测量高程测量

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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。
• 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。
第2章 高程测量
本章内容如下： 2.1
2.2 2.3 2.4 2.5 2. 6 2. 7 2. 8 水准测量原理 DS3水准仪和水准尺 精密水准仪和水准尺 自动安平水准仪 电子水准仪简介 水准测量方法和成果计算 微倾式水准仪的检验与校正 水准测量的误差来源及消减方法
2. 9
三角高程测量
2.1 水准测量原理
• 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。
• 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(precise level)，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(general level)，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。
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2.3 精密水准仪和精密水准尺
• 精密水准仪(precise level)主要用于国家一、二等水准测 量(the first and second order leveling)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。
• 水准测量的原理是利用水准仪 (level) 提供的水平视线 (horizontal sight)，读取竖立于两个点上的水准尺(leveling staff) 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： h AB a b
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： HB HA h AB HA a b 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：
• 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
2.3.2 精密水准尺及读数方法(因瓦水准尺)
• 精密水准尺 (invar leveling staff) 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
• 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。
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某测点的高程为：
H j Hi - b
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2.2 DS3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 (staff plate)。 • 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(title level)； • 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(compensator level)。 • 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。
• 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。

2 R
• 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。
• 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 (circular bubble axis)； • 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。
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(parallel plate micrometer)，N3的平 行玻璃板测微器的结构见后图。
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。
• 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(collimation axis of telescope)，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(bubble tube)和圆水准器(circular bubble)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。
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。
• 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)。
• 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
• 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。
2.5 数字水准仪简介 • 数字水准仪(digital level)是在仪器望远镜光路中增加了
• 测 定 地 面 点 高 程 的 工 作 ， 称 为 高 程 测 量 (height measurement)。 • 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(trigonometric leveling)； • (3) GPS高程测量(GPS leveling)； • (4) 气压高程测量(air pressure leveling)。 • 水准测量是目前精度较高的一种高程测量方法。
2.4 自动安平水准仪
•自 动 安 平 水 准 仪 (compensator level) 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。