1、精選優質文檔-傾情為你奉上第二章水準儀和普通水準測量專心-專注-專業學習情境1 圖根高程控制測量項目載體：北京工業職業技術學院圖根高程控制網 教學項目設計：1、任務分析：各學習小組的測區范圍大約為200米X250米，進行高程控制測量是地形圖測繪工作所必需的一項測量工作；測區的大部分地勢平坦，因此圖根高程控制測量采用等外水準測量是合適的，只有個別地區高差比較大，可以采用高程測量的方法進行；等外水準測量路線可以根據實際情況采用閉合水準路線、附合水準路線等形式；測區首級高程控制測量應采用三四等水準測量的方法由測區外已知高程控制點引測。2、任務分解：測區內高程控制測量的任務包括高級點引測和圖根高程控制

2、測量兩部分內容，由于各個測區內均沒有已知的高級控制點，所以需要以三四等水準測量的方法由測區外的已知高級控制點引測到測區；因此該項測量工作的任務可以分解為：三四等水準測量、等外水準測量、三角高程測量等3、各環節功能：三四等水準測量是在測區內建立已知高程點的重要手段，等外水準測量是建立測區內的全面的圖根高程控制網的主要途徑，三角高程測量是建立測區內全面高程控制的補充措施，尤其是對于高差大的地區，這種方法的又是更加明顯。4、作業方案：測區內高程控制測量的任務包括高級點引測和圖根高程控制測量兩部分內容，由于各個測區內均沒有已知的高級控制點，所以需要以三四等水準測量的方法由測區外的已知高級控制點引測到測

3、區，然后根據在測區建立的已知高程點進行圖根高程控制測量，對于地勢比較平坦的地區應采用等外水準測量進行，當個別地區高差較大，進行水準測量有困難時，可以采用三角高程測量進行；圖根高程控制網最多發展兩級。5、教學組織：本學習情景的教學為24學時，分為8個相對獨立又緊密聯系的子學習情境，教學過程中以作業組為單位，每組一個測區，在測區內分別完成等外水準測量、三四等水準測量、三角高程測量、圖根高程控制測量內業計算任務，作業過程中教師全程參與指導，每組領用的儀器設備包括水準儀、經緯儀、水準尺、尺墊、鋼尺、小鋼尺、測釬、花桿、測傘、點位標志、記錄板、記錄手簿等；要求盡量在規定時間內完成外業作業任務，個別作業組

4、在規定時間內沒有完成的，可以利用業余時間繼續完成任務。在整個作業過程中教師除進行教學指導外，還要實時進行考評并做好記錄，作為成績評定的重要依據。子學習情景1-1水準儀及其操作與使用一、水準測量概述水準測量是測定地面點高程時，最常用、最基本、精度最高的一種方法，在國家高程控制測量、工程勘測和施工測量中廣泛應用。它是在地面兩點之間安置水準儀，觀測豎立在兩點上的水準標尺，按水準標尺上讀數求得兩點之間的高差，最后推算出未知點的高程。這種測量方法適用于平坦地區或地面起伏不太大的地區。水準測量通常可分為以下幾種：1.國家水準測國家水準測量的目的是建立全國性的、統一的高程控制網，以滿足國家經濟建設和國防建設

5、的需要。國家水準測量按控制次序和施測精度分為一、二、三、四等。高精度的一、二等水準測量可以作為三、四等水準測量及其它高程測量的控制和依據，并為研究大地水準面的形狀、平均海水面變化和地殼升降等提供精確的高程數據。三、四等水準測量可為工程建設和地形測圖提供高程控制數據，它是一二等水準測量的進一步加密。2.圖根水準測量圖根水準測量是在地形測量時，為直接滿足地形測圖的需要，提供計算地形點高程的數據而進行的水準測量，有時候也作為測區的基本高程控制。由于其精度低于四等水準，所以也叫等外水準測量。3.工程水準測量工程水準測量是為滿足各種工程勘察、設計與施工需要而進行的水準測量。其精度依據工程要求而定，有的高

