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1、第4章高程控制测量第1页，共175页，编辑于2022年，星期二第四章第四章 高程控制测量高程控制测量 本章提要本章提要本章提要本章提要 4.1 4.1 国家高程基准与国家高程基准与国家高程基准与国家高程基准与高程控制网的布设高程控制网的布设高程控制网的布设高程控制网的布设 4.2 4.2 精密水准仪与水准尺精密水准仪与水准尺精密水准仪与水准尺精密水准仪与水准尺 4.3 4.3 精密电子水准仪精密电子水准仪精密电子水准仪精密电子水准仪 4.4 4.4 精密电子水准仪和水准尺的检验精密电子水准仪和水准尺的检验精密电子水准仪和水准尺的检验精密电子水准仪和水准尺的检验 4.5 4.5 精密水准测量的主
2、要误差来源及其影响精密水准测量的主要误差来源及其影响精密水准测量的主要误差来源及其影响精密水准测量的主要误差来源及其影响 4.6 4.6 精密水准测量的实施精密水准测量的实施精密水准测量的实施精密水准测量的实施 4.7 4.7 跨河水准测量跨河水准测量跨河水准测量跨河水准测量 4.8 4.8 水准测量的概算水准测量的概算水准测量的概算水准测量的概算 4.9 4.9 垂直角观测与三角高程测量垂直角观测与三角高程测量垂直角观测与三角高程测量垂直角观测与三角高程测量 4.10 4.10 高程控制网的计算与平差高程控制网的计算与平差高程控制网的计算与平差高程控制网的计算与平差 习题习题习题习题 第2页
3、，共175页，编辑于2022年，星期二本章提要本章提要 重点精密水准仪与水准尺精密水准仪与水准尺、精密水准测量精密水准测量的实施、三角高程测量的实施、三角高程测量 难点正常水准面不平行性及其改正数计算正常水准面不平行性及其改正数计算 返回本章首页本章讲述高程控制网的布设，精密水准测量、三角高程测量。目的是解决高程控制点位置的测定问题。内容涉及国国家高程基准、高程控制网的布设、精密水准仪与水准尺家高程基准、高程控制网的布设、精密水准仪与水准尺、精密水准测量的主要误差来源及其影响、精密水准测精密水准测量的主要误差来源及其影响、精密水准测量的实施量的实施、正常水准面不平行性及其改正数计算正常水准面不
4、平行性及其改正数计算、水准测水准测量的概算、三角高程测量量的概算、三角高程测量第3页，共175页，编辑于2022年，星期二4.14.1国家高程基准和高程控制网的布设国家高程基准和高程控制网的布设4.1.1 4.1.1 高程基准面高程基准面和高程系和高程系统统4.1.24.1.2国家高程控制网的国家高程控制网的布设布设 第4页，共175页，编辑于2022年，星期二4.1 大地测量基准面一、水准面1.水准面是重力等位面重力位重力位 是标量函数是标量函数,只与点的空间位置有关只与点的空间位置有关给出不同常数将得到一簇曲面。在每一个曲面上重力位都相等。给出不同常数将得到一簇曲面。在每一个曲面上重力位都
5、相等。重力位相等的面称为重力等位面，即：水准面。重力位相等的面称为重力等位面，即：水准面。在质体周围可以形成无数个水准面。在质体周围可以形成无数个水准面。由于地球具有很复杂的形状，质量分布特别是外壳的质量分布不均匀性，由于地球具有很复杂的形状，质量分布特别是外壳的质量分布不均匀性，使得地球的水准面具有复杂的形状。使得地球的水准面具有复杂的形状。1 水准面、大地水准面、似大地水准面、地球椭球),(lqgW第5页，共175页，编辑于2022年，星期二2.2.水准面相互既不能相交也不能相切水准面相互既不能相交也不能相切3.3.水准面是均衡面水准面是均衡面v 每个水准面都对应着唯一的位能每个水准面都对
6、应着唯一的位能W WC C常数，常数，在这个面上移动单位质量不做功，亦即所做的功在这个面上移动单位质量不做功，亦即所做的功等于等于0 0。第6页，共175页，编辑于2022年，星期二4.4.两个水准面彼此不平行两个水准面彼此不平行由于两水准面之间的距离 因为重力在水准面不同点上的数值是不同的，两个无穷接近的水准面之间的距离不是一个常数，故两个水被面彼此不平行。处处与重力方向相切的曲线称为力线。力线与所有水准面都正交，彼此不平行是空间曲线。第7页，共175页，编辑于2022年，星期二二、大地水准面二、大地水准面 与平均海水面相重合，不受潮汐、风浪及大气压变化影响，并延伸到大陆下面处处与铅垂线相垂
