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1、第第7章章 精密高程测量精密高程测量第1页，共37页，编辑于2022年，星期二7-1 概述n精密高程测量应用精密高程测量应用 在在工工程程建建设设中中，高高程程作作为为三三维维空空间间中中的的垂垂直直方方向向的的空空间间控控制制，应应用用最最为为广广泛泛，尤尤其其在在精精密密工工程程测测量量中中，精精密密高高程程测测量量起起着着重重要要作作用用。在在精精密密工工程程测量中，精密高程测量主要应用有：测量中，精密高程测量主要应用有：l 精密高程网测量精密高程网测量l 精密高程传递精密高程传递l 钢构件建（构）筑物安装钢构件建（构）筑物安装l 变形监测（沉降、倾斜、挠度监测）变形监测（沉降、倾斜、挠
2、度监测）l 精密工业测量（设备安装、调校、加工，精密工业测量（设备安装、调校、加工，粒子对撞机粒子对撞机）l 高精度场地平整（机场跑道、自行车赛场）高精度场地平整（机场跑道、自行车赛场）l 高速列车轨道标高控制（地铁、高铁、磁悬浮）高速列车轨道标高控制（地铁、高铁、磁悬浮）第2页，共37页，编辑于2022年，星期二7-1 概述n精密高程测量精度要求精密高程测量精度要求 根据应用领域有所不同，精度都是都在毫米级及亚毫米以内。根据应用领域有所不同，精度都是都在毫米级及亚毫米以内。l 精密高程网精密高程网l 精密高程传递精密高程传递(对应精密高程网对应精密高程网)l 钢构件建（构）筑物安装（钢构件建
3、（构）筑物安装（mmmm以内）以内）l 变形监测（变形监测（.3mm.3mm以内）以内）l 精密工业测量（精密工业测量（1mm1mm以内以内）l 高精度场地平整（高精度场地平整（3mm3mm以内以内）l 高速列车轨道标高控制（高速列车轨道标高控制（1mm1mm以内以内）第3页，共37页，编辑于2022年，星期二 目前目前几何水准几何水准仍是精密高程测量最主要方法仍是精密高程测量最主要方法7-1 概述n精密高程测量主要方法精密高程测量主要方法l 精密几何水准测量方法l 液体静力水准测量l 测微水准测量（电水准尺）l 其他精密的高程测量方法第4页，共37页，编辑于2022年，星期二n精精密密高高程
4、程测测量量的的中中误误差差通通常常不不能能超超过过0.10.10.2mm0.2mm，采采用用精精密密几几何何水水准准测测量量 就必须采取减弱误差的措施。就必须采取减弱误差的措施。其基本着眼点是其基本着眼点是：l选择和研究高精度水准仪；选择和研究高精度水准仪；l研制专用的分划尺和照准目标；研制专用的分划尺和照准目标；l研制能以足够精密、平稳地调整仪器高的水准仪支架；研制能以足够精密、平稳地调整仪器高的水准仪支架；l改进短视线几何水准测量的作业方法。改进短视线几何水准测量的作业方法。l在在露露天天条条件件进进行行高高精精度度水水准准测测量量时时，除除了了采采用用阳阳伞伞外外，水水准准仪仪最最好还带
5、上附加的热力保护罩。好还带上附加的热力保护罩。n采采用用精精密密水水准准仪仪（N3N3、Ni007Ni007）和和短短视视线线几几何何水水准准测测量量方方法法，确确定定相相距距101015m15m两两点点间间的的高高差差，其其中中误误差差可可达达到到0.030.03 0.05mm0.05mm；确确定定相相距距几几百百米米的的两两点点间间的的高高差差，其其中中误误差差是是0.10.1 0.2mm0.2mm。此此方方法法可可广广泛泛用用于于多多种精密工程测量领域。种精密工程测量领域。7-2 精密几何水准测量 第5页，共37页，编辑于2022年，星期二1）水准仪、水准标尺规格和技术要求水准仪、水准标
6、尺规格和技术要求 精密高程测量的仪器和标尺要求精密高程测量的仪器和标尺要求 n一一、二二级级精精密密高高程程测测量量的的水水准准仪仪和和水水准准标标尺尺调调焦焦镜镜运运行行误误差差不不得得超超过过0.2mm0.2mm、测测站站高高差差观观测测中中误误差差不不得得超超过过0.05mm 0.05mm，其它应符合国家一等水准测量要求。，其它应符合国家一等水准测量要求。n三三、四四级级精精密密高高程程测测量量的的水水准准仪仪和和水水准准标标尺尺，应应符符合合国国家一、二等水准测量的要求。家一、二等水准测量的要求。第6页，共37页，编辑于2022年，星期二2 2）精密几何水准测量的观测方法和要求精密几何
