1、水准测量基本原理水准测量基本原理 高程的定义：高程的定义： 地面点沿铅垂线到大地水准面的距离称该点的绝对高程或地面点沿铅垂线到大地水准面的距离称该点的绝对高程或海拔，简称高程海拔，简称高程(height)。通常用加点名作下标表示。通常用加点名作下标表示,如如HA、HB。高程系是一维坐标系，基准高程系是一维坐标系，基准是大地水准面。是大地水准面。因海水面受潮汐、风浪等影因海水面受潮汐、风浪等影响，它的高低时刻在变化。响，它的高低时刻在变化。在海边设立验潮站在海边设立验潮站(tide gauge station)，进行长期观测，求得海，进行长期观测，求得海水面的平均高度作为高程零点，水面的平均高度
2、作为高程零点，以通过该点的大地水准面为高程以通过该点的大地水准面为高程基准面基准面(height datum)。也即大地水准面上的高程恒为零也即大地水准面上的高程恒为零。水准测量基本原理水准测量基本原理水准测量基本原理水准测量基本原理水准测量基本原理水准测量基本原理例例1 1：已知点已知点A A的高程为的高程为H HA A=52.623m=52.623m，后视读数，后视读数a=1.571ma=1.571m，前视读数，前视读数b=0.685mb=0.685m，求，求B B点高程。点高程。 根据高程测量原理： hAB = a - b =1.571-0.685 =0.886 mB点高程为： HB =
3、HA+ hAB = 52.6230.886 = 53.509 m前进方向图2.1大地水准面HA+aHAAaHBhABbB水准测量基本原理水准测量基本原理例例2 2： 已 知已 知 A A 点 高 程点 高 程H HA A=423.518m=423.518m，要测，要测出某水平场地待定点出某水平场地待定点1 1、2 2、3 3的高程。的高程。标尺ab1b2b3读数1.5630.9531.1521.328视线高程视线高程Hi=HA+a=23.5181.56325.081m各待定点高程分别为：各待定点高程分别为：H1Hib125.0810.95324.128mH2Hib225.0811.15223.
4、929mH3Hib325.0811.32823.753m在安置一次仪器需求出几在安置一次仪器需求出几个点的高程时，视线高法个点的高程时，视线高法比高差法方便，因而视线比高差法方便，因而视线高法在地形测量和施工测高法在地形测量和施工测量中被广泛采用。量中被广泛采用。水准测量基本原理水准测量基本原理转点、测站1234CDE转点：转点：如果两点如果两点A、B之间的距离较远，或高差较大时之间的距离较远，或高差较大时 仅安置一次仪器不能测得仅安置一次仪器不能测得A、B的高差，需加设的高差，需加设 若干临时的立尺点，作为传递高程的过渡点。若干临时的立尺点，作为传递高程的过渡点。测站：每安置一次仪器称为一个
5、测站测站：每安置一次仪器称为一个测站水准测量基本原理水准测量基本原理123CDE若若A A、B B 两点间布设一些过渡点（转点）两点间布设一些过渡点（转点）1 1、2 2、3 3，将其分为，将其分为n n段段，则用水准仪分别测得各段高差为，则用水准仪分别测得各段高差为h h1 1， h h2 2 h hn n，则有：，则有：hAB=h1+ h2+ hn =(a a1 1-b-b1 1)+(a)+(a2 2-b-b2 2)+)+(a+(an n-b-bn n) = a-a- b b水准测量仪器和工具水准测量仪器和工具仪器：仪器：1 1、按精度划分、按精度划分 可分为可分为DSDS0505、DSD
6、S1 1、DSDS3 3、DSDS1010等四个等级等四个等级2 2、按结构划分、按结构划分 可分为微倾式水准仪、自动安平水准仪和电子水准仪等可分为微倾式水准仪、自动安平水准仪和电子水准仪等 DD大地测量仪器大地测量仪器 S S水准仪水准仪 数字数字 表示仪器的精度，即每千米往、返测得高差中数的中误差表示仪器的精度，即每千米往、返测得高差中数的中误差（mmmm）。）。 水准仪的作用是提供一条水平视线；水准仪的作用是提供一条水平视线； 工程测量中常使用工程测量中常使用DS3DS3型水准仪，该仪器型水准仪，该仪器 精度为精度为3mm/km3mm/km。 其中：其中：DS3微倾式水准仪主要由主要由望
