测量高程测量

2.1水准测量原理2.2DS3水准仪和水准尺2.3精密水准仪和水准尺2.4自动安平水准仪2.5电子水准仪简介2.6水准测量方法和成果计算2.7微倾式水准仪的检验与校正2.8水准测量的误差来源及消减方法2.9三角高程测量本章内容如下：第2章高程测量2.1水准测量原理•测定地面点高程的工作，称为高程测量(heightmeasurement)。•高程测量是测量的基本工作之一。•高程测量按所使用的仪器和施测方法的不同，可以分为:•(1)水准测量(leveling)；•(2)三角高程测量(trigonometricleveling)；•(3)GPS高程测量(GPSleveling)；•(4)气压高程测量(airpressureleveling)。•水准测量是目前精度较高的一种高程测量方法。•水准测量的原理是利用水准仪(level)提供的水平视线(horizontalsight)，读取竖立于两个点上的水准尺(levelingstaff)的读数，来测定两点间的高差，再根据已知点高程计算待定点高程。1.高差法：A、B两点间的高差为：式中a为后视读数；b为前视读数。若已知A点的高程，则B点的高程为：2.视线高法：在一个面状区域内测定多个点的高程时，可先求出仪器的视线高程（即水平视线的海拔高程），其值为：baABhbaAABABHhHHaHHAi某测点的高程为：b-HHij2.2DS3水准仪与水准尺•水准测量所用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫(staffplate)。•2.2.1光学水准仪的构造•通过调整水准仪使管水准气泡居中获得水平视线的水准仪称为微倾式水准仪(titlelevel)；•通过补偿器获得水平视线读数的水准仪称为自动安平水准仪(compensatorlevel)。•国产微倾式水准仪的型号有：DS05、DS1、DS3等，其中字母D、S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，字母后的数字表示以mm为单位的、仪器每公里往返测高差中数的中误差。•DS05、DS1、DS3水准仪每公里往返测高差中数的中误差分别为±0.5mm、±1mm、±3mm。•DS05、DS1为精密水准仪(preciselevel)，主要用于国家一、二等水准测量和精密工程测量；•DS3为普通水准仪(generallevel)，主要用于国家三、四等水准测量和常规工程建设测量。•工程建设中，使用最多的普通水准仪是DS3水准仪。•水准仪主要由望远镜(telescope)、水准器(bubble)和基座(tribrach)组成。•图为微倾式水准仪1.望远镜•望远镜是用来照准远处竖立的水准尺并读取水准尺上的读数，要求望远镜能看清水准尺上的分划和注记并有读数标志。•根据在目镜端观察到的物体成像情况，望远镜可以分为正像望远镜和倒像望远镜。•倒像望远镜由物镜、调焦透镜、十字丝分划板和目镜组成。•十字丝分划板：在一直径约1cm的光学玻璃圆片上刻出三根横丝和一根垂直于横丝的纵丝；中间的长横丝称为中丝，用于读取水准尺上分划的读数；上、下两根较短的横丝称为上丝和下丝，总称为视距丝，用来测定水准仪至水准尺的距离。•用视距丝测量出的距离称为视距(stadia)。•望远镜的视准轴CC：望远镜物镜光心与十字丝中央交点的连线称为望远镜的视准轴(collimationaxisoftelescope)，用CC表示。•望远镜的放大率：从望远镜内所看到的目标影像的视角与人眼直接看该目标的视角之比。•2.水准器•水准器用于置平仪器。•水准器有管水准器(bubbletube)和圆水准器(circularbubble)两种。①管水准器•管水准器由玻璃圆管制成，其内壁磨成一定半径R的圆弧，如图所示。将管内注满酒精或乙醚，加热封闭冷却后，管内形成的空隙部分充满了液体的蒸汽，称为水准气泡。因为蒸汽的比重小于液体，所以水准气泡总是位于内圆弧的最高点。•水准管轴LL：过水准管圆弧中点所做的切线。