7、直的水准面称为大地水准面，由它包围的形体称为大地体，可近似地把它看成是地球的形状。我国曾规定采用青岛验潮站求得的1956年黄海平均海水面作为我国统一高程基准面，1988年改用“1985国家高程基准”作为高程起算的统一基准。第8页，共175页，编辑于2022年，星期二三、似大地水准面三、似大地水准面大地水准面的严密测定取决于地球构造方面的学科知识，目前尚不能精确确定它。苏联学者英洛金斯基建议研究与大地水淮面很接近的似大地水淮面。似大地水准面与大地水淮面在海洋上完全重合，在大陆上也几乎重合，在山区只有24m的差异。似大地水准面可以严密地解决关于研究与地球自然地理形状有关的问题。似大地水准面是由地面
8、沿垂线向下量取正常高所得的点形成的连续曲面，只是用以计算的辅助面。正常高为以似大地水准面为基准面的高程。第9页，共175页，编辑于2022年，星期二 高程系统概论高程系统概论一般说明一般说明 如图设由OAB路线用水准测量方法得到B点的高程由ONB线路得到B点高程理论闭合差:由于水准面不平行，和 不相等。这样经过不同路线测得B点的高程也就不同，即B点高程不是惟一确定的，产生了多值性。对于水准闭合环线O-A-B-N-O来说，由于 ，即便水准测量没有误差，水准环线高程闭合差也不等于零。这种由水准面不平行面引起的水准环线闭合差，称为理论闭合差。第10页，共175页，编辑于2022年，星期二1、高程系统
9、 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。大地高系统高程系统概论第11页，共175页，编辑于2022年，星期二正高系统 正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示。正常高系统 正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用H表示。高程系统概论
10、第12页，共175页，编辑于2022年，星期二高程系统之间的转换关系 第13页，共175页，编辑于2022年，星期二高程系统正高是不依水准路线而异正高是不依水准路线而异的正高是一种惟一确定的的正高是一种惟一确定的数值数值 正高系统是以大地水准面为高程基准面，地面上任一点的正高系指该点沿垂线方向至大地水准面的距离，如图所示，地面点B的正高设为 ，则 沿垂线上的重力在不同深度处数沿垂线上的重力在不同深度处数值不同，取平均值得值不同，取平均值得高程系统概论第14页，共175页，编辑于2022年，星期二 高程系统概论正高系统正高是不依水准路线而异的，正高是一种惟一确定的数值正高是不依水准路线而异的，正
11、高是一种惟一确定的数值可以用来表示地面点高程可以用来表示地面点高程是过是过B B点的水准面与其起始大点的水准面与其起始大地水准面之间的位能差，不地水准面之间的位能差，不随路线而异随路线而异是随着深入地下深度不同而不同，并与地球内部质量有关，而内部质量分布及密度是难以知道的，不能精确测定，正高不能精确求得。第15页，共175页，编辑于2022年，星期二我国规定采用正常高高程系统作为我国高程的惟一系统高程系统概论正常高系统正常高系统是按正常重力公式 算得的正常重力平均值，所以正常高可以精确求得，共数值也不随水准路线而异，惟一确定第16页，共175页，编辑于2022年，星期二有正常高计算公式：高程系
12、统概论 是沿OAB水准路线上各点的正常重力值，随纬度而变化。正常高系统水准测量测得的高差正常位水准面不平行改正数重力异常改正项当计算两点高差时，有式正常位水准面不平行引起的高差改正重力异常引起的高差改正第17页，共175页，编辑于2022年，星期二高程系统概论正常高系统正常高系统是是A、B两点的纬度差，以分为单位两点的纬度差，以分为单位是路线上的正常重力是路线上的正常重力A、B两点平均纬度A、B两点平均高度两点平均高度(可用近似值代替可用近似值代替)第18页，共175页，编辑于2022年，星期二高程系统概论国家高程基准一、高程基准面一、高程基准面 1956年黄海高程系统：1957年确定青岛验潮
13、站为我国基本验潮站，该站1950年至1956年7年间的潮汐资料推求的平均海水面作为我国的高程基准面。1985国家高程基准：新的国家高程基准面是根据青岛验潮站19521979年中取19年的验潮资料计算确定。第19页，共175页，编辑于2022年，星期二高程系统概论国家高程基准二、水准原点二、水准原点 我国的水准原点网建于青岛附近，其网点设置在花岗石基岩上。水准原点网由主点原点、参考点和附点共6个点组成。19851985国家高程基准系统水准原点的高国家高程基准系统水准原点的高程为程为7272260m260m。19561956年黄海高程系统水准原点的高程年黄海高程系统水准原点的高程为为7272289
