毕业论文设计一等水准测量的技术方案与实施.docx

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毕业论文设计一等水准测量的技术方案与实施

毕业论文（设计）一等水准测量的技术方案与实施

国家一等水准测量的技术方案与实施

（陕西交通职业技术学院，陕西西安110928）

摘要

高程测量是测量任务的一部分。

其中，水准测量是高程测量中精度最高、用途最广、一种普遍采用的测量方法。

是确定建设工程地面点高程的方法之一。

实施测量过程中，要求测量人员要精心操作、以水准点高程高度负责认真的态度来对待测量工作，养成良好的操作习惯。

误差允许范围内的精度由于仪器和人为的影响而不容易控制，而且易出现隐蔽性错误，如果不能及早发现，基础资料是错误的，从而水准点高程不正确，直接影响路线纵断面设计和施工工作。

本文为满足新技术条件下国民经济建设、国土资源管理、规划建设、灾害监测、交通及地球科学研究对三维动态大地测量基准框架的需求，建立与国家空间数据基准框架相一致的国家大地测量基础三维坐标框架，为国家经济建设尤其是重大工程建设提供高精度的控制成果，国家测绘部门适时提出了国家精化大地水准面建设项目。

受国家测绘部门勘测设计研究院委托，国家测绘局第一大地测量队承担了本项目一等水准路线的普查、GPS点/水准共用点的连测、一等水准网观测任务。

关键词：

水准测量；水准仪；高程；误差

第1章精密水准测量的原理及作业方法1

1.1水准测量的基本原理1

1.2水准测量方法与水准路线1

1.3误差来源及控制措施2

1.3.1视准轴不平行水准管轴2

1.3.2水准尺误差及控制方法2

1.3.3符合水准管气泡居中误差及控制方法3

1.3.4调焦误差和视差的影响及控制方法3

1.3.5水准尺的倾斜误差及控制方法3

1.3.6地球球气差和日照风力引起的误差及控制方法4

1.3.7仪器升降和水准尺下沉的影响5

第2章电子水准仪的使用6

2.1测量原理6

2.2电子水准仪的特点7

2.2.1电子水准仪的共同特点7

2.2.2莱卡DNA系列的具体特点7

2.3电子水准仪的操作8

2.3.1认识硬件8

2.3.2数字水准仪在外业测量的操作9

2.3.3徕卡数字水准仪GSI数据格式简介：

10

2.3.4PROG测量应用程序12

2.4数据的下载及其处理13

2.4.1数据的下载13

2.4.2数据的处理16

第3章作业依据与作业要求20

3.1作业技术依据20

3.2采用的测绘基准20

3.3精度指标20

3.4数据记录20

3.5水准连测20

3.6观测方法和技术指标20

3.7测段往返高差不符值统计21

3.8每千米水准测量偶然中误差22

3.9水准附合路线闭合差的计算22

3.10野外高差与概略高程表的编算22

第4章一等水准测量的实施23

4.1工程概况23

4.2工作内容和完成工作量23

4.3仪器设备23

4.4仪器检验24

4.5精密水准测量作业的一般规定25

4.6精密水准测量观测26

第5章成果文件的建立与技术问题的处理规定30

5.1成果的建立30

5.2观测条件说明30

第6章安全措施33

6.1作业安全33

6.2成果资料安全33

参考文献36

致谢

附录

第1章精密水准测量的原理及作业方法

1.1水准测量的基本原理

水准测量的基本原理是根据几何关系，利用仪器提供的水平视线观测立在两点间上的水准尺以测定两点间的高差。

如图1所示，在需要测定高差的A、B两点上分别立上水准尺，在A、B两点的中点安置可获得水平视线的仪器（水准仪），水平视线在A、B两尺上的截尺数分别为a、b，设水准测量的前进方向是由A点向B点，则规定A点为后视点，其水准读数为a，称为后视读数；B点为前视点，其水准读数为b，称为前视读数。

由于AB距离很短，地球曲率影响可忽略不计，则A、B两点的高差为下图1-1.

