022课程设计水准测量.docx
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022课程设计水准测量
02-2课程设计—水准测量
江苏省南京工程高等职业学校课程单元教学设计首页
课程课题：
地形测量—水准测量
授课教师
贾王军
学时数
24
授课班级
GC09031、32、33
授课日期
2010年9月13日第三周
教学地点
班级
教
学
目
标
能力目标
知识目标
素质目标
①掌握水准测量的原理。
②了解水准测量的基本内容。
③掌握测站水准测量、普通和四等水准路线测量及高程计算方法。
④了解水准仪的检校内容与方法。
了解水准仪、水准标尺和尺垫的基本构造。
②了解水准测量的误差来源。
③了解自动安平水准仪、电子水准仪的结构。
④了解自动安平水准仪的基本结构与使用方法。
⑤了解电子水准仪的基本结构与使用方法。
培养吃苦耐劳工作态度
②培养一丝不苟工作作风
③培养团结合作工作精神
④培养安全文明工作教育
⑤培养敬业爱岗工作氛围
教
学
重
点
与
难
点
教学重点：
水准测量原理的灵活应用。
教学难点：
掌握测站水准测量、普通和四等水准路线测量及高程计算方法
能
力
训
练
任
务
及
案
例
任务一：
水准测量原理
任务二：
水准测量仪器及使用
任务三：
水准测量外业工作
任务四：
三、四等水准测量
任务五：
水准测量内业工作
任务六：
水准仪的检验与校正
任务七：
水准测量的误差分析
任务八：
自动安平、精密、电子水准仪简介
教学准备
制作教材课件ppt。
查阅水准测量的相关知识。
反复模拟项目教学实践操作，反思还有何不足之处。
参考资料
《测量学概论》
《测量技术》
《工程测量实训指导》
教学情景
创设
在校内水准仪实训室理实一体化教学。
课堂上通过实物及示范导出课程内容，通常采用提问和启发诱导，教师做示范操作并讲解原理，学生思考并动手，实训课教师巡回指导。
江苏省南京工程高等职业学校课程单元教学设计主页
步骤
教学内容
教学方法
教学手段
学生活动
时间分配
告知（教学内容、目的）
教学内容：
水准测量的测数与计算
教学目的：
学会用水准仪测高程。
讲授
多媒体课件演示
听讲
思考
5′
引入（任务项目）
通过高程测量概念的引入，使用水准仪进行水准测量以求的点位高程。
问题引入
多媒体课件
演示
学生思考
个别回答
5′
子项目1
任务一：
水准测量原理
利用水准仪提供的水平视线求点位之间的高差。
任务驱动
重点讲解
课件演示
认真听讲
思考讨论
35′
训练1
教师在实训室演示任务结束，学生练习。
个别指导
巡回指导
10′
模仿操作
35′
子项目2
任务二：
水准测量仪器及使用
了解仪器的结构及其构造
任务三：
水准测量外业工作
学会使用仪器求高程及两点高差
任务驱动
重点讲解
演示
认真听讲
思考讨论
90′
训练2
教师在实训室演示任务结束，学生练习，并对测量数据进行处理。
个别指导
巡回指导
学生操作
45′
点评启发
演示
想象
45′
子项目3
任务四：
三、四等水准测量
三、四等水准测量是水准测量里面的重点知识点，学生必须掌握七测量方法和数据的计算方法。
任务驱动
多媒体课件
演示
认真听讲
思考讨论
45′
训练3
教师在实训室演示任务结束，学生在实训场地练习。
测出数据后教室里进行计算，达到精度。
个别指导
巡回指导
学生操作
90′+
90′
子项目4
任务五：
水准测量内业工作
学会对测量过程中的累计的误差进行分配处理。
任务驱动
多媒体课件
演示
认真听讲
思考讨论
45′
训练4
寻找例题学生现场进行计算分配
个别指导
巡回指导
学生操作
45′
子项目5