14、m289m。第20页，共175页，编辑于2022年，星期二二、水准原点二、水准原点第21页，共175页，编辑于2022年，星期二4.1.14.1.1高程基准面高程基准面 高程基准面高程基准面就是地面点高程的统一起算面，由于大地水准面所形成的体形大地体是与整个地球最为接近的体形，因此通常采用大地水准面作为高程基准面。大地水准面大地水准面是假想海洋处于完全静止的平衡状态时的海水面延伸到大陆地面以下所形成的闭合曲面。事实上，海洋受着潮汐、风力的影响，永远不会处于完全静止的平衡状态，总是存在着不断的升降运动，但是可以在海洋近岸的一点处竖立水位标尺，成年累月地观测海水面的水位升降，根据长期观测的结果可以
15、求出该点处海洋水面的平均位置，人们假定大地水准面就是通过这点处实测的平均海水面。长期观测海水面水位升降的工作称为验潮验潮，进行这项工作的场所称为验潮验潮站站。根据各地的验潮结果表明，不同地点平均海水面之间还存在着差异，因此，对于一个国家来说，只能根据一个验潮站所求得的平均海水面作为全国高程的统一起算面高程基准面。第22页，共175页，编辑于2022年，星期二1957年确定青岛验潮站为我国基本验潮站，以该站1950年至1956年7年间的潮汐资料推求的平均海水面作为我国的高程基准面。以此高程基准面作为我国统一起算面的高程系统名谓“19561956年黄海高年黄海高程系统程系统”。“1956年黄海高程
16、系统”的高程基准面的确立，对统一全国高程有其重要的历史意义，对国防和经济建设、科学研究等方面都起了重要的作用。但从潮汐变化周期来看，确立“1956年黄海高程系统”的平均海水面所采用的验潮资料时间较短，还不到潮汐变化的一个周期（一个周期一般为18.61年），同时又发现验潮资料中含有粗差，因此有必要重新确定新的国家高程基准。新的国家高程基准面是根据青岛验潮站19521979年19年间的验潮资料计算确定，根据这个高程基准面作为全国高程的统一起算面，称为“19851985国家国家高程基准高程基准”。4.1.14.1.1高程基准面高程基准面第23页，共175页，编辑于2022年，星期二4.1.24.1.
17、2水准原点水准原点 为了长期、牢固地表示出高程基准面的位置，作为传递高程的起算点，必须建立稳固的水准原点，用精密水准测量方法将它与验潮站的水准标尺进行联测，以高程基准面为零推求水准原点的高程，以此高程作为全国各地推算高程的依据。我国的水准原点网建于青岛附近。在“1985国家高程基准”系统中，我国水准原点的高程为我国水准原点的高程为72.260m72.260m。“1985国家高程基准”已经国家批准，并从1988年1月1日开始启用，今后凡涉及高程基准时，一律由原来的“1956年黄海高程系统”改用“1985国家高程基准”。由于新布测的国家一等水准网点是以“1985国家高程基准”起算的，因此，今后凡进
18、行各等级水准测量、三角高程测量以及各种工程测量，尽可能与新布测的国家一等水准网点联测，也即使用国家一等水准测量成果作为传算高程的起算值，如不便于联测时，可在“1956年黄海高程系统”的高程值上改正一固定数值，而得到以“1985国家高程基准”为准的高程值。返回本章首页第24页，共175页，编辑于2022年，星期二4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 高程控制网的布设高程控制网的布设高程控制网的布设高程控制网的布设1 1 国家高程控制测量国家高程控制测量 2 2 城市和工程建设高程控制测量城市和工程建设高程控制测量 第25页，共175页，编辑于2022年，星期二国家精密水准网的布设国家精
19、密水准网的布设用途：经济建设的基本高程控制、地球科学研究（如地 壳运动、海面变化等）布设原则：从高级到低级、从整体到局部分四个等级布设，逐级控制、逐级加密。水准网分四个等级：一、二等水准网为精密水准网；三、四等网在“测量学”已经讲授第26页，共175页，编辑于2022年，星期二国家精密水准网的布设国家精密水准网的布设国家高程控制网自1951年开始分以下几个阶段：1951 1975：一等水准长度50000公里，精度2 3mm/km 二等水准长度140000公里,精度4mm/km1976 1984：一等水准路线289条，构成100个闭合环，联测42个验潮站，长度93000公里，按环闭 合差估算的精
