《测量学》教学课件02水准测量.pdf

测测 量量 学学西南交通大学出版社第第2 2章章水准测量水准测量目录2 2. .1 1水准测量原理水准测量原理2.2 2.2 水准测量的仪器、工具及操作方法水准测量的仪器、工具及操作方法2.3 2.3 水准测量的施测及成果处理水准测量的施测及成果处理2.4 2.4 水准仪的检验和校正水准仪的检验和校正2.5 2.5 水准测量误差的主要来源及减弱措施水准测量误差的主要来源及减弱措施2.6 2.6 数字水准仪和精密水准测量简介数字水准仪和精密水准测量简介本章小结本章小结习习题题本章要点本章要点本章主要介绍了水准测量的原理本章主要介绍了水准测量的原理，水准仪的构造水准仪的构造、使用和使用和检验校正检验校正，水准测量的施测程序水准测量的施测程序、成果数据处理及误差分成果数据处理及误差分析析并简要介绍了自动安平水准仪并简要介绍了自动安平水准仪、数字水准仪的原理以数字水准仪的原理以及精密水准测量及精密水准测量本章重点为水准测量原理本章重点为水准测量原理、水准仪的技水准仪的技术操作术操作、水准测量的外业施测程序及内业成果数据处理水准测量的外业施测程序及内业成果数据处理难点为成果检核和闭合差调整方法难点为成果检核和闭合差调整方法。

01水准测量原理水准测量原理水准测量的原理水准测量的原理：利用水准仪提供的水平视线，读取两点上水准尺的读数，从而测得两点间的高差，再由已知点的高程推算出未知点的高程水准测量原理水准测量原理如图2.1所示，为了确定AB两点间的高差和B点的高程，在两个点上分别竖立水准尺，在两点中间架设水准仪，利用水准仪提供的水平视线，读取A、B两点上水准尺的读数a、b，则两点间的高差为：= 若水准测量的施测方向是从A点向B点进行，则A点称为后视点，水准尺为后视尺，其读数a为后视读数；B点称为前视点，水准尺为前视尺，其读数b为前视读数两点间的高差也可以写为：=后视读数前视读数图2.1 水准测量原理如果后视读数大于前视读数，则高差为正，表示B点比A点高；如果后视读数小于前视读数，则高差为负，表示B点比A点低已知A点的高程，A、B两点的高差为，则B点的高程可按下式计算：= + B点的高程也可以通过水准仪视线的高程（简称视线高）计算，视线高用表示即= + = + 则B点高程为：= + 运用视线高法可以方便地在同一测站上测出若干个前视点的高程，这种方法在工程施工测量中比较常用水准测量原理水准测量原理02水准测量的仪器、水准测量的仪器、工具及操作方法工具及操作方法水准测量的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。

水准仪按精度分为DS05、DS1、DS3、DS10几种等级D”和“S”是“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音的第一个字母，其下标的数值为仪器的精度，以mm计，表示仪器每千米往返测高差中数的中误差DS05、DS1型水准仪一般称为精密水准仪，主要用于国家一、二等水准测量和精密工程测量；DS3、DS10型水准仪称为工程水准仪或普通水准仪，主要用于国家三、四等水准测量和常规工程建设测量水准仪按其结构可以分为微倾式水准仪、自动安平水准仪和电子水准仪等类型水准测量的仪器、工具及操作方法水准测量的仪器、工具及操作方法DSDS3 3型微倾式水准仪的构造及使用型微倾式水准仪的构造及使用基基 座座基座的作用是承托仪器上部结构以及用于仪器整平，其主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成仪器上部通过竖轴插入轴座内，脚螺旋用于调整圆水准器气泡居中，底板通过连接螺旋与下部三脚架连接望远镜望远镜望远镜的主要作用是瞄准目标并在水准尺上读数主要由物镜、目镜、调焦透镜和十字丝分划板等所组成（见图2.3）水准器水准器水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置，水准器有圆水准器和管水准器两种圆水准器主要用于仪器的粗略整平，使仪器竖轴铅垂；管水准器用于精确整平仪器，使视准轴水平。

