水准测量的原理.docx

1、水准测量的原理水准测量的原理一、几种常见的水准测量方法1几何水准测量（简称水准测量）；2三角高程测量；3气压高程测量（物理高程测量）。二、水准测量原理水准测量是利用水平视线来求得两点的高差。例如图21中，为了求出A、B两点的高差，在A、B两个点上竖立带有分划的标尺水准尺，在A、B两点之间安置可提供水平视线的仪器水准仪。当视线水平时，在A、B两个点的标尺上分别读得读数a和b，则A、B两点的高差等于两个标尺读数之差。即： (21)如果A为已知高程的点，B为待求高程的点，则B点的高程为： （高差法） (22)读数a是在已知高程点上的水准尺读数，称为“后视读数”；b是在待求高程点上的水准尺读数，称为“

2、前视读数”。高差必须是后视读数减去前视读数。高差的值可能是正，也可能是负，正值表示待求点B高于已知点A，负值表示待求点B低于已知点A。此外，高差的正负号又与测量进行的方向有关，例如图22中测量由A向B进行，高差用表示，其值为正；反之由B向A进行，则高差用表示，其值为负。所以说明高差时必须标明高差的正负号，同时要说明测量进行的方向。图 21由图21可以看出，B点高程还可以通过仪器的视线高程Hi来计算，即HiHAa (23)HBHib （仪高法） (24)三、转点、测站当两点相距较远或高差太大时，则可分段连续进行，从图22中可得： (25)图 22从公式25就可以看出来：1每一站的高差等于此站的后

3、视读数减去前视读数；2起点到闭点的高差等于各段高差的代数和，也等于后视读数之和减去前视读数之和。通常要同时用和进行计算，用来检核计算是否有误。图22中，我们把进行观测中每安置一次仪器观测两点间的高差，称为测站。立标尺的点1、2、称为转点，那转点的特点：一、传递高程，转点上产生的任何差错，都会影响到以后所有点的高程；二、既有前视读数又有后视读数，它们在前一测站先作为待求高程的点，然后在下一测站再作为已知高程的点。当然水准测量的目的不是仅仅为了获得两点的高差，而是要求得一系列点的高程，例如测量沿线的地面起伏情况。22 水准仪和水准尺水准仪水准仪是进行水准测量的主要仪器，它可以提供水准测量所必需的水

4、平视线。目前通用的水准仪从构造上可分为两大类：即利用水准管来获得水平视线的水准管水准仪，其主要形式称“微倾式水准仪”；另一类是利用补偿器来获得水平视线的“自动安平水准仪”。此外，尚有一种新型水准仪电子水准仪，它配合条纹编码尺，利用数字化图像处理的方法，可自动显示高程和距离，使水准测量实现了自动化。我国的水准仪系列标准分为DS05、DS1、DS3和DS20四个等级。D是大地测量仪器的代号，S是水准仪的代号，均取大和水两个字汉语拼音的首字母。角码的数字表示仪器的精度。其中DS05和DS1用于精密水准测量，DS3用于一般水准测量，DS20则用于简易水准测量。DS3微倾式水准仪的构造在一般水准测量中使

5、用较广的DS3型微倾式水准仪，它由下列三个主要部分组成：望远镜 它可以提供视线，并可读出远处水准尺上的读数。测量仪器上的望远镜还必须有一个十字丝分划板，它是刻在玻璃片上的一组十字丝，被安装在望远镜筒内靠近目镜的一端。水准仪上十字丝的图形如图25所示，水准测量中用它中间的横丝或楔形丝读取水准尺上的读数。十字丝交点和物镜光心的连线称为视准轴，也就是视线。视准轴是水准仪的主要轴线之一。(a) (b)图 25为了能准确地照准目标或读数，望远镜内必须同时能看到清晰的物像和十字丝。为此必须使物像落在十字丝分划板平面上。为了使离仪器不同距离的目标能成像于十字丝分划板平面上，望远镜内还必须安装一个调焦透镜。观

