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1、专题水准测量一、概述一、概述 高程测量高程测量:测量地面上各点高程的工作测量地面上各点高程的工作 水准测量水准测量 三角高程测量三角高程测量 气压高程测量 GPS卫星测高水准测量：水准测量：确定地面点的高程19851985年国家高程基准：年国家高程基准：由黄海平均海水面（高程零点）和青岛高程水准原点所确定的高程体系。国家水准原点国家水准原点(LevelingOrigin)二、水准测量基本原理二、水准测量基本原理一个测站测量并计算高差：hAB=a-b （=HB-HA）则 HB=HA+hAB 注：亦可求出视线高：Hi=HA+a ，则 HB=Hi-b后视尺前视尺水平视线已知：已知：HA=34.248
2、m,a=2.145m,b=1.684m hAB=a-b=0.461m 则：HB=HA+hAB=34.248+0.461=34.709后视尺前视尺水平视线一个测段一个测段h1=a1-b1 h2=a2-b2 hn=an-bn hAB=h1+h2+hn=h 可用下式进行高差计算正确性的检核：hAB=(a1-b1)+(a2-b2)+(an-bn)=a-b 如果A为已知高程点，其高程为HA，则B点高程为：HB=HA+hAB=HA+a-b水平视线水准曲面对水准测量的影响水准曲面对水准测量的影响 当仪器中心到两尺之间的距离相等时，水准面曲率对水准测量的影响被抵消。因此：在水准测量中应使仪器与前后尺之间的距离
3、在水准测量中应使仪器与前后尺之间的距离尽可能相等尽可能相等 水准路线布设形式n nA A、闭合水准路线闭合水准路线n nB B、附合水准路线、附合水准路线n nC C、支水准路线、支水准路线闭合水准路线附合水准路线支水准路线外业计算1、水准路线闭合差的计算闭合差：观测所得水准路线的高差值与理论值的差值，即水准路线的闭合差。A A、闭合水准路线闭合差的计算、闭合水准路线闭合差的计算B B、附合水准路线闭合差的计算、附合水准路线闭合差的计算C C、支水准路线闭合差的计算、支水准路线闭合差的计算A、闭合水准路线闭合差的计算A、闭合水准路线闭合差的计算n n理论：理论：闭合水准路线高差的代数和在理论上
4、应等于零，即h测=0n n实际上不等于零，该不为零的数值称为高差闭合差fh，即fh=h1+h2+h3+h4=h测测B、附合水准路线闭合差的计算n n附合水准路线的高差总和应等于两端点高级水准点高程H和H之差，则闭合差为：fhh测-(H终始）C、支水准路线闭合差的计算n n一般采用往、返测，其往、返测高差总和的绝对值应相等而符号相反，故其代数和即闭合差为：fh=h往h返2、水准路线闭合差限差的计算n n将计算的闭合差将计算的闭合差f f f fh h h h与限差与限差f fh h限限比较，若小于限差则进行分配，比较，若小于限差则进行分配，否则应检查错误或重测否则应检查错误或重测 限差：与水准网
5、网等级、水准路线长度（或测站数）有关限差：与水准网网等级、水准路线长度（或测站数）有关 如对于等外水准测量如对于等外水准测量vv平地：平地：vv山地：山地：内业计算1 1、水准路线闭合差的检核水准路线闭合差的检核2 2、水准路线闭合差的分配水准路线闭合差的分配n n当实测高差闭合差小于规程当实测高差闭合差小于规程规定的限差时，应对闭合差规定的限差时，应对闭合差进行合理的分配。进行合理的分配。按测站数成比例反号分按测站数成比例反号分按测站数成比例反号分按测站数成比例反号分配到各测段配到各测段配到各测段配到各测段h h h hi i i i=h=h=h=hi i i i+v+v+v+vi i i
6、i 按路线长度成比例反号按路线长度成比例反号按路线长度成比例反号按路线长度成比例反号分配分配分配分配h h h hi i i i=h=h=h=hi i i i+v+v+v+vi i i i3 各点高差计算待定高程点待定高程点i i的近似高程（概约高程）为：的近似高程（概约高程）为：H Hi i=H=HA A+HHj j ,j=1,2,3,i,j=1,2,3,i，i=1,2,3,ni=1,2,3,n三、水准测量仪器和工具三、水准测量仪器和工具 水准仪、水准尺和尺垫1 1 水准尺和尺垫水准尺和尺垫常用双面尺：一面黑白相间刻划：黑面尺或主尺黑面尺或主尺，另一面红白相间刻划：红面尺或副尺红面尺或副尺。