图1-1水准测量几何原理

（1-1）

于是B点的高程Hb可按下式计算：

（1-2）

高差hab本身可正可负，当a大于b时，hab值为正，这种情况是B点高于A点；当a小于b时，hab值为负，即B点低于A点。

为了避免计算高差时发生正、负号的错误，在书写高差hab时必须注意h下标的写法。

如，hab是表示由A点至B点的高差；而hab表示由B点至A点的高差，即

（1-3）

从2-1中还可以看出，B点的高程也可以利用水准仪的视线高程Hi（也称为仪器高程）来计算：

（1-4）

（1-5）

当安置一次水准仪根据一个已知高程的后视点，需要求若干个未知点的高程时，用上式计算较为方便，此法成为视线高法，它在建筑工程中经常应用。

1.2水准测量方法与水准路线

当地面上两点间的距离较长或高差较大时,仅安置一次仪器不能直接测得两点间的高差,则进行连续的分段测量,将所得各段高差相加、即可求得两点间的高差。

如某一点的高程通过转1、转2、转3、转n等点传递到另一点,这些用来传递高程的点,称为转点。

任意转点位置的变动,都会直接影响到某一点的高程,因此,转点位置应选在坚实的地面上,在其上放置尺垫并踩实。

水准路线是水准测量进行的路线。

根据测区的具体情况,可选用不同的水准路线,水准路线分为附合水准路线、闭合水准路线、支水准路线等三种。

1）附合水准路线：

当测区附近有高级水准点时,可由一高级水准点开始,沿着待测各高程的水准点1、2、作水准测量,最后附合到另一高级水准点叫附合水准路线。

2）闭合水准路线：

当测区附近有一高级水准点时,可从该点出发,沿着待测的水准点进行水准测量,最后仍回到起始点,形成一个闭合的路线。

3）支水准路线：

从某一水准点出发,进行水准测量到另一个点,即不符合到另一点,也不形成闭合的水准路线。

1.3误差来源及控制措施

1.3.1视准轴不平行水准管轴

仪器虽在测量前经过校正，仍会存在残余误差。

一方面是制造误差，即仪器在制造过程中就存在制造缺陷误差，这项误差是无法消除的；另一方面是检验和校正后的残余误差。

在这些误差中，影响最大、表现突出的就是照准轴和水准管轴不平行的误差，即i角误差。

设A、B分别为同一测站的后视点和前视点，SA、SB分别为后视和前视的距离，XA、XB为由于视准轴与水准管轴不平行而引起的读数误差。

如果不考虑地球曲率和大气折光的影响，B点对A点的高差为：

（1-6）

因

（1-7）

故

（1-8）

对于一测段有

（1-9）

通过分析，i角误差的影响与仪器至前后视标尺的视距差及视距积累有关。

因此造成水准管气泡居中，水准管轴居于水平位置而望远镜视准轴却发生倾斜，致使读数误差。

要消除i角误差的影响，在实际作业中只要做到前后视距相等即可，这种误差与视距长度成正比。

观测时可通过中间法（前后视距相等）和距离补偿法（前视距离和等于后视距离总和）消除。

针对中间法在实际过程中的控制，立尺人是关键，通过应用普通皮尺测距离，之后立尺，简单易行。

而距离补偿法不仅繁琐，并且不容易掌握。

残余i角也不是固定不变的，即使在同一测站上，后视和前视的i角往往由于太阳光照射的不同而不一样。

为了避免这种误差的产生，在阳光下进行观测必须用测伞遮住仪器。

在照准同一测站的前、后视尺时，尽量避免调焦。

1.3.2水准尺误差及控制方法

主要包含尺长误差（尺子长度不准确）、刻划误差（尺上的分划不均匀）和零点差（尺的零刻划位置不准确），对于较精密的水准测量，一般应选用尺长误差和刻划误差小的标尺。

对于尺长误差较大水准尺，使用时应在最后的高差加上水准尺每1m的尺长改正。

水准尺的底面与标尺第一个分格的起始线（黑面为零、红面为4687或4787）应当是一致的。

但由于使用磨损等原因，有时不能完全一致，这个差数是标尺的零点差（包括黑红面零点差及一对标尺零点差）。

标尺零点差的影响对于测站数为偶数的水准路线是可以自行抵消的。

当测站数为奇数时，高差中含有这种误差的影响。

所以，在水准测量中，每测段的测站数应取偶数为好，这样就消除标尺的零点差对高程的影响；或者标尺的零误差的影响，控制方法可以通过在一个水准测段内，两根水准尺交替轮换使用（在本测站用作后视尺，下测站则用为前视尺），并把测段站数目布设成偶数，即在高差中相互抵消。

同时可以减弱刻划误差和尺长误差的影响。

1.3.3符合水准管气泡居中误差及控制方法

水准测量的主要条件是视线必须水平。

假设当水准仪不存在i角误差的情况下，我们用微倾螺旋使管水准气泡居中，此时一般认为管水准轴就水平了因而望远镜照准轴水平了。

其实不然，在观察到气泡居中的一瞬间，还不能认为水准轴是水平的。

由于符合水准气泡未能做到严格居中，造成望远镜视准轴倾斜，产生读数误差。

读数误差的大小与水准管的灵敏度有关，主要是水准管分划值τ的大小。

此外，读数误差与视线长度成正比。

水准管居中误差一般认为是0.1·τ，根据公式m居=0.1·τ″·S/2ρ″，DS3级水准仪水准管的分划值一般为20″，视线长度S为75m，ρ=206265″，那么，m居=0.4mm。