20、度1.03mm/km1981 1990：重新布设国家二等水准路线136000公里，由822闭合环或附合到一等点的附合路线构 成。由环闭合差求得精度为1.54mm/km第27页，共175页，编辑于2022年，星期二国家精密水准网的布设国家精密水准网的布设 1986年完成国家一等水准网的平差计算，求得每公里测量中误差为1.15mm。1976年 1990年完成的水准网称为国家第二期水准网。一等水准网的环长在1000 2000km之间，二等水准网的环长在500 750km之间第28页，共175页，编辑于2022年，星期二城市和工程精密水准网的布设城市和工程精密水准网的布设 城市与工程水准网分二、三、四
21、等3个等级布设，精度与相应等级的国家水准网一致。联测2个以上的国家精密水准点，起始高程应采用稳定的基岩点。在上海这种软土地区域的精密水准网，由于地面沉降，一般每年都至少复测一次，且有足够密度的基岩标或深层标。上海地面每年约沉降1厘米，有些城市如苏州、宁波更大，北方城市，特别是华北平原的城市，因大量开采地下水，地面沉降更是惊人。第29页，共175页，编辑于2022年，星期二 城市和工程精密水准网的布设城市和工程精密水准网的布设 因此，使用水准点成果时，特别要注意水准点是否沉降。需要进行检验，确认没有沉降后才能使用。精密水准网布设的工作程序：1、水准网的图上设计；2、水准点的选定；3、水准标石的埋
22、设；4、水准测量观测；5、平差计算和成果表编制第30页，共175页，编辑于2022年，星期二国家水准网分4个等级布设，一、二等水准测量路线是国家的精密高程控制网。一等水准测量路线构成的一等水准网是国家高程控制网的骨干，同时也是研究地壳和地面垂直运动以及有关科学问题的主要依据，每隔1520年沿相同的路线重复观测一次。构成一等水准网的环线周长根据不同地形的地区，一般在1 0002000km之间。在一等水准环内布设的二等水准网是国家高程控制的全面基础，其环线周长根据不同地形的地区在500750km之间。一、二等水准测量统称为精密水准测量。3、国家水准网的布设原则、国家水准网的布设原则采用由高级到低级
23、、从整体到局部逐级控制、逐级加密的原则。第31页，共175页，编辑于2022年，星期二3、国家水准网的布设原则、国家水准网的布设原则我国一等水准网由289条路线组成，其中284条路线构成100个闭合环，共计埋设各类标石近2万余座。全国一等水准网布设略图如图所示。第32页，共175页，编辑于2022年，星期二3、国家水准网的布设原则、国家水准网的布设原则二等水准网在一等水准网的基础上布设。我国已有1 138条二等水准测量路线，总长为13.7万公里，构成793个二等环。三、四等水准测量直接提供地形测图和各种工程建设所必须的高程控制点。三等水准测量路线一般可根据需要在高级水准网内加密，布设附合路线，
24、并尽可能互相交叉，构成闭合环。单独的附合路线长度应不超过200km；环线周长应不超过300km。四等水准测量路线一般以附合路线布设于高级水准点之间，附合路线的长度应不超过80km。第33页，共175页，编辑于2022年，星期二城市和工程建设高程控制测量城市和工程建设高程控制测量城市和工程建设高程控制网一般按水准测量方法来建立。为了统一水准测量规格，考虑到城市和工程建设的特点，城市测量和工程测量技术规范规定：水准测量依次分为二、三、四等3个等级。首级高程控制网，一般要求布设成闭合环形，加密时可布设成附合路线和结点图形。各等级水准测量的精度和国家水准测量相应等级的精度一致。城市和工程建设水准测量是
25、各种大比例尺测图、城市工程测量和城市地面沉降观测的高程控制基础，又是工程建设施工放样和监测工程建筑物垂直形变的依据。水准测量的实施，其工作程序是：水准网的图上设计、水准点的选定、水准标石的埋设、水准测量观测、平差计算和成果表的编制。水准网的布设应力求做到经济合理，因此，首先要对测区情况进行调查研究，搜集和分析测区已有的水准测量资料，从而拟定出比较合理的布设方案。如果测区的面积较大，则应先在1：25 000 1：100 000比例尺的地形图上进行图上设计。第34页，共175页，编辑于2022年，星期二城市和工程建设高程控制测量城市和工程建设高程控制测量图上设计应遵循以下原则：（1）水准路线应尽量