7、两根尺黑面的起始读数为零 红面的起始读数则分别为4.687m和4.787m尺垫：在转点处放置水准尺2 2 水准仪（水准仪（DSDS：levellevel）水准仪是能够提供水平视线的仪器，主要由基座、照准部（包括望远镜、水准器）构成。望远镜：瞄准目标并在水准尺上读数。十字丝中心(或称十字丝交点)和物镜光心的连线，称为视准轴视准轴 水准器：圆水准器，管水准器四、水准测量的方法四、水准测量的方法（一）水准仪的操作步骤（一）水准仪的操作步骤v 仪器安置v 粗略整平v 瞄准v 精确整平v 读数1 1 安置水准仪安置水准仪 打开三脚架并使其高度适中，目估使架头大致水平，然后将三脚架尖踩入土中，将水准仪用中
8、心螺旋固定于三脚架头上2 2 粗略整平粗略整平(粗平粗平)用脚螺旋将圆水准器的气泡调整居中。左手拇指规则：“左手拇指旋转脚螺旋的运动方向，就是气泡移动的方向”3 3 瞄准水准尺瞄准水准尺 目镜对光 瞄准水准尺，拧紧制动螺旋 精确瞄准 消除视差4 4 精确整平精确整平(精平精平)调整微倾螺旋，使气泡两端的影像符合5 5 读数读数 利用中丝在尺上读数，估读至毫米（二）两点间高差的确定（二）两点间高差的确定 水准测量通常是从一个已知高程的水准点开始，按照一定的水准路线，引测出所需各点的高程。两点距离较近时，设站一次进行测量后视尺前视尺水平视线 两点相距较远或高差较大时，在中间设立若干转点，A、B两点
9、间的高差是各高差之和 h1=a1-b1 h2=a2-b2 hn=an-bn hAB=h1+h2+hn=h 可用下式进行高差计算正确性的检核：hAB=(a1-b1)+(a2-b2)+(an-bn)=a-b 如果A为已知高程点，其高程为HA，则B点高程为：HB=HA+hAB=HA+a-b两次仪器高法：两次仪器高法：立尺，尺中间安置水准仪，粗平 照准后视尺，精平，读数 照准前视尺，粗平，读数 计算高差 变动仪器高（升或降大于10cm）再观测 高差互差不大于5mm时，取平均值双面尺法（黑面、红面）：双面尺法（黑面、红面）：用双面尺，每尺均读黑、红面读数 立尺，尺中间安置水准仪，粗平 瞄准后后视尺黑黑面
10、，精平，读数 瞄准前前视尺黑黑面，精平，读数 瞄准前前视尺红红面，精平，读数 瞄准后后视尺红红面，精平，读数黑面：以零开始刻划红面：一尺从4687开始刻划，另一尺从4787开始红黑面计算高差理论上相差0.1m水准测量采集数据的记录、计算与检核测测站站后下后下前下前下方向方向及及尺号尺号标尺读数标尺读数K+K+黑黑-红红高差中高差中数数后上后上前上前上后距后距前距前距黑面黑面红面红面视距差视距差dd1 1211121112182186 6后后1921924 466116611173717371811811 1前前1991998 867866786后后-前前五、水准仪的检验与校正五、水准仪的检验与
11、校正 圆水准器轴应平行于仪器的垂直轴LL/VV 水准管轴应平行于望远镜的视准轴LL/VV 望远镜十字丝横丝应垂直于仪器的垂直轴圆水准器轴平行于仪器的垂直轴的检验校正 检验方法：旋转脚螺旋使圆水准气泡居中，之后将仪器水平旋转180，气泡仍居中则正常，否则需要校正。水准管轴平行于望远镜的视准轴的检验校正i角误差 检验方法：旋转脚螺旋使圆水准气泡居中，之后将仪器水平旋转180，气泡仍居中则正常，否则需要校正。望远镜十字丝横丝垂直于仪器垂直轴的检验 检验方法：瞄准一固定点，转微动螺旋使仪器水平旋转，若点始终沿横丝移动，则水平；否则需校正。五、水准尺的检验与校正五、水准尺的检验与校正水准尺分划面弯曲差（