由此看来，只要观测时符合水准管气泡能够认真仔细进行居中，且对视线长度加以限制，与中间法一致，此误差可以消除。

1.3.4调焦误差和视差的影响及控制方法

在观测时，若在照准后、前尺时均调焦，必然使在前、后尺读数时i角高度不一致，从而引起读数误差。

前后视距相等时可避免在一站中重复调焦。

当存在视差时，尺像不与十字丝平面重合，观测时眼睛所在的位置不同，读出的数也不同，因此，产生读数误差。

所以在每次读数前，控制方法就是要仔细进行物镜对光，消除视差。

普通水准测量中水准尺以厘米刻划，考虑仪器的基本性能，影响估读精度的因素主要与十字丝的粗细、望远镜放大倍率及视线长度等因素有关。

其中视线长度影响较大，有关规范对不同等级水准测量时的视线均作了规定，作业时应认真执行。

1.3.5水准尺的倾斜误差及控制方法

水准尺如果是向视线的左右倾斜，观测时通过望远镜十字丝很容易察觉而纠正。

但是，如果水准尺的倾斜方向与视线方向一致，则不易察觉。

尺子倾斜总是使尺上读数增大。

它对读数的影响与尺的倾斜角和尺上读数的大小（即视线距地面的高度）有关。

尺的倾斜角越大，对读数的影响就越大；尺上读数越大，对读数的影响就越大。

如1-2所示。

当水准尺的倾斜角为γ时，其尺上读数为a1，则由1-2可知

（1-10）

（1-11）

图1-2水准尺倾斜对读数影响

即△a得大小取决于水准尺倾斜角γ和标尺上读数a1的大小。

所产生的读数误差为Δa=a（1-cosγ）。

当γ=3o，a=1.5m时，Δa=2mm，由此可以看出，此项影响是不可忽视的，通常我们立镜高度是1.7m,则Δa=2.33mm，。

因此，在水准测量中，立尺是一项十分重要的工作，一定要认真立尺，使尺处于铅垂位置。

尺上有圆水准的应使气泡居中。

必要时可用摇尺法，即读数时尺底置于点上，尺的上部在视线方向前后慢慢摇动，读取最小的读数。

当地面坡度较大时，尤其应注意将尺子扶直，并应限制尺的最大读数。

最重要的是在转点位置。

1.3.6地球球气差和日照风力引起的误差及控制方法

图1-3地球曲率及大气折光的影响

如上图3所示，A、B为地面上两点，大地水准面是一个曲面，如果水准仪的视线a′b′平行于大地水准面，则A、B两点的正确高差为：

（1-12）

但是，水平视线在水准尺上的读数分别为a″、b″。

a′、a″之差与b′、b″之差，就是地球曲率对读数的影响，用c表示。

即：

（1-13）

式中D——水准仪到水准尺的距离（km）；

R——地球的平均半径，R=6371km。

由于大气折光的影响，视线是一条曲线，在水准尺上的读数分别为a、b；a、a″之差与b、b″之差，就是大气折光对读数的影响，用r表示。

在稳定的气象条件下，r约为c的1/7，即

（1-14）

地球曲率和大气折光的共同影响为：

（1-15）

由于地球曲率的缘故，在同一水准面上的两个点其高差并不为零。

由此产生用水平面代替水准面对高程的影响，可以用公式C=D2/（2R）表示，地球半径R=6371Km，当D=1Km时，C=8cm；显然，以水平面代替水准面时高程所产生的误差要远大于测量高程的误差。