6、测不同距离处的目标，可旋转调焦螺旋改变调焦透镜的位置，从而能在望远镜内清晰地看到十字丝和所要观测的目标。望远镜的性能衡量指标：放大率、分辨率、视场角、亮度等水准器 用于指示仪器或视线是否处于水平位置。水准器是用以置平仪器的一种设备，是测量仪器上的重要部件。水准器分为管水准器和圆水准器两种：(1) 管水准器 又称水准管，是一个封闭的玻璃管，管的内壁在纵向磨成圆弧形，其半径可自0.2m至100m。管内盛酒精或乙醚或两者混合的液体，并留有一气泡(图26)。管面上刻有间隔为2mm的分划线，分划的中点称水准管的零点。过零点与管内壁在纵向相切的直线称水准管轴。当气泡的中心点与零点重合时，称气泡居中，气泡居

7、中时水准管轴位于水平位置。图 26为了提高气泡居中的精度，在水准管的上面安装一套棱镜组(图27)，使两端各有半个气泡的像被反射到一起。当气泡居中时，两端气泡的像就能符合。故这种水准器称为符合水准器，是微倾式水准仪上普遍采用的水准器。图 27(2)圆水准器 是一个封闭的圆形玻璃容器，顶盖的内表面为一球面，半径可自0.12m至0.86m，容器内盛乙醚类液体，留有一小圆气泡(图28)。容器顶盖中央刻有一小圈，小圈的中心是圆水准器的零点。通过零点的球面法线是圆水准器的轴，当圆水准器的气泡居中时，圆水准器的轴位于铅垂位置。圆水准器的分划值，是顶盖球面上2mm弧长所对应的圆心角值，水准仪上圆水准器的角值为

8、8至15。 图 28基座 用于置平仪器，它支承仪器的上部并能使仪器的上部在水平方向转动。水准尺和尺垫 水准尺用优质木材或铝合金制成，最常用的形状有杆式和箱式两种(图29)，长度分别为3m和5m。箱式尺能伸缩携带方便，但接合处容易产生误差，杆式尺比较坚固可靠。水准尺尺面绘有1cm或5mm黑白相间的分格，米和分米处注有数字，尺底为零。为了便于倒像望远镜读数，注的数字常倒写。双面水准尺是一面为黑色另一面为红色的分划，每两根为一对。两根的黑面都以尺底为零，而红面的尺底分别为4.687m和4.787m。利用双面尺可对读数进行检核。 (a) (b) 图 29尺垫是用于转点上的一种工具，用钢板或铸铁制成(图

9、210)。使用时把三个尖脚踩入土中，把水准尺立在突出的圆顶上。尺垫可使转点稳固防止下沉。图 21023 DS3微倾式水准仪的使用使用水准仪的基本作业是：在适当位置安置水准仪，整平视线后读取水准尺上的读数。微倾式水准仪的操作应按下列步骤和方法进行：1. 安置水准仪首先打开三脚架，安置三脚架要求高度适当、架头大致水平并牢固稳妥，在山坡上应使三脚架的两脚在坡下一脚在坡上。然后把水准仪用中心连接螺旋连接到三脚架上，取水准仪时必须握住仪器的坚固部位，并确认已牢固地连结在三脚架上之后才可放手。2. 仪器的粗略整平仪器的粗略整平是用脚螺旋使圆水准器的气泡居中。不论圆水准器在任何位置，先用任意两个脚螺旋使气泡

10、移到通过圆水准器零点并垂直于这两个脚螺旋连线的方向上，如图211中气泡自a移到b，如此可使仪器在这两个脚螺旋连线的方向处于水平位置。然后单独用第三个脚螺旋使气泡居中，如此使原两个脚螺旋连线的垂线方向亦处于水平位置，从而使整个仪器置平。如仍有偏差可重复进行。操作时必须记住以下三条要领：(1)先旋转两个脚螺旋，然后旋转第三个脚螺旋；(2)旋转两个脚螺旋时必须作相对地转动，即旋转方向应相反。(3)气泡移动的方向始终和左手大拇指移动的方向一致。图 2113 照准目标用望远镜照准目标，必须先调节目镜使十字丝清晰。然后利用望远镜上的准星从外部瞄准水准尺，再旋转调焦螺旋使尺像清晰，也就是使尺像落到十字丝平面