12、矢距）的测定水准尺分划面弯曲差（矢距）的测定 对普通水准尺，应有：f8mm否则，应进行改正：l=(8f2)/3l其中l为水准尺尺长水准尺分划正确性检验水准尺分划正确性检验 每米分划间隔正确性检验 水准尺红面与黑面零点差（尺常数K）的测定 一对水准尺黑面零点差的测定六、水准测量误差的来源及其减弱措施六、水准测量误差的来源及其减弱措施仪器误差仪器误差：i角误差观测误差观测误差 精平误差 调焦误差 估读误差 水准尺倾斜误差外界环境影响外界环境影响 水准仪、水准尺下沉 大气折光与地球曲率影响 日照及风力引起的误差七、几种新型水准仪七、几种新型水准仪1 自动安平水准仪2 激光水准仪3 数字水准仪实验一：
13、水准仪的使用与高差测定实验一：水准仪的使用与高差测定实验二：普通水准测量实验二：普通水准测量实验三：水准仪检校实验三：水准仪检校一、实验目标二、实验内容三、方法与过程四、实测数据与计算结果作业：作业：1 高差计算（单站）高差计算（单站）已知：已知：HA=37.624m,a=1.318m,b=2.657m计算：计算：HB2 高差计算（设转点）高差计算（设转点）HA=37.624m观测时在A、B点之间设了两个转点，读数分别如下a1=1.348m,b1=1.627m;a2=1.082m,b2=2.631m;a3=0.947m,b3=1.465m;计算：计算：HB三角高程测量三角高程测量n n一、三角
14、高程测量原理h hABAB=D tg=D tg +i v+f+i v+fABABH HB B=H=HA A+D tg+D tg +i v+f+i v+fABABn n直觇直觇h hABAB=D tg=D tgAB AB+I+IA A v vB B+f+fABABn n反觇反觇h hBABA=D tg=D tgBABA +I+IB B v vA A+f+fABABn n互差小于规范要求时取平均值作为最终结果互差小于规范要求时取平均值作为最终结果 H HB B=H=HA A+n n二、误差来源与减弱措施hAB=D tg+i v+fAB 边长误差边长误差 垂直角误差：减小大气折光（阴天或中午），减垂
15、直角误差：减小大气折光（阴天或中午），减小边长，用短边传播小边长，用短边传播 大气折光影响：取直、反觇高差平均值消除之大气折光影响：取直、反觇高差平均值消除之 仪、标高误差仪、标高误差n n三、布设形式与施测要求 三角高程网：确定各平面控制点的高程 三角高程路线 独立交会点施测要求n ni i 钢尺独立量取两次，读至钢尺独立量取两次，读至5mm,5mm,较差不大于较差不大于1cm1cmn nD D 从平面控制成果中获得从平面控制成果中获得 直接观测得到直接观测得到n n垂直角垂直角 一般与水平角同时观测，一般进行直、反觇对向观测一般与水平角同时观测，一般进行直、反觇对向观测n n四、高差计算1
16、 1 高程计算高程计算直反觇均值直反觇均值n n2 2 高差闭合差计算与分配高差闭合差计算与分配 与水准测量相同与水准测量相同 闭合路线闭合路线：wh=h测 附合路线附合路线：wh h h测测-(H-(H终终始始）n n3 各点高差计算n n重点：三角高程测量的原理三角高程测量的原理 计算方法计算方法高程系统高程系统(ElevationSystem)由高程基准面起算的地面点的高度称为高程。由高程基准面起算的地面点的高度称为高程。高程基准分为全球统一高程基准和局部高程基准两类。高程基准分为全球统一高程基准和局部高程基准两类。注：一般地，一个国家只采用一个平均海水面作为统一的高程基准面（局部高注：
17、一般地，一个国家只采用一个平均海水面作为统一的高程基准面（局部高程基准），由此高程基准面建立的高程系统称为国家高程系，否则称为地方高程程基准），由此高程基准面建立的高程系统称为国家高程系，否则称为地方高程系。系。采用采用不同的基准面不同的基准面表示地面点的高低产生不同的高程表示法（或表示地面点的高低产生不同的高程表示法（或者对者对水准测量水准测量数据采取不同的处理方法产生几种高程系统）：主要数据采取不同的处理方法产生几种高程系统）：主要有正高、正常高、力高和大地高程等系统。有正高、正常高、力高和大地高程等系统。注：高程基准面基本上有三种：一是注：高程基准面基本上有三种：一是大地水准面大地水准面