7、远镜望远镜、水准器水准器、基座基座三部分组成三部分组成自动安平水准仪利用自动安平补偿器代替 水准管，使视准轴水平。特点：1、视准轴自动安平；2、提高水准测量精度；3、减少操作步骤，提高工作效率。DSZ3自动安平水准仪DSZ2自动安平水准仪自动安平水准仪主要用于一、二等水准测量和精密工程测量。特点：1、结构精密、性能稳定、测量 精度高；2、望远镜放大率不小于40倍；3、水准管分划值为10/2mm；4、采用光学测微器读数，可直 接到0.1mm，估读到0.01mm；5、配专用精密水准尺；操作方法与DS3水准仪基本相同。激光水准仪激光水准仪激光水准仪有水准仪、激光水准仪有水准仪、激光器、电源等组成激光
8、器、电源等组成特点：1、视准轴为一束 红色可见光。2、广泛应用于水平 场地的测设、 大型设备安装。 电子水准仪水准测量仪器和工具水准测量仪器和工具水准尺、尺垫水准尺、尺垫水准测量仪器和工具水准测量仪器和工具水准尺水准尺材料干燥的木料、铝合金、因钢尺构造 折尺、塔尺、直尺长度 2m、3m、5m 水准尺的要求：水准尺的要求：直、变形小、刻划精确、观测时应竖直常用三、四等水准测量的水准尺为木质3m的、双面水准尺，黑面尺（主尺）底端刻划为0，而红面尺（辅助尺）底端刻划分别为4687mm、4787mm。尺垫：尺垫：放在过渡点上即转点上，传递高程用。防止点位移动和水准尺下沉。DS3DS3微倾式水准仪的构造
9、微倾式水准仪的构造主要由主要由望远镜望远镜、水准器水准器、基座基座三部分组成三部分组成望远镜望远镜DS3DS3微倾式水准仪的构造微倾式水准仪的构造望远镜望远镜1物镜2目镜3调焦镜4十字丝分划板5调焦螺旋视准轴：物镜光心与十字丝中心的连线。十字丝分划板：由横丝（中丝）、纵丝（竖丝）构成。称视距丝：竖丝上互相平行的短丝。j视准轴：视准轴：望远镜物镜的光心与十字丝交点的连线。j视差：视差：当望远镜瞄准目标后，眼睛在目镜处上下左右作少量的移动，发现十字丝和目标有相对的运动，这种现象称为视差。j视差产生的原因：视差产生的原因：目标通过物镜之后的像没有与十字丝分划板重合。j消除视差的方法：消除视差的方法：
10、转动目镜，使十字丝由不清晰至清晰的初始位置，然后在瞄准目标由物镜调焦螺旋使目标也能看清楚。眼睛应放松。DS3DS3微倾式水准仪的构造微倾式水准仪的构造消除视准差的方法消除视准差的方法DS3DS3微倾式水准仪的构造微倾式水准仪的构造DS3微倾式水准仪的构造微倾式水准仪的构造管水准器：水准管零点、水管水准器：水准管零点、水准管轴、水准管分划值；准管轴、水准管分划值；符合水准管：符合水准管：水准器水准器圆水准器：圆水准器零点圆水准器：圆水准器零点、圆水准器轴、圆水准管、圆水准器轴、圆水准管分划值；分划值；DS3DS3微倾式水准仪的构造微倾式水准仪的构造水准管水准管的零点：水准管的零点：在水准管上刻有
11、2mm的分划线，分划线与中间的S点成对称，S点称为零水准管的水准轴：水准管的水准轴：过零点S与圆弧相切的切线LL水准管的分划值水准管的分划值 ：相邻两分划线间弧长所对的圆心角，也称灵敏度。R越大，越小，灵敏度越高一般为630 DS3 : R=20.6265米 =20，表示为20/2mm R2DS3DS3微倾式水准仪的构造微倾式水准仪的构造符合水准器符合水准器符合水准器符合水准器在水准管上装有符合棱在水准管上装有符合棱镜系统，通过符合棱镜镜系统，通过符合棱镜系统将气泡两端的影像系统将气泡两端的影像反射到同一平面上，影反射到同一平面上，影像底端符合，则气泡居像底端符合，则气泡居中。气泡不符合的位置
12、中。气泡不符合的位置正好是符合位置的两倍正好是符合位置的两倍，可使气泡居中的精度，可使气泡居中的精度提高一倍。提高一倍。DS3DS3微倾式水准仪的构造微倾式水准仪的构造圆水准器圆水准器是将一圆柱形的玻璃盒子装嵌在金属筐内，盒内部是 装满酒精或氯华锂后加热密封的。盒顶面的内壁磨成圆球形，顶面的中央划一小圆，其圆心S即为圆水准器的零点。连接S与球面的球心O的直线称为圆水准器的水准轴。作用：粗略整平结构：如图所示 精度：一般为5 10/2mm（气泡中心偏离零点2mm所对的圆心角）当气泡位于圆内中央位置时，圆水准器的水准轴即成竖直，切于零点的平面也就成水平了。圆水准器的灵敏度较低，常用于粗略整平。DS