7、水准测量的观测方法和要求 精密几何水准测量的方法和技术要求精密几何水准测量的方法和技术要求第7页，共37页，编辑于2022年，星期二n使用气泡式水准仪或单摆位自动安平水准仪观测时，当前后视标尺使用气泡式水准仪或单摆位自动安平水准仪观测时，当前后视标尺基本分划面观测完毕后，应变更仪器高度（不小于基本分划面观测完毕后，应变更仪器高度（不小于5mm5mm），再进行），再进行辅助分划面的观测。辅助分划面的观测。n当工作环境的当工作环境的工业磁场强度工业磁场强度大于大于地球磁场地球磁场二倍或者二倍或者地面振动地面振动使自动使自动安平水准仪不能照准时，应安平水准仪不能照准时，应采用气泡式水准仪采用气泡式水
8、准仪。n三三、四四级级精精密密工工程程水水准准测测量量按按照照国国家家一一、二二等等水水准准测测量量规规范范 中中相应于一、二等水准测量的要求进行。相应于一、二等水准测量的要求进行。n一一、二二级级精精密密工工程程水水准准测测量量除除遵遵守守国国家家一一、二二等等水水准准测测量量的的要要求求外外，还须遵守以下规定：还须遵守以下规定：立尺采用固定转点，仪器安置采用仪器墩或移动仪器台；立尺采用固定转点，仪器安置采用仪器墩或移动仪器台；观观测测应应在在室室内内进进行行。若若仅仅能能在在露露天天观观测测，则则应应选选择择阴阴天天或或者者日日出出后后1 12 2h h之之间间和和日日落落前前2 21 1
9、h h之之间间进进行行，同同时时水水准准仪仪及及其其脚脚架架应应避避免免阳光直接照射；阳光直接照射；n在在进进行行用用于于变变形形观观测测的的一一、二二级级精精密密水水准准测测量量时时，应应同同时时进进行行地地下水位、降水量、地温、气温、气压的辅助测量。下水位、降水量、地温、气温、气压的辅助测量。n精密几何水准测量的方法和要求精密几何水准测量的方法和要求第8页，共37页，编辑于2022年，星期二3 3）精密水准测量限差规定与超限处理精密水准测量限差规定与超限处理 精密水准测量限差规定精密水准测量限差规定第9页，共37页，编辑于2022年，星期二n当测段、路线同方向观测高差不符值超限时，当测段、
10、路线同方向观测高差不符值超限时，应立即重测。应立即重测。n往往返返高高差差不不符符值值超超限限时时，先先就就可可靠靠性性较较差差的的单单程程进进行行整整测测段段重重测测，再再分分情况进行如下处理：情况进行如下处理：若若重重测测高高差差与与同同方方向向原原测测高高差差超超过过往往返返测测不不符符值值限限差差，但但与与另另一单程高差的不符值不超出限差，则取用重测结果；一单程高差的不符值不超出限差，则取用重测结果；若若同同方方向向两两高高差差不不符符值值未未超超出出限限差差，且且其其中中数数与与另另一一单单程程高高差亦不超出限差，则取同方向中数作为该单程高差；差亦不超出限差，则取同方向中数作为该单程
11、高差；若若(1)(1)条条中中的的重重测测高高差差或或(2)(2)条条中中两两同同方方向向高高差差中中数数与与另另一一单单程程的的高差不符值超出限差，须重测另一单程；高差不符值超出限差，须重测另一单程；若若经经两两次次或或多多次次重重测测后后，出出现现同同向向高高差差接接近近而而异异向向高高差差超超限限的的分分群群现现象象，且且同同方方向向高高差差不不符符值值小小于于限限差差之之半半时时，则则取取原原测测的的往往返返测测高高差差中中数数作作为为往往测测结结果果，取取重重测测的的往往返返测测高高差差中中数作为返测结果。数作为返测结果。精密水准测量超限处理规定精密水准测量超限处理规定第10页，共3
12、7页，编辑于2022年，星期二n若若路路线线往往返返不不符符值值、环环闭闭合合差差超超限限时时，应应就就观观测测条条件件较较差差的的某某些些测测段段进进行行重重测测。若若重重测测高高差差与与原原测测高高差差之之差差超超过过表表1515中中的的检检测测限限差差时时，应应对对该该测测段段相相邻邻的的测段进行检测，确定两端点的可靠性。测段进行检测，确定两端点的可靠性。n检检测测路路线线连连接接点点的的观观测测精精度度要要求求，按按连连接接路路线线的的最最低低等等级级实实施施。检检测测时时，先先单单程程检检测测一一测测段段，若若单单程程检检测测超超限限，则则应应检检测测该该测测段段另另一一单单程程。若