任务六：
水准仪的检验与校正
学会检验仪器的好快，在必要的时候还要进行仪器的现场修理及维护。
任务驱动
多媒体课件
演示
认真听讲
思考讨论
45′
训练5
水准仪i角的检验
个别指导
巡回指导
学生操作
45′
子项目6
任务七：
水准测量的误差分析
学会对测量误差的分析，知道测量结果中的累积误差的由来，学会在测量过程中避免误差的出现。
更要避免错误的存在。
任务八：
自动安平、精密、电子水准仪简介
了解一些其他的测量仪器。
任务驱动
多媒体课件
演示
认真听讲
思考讨论
45′
综合操作
经过对水准仪的学习，学生对仪器操作的熟练程度。
讲授
演示
学生训练
90′+90′+90′
考核
在实训室进行仪器操作的考核。
考核
90′
作业
考工题库
子项目1水准测量原理
[第一部分]：
导入新课：
本章主要介绍高程测量的一种仪器，水准仪。
包括水准测量的基本原理；水准仪的各个组成部分，如水准器、水准尺和尺垫、望远镜；水准仪的构造和使用以及最新式的水准仪。
首先来了解水准测量的原理。
[第二部分]：
新课讲解：
基本测法：
从已知高程点A出发，测出A点到B点的高程之差，即高差hAB，则B点高程HB为：
HB=HA+hAB
一、水准测量的原理
在A、B两点上各立一根尺子（水准尺），在A、B之间安置一架可以得到水平袖线的仪器（水准仪），由水平视线在尺子上读数，分别为a、b，则两点的高差hAB=a-b。
这其中的关键是水准仪能够给出水平视线。
a——后视读数；b——前视读数
注意：
1．高差hAB本身可正可负，当a大于b时hAB为正，此时B点高于A点；当a小于b时hAB为负，即B点低于A点。
2．高差hAB的书写其下标的次序是固定的，不能随意变换，hAB表示从A到B的高差；hBA则表示从B到A的高差。
二、转点、测站
转点：
临时立尺点，作为传递高程的过渡点。
（一般转点上均需使用尺垫）
测站：
每安置一次仪器，称为一个测站。
当欲测点B离已知点A较远，安置一次仪器就不可能测出它们的高差，这时，选择一条施测路线，在A、B之间加设一些转点，每相邻两点测一测站，求出它们的高差，则AB的高差即为这些高差的总和。
hAB=h1+h2+h3+……
=（a1-b1）+（a2-b2）+（a3-b3）+……=
三、地球曲率的影响
实际上大地水准面接近于球面，一个测站上的水准测量应如下图所示，图中用圆弧表示过A点的大地水准面。
因θ角很小（AB相距200m时，θ≈6″），故在A、B两点竖立的水准尺接近于平行，实际此时高差
为：
式中
称为地球曲率的影响。
从过A点的水准面与测站垂线的交点处作切线，由下图可见，
另
；
，则：
上式为地球曲率对一个测站的影响。
若
，则
，说明当前、后视距的距离相等时，地球曲率对一个测站的高差没有影响。
对一条水准线路而言，则有：
设每测站的
相等，将有
。
此式与前式相比，其不同之处是，用后、前视距离之差的总和替换每站的后、前视距离之差。
实际工作将
加以限制，以使
不致过大，作业中应注意后、前视距差值（其值可+可-）的积累，将其限制在规定的范围之内。
例：
[第三部分]：
总结：
这节课我们学习了水准测量的原理，希望同学在今后的实习中掌握。
子项目2水准测量仪器及使用
[第一部分]：
导入新课：
本节主要学习水准仪的各个组成部分，如水准器、水准尺和尺垫、望远镜；水准仪的构造和使用以及最新式的水准仪。
[第二部分]：
新课讲解：
一、水准仪的构造
1．水准仪的精度指标划分
S05每公里往返测高差中数偶然中误差≤0.5mm
S1每公里往返测高差中数偶然中误差≤1mm
S3每公里往返测高差中数偶然中误差≤3mm
S10每公里往返测高差中数偶然中误差≤10mm