26、沿坡度小的道路布设，以减弱前后视折光误差的影响。尽量避免跨越河流、湖泊、沼泽等障碍物。（2）水准路线若与高压输电线或地下电缆平行，则应使水准路线在输电线或电缆50m以外布设，以避免电磁场对水准测量的影响。（3）布设首级高程控制网时，应考虑到便于进一步加密。（4）水准网应尽可能布设成环形网或结点网，个别情况下亦可布设成附合路线。水准点间的距离：一般地区为24km；城市建筑区和工业区为12km。（5）应与国家水准点进行联测，以求得高程系统的统一。（6）注意测区已有水准测量成果的利用。第35页，共175页，编辑于2022年，星期二城市和工程建设高程控制测量城市和工程建设高程控制测量 根据上述要求，首
27、先应在图上初步拟定水准网的布设方案，再到实地选定水准路线和水准点位置。在实地选线和选点时，除了要考虑上述要求外，还应注意使水准路线避开土质松软地段，确定水准点位置时，应考虑到水准标石埋设后点位的稳固安全，并能长期保存，便于施测。为此，水准点应设置在地质上最为可靠的地点，避免设置在水滩、沼泽、沙土、滑坡和地下水位高的地区；埋设在铁路、公路近旁时，一般要求离铁路的距离应大于50m，离公路的距离应大于20m，应尽量避免埋设在交通繁忙的岔道口；墙上水准点应选在永久性的大型建筑物上。水准点选定后，就可以进行水准标石的埋设工作。我们知道，水准点的高程就是指嵌设在水准标石上面的水准标志顶面相对于高程基准面的
28、高度，如果水准标石埋设质量不好，容易产生垂直位移或倾斜，那么即使水准测量观测质量再好，其最后成果也是不可靠的，因此务必十分重视水准标石的埋设质量。第36页，共175页，编辑于2022年，星期二城市和工程建设高程控制测量城市和工程建设高程控制测量国家水准点标石的制作材料、规格和埋设要求，在国家一、二等水准测量规范（以下简称水准规范）中都有具体的规定和说明。关于工程测量中常用的普通水准标石是由柱石和盘石两部分组成，如左下图所示，标石可用混凝土浇制或用天然岩石制成。水准标石上面嵌设有铜材或不锈钢金属标志，如右下图所示。第37页，共175页，编辑于2022年，星期二城市和工程建设高程控制测量城市和工程
29、建设高程控制测量首级水准路线上的结点应埋设基本水准标石，基本水准标石及其埋设如左下图所示。墙上水准标志如右下图所示，一般嵌设在地基已经稳固的永久性建筑物的基础部分，水准测量时，水准标尺安放在标志的突分。埋设水准标石时，一定要将底部及周围的泥土夯实，标石埋设后，应绘制点之记，并办理托管手续。返回本章首页第38页，共175页，编辑于2022年，星期二4.2 4.2 精密水准仪与水准尺精密水准仪与水准尺4.2.精密水准仪的构造特点精密水准仪的构造特点4.2.精密水准标尺的构造特点精密水准标尺的构造特点 4.2.Wild N3Wild N3精密水准仪精密水准仪 4.2.Zeiss Ni 004Zeis
30、s Ni 004精密水准仪精密水准仪4.2.国产国产S1S1型精密水准仪型精密水准仪 第39页，共175页，编辑于2022年，星期二4.2.1 精密水准仪的构造特点精密水准仪的构造特点对于精密水准测量的精度而言，除一些外界因素的影响外，观测仪器水准仪在结构上的精确性与可靠性是具有重要意义的。为此，对精密水准仪必须具备的一些条件提出下列要求。1.高质量的望远镜光学系统 为了在望远镜中能获得水准标尺上分划线的清晰影像，望远镜必须具有足够的放大倍率和较大的物镜孔径。一般精密水准仪的放大倍率应大于40倍，物镜的孔径应大于50mm。2.坚固稳定的仪器结构 仪器的结构必须使视准轴与水准轴之间的联系相对稳定
31、，不受外界条件的变化而改变它们之间的关系。一般精密水准仪的主要构件均用特殊的合金钢制成，并在仪器上套有起隔热作用的防护罩。3.高精度的测微器装置 精密水准仪必须有光学测微器装置，借以精密测定小于水准标尺最小分划线间格值的尾数，从而提高在水准标尺上的读数精度。一般精密水准仪的光学测微器可以读到0.lmm，估读到0.Olmm第40页，共175页，编辑于2022年，星期二 4.高灵敏的管水准器 一般精密水准仪的管水准器的格值为10“/2mm。由于水准器的灵敏度愈高，观测时要使水准器气泡迅速置中也就愈困难，为此，在精密水准仪上必须有倾斜螺旋（又称微倾螺旋）的装置，借以可以使视准轴与水准轴同时产生微量变