11、上。这两步不可颠倒。最后用微动螺旋使十字丝竖丝照准水准尺，为了便于读数，也可使尺像稍偏离竖丝一些。当照准不同距离处的水准尺时，需重新调节调焦螺旋才能使尺像清晰，但十字丝可不必再调。照准目标时必须要消除视差。当观测时把眼睛稍作上下移动，如果尺像与十字丝有相对的移动，即读数有改变，则表示有视差存在。其原因是尺像没有落在十字丝平面上(图212a、b)。存在视差时不可能得出准确的读数。消除视差的方法是一面稍旋转调焦螺旋一面仔细观察，直到不再出现尺像和十字丝有相对移动为止，即尺像与十字丝在同一平面上(图212c)。(a) (b) (c)图 2124. 视线的精确整平由于圆水准器的灵敏度较低，所以用圆水准

12、器只能使水准仪粗略地整平。因此在每次读数前还必须用微倾螺旋使水准管气泡符合，使视线精确整平。由于微倾螺旋旋转时，经常在改变望远镜和竖轴的关系，当望远镜由一个方向转变到另一个方向时，水准管气泡一般不再符合。所以望远镜每次变动方向后，也就是在每次读数前，都需要用微倾螺旋重新使气泡符合。5. 读数用十字丝中间的横丝读取水准尺的读数。从尺上可直接读出米、分米和厘米数，并估读出毫米数，所以每个读数必须有四位数。如果某一位数是零，也必须读出并记录。不可省略，如1.002m、0.007m、2.100m等。由于望远镜一般都为倒像，所以从望远镜内读数时应由上向下读，即由小数向大数读。读数前应先认清水准尺的分划特

13、点，特别应注意与注字相对应的分米分划线的位置。为了保证得出正确的水平视线读数，在读数前和读数后都应该检查气泡是否符合。2-4水准测量方法与侧过计算按照精度要求的不同，我国水准测量分为一、二、三、四等，还有不属于规定等级的水准测量，我们称为普通水准测量，又叫做等外水准测量。普通水准测量的精度比国家等级的精度要低，水准路线的布设及水准点的密度有着较大的灵活性，但等级水准测量的原理是相同的。一、水准点和水准路线（一）、水准点（Bench Mark）：用水准测量方法测定高程的控制点称为水准点，一般用其英文缩写BM表示。国家等级的水准点按要求埋设永久固定标志；不需永久保存的则在地面上打入木桩，或在地面，

14、建筑物上设置苦定标志，并标记。（二）、水准路线：水准测量的任务，是从已知高程的水准点开始测量其他水准点或地面点的高程。测量前应根据要求布置并选定水准点的位置，埋设好水准点标石，拟定水准测量进行的路线。水准路线的布设形式分单一水准路线和水准网，单一水准路线有以下三种布设形式：图 231(1) 附合水准路线 是水准测量从一个高级水准点开始，结束于另一高级水准点的水准路线。这种形式的水准路线，可使测量成果得到可靠的检核(图231a)。(2) 闭合水准路线 是水准测量从一已知高程的水准点开始，最后又闭合到起始点上的水准路线。这种形式的水准路线也可以使测量成果得到检核(图231b)。(3) 水准支线 是

15、由一已知高程的水准点开始，最后既不附合也不闭合到已知高程的水准点上的一种水准路线。这种形式的水准路线由于不能对测量成果自行检核，因此必须进行往测和返测，或用两组仪器进行并测(图231c)。水准网 当几条附合水准路线或闭合水准路线连接在一起时，就形成了水准网(图231d、e)。水准网可使检核成果的条件增多因而可提高成果的精度。二、水准测量的施测方法（一）普通水准测量的观测顺序：水准测量施测顺序如图232所示，图中A为已知高程的点，B为待求高程的点。1在已知高程的起始点A上竖立水准尺，作为后视尺；2在测量前进方向离起点不超过150m处设立第一个转点Z1，必要时可放置尺垫，并竖立水准尺，作为前视尺。3在离这两点等距离处I安置水准仪。仪器粗略整平后，先照准起始点A上的水准尺，用微倾螺旋使气泡符合后，读取A点的后视读数，并记入手簿；4然后照准转点Z1上的水准尺，气泡符合后读取Z1点的前视读数。把读数记入手簿，并计算出这两点间的高差。此时就算是完成了一个测站的观测过程。5将仪器迁至第二站，此时在转点Z1处的水准尺不动，仅把尺面转向前进方向。在A点的水准尺向前转移，水准尺安置在与第一站有同样间距的转点Z2，按在第I