1物镜；2目镜；3调焦透镜；4十字丝分划板；5物镜调焦螺旋；6目镜调焦螺旋；7十字丝放大像图2.3 望远镜的构造图2.2 DS3型微倾式水准仪1望远镜物镜；2物镜调焦螺旋；3微动螺旋；4制动螺旋；5微倾螺旋；6脚螺旋；7气泡观察镜；8管水准器；9圆水准器；10望远镜目镜；11准星；12照门；13基座望远镜物镜和目镜多采用复合透镜组物镜的作用是和调焦透镜一起将远处的目标在十字丝分划板上形成缩小而明亮的实像；目镜的作用是将物镜所成的实像与十字丝一起放大成虚像十字丝分划板是一块刻有分划线的透明薄平板玻璃片分划板上互相垂直的两条长丝，称为十字丝纵丝又称竖丝，横丝又称中丝上、下两条对称的短丝称为上、下视距丝，用于测量距离操作时利用十字丝横丝和竖丝的交点和中丝瞄准目标和读取水准尺上的读数十字丝交点与物镜光心的连线，称为望远镜的视准轴DSDS3 3型微倾式水准仪的构造及使用型微倾式水准仪的构造及使用水准器（1 1）圆水准器）圆水准器如图2.4所示，圆水准器顶面的内壁是球面，内注酒精和乙醚的混合液以球面中心为圆心刻有半径为2 mm的圆形分划圈，圆圈的中心为水准器的零点通过零点的球面法线称为圆水准器轴，当圆水准器气泡居中时，该轴线处于竖直位置。

水准仪竖轴应与该轴线平行气泡中心偏移零点2 mm时，轴线所倾斜的角值称为圆水准器分划值，一般为810图2.4 圆水准器DSDS3 3型微倾式水准仪的构造及使用型微倾式水准仪的构造及使用水准器（2 2）管水准器）管水准器又称水准管，是把纵向内壁磨成圆弧形的玻璃管，管内装酒精和乙醚的混合液，加热融封冷却后形成一个近于真空的气泡（见图2.5）圆弧的最高点称为水准管零点水准管上一般刻有间隔2 mm的分划线，分划线以零点为对称点通过零点作水准管圆弧的纵切线，称为水准管轴（见图2.5中LL）当水准管的气泡中点与水准管零点重合时，称为气泡居中，这时水准管轴处于水平位置，否则水准管轴处于倾斜位置水准管圆弧2 mm所对的圆心角 ，称为水准管分划值，即 =2式中 弧度相应的秒值，= 205265；R 水准管圆弧半径，mm图2.5 管水准器DSDS3 3型微倾式水准仪的构造及使用型微倾式水准仪的构造及使用水准器水准管的圆弧半径越大，分划值越小，灵敏度（即整平仪器的精度）也越高常用的测量仪器的水准管分划值为10、20，分别计作10/2mm、20/2mm为提高水准管气泡居中精度，DS3型水准仪在水准管的上方安装一组符合棱镜（见图2.6），通过符合棱镜的折光作用，使气泡两端的半弧影像反映在望远镜旁的符合气泡观察窗中。

若两端半边气泡的像吻合时，表示气泡居中；若成错开状态，则表示气泡不居中这时，应转动微倾螺旋，使气泡的半影像吻合图2.6 管水准器符合棱镜系统DSDS3 3型微倾式水准仪的构造及使用型微倾式水准仪的构造及使用水准尺水准尺是水准测量时使用的标尺常用优质木材、玻璃钢、铝合金等材料制成根据构造又可分为直尺、折尺和塔尺，如图2.7所示直尺和塔尺又分为单面水准尺和双面水准尺塔尺仅用于等外水准测量，其长度有2 m、3 m和5 m三种，分两节或三节套接而成塔尺可以伸缩，尺底为零点，尺面每隔1 cm或0.5 cm涂有黑白相间的分格，在每1米和每1分米刻划线处有数字注记双面水准尺多用于三、四等水准测量其长度为2 m、3 m两种，两根尺为一对尺的两面均有刻划，一面为红白相间称为红面尺，另一面为黑白相间称为黑面尺，两面的刻划均为1 cm，并在分米处注记数字两根尺的黑面底部均为零；而红面底部，一根尺为4.687 m，另一根为4.787 m，这两个常数称为水准尺的红黑面零点常数差，用作水准测量的读数检核图2.7 水准尺水准尺和尺垫水准尺和尺垫尺垫尺垫是用生铁铸成，一般为三角形，中央有一凸起的半球体，下部有三个支脚，如图2.8所示。