32、化，从而使水准气泡较为容易地精确置中以达到视准轴的精确整平。5.高性能的补偿器装置 对于自动安平水准仪补偿元件的质量以及补偿器装置的精密度都可以影响补偿器性能的可靠性。如果补偿器不能给出正确的补偿量，或是补偿不足，或是补偿过量，都会影响精密水准测量观测成果的精度。我国水准仪系列按精度分类有S05型,S1型,S3型等。S是“水”字的汉语拼音第一个字母,S后面的数字表示每公里往返平均高差的偶然中误差的毫米数。我国水准仪系列及基本技术参数列于下表。4.2.1 1 精密水准仪的构造特点精密水准仪的构造特点第41页，共175页，编辑于2022年，星期二我国水准仪系列及基本技术参数技术参数项目水准仪系列型
33、号S05S1S3S10每公里往返平均高差中误差望远镜放大率望远镜有效孔径管状水准器格值测微器有效量测范围测微器最小分格值0.5mm40倍60mm10/2mm5mm0.1mm1mm40倍50mm10/2mm5mm0.1mm3mm30倍42mm20/mm10mm25倍35mm20/2mm自动安平水准仪补偿性能补偿范围安平精度安平时间不长于80.12s80.22s80.52s1022s第42页，共175页，编辑于2022年，星期二 4.2.2 2 精密水准标尺的构造特点精密水准标尺的构造特点 水准标尺是测定高差的长度标准，如果水准标尺的长度有误差，则对精密水准测量的观测成果带来系统性质的误差影响，为
34、此，对精密水准标尺提出如下要求：（1）当空气的温度和湿度发生变化时，水准标尺分划间的长度必须保持稳定，或仅有微小的变化。一般精密水准尺的分划是漆在因瓦合金带上，因瓦合金带则以一定的拉力引张在木质尺身的沟槽中，这样因瓦合金带的长度不会受木质尺身伸缩变形影响。水准标尺分划的数字是注记在因瓦合金带两旁的木质尺身上，如图（a）、（b）所示。第43页，共175页，编辑于2022年，星期二4.2.2 2 精密水准标尺的构造特点精密水准标尺的构造特点 （2）水准标尺的分划必须十分正确与精密，分划的偶然误差和系统误差都应很小。水准标尺分划的偶然误差和系统误差的大小主要决定于分划刻度工艺的水平，当前精密水准标尺
35、分划的偶然中误差一般在8llum。由于精密水准标尺分划的系统误差可以通过水准标尺的平均每米真长加以改正，所以分划的偶然误差代表水准标尺分划的综合精度。（3）水准标尺在构造上应保证全长笔直，并且尺身不易发生长度和弯扭等变形。一般精密水准标尺的木质尺身均应以经过特殊处理的优质木料制作。为了避免水准标尺在使用中尺身底部磨损而改变尺身的长度，在水准标尺的底面必须钉有坚固耐磨的金属底板。第44页，共175页，编辑于2022年，星期二4.2.2 精密水准标尺的构造特点精密水准标尺的构造特点（4）在精密水准标尺的尺身上应附有圆水准器装置，作业时扶尺者借以使水准标尺保持在垂直位置。在尺身上一般还应有扶尺环的（
36、5）为了提高对水准标尺分划的照准精度，水准标尺分划的形式和颜色与水准标尺的颜色相协调，一般精密水准标尺都为黑色线条分划，如图5-7所示，和浅黄色的尺面相配合，有利于观测时对水准标尺分划精确照准。装置，以便扶尺者使水准标尺稳定在垂直位置。在精密水准测量作业时，水准标尺应竖立于特制的具有一定重量的尺垫或尺桩上。尺垫和尺桩的形状如图所示。第45页，共175页，编辑于2022年，星期二 线条分划精密水准标尺的分格值有l0mm和5mm两种。分格值为10mm的精密水准标尺如图（a）所示，它有两排分划，尺面右边一排分划注记从0300cm，称为基本分划，左边一排分划注记从300600cm称为辅助分划，同一高度
37、的基本分划与辅助分划读数相差一个常数，称为基辅差，通常又称尺常数，水准测量作业时可以用以检查读数的正确性。分格值为5mm的精密水准尺如图（b）所示，它也有两排分划，但两排分划彼此错开5mm,所以实际上左边是单数分划，右边是双数分划，也就是单数分划和双数分划各占一排，而没有辅助分划。木质尺面右边注记的是米数，左边注记的是分米数，整个注记从0.15.9m，实际分格值为5mm，分划注记比实际数值大了一倍，所以用这种水准标尺所测得的高差值必须除以2才是实际的高差值。4.2.2 精密水准标尺的构造特点精密水准标尺的构造特点第46页，共175页，编辑于2022年，星期二4.2.3 Wild N3精密水准仪