13、3DS3微倾式水准仪的构造微倾式水准仪的构造基座基座轴座：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：连接三脚架水准仪的使用水准仪的使用水准仪的安置水准仪的安置安置方法安置方法 打开三脚架并使高度适打开三脚架并使高度适中，目估使架头大致水平，脚中，目估使架头大致水平，脚架伸缩螺旋拧紧适度。架腿安架伸缩螺旋拧紧适度。架腿安置稳固。置稳固。 打开仪器箱取出水准仪打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固连在三脚架头将仪器牢固地固连在三脚架头上。上。水准仪的使用水准仪的使用仪器粗平仪器粗平 气泡未居中而位于a 处，则先按图上箭头所指的方向用两手
14、同时相对转动脚螺旋和，气泡将沿和连线方向移动，使气泡移到b的位置。 然后单独转动脚螺旋，气泡将沿和连线垂线方向移动，使气泡居中。如有偏差可重复进行。原则：气泡移动的方向始终和左手大拇指移动的方向一致。粗平方法：（左手法则）粗平方法：（左手法则）水准仪的使用水准仪的使用调焦和照准调焦和照准将望远镜对准明亮目标，旋转目镜，使十字丝成像清晰水准仪的使用水准仪的使用调焦和照准调焦和照准转动照准部使准星、照门、目标（尺）共一线，然后制动望远镜。水准尺粗略瞄准粗略瞄准水准仪的使用水准仪的使用调焦和照准调焦和照准转动物镜调焦螺旋，使目标成像清晰。物镜调焦物镜调焦水准仪的使用水准仪的使用精平精平转 动 微倾
15、螺 旋使 符 合水 准 管气 泡 符合 ， 即成U形。水准仪的使用水准仪的使用读数读数在气泡成U形后即可读数。读数规则由小向大方向读取。读数前应消除视差视差现象：产生视差的原因：视差的危害：消除视差方法：水准仪的使用水准仪的使用水准仪的使用水准仪的使用水准尺的读数水准尺的读数水准测量的方法水准测量的方法水准点水准点水准点：水准测量的方法测定其的方法测定其高程的控制点。高程的控制点。水准点分：永久点、临时点。点之记：记录水准点位的略图。12.411.77.5BM4BM3BM5水准测量的方法水准测量的方法水准测量的方法（线路观测方法）水准测量的方法（线路观测方法）AB12hA1h2BhABh12h
16、AB= h = hA1+h12+h2B=(a1-b1)+(a2-b2)+(a3-b3)=ab多测站水准测量原理多测站水准测量原理水准测量的方法水准测量的方法 水准测量的方法（测站观测方法）水准测量的方法（测站观测方法）双仪高法双仪高法aba b为进行测站检核，各测站的观测为进行测站检核，各测站的观测采用两次仪器高法或双面尺法。采用两次仪器高法或双面尺法。1()2hhh水准测量的方法水准测量的方法 水准测量的方法（测站观测方法）水准测量的方法（测站观测方法）双面尺法双面尺法1()2hhh a双面尺法：是仪器高度保持不变，分别对尺子双面尺法：是仪器高度保持不变，分别对尺子的的黑面黑面、红面红面进行
17、观测。进行观测。babhabhab水准测量的方法水准测量的方法双仪高法记录计算双仪高法记录计算测站点名后视读数/mm前视读数/mm高程/m1A53.428TP12TP1TP23TP2TP31134113416771677-0.5431011101115541554-0.543高差/m-0.543平均高差/m1444144413241324+0.1201624162415081508+0.116+0.1181822182208760876+0.9461710171007640764+0.946+0.946A123水准测量的方法水准测量的方法水准测量的方法水准测量的方法 水准路线成果计算水准路线成
18、果计算水准路线水准路线水准测量所经过的路线，称为水准路线。水准路线常布设成闭合水准路线、附合水准路线和往返支水准路线等。A123B12水准测量的方法水准测量的方法 水准路线成果计算水准路线成果计算附合水准路线的计算附合水准路线的计算MN12MN段实测值高差与MN两点已知高差的差值，称高差闭合差。 112()()hMfhhhhHH测起终NM涵义：涵义：表达式：测段M1122N高差h1h2h3测站数n1n2n3距离L1L2L31、计算计算高差闭合差高差闭合差水准测量的方法水准测量的方法 水准路线成果计算水准路线成果计算附合水准路线的计算附合水准路线的计算MN12测段M1122N高差h1h2h3测站
