精品水 准 测 量最新.docx
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第二章水准测量
内容：
理解水准测量的基本原理；掌握DS3型微倾式水准仪、自动安平水准仪的构造特点、水准尺和尺垫；掌握水准仪的使用及检校方法；掌握水准测量的外业实施（观测、记录和检核）及内业数据处理（高差闭合差的调整）方法;了解水准测量的注意事项、精密水准仪和电子水准仪的构造及操作方法。
重点：
水准测量原理；水准测量的外业实施及内业数据处理。
难点：
水准仪的检验与校正。
§2。
1高程测量（HeightMeasurement）的概念
测量地面上各点高程的工作，称为高程测量。
高程测量根据所使用的仪器和施测方法的不同，分为：
（1）水准测量（leveling）
（2）三角高程测量（trigonometricleveling）
（3）气压高程测量（airpressureleveling）
（4）GPS测量（GPSleveling）
§2.2水准测量原理
一、基本原理
水准测量的原理是利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差,从而由已知点高程推算出未知点高程。
a——后视读数A-—后视点
b--前视读数B——前视点
1、A、B两点间高差：
2、测得两点间高差
后,若已知A点高程
则可得B点的高程：
。
3、视线高程：
4、转点TP（turningpoint）的概念:
当地面上两点的距离较远，或两点的高差太大，放置一次仪器不能测定其高差时，就需增设若干个临时传递高程的立尺点，称为转点。
二、连续水准测量
如图所示,在实际水准测量中，A、B两点间高差较大或相距较远，安置一次水准仪不能测定两点之间的高差.此时有必要沿A、B的水准路线增设若干个必要的临时立尺点,即转点（用作传递高程）.根据水准测量的原理依次连续地在两个立尺中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，求和得到A、B两点间的高差值，有：
h1=a1－b1
h2=a2－b2
……
则：
hAB=h1+h2+……+hn=Σh=Σa－Σb
结论：
A、B两点间的高差
等于后视读数之和减去前视读数之和.
§2。
3水准仪和水准尺
一、水准仪（level）
如图所示，由望远镜、水准器和基座三部分组成.
DS3微倾式水准仪 自动安平水准仪
1、望远镜（telescope）——由物镜、目镜和十字丝（上、中、下丝）三部分组成.
2、水准器（bubble）有两种：
圆水准器（circularbubble）-—精度低，用于粗略整平；水准管（bubbletube）-—精度高，用于精平.
特性:
气泡始终位于高处，气泡在哪处,说明哪处高。
3、基座（tribrach）
二、水准尺（levelingstaff）
水准尺主要有：
单面尺、双面尺和塔尺。
1、尺面分划为1cm,每10cm处（E字形刻划的尖端）注有阿拉伯数字。
2、双面尺的红面尺底刻划：
一把为4687mm，另一把为4787mm。
三、尺垫（staffplate）
放置在转点上,为防止观测过程中水准尺下沉。
四、水准仪的使用
操作程序：
粗平——瞄准——精平-—读数
（一）粗平——调节脚螺旋，使圆水准气泡居中。
1、方法:
对向转动脚螺旋1、2--使气泡移至1、2方向的中间——转动脚螺旋3，使气泡居中。
2、规律：
气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致。
（二）瞄准
1、方法：
先用准星器粗瞄，再用微动螺旋精瞄。
2、视差
概念:
眼睛在目镜端上下移动时，十字丝与目标像有相对运动。
产生原因:
目标像平面与十字丝平面不重合。
消除方法：
仔细反复交替调节目镜和物镜对光螺旋。
（三）精平
1、方法：
如图所示微倾式水准仪（tiltlevel）,调节微倾螺旋，使水准管气泡成像抛物线符合。
2、说明:
若使用自动安平水准仪（compensatorlevel），仪器无微倾螺旋，故不需进行精平工作。
（四）读数-—精平后，用十字丝的中丝在水准尺上读数。
1、方法:
从小数向大数读，读四位。
米、分米看尺面上的注记,厘米数尺面上的格数，毫米估读.
2、规律:
读数在尺面上由小到大的方向读.故对于望远镜成倒像的仪器，即从上往下读，望远镜成正像的仪器,即从下往上读。
如图所示,从小向大读四位数为0.725米.