38、精密水准仪 WildN3精密水准仪的外形如下图a所示。望远镜物镜的有效孔径为50mm，放大倍率为40倍，管状水准器格值为10“/2mm。N3精密水准仪与分格值为l0mm的精密因瓦水准标尺配套使用，标尺的基辅差为301.55cm。在望远镜目镜的左边上下有两个小目镜（在下图a中没有表示出来），它们是符合气泡观察目镜和测微器读数目镜，在3个不同的目镜中所见到的影像如下图b所示。转动倾斜螺旋，使符合气泡观察目镜的水准气泡两端符合，则视线精确水平，此时可转动测微螺旋使望远镜目镜中看到的楔形丝夹准水准标尺上的148分划线，也就是使148分划线平分楔角，再在测微器目镜中读出测微器读数653(即6.53mm)
39、，故水平视线在水准标尺上的全部读数为148.653cm。第47页，共175页，编辑于2022年，星期二图aWild N3精密水准仪精密水准仪 第48页，共175页，编辑于2022年，星期二 图b图cWild N3精密水准仪精密水准仪 第49页，共175页，编辑于2022年，星期二1.N3精密水准仪的倾料螺旋装置 上图c所示是N3型精密水准仪倾斜螺旋装置及其作用示意图。它是一种杠杆结构，转动倾斜螺旋时，通过着力点可以带动支臂绕支点转动，使其对望远镜的作用点产生微量升降，从而使望远镜绕转轴作微量倾斜。由于望远镜与水准器是紧密相联的，于是倾斜螺旋的旋转就可以使水准轴和视准轴同时产生微量的变化，借以迅
40、速而精确地将视准轴整平。在倾斜螺旋上一般附有分划盘，可借助于固定指标进行读数，由倾斜螺旋所转动的格数可以确定视线倾角的微小变化量，其转动范围约为7周。借助于这种装置，可以测定视准轴微倾的角度值，在进行跨越障碍物的精密水准测量时具有重要作用。第50页，共175页，编辑于2022年，星期二 必须指出，由上图c可见仪器转轴并不位于望远镜的中心，而是位于靠近物镜的一端。由圆水准器整平仪器时，垂直轴并不能精确在垂直位置，可能偏离垂直位置较大。此时使用倾斜螺旋精确整平视准轴时，将会引起视准轴高度的变化，倾斜螺旋转动量愈大，视准轴高度的变化也就愈大。如果前后视精确整平视准轴时，倾斜螺旋的转动量不等，就会在高
41、差中带来这种误差的影响。因此，在实际作业中规定：只有在符合水准气泡两端影像的分离量小于lcm时（这时仪器的垂直轴基本上在垂直位置），才允许使用倾斜螺旋来进行精确整平视准轴。但有些仪器转轴的装置，位于过望远镜中心的垂直几何轴线上。1.N3精密水准仪的倾料螺旋装置第51页，共175页，编辑于2022年，星期二 下图是N3精密水准仪的光学测微器的测微工作原理示意图。由图可见，光学测微器由平行玻璃板、测微器分划尺、传动杆和测微螺旋等部件组成。平行玻璃板传动杆与测微分划尺相连。测微分划尺上有100个分格，它与10mm相对应，即每分格为0.lmm，可估读至0.0lmm。每10格有较长分划线并注记数字，每两
42、长分划线间的格值为lmm。当平行玻璃板与水平视线正交时，测微分划尺上初始读数为5mm。转动测微螺旋时，传动杆就带动平行玻璃板相对于物镜作前俯后仰，并同时带动测微分划尺作相应的移动。平行玻璃板相对于物镜作前俯后仰，水平视线就会向上或向下作平行移动。若逆转测微螺旋，使平行玻璃板前俯到测微分划尺移至10mm处，则水平视线向下平移5mm，反之，顺转测微螺旋使平行玻璃板后仰到测微分划尺移至0mm处，则水平视线向上平移5mm。2.N3精密水准仪的测微器装置第52页，共175页，编辑于2022年，星期二在下图中，当平行玻璃板与水平视线正交时，水准标尺上读数应为在两相邻分划148与149之间，此时测微分划上读
43、数为5mm，而不是0。转动测微螺旋，平行玻璃板作前俯，使水平视线向下平移与就近的148分划重合，这时测微分划尺上的读数为6.50mm,而水平视线的平移量应为6.505mm，最后读数为 =148cm+6.50mm-5mm即 =148.650cm-5mm 由上述可知，每次读数中应减去常数（初始读数)5mm,但因在水准测量中计算高差时能自动抵消这个常数，所以在水准测量作业时，读数、记录、计算过程中都可以不考虑这个常数。但在单向读数时就必须减去这个初始读数。N3精密水准仪的测微器装置第53页，共175页，编辑于2022年，星期二4.2.4 Zeiss Ni 004精密水准仪精密水准仪 该仪器的主要特点
44、是对热影响的感应较小，即当外界温度变化时，水准轴与视准轴之间的交角的变化很小，这是因为望远镜、管状水准器和平行玻璃板的倾斜设备等部件，都装在一个附有绝热层的金属套筒内，这样就保证了水准仪上这些部件的温度迅速达到平衡。第54页，共175页，编辑于2022年，星期二仪器物镜的有效孔径为56mm，望远镜放大倍率为44倍，望远镜目镜视场内有左右两组楔形丝，如右图所示，右边一组楔形丝的交角较小，在视距较远时使用，左边一组楔形丝的交角较大，在视距较近时使用，管状水准器格值为10/2mm。转动测微螺旋可使水平视线在10mm范围内平移，测微器的分划鼓直接与测微螺旋相连（见右图），通过放大镜在测微鼓上进行读数，