2．水准仪的部件
望远镜、水准管、圆水准器、制动微动螺旋、微倾螺旋、基座、三角压板、中心螺旋
（一）望远镜
1、望远镜的构造原理
1．透镜及其成像
透镜分凸透镜和凹透镜两种，无论是单透镜还是组合透镜，均有两个焦点、两个主平面和一个主轴线。
为使讨论问题简便起见，用一个主平面来替代两个主平面，其结论仍然是正确的。
1）几何光学原理：
平行于主轴线的入射光通过第二焦点；通过第一焦点的入射光平行于主轴线；通过主平面与主轴线交点的入射光不改变方向。
2）焦距f、物距s1、象距s2。
透镜的焦距f、物距s1、象距s2三者之间存在如下数学关系：
一般情况下，透镜的焦距是已知的，可由物距s1求出象距s2的值，即
，
3）凸透镜成像规律
1）当
时，
，此时物体A的象A′是被缩小了的一个实象。
2）当
时，
为负值，这说明物体A的象A′是与入射光在透镜的同一侧，因而A′是一个虚像，而且始终是一个被放大了的虚像。
这时能由眼睛直接看到一个物体的放大了的正像，所以一般将凸透镜称为放大镜。
4）凹透镜成像规律
凹透镜的焦距f、物距s1、象距s2三者之间的关系和凸透镜一样，但应用时s2需取负值，而凹透镜的焦距f总是负值。
凹透镜成像时应注意：
第一焦点在入射光相反的另一侧，因此凹透镜总是产生虚像，而且总是被缩小了的虚像。
此时，物体A的像A′在入射光的同一侧，是一个正立并被缩小了的虚像，当用眼睛通过凹透镜观察物体时，能够看到这个虚像。
2．望远镜成像原理
1）成像原理
由一个目镜和一个物镜构成最简单的望远镜，其成像原理如P46页图4-18所示。
图中，MN为物镜，为目镜，制造望远镜的目的是希望通过它能够看清楚远处的物体，因此物体AB距望远镜的距离必然大于物镜焦距的两倍。
物体AB经物镜折射后将产生一个倒立而被缩小了的实像ab，同时又将目镜安置在使实像ab距目镜的距离小于目镜的焦距这样一个位置，即实像ab成为目镜mn的物体，这样，由于目镜也是一个凸透镜，因此可以得到一个将ab放大了的虚像a′b′。
2）放大原理
望远镜所成虚像的大小比实物AB要小，但实际上我们看到的是放大的物体，看的比实物更清楚。
其原因是：
人用眼睛观察判别物体的大小，是以观察物体的视角大小不同而定。
3．像差的消除
1）产生的原因
产生球面像差、色像差。
2）消除像差的方法
采用复合透镜。
4．十字丝
1）作用
2）具体图形：
一般有四种。
视准轴：
物镜光心与十字丝交点的连线。
物镜光心：
2、外调焦望远镜（外对光望远镜）
3、内调焦望远镜
1．外调焦望远镜的缺点
1）镜筒长；
2）不稳定；
3）不密封。
2．内调焦望远镜的结构原理
3．等效透镜
4、望远镜的性能
1．放大率：
望远镜内所看到的物体的象的视角β与未通过望远镜直接观察物体的视角α之比。
即放大率v=β/α。
2．视场：
望远镜静止不动时，通过望远镜所能看到的空间称为望远镜的视场。
3．分辩率：
通过望远镜人眼能够区分两个点的最小分辨角称为光学系统的分辨率。
5、望远镜的使用
1．操作程序
调目镜，看清十字丝；用准星瞄准目标，调物镜，看清物体。
2．视差及视差的消除
（1）．视差：
目标通过物镜后的成像与十字丝分划板不重合。
（2）．产生视差的原因
调焦不准
眼睛本身自行调焦
（3）．消除视差的方法
必须按操作程序依次调焦
物镜调焦时要控制眼睛本身不作调焦
（二）、水准器
1、圆水准器
1．圆水准器的制作
2．水准器零点
3．圆水准轴
4．圆水准器分划值
2、水准管
1．水准管的材料
2．水准管的纵剖面
3．水准气泡的制作
4．零点
5．水准轴及其水平
6．水准管分划值及其应用
水准管分划值：