§2.4水准测量的实施与成果整理
一、水准点（BenchMark）
通过水准测量方法获得其高程的高程控制点，称为水准点BM,一般用表示。
有永久性和临时性两种。
（见图）
二、水准路线（levelingline）
水准路线依据工程的性质和测区情况，可布设成以下几种形式:
1、闭合水准路线（closedlevelingline）。
由已知点BM1——已知点BM1
2、附合水准路线（annexedlevelingline）。
由已知点BM1——已知点BM2
3、支水准路线（spurlevelingline）.由已知点BM1——某一待定水准点A。
4、水准网：
若干条单一水准路线相互连接构成的图形。
三、水准测量的实施（外业）
1、观测要求
如图，有:
（1）水准仪安置在离前、后视距离大致相等之处。
（2）为及时发现观测中的错误，通常采用“两次仪器高法”或“双面尺法"。
两次仪器高法：
高差之差h-h'〈±5mm；双面尺法，①红黑面读数差<±3mm②h黑-h红〈±5mm。
2、水准测量记录表
注意：
（1）起始点只有后视读数,结束点只有前视读数，中间点既有后视读数又有前视读数。
（2）
，只表明计算无误，不表明观测和记录无误.
四、水准测量的成果处理（内业）
（一）计算闭合差：
1、闭合水准路线：
2、附合水准路线：
（二）分配高差闭合差
1、高差闭合差限差（容许误差）
对于普通水准测量，有：
式中，
——高差闭合差限差,单位:
mm
L——水准路线长度，单位：
km；n—-测站数
2、分配原则：
按与距离L或测站数n成正比，将高差闭合差反号分配到各段高差上.
（三）计算各待定点高程
用改正后的高差和已知点的高程,来计算各待定点的高程。
五、水准测量的成果实例
【例】如图为按图根水准测量要求施测某附合水准路线观测成果略图。
BM—A和BM—B
为已知高程的水准点，图中箭头表示水准测量前进方向，路线上方的数字为测得的两点间的高差（以m为单位），路线下方数字为该段路线的长度（以km为单位），试计算待定点1、2、3点的高程。
解算如下：
第一步计算高差闭合差:
第二步计算限差：
因为
，可进行闭合差分配。
第三步计算每km改正数:
第四步计算各段高差改正数：
。
四舍五入后，使
。
故有：
V1=—8mm，V2=—11mm,V3=-8mm，V4=—10mm。
第五步计算各段改正后高差后，计算1、2、3各点的高程。
改正后高差=改正前高差+改正数Vi
H1=HBM-A+（h1+V1）=45。
286+2.323=47.609（m）
H2=H1+（h2+V2）=47.509+2。
802=50。
411（m）
H3=H2+（h3+V3）=50.311—2。
252=48。
159（m）
HBM-B=H3+（h4+V4）=48.059+1。
420=49。
579（m）
可用EXCEL软件计算如下图:
§2.5水准仪的检验与校正
一、水准仪轴线的几何关系
水准仪轴线应满足的几何条件是：
1、水准管轴LL//视准轴CC
2、圆水准轴L'L’//竖轴VV
3、横丝要水平（即：
⊥竖轴VV）
如下图所示：
二、水准仪的检验与校正
（一）圆水准器的检验与校正
1、检验：
气泡居中后，再将仪器绕竖轴旋转180°，看气泡是否居中。
2、校正：
用脚螺旋使气泡向中央移动一半，再用拨针拨动三个“校正螺旋”，使气泡居中.
（二）十字丝横丝的检验与校正
1、检验：
整平后，用横丝的一端对准一固定点P，转动微动螺旋，看P点是否沿着横丝移动。
2、校正：
旋下目镜处的十字丝环外罩，转动左右2个“校正螺丝"。
（三）水准管轴平行于视准轴（i角）的检验与校正
1、检验:
（1）平坦地上选A、B两点,约50m。
（2）在中点C架仪，读取a1、b1,得h1=a1—b1
（3）在距B点约2-3m处架仪，读取a2、b2，得h2=a2-b2
（4）若h2≠h1，则水准管轴不平行于视准轴，有i角。
因为①h1为正确高差②b2的误差可忽略不计，故有：
对于S3水准仪,若i角大于
时，需校正。
2、校正方法有二种：
（1）校正水准管
旋转微倾螺旋，使十字丝横丝对准（a2’=h1+b2），拨动水准管“校正螺丝”，使水准管气泡居中。
（2）校正十字丝-—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“校正螺丝”,使横丝对准a2’。
§2。
6自动安平、精密、电子水准仪简介
一、自动安平水准仪（compensatorlevel）
1、原理——与普通水准仪相比，在望远镜的光路上加了一个补偿器.