所以，对于高程而言，即使距离很短，也不能将水准面当作水平面，一定要考虑地球曲率对高程的影响。

实测中采用中间法可自动消除曲率对前后视读数的影响。

大气折光使视线成为一条曲率约为地球半径7倍的曲线，使读数减小，可以用公式Δh=D2/（2x7R）表示，视线离地面越近，折射越大，因此，视线距离地面的高度不应小于0.3m，并且其影响也可用中间法消除或减弱。

此外，应选择有利的时间，一日之中，上午10时至下午4时这段时间大气比较稳定，便于消除大气折光的影响，但在中午前后观测时，尺像会有跳动，影响读数，应避开这段时间，阴天、有微风的天气可全天观测。

日照及风力引起的误差影响是综合的，比较复杂。

如果光照会造成仪器各部分受热不均使轴线关系发生改变、风大时会使仪器抖动、不易精平等会引起误差。

处选择好的天气测量外，给仪器打伞遮光等都是消除和减弱其影响的好办法。

1.3.7仪器升降和水准尺下沉的影响

在观测中，由于仪器的自重、测站上土质松软等原因，使仪器随时间逐渐下沉；或由于土壤的弹性会使仪器上升，它将使尺上读数减小或增大。

为减小下沉的影响，仪器应安置在土质坚实的地方，脚架要踏实。

在测站采用往返观测法，提高观测速度，可消除其影响。

水准尺下沉的误差是指仪器在搬迁过程中，转点发生下沉，使迁站后的后视读数增大，算得的高差也增大。

如果采取往返测，往测高差增大，返测高差减小，所以取往返高差的平均值，可以减弱水准尺下沉的影响。

最有效的方法是应用尺垫，在转点的地方必须放置尺垫，并将其踩实，以防止水准尺在观测过程中下沉。

第2章电子水准仪的使用

电子水准仪又称数字水准仪，它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。

它采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。

目前照准标尺和调焦仍需目视进行。

人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（又称探测器）上，即线阵CCD器件上，供电子读数。

因此，如果使用传统水准标尺，电子水准仪又可以象普通自动安平水准仪一样使用。

不过这时的测量精度低于电子测量的精度。

特别是精密电子水准仪，由于没有光学测微器，当成普通自动安平水准仪使用时，其精度更低。

当前电子水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法：

1）相关法（徕卡NA3002/3003）

2）几何法（蔡司DiNi10/20）

3）相位法（拓普康DL101C/102C）

2.1测量原理

数字水准仪又称电子水准仪，具有与自动安平水准仪相同的光学机械结构，采用了典型的交叉吊带光学机械补偿器（如图1—1所示），它融光机电技术、图象处理技术、计算机技术于一体，以条码间隔影像信息与参考信号进行数字图像处理的原理，自动采集数据、信息处理和获取自动记录观测值，从而实现了水准测量的自动化。