水准管上相邻两分划线间弧长所对应的圆心角值，用τ表示，一般弧长为2mm。
应用：
水准管分划值可用于测定水准轴与水平线之间的夹角。
水准管的灵敏度：
水准管气泡准确而快速移居水准管中最高位置的能力。
3、符合水准器
在水准管上安装符合棱镜系统，当气泡两端影像符合一致时就表明气泡已经居中。
由于气泡不符合的程度是指两个端点之间的距离，它正好是距完全符合位置的两倍，因此用符合水准器作业可使气泡居中的精度提高一倍。
（三）基座部分
二、水准仪的使用
水准仪的技术操作一般分为粗平、瞄准、精平、读数
1．水准仪的安置
三脚架头大致水平：
固定两条脚，移动第三条脚
脚架要采实
地面倾斜较大时，应将一个脚安置在倾斜方向上，将另外两个脚安置在与倾斜方向垂直的方向上。
2．粗平
用脚螺旋将圆水准气泡导致居中。
气泡移动的方向与左手大拇指旋转时的移动方向一致。
3．瞄准
调目镜看清十字丝，用瞄准器（准星）瞄准目标，拧紧制动螺旋，从望远镜中寻找物体，物镜调焦至看清目标，消除视差，用微动螺旋准确瞄准。
4．精平
用微倾螺旋调整水准管气泡居中，使视线精确水平。
5．读数
仪器精平后即可读数。
先估读毫米，再全部读出。
一般四个读数直接报出，如1364而非1.364m
三、水准尺和尺垫
1．水准尺
材料、长度、类型
2．尺垫
生铁铸成、三角形、中央有一突出的圆顶。
3．三、四等水准测量的水准尺：
尺长3米，以厘米为分划单位的区格式木质双面水准尺。
黑面：
主尺，分划的起始数字为“零”。
红面：
辅尺，起始数字不为“零”，一般为4687mm和4787mm。
四、自动安平水准仪
微倾式水准仪在每次读数之前都应调整微倾螺旋使水准管气泡居中，这样就大大降低了水准测量的速度。
自动安平水准仪的出现解决了这一问题。
一、自动安平水准仪的原理
1．自动安平的简单设计
依靠重力作用的原理使视线保持水平。
2．补偿装置的使用
在望远镜中设置一个自动补偿装置，当视准轴虽已倾斜（一般倾斜度不太大，在圆水准器分划值范围内约10′），通过物镜光心的水平光线经补偿装置后仍能通过十字丝交点。
此时，视准轴成为折线。
物镜至补偿装置一段为水平线，补偿装置至十字丝一段为倾斜线。
3．补偿方式
视准轴倾斜了一个小角度，为使经过物镜光心的水平光线能通过十字丝交点，可采用以下两个办法：
1）采用补偿器：
2）移位十字丝：
二、补偿器的原理
补偿器需用一重物在重力作用下使某个方向成为铅垂方向，而与此方向直接联系着一组光路。
当视准轴有微小倾斜时，由重物产生的铅垂方向始终不变，它联系着的光路将始终能保持得到视准轴水平时应得的读数。
下面介绍DSZ3水准仪的补偿器。
1．补偿器的结构
补偿器由两个直角棱镜和一个屋脊棱镜构成（P57页图4-36），两个直角棱镜B用交叉的金属片C吊挂着，以零件A固定在望远镜上。
当望远镜有微小的倾斜时，直角棱镜在重物（活塞P）的重力作用下，将与望远镜作相对的偏转运动，偏转方向刚好与望远镜的倾斜方向相反，其偏转的角度亦相等。
2．视准轴水平时
水平光线进入物镜后经第一个直角棱镜反射到屋脊棱镜，在屋脊棱镜内作三次反射到达另一个直角棱镜，又被反射一次最后通过十字丝的交点。
3．视准轴倾斜时
1）第一种情况：
假设“补偿器”不发生作用时的光路（P57页图4-39）。
水平光线经棱镜几次反射之后并不通过十字丝交点A而是通过B点。
两条光线间的角度即为视准轴倾斜的角度。
2）第二种情况：
“补偿器”发生作用后的光路（P58页图4-40）。
直角棱镜在重物的重力作用下产生了偏转，因此经棱镜反射后的光路也将发生偏转。
“补偿器”的作用是希望偏转后的水平光线刚好通过十字丝的交点。
实际上通过一定的设计是能满足上述要求的。
三、移动十字丝的“补偿”装置