13、若高高差差中中数数仍仍超超限限，则则继继续续向向前前检检测测，以以确确定定稳稳固固的的已已测测点点作作为连接点。为连接点。精密水准测量超限处理规定精密水准测量超限处理规定第11页，共37页，编辑于2022年，星期二）观测读数及计算小数位的规定）观测读数及计算小数位的规定第12页，共37页，编辑于2022年，星期二5 5）几何水准前后视不等的测量方法）几何水准前后视不等的测量方法n布置成对称图形。布置成对称图形。n若若D4=5mD4=5m，要求小于要求小于0.05mm0.05mm，则，则n为了提高测量精度，图形布置宜使为了提高测量精度，图形布置宜使D D1 1和和D D4 4尽可能的短尽可能的短
14、、点架设仪器；点架设仪器；M M、N N点立尺点立尺第13页，共37页，编辑于2022年，星期二6 6）精密水准仪）精密水准仪角的测定角的测定n精密水准测量常常遇到前后视不等测量，这时，精密水准仪精密水准测量常常遇到前后视不等测量，这时，精密水准仪角角的影响至关重要，必须根据现场情况测定。的影响至关重要，必须根据现场情况测定。n当当一次高差测定中误差为一次高差测定中误差为0.05mm0.05mm；i i角检定的中误差为角检定的中误差为0.40.4第14页，共37页，编辑于2022年，星期二n原原理理：液液体体静静力力水水准准测测量量也也称称连连通通管管测测量量，它它是是利利用用相相互互连连通通
15、的的液面，在静力平衡时处于同一个水准面而进行高程测量的方法，液面，在静力平衡时处于同一个水准面而进行高程测量的方法，n特点：特点：测量精度高，可自动化测量。测量精度高，可自动化测量。n应应用用领领域域：变变形形监监测测（大大坝坝、核核电电站站永永久久性性观观测测的的建建筑筑物物）以以及及很很难难进进行水准测量或自动化观测要求场所。行水准测量或自动化观测要求场所。7-3 液体静力水准测量第15页，共37页，编辑于2022年，星期二n仪仪器器形形式式：固固定定式式或或移移动动式式仪仪器器（移移动动式式静静力力水水准准仪仪适适用用于于施施工工期期测量测量，固定式静力水准仪固定式静力水准仪适用于竣工后
16、构筑物的变形观测适用于竣工后构筑物的变形观测）。）。n测测读读方方法法：目目视视法法、目目视视接接触触法法、电电子子接接触触法法和和光光电电记记录录法法等等（各各种种流流体体静静力力水水准准仪仪的的结结构构本本质质上上的的区区别别仅仅在在于于测测定定和和读读取取连连通通管管中中液面位置的方法不同）。液面位置的方法不同）。7-3 液体静力水准测量第16页，共37页，编辑于2022年，星期二东江水力发电厂液体静力水准测量第17页，共37页，编辑于2022年，星期二液体静力水准测量 有压钵体能对不等高位置的测量下图要求A、B点位置等高第18页，共37页，编辑于2022年，星期二n功功能能：测测微微水
17、水准准仪仪可可用用来来测测定定同同一一水水平平面面内内的的分分布布极极近近的的点点间间（1.5m1.5m）的的高高差差或或高高差差变变化化，如如：测测定定为为考考察察不不同同岩岩层层微微小小位位移移的的群群式式水水准准标标石石的的垂垂直直位位移移；测测定定工工艺艺设设备备个个别别元元件件（比比如如磁磁件件中的各单件）的倾斜和变形等工作中。中的各单件）的倾斜和变形等工作中。n精度：精度：测量高差的精度可达到测量高差的精度可达到0.010.02mm0.010.02mm。n目目前前已已制制成成的的测测微微水水准准仪仪，都都是是一一种种长长基基距距的的跨跨水水准准器器，由由带带有有2 2个个或或3 3
18、个个球球形形固固定定支支柱柱的的坚坚硬硬框框架架组组成成。在在框框架架上上安安装装有有管管水水准准器器，其其格格值值是是2 2 10”10”；为为排排除除仪仪器器的的横横向向倾倾斜斜，在在框框架架上上还还安安置置有有格格值值为为30”30”的的横横向水准器。向水准器。当当已已知知水水准准器器的的格格值值和和基基距距长长度度（两两个个支支柱柱间间的的距距离离）S S时时，便便可按下式计算出一点对另一点的高差：可按下式计算出一点对另一点的高差：h=nS/h=nS/n n为水准气泡离开中间位置的偏差，以格计。为水准气泡离开中间位置的偏差，以格计。7-4 测微水准测量（电水准尺）第19页，共37页，编