数字水准仪水准标尺采用条形码分划，代替人们眼睛读数的是光电二极管阵列（CCD探测器）。

在水准测量中，仪器完成照准调焦之后，条形码的象通过一个分光器，将光线分为两束，一束转射到传感器光电二极管阵列上，供电子读数，另一束转射到观测望远镜的分划板上，供目视观测。

目前标尺条码信号的分析和处理采用的方法（也就是自动电子读数方法）有相关法、几何法和相位法三种，三种方法在原理上有较大差别，Leica公司的数字水准仪均采用的是相关法，将储存在仪器内的基准码与传感器阵列的图象信号进行比较，仪器和标尺之间的高差即是标尺条形码象的位移量和因仪器、标尺间距离而产生的条形码象的大小的二维相关函数。

二维相关是在标尺条形码影像上先确定一个待定点，称之为目标点，以此待定点为中心选取m⨯n个像素的灰度阵列作为目标区，为了在储存在仪器内的基准码影像中搜索同名影像，必须估计出该同名影像可能存在的范围，建立一个k⨯l个像素的灰度阵列作为搜索区，相关的过程就是依次在搜索区中取出m⨯n个像素灰度阵列，计算其与目标区的相似测度ρij，将仪器的调焦透镜位置参数作为相关搜索的初始值，当ρ取最大时，认为是最佳相关，该搜索窗口的条形码影像被认为是同名影像，这时标尺读数就可以确定（如图1—2所示）。

图1—2

1DNA03数字水准仪的技术指标及特点

DNA03是Leica第二代数字水准仪。

1990年徕卡测量系统（LeicaGeosystems）的前身—瑞士威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000，可以说从1990年起，大地测量仪器全面完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高科技产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数这一最后难关。

2002年5月徕卡公司又推出了新型的DNA03数字水准仪，该仪器外形美观，大屏幕中文显示，测量数据可存入内存和PC卡中，并具有符合中国国家水准测量规范的丰富的机载软件，这意味着数字水准仪真正地为中国用户所接受。

2．1主要技术指标

重量：

2.8kg（含GEB111电池）

大小：

168⨯240⨯210mm

水准测量精度（每公里双次观测标准偏差）：

电子测量铟钢条码尺——0.3mm/km普通尺——1.0mm/km

光学测量普通尺2.0mm/km

距离测量精度：

标准偏差5mm/10m

电子测距范围：

标尺长度3m1.8m—110m

推荐的3m铟瓦标尺1.8m—60m

标尺长度=2.7m1.8m—100m

标尺长度=1.82m/2m1.8m—60m

所需测量时间：

3秒

望远镜

放大倍率24⨯

物镜自由孔径36mm

孔径角2︒

视场3.5mati100m

最短标尺距离0.6m

乘常数100

加常数0

水准仪灵敏度

圆水准器8'/2mm

补偿器

用电子跟踪的磁阻尼摆补偿器

倾斜角（补偿范围）±10"

补偿精度：

0.3"

显示

LC显示8行，每行24个字符，144⨯64象素

照明节电模式/永久模式/只照明圆水准器模式

加热开/关在-5度以下设置

测量值改正

倾斜误差改正自动

地球曲率改正开/关；水准仪检验改正值

记录

内存约6000个测量成果，或大约1650站观测成果（BF），从“测

量与记录“，经RS232串行接口以GSI—8/GSI—16格式输出

数据积累PCMCIA卡（电讯，SRAM），可达16MB的能力

温度范围

存贮-40︒C~+70︒C

操作-20︒C~+50︒C

环境条件

防水、防灰尘IP53（Gem.IEC60529）

湿度湿度达95%时不凝聚

磁场灵敏度

在水平面上0uTup的野外长度不变

电池电量

电池（NiMH）GEB111GEB121

电压6V6V

能力1800mAh3600mAh

DNA03操作时间12h12h

2．2仪器的主要特点

1）超大的存储容量。

可支持最大容量达32MB的PCMCIA卡；

2）大屏幕的LCD，中文菜单显示，方便了操作；

3）极快的测量速度。

单次测量需时约3秒；

4）选超大容量的镍氢电池。

可支持6节AA干电池供电，给测量供电多了一种保障，少了一份顾虑；

5）用户可自由定义输出数据格式，还用户多一点自主；

6）现代时尚的流线型外观，减低了风阻的影响；

徕卡独特的粗调焦功能，既省去了因前后视距不等而需要频繁调焦，也有效地去除了调焦误差的影响。

方便了操作，提高了精度；

2.2电子水准仪的特点

2.2.1电子水准仪的共同特点

电子水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器（CCD）,并采用条码标尺和图象处理电子系统二构成的光机电测一体化的高科技产品。