四、阻尼器
1．目的：
补偿装置都有一个依重力而作用的“摆”，为使“摆”的摆动能迅速静止，必须装一个“阻尼器”。
2．方法：
空气“阻尼器”、磁“阻尼器”。
[第三部分]：
总结：
这节课我们学习了水准仪的各个组成部分，如水准器、水准尺和尺垫、望远镜；水准仪的构造和使用以及最新式的水准仪，希望同学们在实习中加深巩固。
子项目3水准测量外业工作
[第一部分]：
导入新课：
通过前面几节课的学习，我们知道了水准测量的原理，掌握了水准仪的操作和读数方法，今天我们在此基础上学习水准测量的外业工作。
[第二部分]：
新课讲解：
一、单一水准路线的种类
1．附合水准路线：
从一个已知高程的水准点起，沿一条路线进行水准测量，以测定另外一些水准点的高程，最后连测到另一个已知高程的水准点。
2．闭合水准路线：
从一个已知高程的水准点出发，沿一条环形路线进行水准测量，测定沿线若干水准点的高程，最后又回到此水准点。
3．支水准路线：
从一个已知高程的水准点出发，最后没有连测到已知高程的水准点。
二、水准网的形式
若干条单一水准路线相互连接构成网状，称为水准网。
连接点称为结点。
附合水准网、独立水准网
三、水准测量的外业施测
1．普通水准测量
1）第一测站：
将水准尺立于已知高程的水准点上作为后视，安置水准仪和前视点。
圆水准气泡粗平，瞄准后视尺，精平，读数。
旋转望远镜瞄准前视尺，精平读数。
记录、计算高差。
2）第二测站：
后尺和测站向前移动，前尺不动并转为第二测站的后尺，原后尺变为前尺，同第一站的方法一样继续向前观测。
2．三、四等水准测量
1）观测要求与方法
（1）国家三、四等水准测量的技术指标
等级
仪器类型
标准视线长度
后前视距差
后前视距差累计
黑红面读数差
黑红面所测高差之差
检测间歇点高差之差
三等
S3
75m
3.0m
5.0m
2.0mm
3.0mm
3.0mm
四等
S3
100m
5.0m
10.0m
3.0mm
5.0mm
5.0mm
（2）每测站观测次序
三等：
后—前—前—后
四等：
后—后—前—前；也可：
后—前—前—后
2）测站上的计算与校核
（1）高差部分
（9）=（4）+K-（7）（9）为前视标尺黑红面读数之差
（10）=（3）+K-（8）（10）为后视标尺黑红面读数之差
（11）=（10）-（9）（11）为黑红面所测高差之差
（16）=（3）-（4）（16）为黑面所算得的高差
（17）=（8）-（7）（17）为红面所算得的高差
（11）=（16）±100-（17）
（2）视距部分
后视视距（12）=
（1）-
（2）
前视视距（13）=（5）-（6）
前后视距差（14）=（12）-（13）
前后视距累积差（15）=本站的（14）+前站的（15）。
3）观测结束后的计算与校核
（1）高差部分
（2）视距部分
[第三部分]：
总结：
这节课我们学习了普通水准测量和三四等水准测量的外业方法，希望同学能通过下次的实验掌握运用。
子项目4水准测量的内业
[第一部分]：
导入新课：
图根水准测量外业观测结束后，应计算路线上各固定点的高程。
[第二部分]：
新课讲解：
内业计算
1．闭合差：
观测值与重复观测值之差，或与已知数据的不符值，通常称为闭合差。
2．闭合差的计算
1）水准支线：
2）附合水准路线
3）闭合水准路线
3．闭合差的限差与闭合差的消除
水准测量闭合差的要求
路线往返测闭合差（mm）
附合或闭合路线闭合差（mm）
三等水准测量
四等水准测量
普通水准测量
闭合差的消除：
按距离或按测站数成正比地改正各段的观测高差。
4．水准路线的平差计算
设有一附合四等水准路线，其闭合差：
fh=-20mm，路线总长度为4km。