6、于四等，有的低于四等。本學習情境中，著重介紹水準測量的原理、儀器和工具，以及普通水準測量的施測方法。還有圖根水準測量和三角高程測量等內容也是重點要學習的基本技能。二、水準測量的原理水準測量是測定地面點高程的最精確的一種方法，其基本測法是：若A點高程已知，欲測定待定點B的高程，首先測出A、B兩點之間的高差,如圖1-1所示,則B點的高程為 （1-1-1）為測出A、B兩點之間的高差，可在A、B兩點上分別豎立有刻劃的尺子水準尺；并在A、B點之間安置一架能提供水平視線的儀器水準儀。根據儀器的水平視線，在A點尺上讀數，設為a；在B點尺上讀數，設為b，則A、B兩點之間的高差為 （1-1-2） 圖1-1 -1

7、如果水準測量是由A到B進行的，如圖1-1中的箭頭所示，由于A點為已知高程點，故A點尺上讀數a稱為后視讀數；B點為欲求高程的點，則B點尺上讀數b稱為前視讀數。即高差等于后視讀數減去前視讀數。ab高差為正；反之為負。式（1-1-1）和（1-1-2）是直接利用高差計算B點高程的，稱為高差法。還可通過儀器的視線高Hi計算B點的高程 (1-1-3)式（1-3）是利用儀器視線高Hi，計算B點高程的，稱為儀高法。當安置一次儀器要求測出幾個點的高程時，儀高法比高差法計算方便。水準測量所使用的儀器是水準儀，輔助工具有水準尺和尺墊等。三、水準儀水準儀按其精度可分為DS05、DS1、DS3、DS20（1982年頒布

8、的標準）等不同型號。其具體的系列參數見下表，在地形測量中最常用的是S3型水準儀。表1-1-1水準儀系列的分級及其基本參數(GB3160-82)參數名稱單位等級DS05DS1DS3DS20儀器精度mm±0.5±1.0±3.0±20.0望遠鏡放大鏡倍數，不小于物鏡有效孔徑，不小于最短視距，不大于倍mmm42553.038473.028382.01.5201.5管狀水準器角值符合式（）/2mm101020-普通式-60自動安平補償性能補償范圍安平精度安平時間，不長于（）（）s±8±0.12±8±0.22±8&#

9、177;0.52±15±42粗水準器角值直交型管狀（）/2mm22-圓形88815測微器測量范圍mm55-最小格值0.050.05-儀器凈重，不大于kg6.56.03.02.0主要用途國家一等水準測量及地震水準測量國家二等水準測量及其他精密水準測量國家三四等水準測量及其它一般工程水準測量建筑及簡易農田水利工程水準測量水準儀的種類很多，盡管它們在外型上有所不同，但基本結構都是由望遠鏡、水準器和基座三部分組成。圖1-1-2是上海光學儀器廠生產的S3 水準儀。整個儀器通過基座和三腳架連接，安裝在三腳架上。基座上裝有一個圓水準器，基座下部的三個腳螺旋，用于粗略整平儀器。望遠鏡由物鏡

10、、目鏡和十字絲分劃板組成。望遠鏡旁裝有一個管水準器，轉動微動螺旋，管水準器隨望遠鏡上下仰俯。當氣泡居中時，望遠鏡視線便處于水平狀態。用制動螺旋和微動螺旋來控制儀器在水平方向的轉動。當制動螺旋擰緊后，轉動微動螺旋可使儀器在水平方向上作微小轉動。 圖1-1-2（一）望遠鏡及水準器1、望遠鏡成像原理圖1-1-3為望遠鏡的成像原理圖，目鏡和物鏡位于同一條光軸上。由幾何光學原理可知，從物體A發出的平行于光軸的光線，過物鏡后折向其后焦點F；另一條光線，自A點發出，過物鏡光心不發生折射。這兩條光線交于a1點。同理，自B點的光線，交于b1點，則物體AB經物鏡后成像為a1b1，是倒立而縮小的實像。目鏡是起放大作

11、用的，當a1b1處于目鏡焦點以內時，經目鏡再成像，得到一個a1b1放大了的虛像a2b2。圖1-1-3從望遠鏡內看到物體虛像的視角與眼睛看到的視角之比，稱為望遠鏡的放大率，一般用v表示，即 （1-1-4）因一般物體離觀測者較遠，望遠鏡鏡筒長與之相比就顯得很短，故可認為眼睛在目鏡處直接看到物體的視角與在望遠鏡物鏡處看到的視角近似相等。當物體離望遠鏡較遠時，物體經物鏡所成的實像a1b1至物鏡的距離oc，可認為近似地等于物鏡的焦距f物，a1b1至目鏡的距離o1c近似地等于目鏡焦距f目。由相似三角形ob1c和o1b1c，得即 因為視角一般都很小，它們的正切函數可以用弧度來表示，故上式可寫成故望遠鏡的放大