18、，它是正高的基准面；二是，它是正高的基准面；二是椭球椭球面面，它是大地高程的基准面。此外，为了克服正高不能精确计算的困难还采用正，它是大地高程的基准面。此外，为了克服正高不能精确计算的困难还采用正常高，以常高，以似大地水准面似大地水准面为基准面，它非常接近大地水准面。为基准面，它非常接近大地水准面。水准面的定义和性质回顾水准面的定义和性质回顾 重力的方向和大小由重力位唯一确定，它可表示成重力位的梯度重力位的梯度:当S方向取铅垂线方向时：显然，由于水准面上各点的重力不同，所以水准面是不平行的，即：两个等位面的间距是不同的两个等位面的间距是不同的；同一水准面上重力位能相同，同样由于水准面上各点的重
19、力不同，导致同一水准面上各点处高程不同同一水准面上各点处高程不同。AB高程系统(Elevation System)高程系统高程系统(ElevationSystem)不同高程路线得到不同的高差闭合高程路线的理论闭合差AB高程系统高程系统 正高正高（OrthometricHeight）高程系统高程系统 沿地面点B 的垂线方向到大地水准面的距离Hg，称为B点的正高（如图）,这样定义的高程系统称为正高系统，其计算公式为：式中dh为沿水准路线测得的高差；g为沿水准路线的重力值,由重力测量求得；gm为沿地面点B的垂线至大地水准面之间的平均重力值。要推算这种平均重力值，必须知道地面和大地水准面之间岩层的密度
20、分布，这是不能用简单方法来推求的。所以过去都是采用近似的数据，只能求得正高的近似值（近似正高）。高程系统高程系统 近似近似正高正高（OrthometricHeight）高程系统高程系统 正高高程的精确值不能求得，通常采用近似正高。沿地面点B 的垂线方向到平均椭球面的距离，称为B点的近似正高（如图）,这样定义的高程系统称为近似正高系统，其计算公式为：式中dh为沿水准路线测得的高差；r0为平均椭球面上的正常重力值。h AB近=h AB测+V不平行高程系统高程系统正常高高程系统正常高高程系统（NormalHeight）1945年苏联的M.C.莫洛坚斯基提出了正常高的概念，即将正高式中的分母gm改用平
21、均正常重力值 来代替，也就是正常高为：式中 是可以精确计算的,因此正常高也可以精确地计算出来。由各地面点沿正常重力线向下截取各点的正常高，所得到的点构成的曲面,称为似大地水准面,它是正常高的基准面。h AB常=h AB近+V重力异常 似大地水准面很接近于大地水准面，在海洋上两者是重合的，在平原地区两者相差不过几厘米，在高山地区两者最多相差2米。似大地水准面不是等位面，没有明确的物理意义。它是由各地面点按公式计算的正常高来定义的，这是正常高系统的缺陷,但其优点是可以精确计算,不必引入人为的假定。中国大地测量法规定采用正常高系统。起算依据是国家高程基准，传算途径是全国四等以上各级高程控制网。高程系
22、统高程系统大地高高程系统大地高高程系统(GeodeticHeight，EllipsoidalHeight)地面点在三维大地坐标系中的几何位置，是以大地经度、大地纬度和大地高程表示的。大地高程以椭球面为基准面，是由地面点沿其法线到椭球面的距离,如图中的H。大地高程可直接由卫星大地测量方法测定，也可由几何和物理大地测量相结合来测定。采用前一种方法时，直接由卫星定位技术测定地面点在一全球地心坐标系中的大地高程；采用后一种方法时，大地高程分为两段来测定，其中由地面点至大地水准面或似大地水准面的一段由水准测量结果加上重力改正而得，由大地水准面或似大地水准面至椭球面的一段由物理大地测量方法求得。当以大地水
23、准面为过渡面时，则：H=H g+N,式中N为大地水准面至椭球面的差距,称为大地水准面起伏。如以似大地水准面为过渡面，则：H=H r+,式中为似大地水准面至椭球面的距离，称为高程异常。由于正高Hg是由地面点沿垂线至大地水准面的距离,而正常高H r是由地面点沿正常重力线至似大地水准面的距离，所以由上述两种方法计算得出的大地高程有差异，差数约为十分之几毫米。高程系统高程系统地球位数地球位数（GeopotentialNumber）地面点的高低也可以用地球位数表示。它定义为大地水准面的位W0与通过地面点的水准面的位W之差，即：W=w-w0由此可见，地球位数也是以大地水准面为基准面，但它不是以米制表示的高