45、测微鼓上有100个分格，所以测微鼓最小格值为0.1mm。从望远镜目镜视场中所看到的影像如右图所示，视场下部是水准器的符合气泡影像。Ni 004精密水准仪与分格值为5mm的精密因瓦水准尺配套使用。在右图中，使用测微螺旋使楔形丝夹准水准标尺上197分划，在测微分划鼓上的读数为340，即3.40mm，水准标尺上的全部读数为197.340cm。Zeiss Ni 004精密水准仪精密水准仪第55页，共175页，编辑于2022年，星期二4.2.5 国产国产S1型精密水准仪型精密水准仪 S1型精密水准仪由北京测绘仪器厂生产。仪器物镜的有效孔径为50mm，望远镜放大倍率为40倍，管状水准器格值为10/2mm。
46、转动测微螺旋可使水平视线在10mm范围内作平移，测微器分划尺有100个分格，故测微器分划尺最小格值为0.1mm。第56页，共175页，编辑于2022年，星期二国产S1型精密水准仪望远镜目镜视场中所看到的影像如右图所示，视场左边是水准器的符合气泡影像，测微器读数显微镜在望远镜目镜的右下方。该仪器与分格值为5mm的精密水准标尺配套使用。在右图中，使用测微螺旋使楔形丝夹准198分划，在测微器读数显微镜中的读数为150，即1.50mm，水准标尺上的全部读数为198.150cm。4.2.5 国产国产S1型精密水准仪型精密水准仪 第57页，共175页，编辑于2022年，星期二4.3 数字水准仪第58页，共
47、175页，编辑于2022年，星期二电子水准仪的优点 （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。第59页，共175页，编辑于2022年，星期二电子水准仪电子水准仪的基本原理 第60页，共175页，编辑于2022年，星期二条码水准尺图 235第61页，共175页，编辑于2022年，星期二DiNi12电子水准仪介绍第62页，共175页，编辑于2022年，星期二DINI12特点介绍精度高精度高每
48、公里往返测中误差每公里往返测中误差 0.3mm先进的感光读数系统先进的感光读数系统 感应可见白光即可测量感应可见白光即可测量测量仅需读取条码尺测量仅需读取条码尺30cm范围范围第63页，共175页，编辑于2022年，星期二DINI12特性介绍新设测量快捷键集成弧型提手可多角度观测的水准气泡第64页，共175页，编辑于2022年，星期二DINI特性宽大图形液晶显示屏可输入字母和数字标配2M内存的PCMCIA数据存储卡第65页，共175页，编辑于2022年，星期二DiNi特性多种水准导线测量模式并具平多种水准导线测量模式并具平差功能差功能全新、快速高程放样功能全新、快速高程放样功能可进行可进行:角
49、度、面积、坐标等测角度、面积、坐标等测量量第66页，共175页，编辑于2022年，星期二DiNi特性快速的测量时间快速的测量时间 20i20，需校正。，需校正。（4 4）按下式，可计算出）按下式，可计算出i i角：角：第112页，共175页，编辑于2022年，星期二（1）校正水准管）校正水准管旋转微倾螺旋，使十字丝横丝对准旋转微倾螺旋，使十字丝横丝对准(a(a2 2=h=h1 1+b+b2 2)，拨动水准管拨动水准管“校正螺丝校正螺丝”，使水准管气泡居中。，使水准管气泡居中。（2）校正十字丝）校正十字丝可用于自动安平水准仪可用于自动安平水准仪保持水准管气泡居中，拨动十字丝上下两个保持水准管气泡
50、居中，拨动十字丝上下两个“校校正螺丝正螺丝”，使横丝对准，使横丝对准(a2(a2=h1+b2)=h1+b2)。校正第113页，共175页，编辑于2022年，星期二水准尺的检验因瓦水准尺使用前应经过检验，检验是用一级线纹米尺进行(图240)。检验的项目和要求有：1.每米平均真长的误差0.15mm；2.每分米分划误差0.1mm；3.水准尺零点差0.1mm。第114页，共175页，编辑于2022年，星期二4.5 精密水准测量的主要误差来源及其影响4.5.1 视准轴与水准轴不平行的误差视准轴与水准轴不平行的误差 4.5.2 水准标尺长度误差的影响水准标尺长度误差的影响 4.5.3 仪器和水准标尺（尺台