2、使用—-粗平后,望远镜内观察警告指示窗若全部呈绿色，方可读数；最好状态是指示窗的三角形尖顶与横指标线平齐。
3、检校——与精通水准仪相比，要增加一项补偿器的检验，即：
转动脚螺旋，看警告指示窗是否出现红色；以此来检查补偿器是否失灵。
二、精密水准仪（preciselevel）（每公里往返平均高差中误差1mm）
1、精密水准仪-—提供精确的水平视线和精确读数。
精密水准仪
2、精密水准尺--刻度精确（铟钢带水准尺invarlevelingstaff）。
3、读数方法
（1）精平后，转动测微螺旋，使十字丝的楔形丝精确夹准某一整分划线。
（2）读数时，将整分划值和测微器中的读数合起来。
如：
14865.0mm。
三、数字水准仪（digitallevel）及条纹码水准尺（codinglevelstaff）
1、具有自动安平、显示读数和视距功能.
2、能与计算机数据通讯,避免了人为观测误差。
§2.7水准测量误差及注意事项
来源有：
仪器误差、操作误差、外界条件影响。
一、仪器误差
主要有:
视准轴不平行于水准管轴（i角）的误差、水准尺误差
二、操作误差
主要有:
水准气泡未严格居中、视差、估读误差、水准尺未竖直。
三、外界条件影响的误差
主要有：
仪器下沉、尺垫下沉、地球曲率、大气折光、气温和风力.
四、水准测量的注意事项：
（一）观测：
1、观测前应认真按要求检验水准仪和水准尺；
2、仪器应安置在土质坚实处，并踩实三角架;
3、前后视距应尽可能相等；
4、每次读数前要消除视差，只有当符合水准气泡居中后才能读数;
5、注意对仪器的保护,做到“人不离仪器"；
6、只有当一测站记录计算合格后才能搬站，搬站时先检查仪器连接螺旋是否固紧,一手托住仪器，一手握住脚架稳步前进。
（二）记录:
⒈认真记录，边记边回报数字，准确无误的记入记录手簿相应栏中，严禁伪造和传抄;
⒉字体要端正、清楚、不准涂改,不准用橡皮擦，如按规定可以改正时,应在原数字上划线后再在上方重写；
⒊每站应当场计算，检查符合要求后，才能通知观测者搬站。
（三）扶尺:
⒈扶尺人员认真竖立水准尺；
⒉转点应选择土质坚实处,并踩实尺垫；
⒊水准仪搬站时,应注意保护好原前视点尺垫位置不移动。
第三章角度测量
内容:
理解水平角、竖直角测量的基本原理；掌握光学经纬仪的基本构造、操作与读数方法；水平角测量的测回法和方向观测法；掌握竖盘的基本构造及竖直角的观测、计算方法；掌握光学经纬仪的检验与校正方法；了解水平角测量误差来源及其减弱措施及电子经纬仪的测角原理及操作方法。
重点：
光学经纬仪的使用方法；水平角测回法测量方法;竖直角测量方法；
难点:
光学经纬仪的检验与校正。
§3.1角度测量原理
角度测量（angularobservation）包括水平角（horizontalangle）测量和竖直角（verticalangle）测量。
一、水平角定义
从一点出发的两空间直线在水平面上投影的夹角即二面角,称为水平角。
其范围:
顺时针0°～360°。
二、竖直角定义
在同一竖直面内，目标视线与水平线的夹角，称为竖直角.其范围在0°～±90°之间。
如图当视线位于水平线之上，竖直角为正,称为仰角；反之当视线位于水平线之下，竖直角为负，称为俯角.
§3。
2光学经纬仪（opticaltheodolite）
经纬仪是测量角度的仪器。
按其精度分，有DJ6、DJ2两种。
表示一测回方向观测中误差分别为6”、2”.
一、DJ6光学经纬仪的构造
DJ6光学经纬仪图
1、照准部（alidade）
2、水平度盘（horizontalcircle）
3、基座（tribrach）
二、J6的读数方法
1、J6经纬仪采用“分微尺测微器读数法”,分微尺的分划值为1ˊ，估读到获0。
1ˊ（即：
6”）。
如图，水平度盘读数为：
73°04ˊ24".
2、“H”--水平度盘读数，“V”--竖直度盘读数。
三、J2光学经纬仪的构造
如图与J6相比，增加了：
1、测微轮—-用于读数时，对径分划线影像符合.