24、程，而是位差。同一水准面上所有各点的地球位数相同。地球位数之差，可由每一水准测量线段观测的高差乘以该线段适当的平均重力观测值而得。若重力值以千伽为单位，观测高差以米为单位，因为地面重力值近似等于0.98千伽，于是，以地球位数表示的两地面点间的位差比以米表示的高差约小2%。用地球位数表示的水准测量结果，换算为正高、正常高或力高系统时都比较方便，这是地球位数的优点。所以有些国家同时采用地球位数、正高和力高计算一、二等水准网，欧洲统一水准测量系统甚至采用位于阿姆斯特丹的一个水准点的地球位数作为高程起算基准。高程系统高程系统(据计算，在纬度差为12，高差相差的近2500 m的同一条测线上，现行的高程与
25、力高高程相差7 m之多，这样大的偏差是不能忽略的。)动（力）高动（力）高（DynamicHeight）高程系统高程系统由于同一水准面上的各点在正高或正常高系统中的高程值不同，因而对于大规模的水利工程来说，使用很不方便。为了使同一水准面上各点有相同的高程值，可以采用力高系统。力高即某点的地球位数与大地纬度为45 处或测量区域平均大地纬度处的正常重力值之比值。力高按下式计算：，式中分母是适当选择的某一纬度处（例如采用45或某一地区的平均纬度）的正常重力值。地面点的力高定义为通过该点的水准面上在特定纬度处的正高，即一个水准面上各点的力高都等于该面上特定纬度处的正高。注：力高一般不作为国家的高程系统，
26、只用于解决局部地区有关水利建设的问题。高程系统高程系统注意：以上注意：以上4种高程系统和地球位数都需要知道水准点上的重力值种高程系统和地球位数都需要知道水准点上的重力值g。因此，沿精密水准测量路线要以适当方式实施重力测量，供处。因此，沿精密水准测量路线要以适当方式实施重力测量，供处理水准测量数据之用。理水准测量数据之用。高程系统高程系统全球高程基准的统一：全球高程基准的统一：1）采用精密重力测量，确定精确的“大地水准面模型”；2）采用卫星测量确定各点精确的大地高；3）进而在统一的框架下确定精确的正高（近似正高）或正常高。高程系统高程系统局部高程基准主要采用验潮方法。高程原点由于大地水准面高的确
27、定精度，低于水准测量的精度，各国通过验潮确定一个起始高程点，作为高程基准点。不同高程起算点构成不同的系统，它们之间的高程相差可能达到米级。我国先后采用过的验潮站有：吴淞、达门、青岛、大连等。青岛验潮资料确定的大地水准面引测到稳固的基准点，作为全国水青岛验潮资料确定的大地水准面引测到稳固的基准点，作为全国水准测量的起算点，称为我国高程原点。准测量的起算点，称为我国高程原点。高程原点的组成：主点高程原点的组成：主点原点原点参考点和副点参考点和副点青岛验潮站的优势：位置适中；半日潮有规律；不在江河入海口；海面开阔、无岛礁；海底平坦；水深10米以上等。高程系统高程系统我国的高程系统：1988年1月1日
28、前，我国采用前，我国采用“1956年黄海高程系年黄海高程系”；1988年1月1日，开始启用开始启用“1985国家高程基准国家高程基准”。1、1956年黄海高程系统 采用1950至1956年7月的潮汐资料推求的平 均海水面2、1985黄海高程系统 采用1952至1979年的潮汐资料推求的平 均海水面。3、“1956国家高程基准国家高程基准”的原点高程：的原点高程：72.289m“1985国家高程基准国家高程基准”的原点高程：的原点高程：72.260m作业：作业：1、水准测量闭合环的理论闭合差是否为、水准测量闭合环的理论闭合差是否为0，为什么？，为什么？2、为什么正高在理论上就不能精确求得？、为什么正高在理论上就不能精确求得？3、试从理论或技术角度简述建立高程系统的原因。、试从理论或技术角度简述建立高程系统的原因。4、为什么要建立力高高程系统？、为什么要建立力高高程系统？此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