水准测量时，将支脚牢固地踩入地下，然后将水准尺立于半球顶上，用以保持尺底高度不变尺垫仅在转点处竖立水准尺时使用图2.8 尺垫水准尺和尺垫水准尺和尺垫选择合适的地点放置仪器的三脚架，并根据观测者的身高调节架腿长度，目估使架头大致水平，将三脚架安置稳固，然后打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器固连在三脚架头粗平即粗略整平转动脚螺旋，使圆水准器气泡居中，称为粗平粗平使仪器竖轴大致铅直，从而视准轴粗略水平如图2.9（a）所示，先任选两个脚螺旋和，同时相向（相反方向）等速旋转脚螺旋，使气泡移动到过脚螺旋且与脚螺旋和连线垂直的直线上，如图2.9（b）所示再转动脚螺旋，即可使气泡居中这项工作需要反复进行，直至仪器转到任何方向气泡都居中为止在整平的过程中，气泡的移动方向与左手大拇指运动的方向致水准仪的使用水准仪的使用水准仪的正确操作程序主要包括仪器安置、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数水准仪的正确操作程序主要包括仪器安置、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数等图2.9 粗略整平安置仪器安置仪器粗粗平平首先进行目镜对光，即把望远镜对着明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰；然后松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上的照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋；再从望远镜中观察，转动物镜调焦螺旋，使目标清晰，再转动水平微动螺旋，使竖丝对准水准尺。

瞄准时要注意消除视差当眼睛在目镜端上下微微移动时，若发现十字丝与目标影像有相对运动，称这种现象为视差（见图2.10）产生视差的原因是目标成像的平面和十字丝平面不重合由于视差的存在会影响到读数的正确性，必须加以消除消除的方法是重新仔细地进行物镜对光，直到眼睛上下移动，读数不变为止此时，从目镜端见到十字丝与目标的像都十分清晰（见图2.11）水准仪的使用水准仪的使用图2.11 瞄准水准尺与读数瞄准水准尺瞄准水准尺图2.10 视差现象精平即精确整平转动微倾螺旋，使水准管气泡居中（符合），从而使望远镜的视准轴处于水平位置通过位于目镜左方的符合气泡观察窗观察水准管气泡，同时转动微倾螺旋（见图2.6），使气泡两端的像吻合，即表示水准仪的视准轴已精确水平水准仪精平后，应立即用十字丝的中丝在水准尺上读数读数时，从小往大读取尺上读数，先估读毫米数，然后报出全部四位读数如图2.11所示，读数为1.365 m水准仪的使用水准仪的使用图2.11 瞄准水准尺与读数精精平平读读数数自动安平水准仪是一种不用水准管而能自动获得水平视线的水准仪它的特点是没有管水准器和微倾螺旋在粗略整平之后，利用仪器内部的自动安平补偿器，就能获得视线水平时的正确读数。

简化了操作过程，同时还一定程度补偿了如风力、温度、震动等对测量成果的影响，从而提高了整平精度和观测速度自动安平水准仪的构造及使用自动安平水准仪的构造及使用1物镜；2物镜调焦螺旋；3粗瞄器；4目镜调焦螺旋；5目镜；6圆水准器；7圆水准器校正螺丝；8圆水准器反光镜；9制动螺旋；10微动螺旋；11脚螺旋图2.12 DZS3-1型自动安平水准仪1.1. 自动安平原理自动安平原理自动安平水准仪自动安平原理如图2.13所示，当视准轴水平时在水准尺上的读数为 ，即 点的水平视线经望远镜光路到达十字丝中心当视准轴倾斜了一个小角度时，如图2.13所示，则按视准轴读数为a为了能使根据十字丝横丝的读数仍为视准轴水平时的读数a，在望远镜的光路中加一补偿器，使通过物镜光心的水平视线经过补偿器的光学元件后偏转一个角后，仍能成像于十字丝中心这样，即使视准轴倾斜一定角度（倾斜角限度一般为10），仍可以读得水平视线的读数a，达到了自动安平的目的可见，补偿器必须满足下列条件： = 式中f 物镜焦距；S 补偿器至十字丝的距离自动安平水准仪的构造及使用自动安平水准仪的构造及使用图2.13 自动安平水准仪基本原理图自动安平补偿器的种类很多，但一般都是采用吊挂光学零件的方法，借助重力的作用达到视线自动补偿的目的。

其构造是：将屋脊棱镜固定在望远镜筒内，在屋脊棱镜的下方，用金属丝悬吊两块直角棱镜，该棱镜在重力作用下，能与望远镜作相对偏转，如图2.14所示为了使吊挂的棱镜尽快地停止摆动，还设置了阻尼器自动安平水准。