2、换像手轮——用于水平读数和竖直读数间的互换。
3、竖直读盘反光镜——竖直读数时反光。
四、J2的读数方法
一般采用对径重合读数法——转动测微轮，使上下分划线精确重合后读数。
五、经纬仪的安置
内容及要求：
对中（centering）±小于3mm
整平（leveling）小于1格
1、垂球对中整平法步骤
（1）移动或伸缩三脚架（粗略对中）
（2）脚架头上移动仪器（精确对中）
（3）旋转脚螺旋使水准管气泡居中（整平）
（4）反复
（2）、（3）两步。
2、光学对中整平法步骤
（1）大致水平大致对中
眼睛看着对中器，拖动三脚架2个脚，使仪器大致对中，并保持“架头”大致水平。
（2）伸缩脚架粗平
根据气泡位置,伸缩三脚架2个脚，使圆水准气泡居中。
（3）旋转三个脚螺旋精平
按“左手大拇指法则”旋转三个脚螺旋，使水准管气泡居中。
1）转动仪器，使水准管与1、2脚螺旋连线平行。
2）根据气泡位置运用法则，对向旋转1、2脚螺旋.
3）转动仪器90°,运用法则，旋转3脚螺旋.
（4）架头上移动仪器，精确对中
（5）脚螺旋精平.
（6）反复（4）、（5）两步。
旋转三个脚螺旋进行精平的示意图
§3。
3水平角测量（horizontalangleobservation）
水平角的测量方法常用的有测回法（methodofobservationset）、方向观测法（methodofdirectionobservation）.
一、经纬仪（theodolite，transit）的安置
内容及要求：
对中（centering）小于±3mm
整平（leveling）小于1格
1、垂球（plumbbob）法
2、光学对中器（opticalplummet）法
二、瞄准方法
步骤：
粗瞄-制动—调焦—微动精瞄。
两个基本概念:
盘左（正镜）、盘右（倒镜）
三、测回法
1、适用：
两个方向的单角（∠AOB）。
2、观测步骤：
（1）盘左瞄准左边A，配度盘至0°0X′，读取a1。
（2）顺时针旋转瞄准右边B，读取b1。
则上半测回角值：
β1=b1—a1。
（3）倒镜成盘右,瞄准右边B，读取b2.
（4）逆时针旋转瞄准左边A，读取a2。
则下半测回角值：
β2=b2-a2
（5）计算角值。
若β1-β2≤±40”（图根级）则有：
β=（β1+β2）/2
3、记录格式
测站
盘位
目标
水平度盘读数
°′″
半测回角值
°′″
一测回角值
°′″
备注
O
左
A
000112
701236
701233
B
701348
右
A
701230
B
若要观测n个测回，为减少度盘分划误差，各测回间应按180°/n的差值来配置水平度盘。
测回法测水平角方法，可小结如下：
四、方向观测法
1、适用:
在一个测站上需要观测两个以上方向。
2、观测步骤：
（如下图，有四个观测方向）
（1）上半测回
选择一明显目标A作为起始方向（零方向），用盘左瞄准A，配置度盘,顺时针依次观测A、B、C、D、A。
（2）下半测回
倒镜成盘右,逆时针依次观测A、D、C、B、A。
同理各测回间按180°/n的差值，来配置水平度盘。
3、记录、计算
（1）2C值（两倍照准误差）：
2C=盘左读数－（盘右读数±180°）.
一测回内2C互差,对J2≤18”.对J6不作要求.
（2）半测回归零差:
对J2≤12”；对J6≤18”。
（3）各方向盘左、盘右读数的平均值：
平均值=[盘左读数+（盘右读数±180°）]/2
注意：
零方向观测两次,应将平均值再取平均。
（4）归零方向值：
将各方向平均值分别减去零方向平均值,即得各方向归零方向值.
