。
有两行LCD显示器显示给使用者,并显示测量结果和系统的状态。
观测时,电子水准仪在人工完成安置与粗平、瞄准目标(条形编码水准尺)后,按下测量键后约3〜4秒既显示出测量结果。
其测量结果可贮存在电子水准仪内或通过电缆连接存入机内记录器中。
另外,观测中如水准标尺条形编码被局部遮挡V30%,仍可进行观测。
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