•水准管分划值：水准器上每2mm弧长所对的圆心角值。•一般微倾式水准仪采用符合水准器，可使气泡居中进度提高一倍。•DS3水准仪的分划值一般为20″/2mm。R2•②圆水准器•圆水准器由玻璃圆柱管制成，其顶面内壁是磨成一定半径R的球面，中央刻有小圆圈，其圆心O是圆水准器的零点；•圆水准器轴L0L0：过零点O的球面法线为圆水准器轴(circularbubbleaxis)；•当气泡不居中，气泡偏移零点2mm时，轴线所倾斜的角度值，称为圆水准器的分划值。一般为8′~10′。•制造水准仪时，使圆水准器轴平行于仪器竖轴。旋转基座上的三个脚螺旋使圆水准气泡居中时，圆水准器轴处于竖直位置，从而使仪器竖轴也处于竖直位置。•基座：主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。•水平制动和微动螺旋：控制照准部在水平面内的转动。•对光螺旋：调节水准尺目标成像清晰。•目镜调焦螺旋：调节十字丝清晰。•微倾螺旋：调节符合水准气泡居中。•脚螺旋：调节圆水准气泡居中。•2.2.2水准尺和尺垫•水准尺一般用优质木材制成，长度从2m~5m不等。•水准尺分为直尺、塔尺和折尺，其中直尺又分单面分划和双面分划两种。•塔尺和折尺常用于图根水准测量尺上最小分划为1cm或0.5cm，在每1米和每1分米处均有注记。•双面水准尺多用于三、四等水准测量，以两把尺为一对使用。•双面尺的两面均有分划，一面为黑白相间称黑面尺；另一面为红白相间称红面尺，两面的最小分划均为1cm，只在分米处有注记。两把尺的黑面均由零开始分划和注记。红面的分划和注记，一把尺由4.687m开始分划和注记，另一把尺由4.787m开始分划和注记，两把尺红面注记的零点差为0.1m。•尺垫是在转点处放置水准尺用的，用生铁铸成的三角形板座，尺垫中央有一凸起的半球体以便于放置水准尺，下有三个尖足便于将其踩入土中，以固稳防动。2.2.3微倾式水准仪的使用1.安置水准仪•按观测者的身高调节好三脚架的高度，使三脚架的架头面大致水平，并将三脚架的三个脚尖踩入土中，使脚架稳定。从仪器箱内取出水准仪，放在三脚架的架头面，并立即用中心螺旋旋入仪器基座的螺孔内，以防止仪器从三脚架头上摔下来。•水准仪的操作步骤：粗平→瞄准水准尺→精平→读数。2.粗平—粗略整平仪器。•旋转脚螺旋使圆水准气泡居中，仪器的竖轴大致铅垂，使望远镜的视准轴大致水平。•旋转脚螺旋方向与圆水准气泡移动方向的规律是：用左手旋转脚螺旋，则左手大拇指移动方向即为水准气泡移动方向；用右手旋转脚螺旋，则右手食指移动方向即为水准气泡移动方向，初学者一般先练习用一只手操作，熟练后再练习用双手操作。3.瞄准水准尺—注意消除视差现象先目镜对光：将望远镜对准明亮的背景，旋转目镜调焦螺旋，使十字丝清晰；松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜上的准星和照门瞄准水准尺，拧紧制动螺旋；从望远镜中观察目标，旋转物镜调焦螺旋，使目标清晰，再旋转微动螺旋，使竖丝对准水准尺。•视差(parallax)：观测者的眼睛在目镜端上、下微微移动时，目标成像与十字丝平面没有相对移动，如果目标成像与十字丝分划板平面不重合，观测者的眼睛在目镜端上、下微微移动时，目标像与十字丝之间就会有相对移动，这种现象称为视差。•消除视差的方法：用手暂时遮住物镜(或将望远镜对准天空)，旋转目镜调焦螺旋，使十字丝十分清晰；移去遮物镜的手(或瞄准标尺)，旋转物镜调焦螺旋使目标像十分清晰。4.精平和读数从望远镜的左侧观察水准管气泡偏离零点的方向，旋转微倾螺旋，使气泡大致居中，这时再从目镜左边的符合气泡观察窗中察看两个气泡影像是否吻合，如不吻合，再慢慢旋转微倾螺旋直至完全吻合为止。•仪器精平后，应立即用十字丝的横丝在水准标尺上读数。2.3精密水准仪和精密水准尺•精密水准仪(preciselevel)主要用于国家一、二等水准测量(thefirstandsecondorderleveling)和高精度的工程测量中，例如建构筑物的沉降观测，大型桥梁工程的施工测量和大型精密设备安装的水平基准测量等。