19、数n1n2n3距离L1L2L3分配方法：将闭合差反号后，按与距离或测站数成正比分配于各测段。表达式：hiiffhvnvLiinL 或 条件：闭合差不大于限差。2、高差闭合差的分配、高差闭合差的分配水准测量的方法水准测量的方法 水准路线成果计算水准路线成果计算附合水准路线的计算附合水准路线的计算3、未知点高程计算1112122MHHhvHHhv计算检核：hvfHH 终计终知水准测量的方法水准测量的方法闭合水准路线的计算闭合水准路线的计算A123 闭合水准路线成果计算，除闭合差的计算形式与附合水准不同外，改正数的计算、改正后高差计算、待定点高程计算均与附合水准计算方法一样。hfh测闭合差的计算：水
20、准路线成果计算水准路线成果计算水准测量的方法水准测量的方法水准路线成果计算水准路线成果计算支线水准路线的计算支线水准路线的计算 支线水准路线成果计支线水准路线成果计算是取往返测高差的平均算是取往返测高差的平均值，作为高差的最或是值值，作为高差的最或是值（改正后高差），然后进（改正后高差），然后进行高程的计算。行高程的计算。 高差闭合差是用往高差闭合差是用往返测高差的差值进行与限返测高差的差值进行与限差比较的。差比较的。(hhh返往)/2 符号取往测高差符号高差的计算：高差的计算：水准测量成果计算实例水准测量成果计算实例点号长度/km测量高差/m1234563757.4hfmmL每千米改正数f
21、= 4040 7.4109Lmm允+2.331+2.813-2.244+1.4301.62.11.72.0-8-11-8-10+2.323+2.802-2.252+1.42045.28647.60950.41148.15949.579A010203B7.4+4.330-37+4.2931.6+2.3312.1+2.8131.7-2.2442.0+1.430AB010203改正数/m改正后高差/m高程/mHB - HA = 49.579 - 45.286= + 4.293fh=h-(HB-HA) =+4.330-4.293 =+37mmf允计算说明水准测量成果计算实例水准测量成果计算实例水准测量
22、误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准测量的误差来源与减弱措施水准测量的误差来源与减弱措施误差来源误差分项主要措施水准管轴不平行于视准轴 仪器架在两标尺中间仪器和工具误差 水准尺分划误差 使用检验合格标尺水准尺零点误差采用偶数测站视差调焦使成象最佳读数误差放大倍数、视距符合要求观测误差水准管气泡居中误差 使符合气泡严格居中水准尺倾斜误差标尺竖直仪器及尺垫下沉误差踏实三角架及尺垫外界条件的影响 地球曲率及大气折光的影响 仪器架在两标尺中间大气温度和风力的影响选择良好的观测时段水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准测量误差包括仪器误差、观测误差、外界环境的影响三个方面水准测量误差的主要
23、来源水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准管气泡居中的误差Sm 1 . 0居中Sm 21 . 0居中符合水准器：表示每弧度对应的秒）距离水准管分划值(206265: S水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准尺零点误差 前、后两水准尺的零点不一致。如由于尺子的磨前、后两水准尺的零点不一致。如由于尺子的磨损等原因，可以采用高程点之间测量损等原因，可以采用高程点之间测量偶数站偶数站的方法。的方法。水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准尺竖立不直的误差水准尺竖立不直的误差aa)cos1)()cos1()co