采用普通标尺时，又可象一般自动安平水准仪一样使用。

它与传统仪器相比有以下共同特点：

1）读数客观。

不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。

2）精度高。

视线高和视距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。

多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件影响。

不熟练的作业人员业也能进行高精度测量。

3）速度快。

由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。

4）效率高。

只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。

视距还能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实线内外业一体化。

2.2.2莱卡DNA03系列的具体特点

拓普康DL系列作为电子水准仪家族中的一员。

以高性能、低价格深受广大用户的欢迎。

DL系列造型美观、内置功能强、菜单功能丰富、操作界面友好，有各种信息提示，大大方便了实际操作。

主要特点为：

1）在字母状态下，可输入数字、大小写字母及常用标点符号如（！

"＃％§＄’（）*_+@<>等）。

2）即可以进行自动测量（用条码标尺，目前可使用三种标尺：

铝合金标尺SA－5M、玻璃纤维尺SG－3M和铟钢尺SI－3/T或SI－3），又可以进行人工读数（普通标尺）。

3）有多次测量、自动求平均值，统计测量误差功能。

4）有三种线路水准测量模式：

后前前后、后后前前、后前。

给定测量限差值，仪器可自动判断测量现差，超限时提示重测，能自动计算线路闭合差等。

5）DL系列有三种记录模式：

即RAM方式，直接存在仪器内部RAM中（128K），可存大约2400组数据：

RS－232C方式，可通过电缆将测量数据存到外接计算机或用户开发的电子手簿，进行联机实时测量：

OFF方式，测量结果只显示在仪器屏幕上，不进行存储。

DL系列主机内存可存储约1100个点的数据，并在前一型号DL系列基础上增加了PCMCIA卡存储功能。

目前，PCMCIA卡的容量主要有256K、512K、1M。

6）虽然仪器的显示屏较小，但保存在仪器内部的测量结果可在仪器上用SRCH键进行查阅。

7）具有高程放样和测量水准支点的功能。

8）当测量键不起作用时（如光线太暗、遮挡太多时），可输入人工测量的高程和平距读数，以使线路水准测量程序能继续进行。

9）有倒置标尺功能，适合于天花板、地下水准测量。

10）DNA03系列具有独立的测距功能可方便地用于前、后视距离测量，精度为1Cm至5Cm

11）可用来概略测定水平角，精度到1度或1gon。

12）标尺为等间距分划，可以象检验普通水准标尺一样，检验它的分划误差。

13）仪器有i角检验程序，在野外可方便地进行i角检验。

2.3电子水准仪的操作

图2-1LeicaDna03数字水准仪

2.3.1认识硬件

固定键

INT切换到逐点测量

MODE设置测量模式键

USER根据FNC菜单定义的任意功能键

PROG测量程序，主菜单键

DATA数据管理器键

ESC一步步退出测量程序、功能或编辑模式，恢复原参数，取消/停止测量键

SHIFT开关第二功能键（SETOUT，INV，FNC，MENU，LIGHTING，PgUp，PgDn，

<

CE删除字符或信息，取消或停止测量

确认键，继续下一栏。

SETOUT启动放样。

INV测量翻转标尺（标尺0刻度在上），只要反转功能被激活，仪器就显示“T”符号，再按INV键恢复测量正常标尺状态。

反转标尺测量值为负。

FNC完成测量的一些功能。

MENU仪器设置，系统信息视线倾斜检查（只适应于DNA03）。