其计算见下表：
高程误差配赋表
点号
距离km
（或测站数）
高差中数（m）
改正数（mm）
改正后的高差（m）
改正后点之高程（m）
Ⅲ18
+4
+
Ⅳ01
+3
+
Ⅳ02
+6
Ⅳ03
+7
Ⅲ19
每公里改正数为：
观测高差的改正数之和应与闭合差的符号相反。
第
测段的改正数
按下式计算：
高差改正之后应检查改正后高差的总和是否与理论值相等，相等则计算正确无误。
然后顺序推算各点的高程。
以最后一个已知点的高程作检查，以保证计算正确无误。
[第三部分]：
总结：
这节课我们学习了普通水准测量和三四等水准测量的内业计算方法，希望同学能掌握灵活运用。
子项目5水准仪的检验与校正
[第一部分]：
导入新课：
光学测量仪器的各几何轴线是有一定关系的，为保证仪器能正确的使用，必须在使用之前对仪器进行检验，对某些不符合要求的条件，应对仪器加以必要的校正，以满足要求。
[第二部分]：
新课讲解：
一、水准仪应满足的条件
1．水准仪应满足的主要条件
1）水准管的水准轴应与望远镜的视准轴平行；
2）望远镜的视准轴不因调焦而变动位置。
（移动调焦透镜的机械结构的质量应由厂家保证）
第一项是水准测量基本原理对水准仪的要求。
第二个主要条件是为满足第一个条件而提出的。
如果望远镜在调焦时视准轴位置发生变动，就不能设想在不同位置的许多条视线都能够与一条固定不变的水准轴平行。
望远镜的调焦在水准测量中是绝不可免的，因此必须提出此项要求。
2．水准仪应满足的次要条件
1）圆水准器的水准轴应与水准仪的旋转轴平行；
2）十字丝的横丝应当垂直于仪器的旋转轴。
第一个次要条件的目的在于能迅速地整置好仪器，提高作业速度。
第二个次要条件的目的是当仪器旋转轴已经竖直，那么在水准尺上的读数可以不必严格用十字丝的交点而可以用交点附近的横丝。
二、水准仪的检验与校正
检验、校正的顺序应按下述原则进行：
前面检验的项目不受后面检验项目的影响。
1．圆水准器的水准轴应与仪器的竖轴平行的检校
1）检验原理
若圆水准器的水准轴不与竖轴平行而有一夹角α，则将仪器绕竖轴旋转180º，圆水准器的水准轴将偏离竖轴2α角度。
2）检验方法
先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后将仪器旋转180º，若气泡仍在居中位置，则表明此项条件已得到满足；若气泡有偏移，则表明条件未满足，气泡偏移的长度为其夹角的两倍。
3）校正
2．十字丝横丝应与仪器旋转轴垂直的检校
1）检验原理
设十字丝横丝已与仪器竖轴垂直，那么通过十字丝的机丝必定可作一平面与仪器旋转轴垂直；当仪器旋转轴竖直而旋转时，这个平面将在水平位置且不会发生变化。
由此可见，如果有一个点子，它和垂直于仪器旋转轴且通过十字丝横丝的平面重合，则当仪器旋转时这个点将始终在这个平面上。
2）检验方法
先用十字丝横丝的一端瞄准一个点A，然后用微动螺旋缓慢地转动望远镜，观察A点在视场中的移动轨迹；如果A点始终能在横丝上移动，则说明十字丝的横丝已与仪器旋转轴垂直；如果A点离开了横丝，则说明横丝没有与仪器旋转轴垂直。
3）校正
3．望远镜视准轴应与水准管的水准轴平行的检校
望远镜视准轴和水准管水准轴是空间直线，如果它们互相平行，那么无论是在竖直面上还是在水平面上的投影都应该是平行的。
竖直面上的投影检验称i角检验；水平面上的投影检验称交叉误差检验。
对于水准测量，重要的是i角检验。
如果i=0，则水准轴水平后，视准轴也是水平的。
1）i角在读数和高差中的影响
（1）在读数中的影响
如图5-1
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