2.3.1精密水准仪构造特点及读数原理1)望远镜放大倍数大，分辨率高，规范要求DS1不小于38倍，DS05不小于40倍；2)管水准器分划值为6~10″/2mm，精平精度高；3)望远镜的物镜有效孔径大，亮度好；4)望远镜外表材料一般采用受温度变化小的因瓦合金钢，以减小环境温度变化的影响；5)采用平板玻璃测微器读数，读数误差小；6)配备精密水准尺。•精密水准尺(invarlevelingstaff)是在木质尺身的凹槽内，引张一根因瓦合金钢带，其中零点端固定在尺身上，另一端用弹簧以一定的拉力将其引张在尺身上，以使因瓦合金钢带不受尺身伸缩变形的影响。•长度分划在因瓦合金钢带上，数字注记在木质尺身上，精密水准尺的分划值有10mm和5mm两种。•图a为徕卡公司生产的与新N3精密水准仪配套的精密水准尺，因为新N3的望远镜为正像望远镜，所以水准尺上的注记也是正立的。水准尺全长约3.2m，在因瓦合金钢带上刻有2.3.2精密水准尺及读数方法(因瓦水准尺)分划，左边一排分划为基本分划，数字注记从0到300cm，右边一排分划为辅助分划，数字注记从300cm到600cm，基本分划与辅助分划的零点相差一个常数301.55cm，称为基辅差或尺常数。水准测量作业时用以检查读数是否存在粗差。•N3精密水准仪及其读数原理•上图为新N3微倾式精密水准仪，其每km往返测高差中数的中误差为±0.3mm。为了提高读数精度，精密水准仪上设有平行玻璃板测微器(parallelplatemicrometer)，N3的平行玻璃板测微器的结构见后图。•它由平行玻璃板、测微尺，传动杆和测微螺旋等构件组成。视线经过倾斜的平行玻璃板时产生上下平行移动，可以使原来并不对准尺上某一分划的视线能够精确对准某一分划，从而读到一个整分划读数(见图2-32中的148cm分划)，而视线在尺上的平行移动量则由测微尺记录下来，测微尺的读数通过光路成像在测微尺读数窗内旋转N3的平行玻璃板可以产生的最大视线平移量为10mm，它对应测微尺上的100个分格。测微尺上1个分格等于0.1mm，如在测微尺上估读到0.1分格，则可以估读到0.01mm。将标尺上的读数加上测微尺上的读数就等于标尺的实际读数。如图的读数为148+0.655=148.655cm=1.48655m。2.4自动安平水准仪•自动安平水准仪(compensatorlevel)的结构特点是没有管水准器和微倾螺旋。•国产自动安平水准仪的型号是在DS后加字母Z，即为：DSZ05、DSZ1、DSZ3等，其中Z代表“自动安平”汉语拼音的第一个字母。2.4.1自动安平原理如图所示，在光路中装置了一个光学补偿器，即使视准轴存在一定的倾斜，也能读到水平视线的读数。•图为北京光学仪器厂生产的DZS3-1自动安平水准仪，下图为其望远镜视场，左边为补偿器状态窗口，当仪器安置好、补偿器指标线位于补偿器指标附近时，即可以进行读数。•数字水准仪(digitallevel)是在仪器望远镜光路中增加了分光镜和光电探测器(CCD阵列)等部件，采用条形码分划水准尺(codinglevelstaff)和图像处理电子系统构成光、机、电及信息存储与处理的一体化水准测量系统。数字水准仪的特点是：①用自动电子读数代替人工读数，不存在读错、记错等问题，没有人为读数误差；②精度高，多条码(等效为多分划)测量，削弱标尺分划误差，自动多次测量，削弱外界环境变化的影响；③速度快、效率高，实现自动记录、检核、处理和存储，可实现水准测量从外业数据采集到最后成果计算的内外业一体化。2.5数字水准仪简介④数字水准仪一般是设置有补偿器的自动安平水准仪，当采用普通水准尺时，数字水准仪又可当作普通自动安平水准仪使用。1.数字水准仪原理•图为采用相关法的徕卡NA3003数字水准仪的机械光学结构图。当用望远镜照准标尺并调焦后，标尺上的条形码影像入射到分光镜上；分光镜将其分为可见光和红外光两部份，可见光影像成像在分划板上，供目视观测；红外光影像成像在CCD(charge-coupleddevice电荷耦合器件)线阵光