19、辑于2022年，星期二7-5 精密跨河水准测量n 跨河水准测量方法：跨河水准测量方法：观测方法最长视距（m）光学测微法500倾斜螺旋法1500经纬仪倾角法3500测距三角高程法3500GPS测量法3500第20页，共37页，编辑于2022年，星期二1 1）光学测微法光学测微法第21页，共37页，编辑于2022年，星期二2 2）倾斜螺旋法倾斜螺旋法第22页，共37页，编辑于2022年，星期二3 3）经纬仪倾角法经纬仪倾角法第23页，共37页，编辑于2022年，星期二4 4）测距三角高程法测距三角高程法第24页，共37页，编辑于2022年，星期二5 5）GPSGPS测量法测量法第25页，共37页，
20、编辑于2022年，星期二7-6 精密高程传递测量n悬尺高程传递1.1.右图方式右图方式2.2.水准尺夹方式水准尺夹方式第26页，共37页，编辑于2022年，星期二n测距仪高程传递7-6 精密高程传递测量1.1.右图方式右图方式2.2.全站仪天顶方式全站仪天顶方式第27页，共37页，编辑于2022年，星期二1）原理（理想）原理（理想）大地水准面n 观测值观测值n 高差值：高差值：7-7 精密三角高程测量观测两点的观测两点的斜距斜距（或（或平距平距）及）及竖角竖角，应用，应用三三角公式角公式计算出两点间的计算出两点间的高差高差。第28页，共37页，编辑于2022年，星期二n 球球差：差：n 气差：
21、气差：n 球气差：球气差：n单向观测高差值单向观测高差值：大地水准面过A点的水准面2）球气差影响 精密高程测量必须要考虑精密高程测量必须要考虑地球曲率地球曲率(简称简称球差球差 r r)及及大气垂直折光差大气垂直折光差(简称简称气气气气差差差差 p p )的影响。的影响。第29页，共37页，编辑于2022年，星期二 可见：可见：对向观测对向观测可自行可自行消减消减地球曲率和大气垂直折光的影响，因此地球曲率和大气垂直折光的影响，因此在精密高程测量中，要尽量采取在精密高程测量中，要尽量采取同时对向观测同时对向观测。n 对向观测高差值对向观测高差值：2）球气差影响第30页，共37页，编辑于2022年
22、，星期二n 在精密高程测量中常常无法进行在精密高程测量中常常无法进行对向观测，对向观测，就必须就必须测测定定K K值进行改正值进行改正n K K值测定方法有值测定方法有l 双觇标估算双觇标估算K K值法（右图）值法（右图）l 测线测定气象元素估算法测线测定气象元素估算法l 精密水准精密水准+三角高程计算三角高程计算K K值法。值法。n 工程实际中工程实际中K K值值的处理方法的处理方法3）K值测定方法第31页，共37页，编辑于2022年，星期二 仪器高测定方法仪器高测定方法l 卷尺丈量法卷尺丈量法l 固定一脚螺旋法固定一脚螺旋法l 显微镜法显微镜法l 精密水准尺测读法精密水准尺测读法4）仪器高
23、和目标高测定方法对下式微分可知仪器高和目标高对高差的影响。对下式微分可知仪器高和目标高对高差的影响。因此，精密三角高程测量中必须因此，精密三角高程测量中必须精密测定仪器高和目标高精密测定仪器高和目标高。第32页，共37页，编辑于2022年，星期二l 水准尺固定觇牌法（右图）水准尺固定觇牌法（右图）l 精密水准仪测读法精密水准仪测读法l 固定棱镜高度法（两岸固定棱镜高度法（两岸互换互换）n 目标高测定方法目标高测定方法第33页，共37页，编辑于2022年，星期二5）中间法消除量仪器高和目标高误差方法n中中间间法法三三角角高高程程测测量量原原理理示示意意图图 第34页，共37页，编辑于2022年，星期二T2 T21节段架设测控257m7-8 实例介绍 南京三桥钢塔柱拼装K值测定方法第35页，共37页，编辑于2022年，星期二实测K值的方法下横梁上固定一下横梁上固定一棱镜棱镜；每次钢塔拼装精匹配测控每次钢塔拼装精匹配测控前，首先测定大气折光系数前，首先测定大气折光系数K K值；值；该值即作为当夜晚的三角该值即作为当夜晚的三角高程测量修正值。高程测量修正值。棱镜棱镜第36页，共37页，编辑于2022年，星期二自行车赛场建造中的高程控制自行车赛场建造中的高程控制第37页，共37页，编辑于2022年，星期二