24、s1)()cos1(coshhhbabahaaaaaa一个测站：一条水准路线：对读数的影响：和高差的大小有关水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源仪器升沉误差2a1a仪器下沉：21/bb2()(2)()()22112211babahhhbahbah红黑红黑采用后前前后的观测程序、作业很熟练、硬的路面观测可减小误差水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源水准尺下沉2b1a1b2a)()()(11222211ababhbabah返往）（2返往hhh往返观测取平均可减小尺子的升沉误差水准测量误差的主要来源水准测量误差的主要来源 1）视线高出地面0.3m， 2）选择合适的天气（阴天、晚上、无
25、风等） 3）避开不利的环境（日出后、日落前半小时、 中午、大风等）在晴天，地面温度高，空气的密度较上面的稀，光线向上折射。大气折光的影响水准仪的主要轴线主要轴线：视准轴CC 水准管轴LL 仪器竖轴VV 圆水准器轴水准仪的检验与校正水准仪的检验与校正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：水准管的水准轴和望远镜的视准轴平行水准管的水准轴和望远镜的视准轴平行望远镜的视准轴不因调焦而变动位置圆水准器的水准轴和仪器的旋转轴平行2、水准仪应满足的次要条件有：十字丝的横丝应当与仪器的旋转轴垂直圆水准器的水准轴与仪器的圆水准器的水准轴与仪器的旋转轴的平行的检验与校正旋转轴的平行的检验与校正圆
26、水准器的水准轴与仪器的旋转轴的平行的检验与校正VVLLVVLL2检验：先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后旋转180，检查气泡是否居中。校正：用校正螺钉校一半，反复检查，反复校正。校正：用校正螺钉校一半，反复检查，反复校正。水准仪的检验与校正十字丝横丝应与仪器旋转轴垂直的检验与校正AAAA校正：校正：松开目镜保护盖，放松十字丝环的校正螺钉转松开目镜保护盖，放松十字丝环的校正螺钉转 动十字丝环动十字丝环水准仪的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正望远镜的视准轴和水准管的水准轴是空间的两条直望远镜的视准轴和水准管的水准轴是空间的两条直线线。在竖直面上的投影是否平行的检验称为在竖直
27、面上的投影是否平行的检验称为 i角检验。角检验。在水平面上的投影是否平行的检验称为交叉误差的在水平面上的投影是否平行的检验称为交叉误差的检验。检验。水准仪的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正1、i角对读数和高差的影响 ABaaxbbxaSbSiiStgiSxaaaABABbabaABhhxxbaxbxah)()()()()(babaABSSixxh向上倾斜i 角的符号为正水准仪的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正2、检验i角的基本原理 BASBS)(BAABA
28、BSSihhA AS BS)( BAABABSSihh)()( BABAABABSSSShhi水准仪的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正第一种检验i角的方法 BASBSA AS BS)()( BABAABABSSSShhiBASS BAABABSShhi水准仪的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正第二种检验i角的方法 BASBSA AS BS)()( BABAABABSSSShhi)( SSBABASS)( 2 BAABABSShhi水准仪的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正望远镜的视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正校正：校正：1、B点一端的仪器不动，计算点一端的仪器不动，计算A标尺的正确读标尺的正确读数数 2、用微倾螺旋使读数对准、用微倾螺旋使读数对准3、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2a