（5）各测回归零方向值的平均值：
同一方向值各测回间互差，对J2≤12"；对J6≤24”。
方向观测法可小结如下：
§3。
4竖直角测量
一、竖直度盘（verticalcircle）的构造
1、竖直度盘的构造包括:
（1）竖盘（verticalcircle）
（2）竖盘指标水准管（verticalindexbubbletube）
（3）竖盘指标水准管微动螺旋。
其中，竖盘指标水准管和竖盘指标水准管微动螺旋,可采用竖盘指标自动归零补偿器（verticalindexcompensator）来替代。
2、指标线固定不动，而整个竖盘随望远镜一起转动。
3、竖盘的注记形式有顺时针与逆时针两种。
二、竖直角（verticalangle）的计算公式
1、顺时针注记形式
故有：
α左=90°—L,α右=R—270°
一测回竖直角α=（α左+α右）/2
2、逆时针注记形式
有：
α左=L-90°，α右=270°—R
一测回的竖直角为：
α=（α左+α右）/2
三、竖盘指标差（indexerrorofverticalcircle）
1、定义
由于指标线偏移,当视线水平时,竖盘读数不是恰好等于90°或270°上，而是与90°或270°相差一个x角，称为竖盘指标差。
当偏移方向与竖盘注记增加方向一致时，x为正，反之为负。
2、计算公式
（1）指标差：
x=（L+R-360°）/2
对于顺时针注记的：
正确的竖直角α=（90°+x）-L=α左+x
α=R-（270°+x）=α右—x
（2）结论：
取盘左盘右的平均值，可消除指标差的影响。
四、竖直角的观测及记录（格式见表）
一般规范规定，指标差变动范围，J6≤25”、J2≤15”。
测站
目标
盘位
竖盘读数
°′″
半测回竖直角
°′″
指标差
（"）
一个测回竖直角
°′″
备注
O
M
左
764512
131448
—6
131442
竖直度盘是顺时针注记的。
右
131436
N
左
—320336
12
-320324
右
-320312
§3.5光学经纬仪的检验与校正
如图所示，经纬仪的主要轴线:
1、竖轴VV（verticalaxis）
2、水准管轴LL（bubbletubeaxis）
3、横轴HH（horizontalaxis）
4、视准轴CC（collimationaxis）
5、圆水准器轴L'L'（circlebubbleaxis）
一、经纬仪轴线应满足的条件
1、VV⊥LL—-照准部水准管轴的检校。
2、HH⊥十字丝竖丝——十字丝竖丝的检校
3、HH⊥CC——视准轴的检校
4、HH⊥VV—-横轴的检校
5、竖盘指标差应为零——指标差的检校
6、光学垂线与VV重合——光学对中器的检校
7、圆水准轴L’L'∥VV——圆水准器的检验与校正（次要）
二、经纬仪的检验与校正
1、照准部水准管轴的检校
（1）检验：
用任意两脚螺旋使水准管气泡居中，然后将照准部旋转180°，若气泡偏离1格,则需校正.
（2）校正：
用脚螺旋使气泡向中央移动一半后，再拨动水准管校正螺丝，使气泡居中。
此时若圆水准器气泡不居中，则拨动圆水准器校正螺丝。
2、十字丝竖丝的检校
（1）检验：
用十字丝交点对准一目标点，再转动望远镜微动螺旋,看目标点是否始终在竖丝上移动。
（2）校正：
微松十字丝的四个压环螺丝，转动十字丝环，使目标点始终在竖丝上移动.
3、视准轴的检校
（1）检验：
如图,在平坦地面上选择一直线AB，约60m~100m,在AB中点O架仪，并在B点垂直横置一小尺。
盘左瞄准A,倒镜在B点小尺上读取B1；再用盘右瞄准A，倒镜在B点小尺上读取B2.
J6：
2c>60”；J2:
2c〉30”时，则需校正。
（2）校正：
拨动十字丝左右两个校正螺丝，使十字丝交点由B2点移至BB2中点B3。
4、横轴的检验与校正
（1）检验：
如图，在20—30m处的墙上选一仰角大于30°的目标点P,先用盘左瞄准P点，放平望远镜，在墙上定出P1点；再用盘右瞄准P点,放平望远镜,在墙上定出P2点。
对J6经纬仪:
i〉20"时，则需校正。
（2）校正：
用十字丝交点瞄准P1P2的中点M，抬高望远镜,并打开横轴一端的护盖，调整支承横轴的偏心轴环，抬高或降低横轴一端，直至交点瞄准P点。
此项校正一般由仪器检修人员进行。
5、指标差的检校
（1）检验:
用盘左、盘右先后瞄准同一目标，计算指标差x=（L+R-360°）/2。
对J6经纬仪：
x〉1′；J2经纬仪：
x〉30"时，要进行校正。
（2）校正：
用指标水准管微动螺旋使中丝对准（R-x）位置，再有拨针使指标气泡居中。
6、光学对中器的检校
（1）检验：
精密安置仪器后，将刻划中心在地面上投下一点，再旋转照准部，每隔120°投下一点,若三点不重合,则需校正.
（2）校正：
用拨针使刻划中心向三点的外接圆心移动一半.
7、圆水准器的检校（次要）
（1）检验：
精平（水准管气泡居中）后，若圆水准气泡不居中，则需校正.
（2）校正:
用圆水准气泡校正螺丝使其居中。
§3。
6水平角观测的误差分析
一、仪器构造误差
（一）视准轴误差的影响，盘左盘右观测的平均值可抵消该误差。
（二）横轴不水平误差的影响，盘左盘
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