12、率 (1-1-5)望遠鏡的放大率是衡量望遠鏡的主要指標。由式（1-1-5）可看出，為了得到較大的望遠鏡的放大率，應盡量選用長焦距物鏡和短焦距目鏡。在地形測量工作中，使用望遠鏡的放大率一般為18倍30倍。2、望遠鏡的基本結構望遠鏡是用來瞄準遠方目標的。望遠鏡分外對光望遠鏡和內對光望遠鏡。現代測量儀器都采用內對光望遠鏡。在此僅介紹內對光望遠鏡的基本結構。望遠鏡主要由物鏡筒、十字絲分劃板和目鏡組成。圖1-1-6中，物鏡和十字絲分劃板固定在望遠鏡鏡筒上，調焦鏡固定在望遠鏡內部一個調焦鏡筒上，它用齒輪與外部的調焦螺旋相連。目鏡裝在可以旋轉的螺旋套筒上，轉動目鏡筒，可使目鏡沿主光軸移動，便于調節目鏡與十字

13、絲分劃板之間的距離，使視力不同的人眼都能看清楚十字絲，這種操作稱為目鏡調焦，又稱目鏡對光。1-物鏡筒，1-物鏡，3-調焦透鏡，4-調焦螺旋，5-十字絲板，6-目鏡，圖1-1-6十字絲分劃板安裝在物鏡與目鏡之間，板上有呈“十”字交叉的刻線，以其作為瞄準和讀數的依據。圖1-1-7所示為一般測量儀器上的幾種十字絲圖形。它們都是在玻璃板上刻有兩根垂直相交的十字細線。中間的一根稱為橫絲或豎絲，豎直的一根（或雙絲的對稱中線）稱為縱絲或豎絲。橫絲上、下還有兩根對稱的水平絲，稱為視距絲，又稱為上絲、下絲，用它可測量距離（見視距測量）。圖1-1-7十字絲交點與物鏡光心的連線稱為望遠鏡的視準軸，望遠鏡照準目標就是

14、指視準軸對準目標；望遠鏡提供的水平視線，就是指視準軸呈水平狀態。圖1-1-8為內調焦（即內對光）望遠鏡成像原理圖。按照望遠鏡成像原理，當照準遠近不同的目標時，物鏡的成像距離也各不同。為便于在望遠鏡中準確照準目標或讀數，要求物體的實像a1b1始終能落在十字絲分劃板的平面上。為此，在物鏡與目鏡之間置一凹透鏡，即調焦鏡。利用調焦螺旋控制調焦鏡前后移動，在照準不同距離的目標時，使目標影像始終落在十字絲分劃板上。圖1-1-8（二）水準器 水準器是水準儀的重要部件，借助于它才能使視準軸處于水平狀態。水準器又分管水準器（又稱水準管）和圓水準器兩種。裝在基座上的圓水準器，作粗略整平儀器用；與望遠鏡連在一起的水

15、準管，供精確整平儀器用。1水準管水準管是用管狀玻璃制成，如圖1-1-9所示。管內壁研制成曲率半徑很大的圓弧面，精密水準管的曲率半徑為80 m100 m，一般精度的水準管曲率半徑為7 m20 m，管內裝酒精或乙醚，經加熱融封而成。待冷卻后管內便形成一個氣泡，氣泡恒處于管內最高處。為了便于安裝保護，整個玻璃管裝在一個絕熱并有玻璃窗口的金屬管內。圖1-1-9水準管圓弧的中點（即管上刻劃的中點）稱為水準管的零點（圖1-1-9中O點），過零點的切線LL稱為水準管軸。氣泡居于被零點平分的位置，叫做氣泡居中。管壁上刻有以零點對稱的刻劃，每格2 mm。氣泡偏離中央，即表示水準管軸發生傾斜。氣泡每移動一格，水準

16、管軸傾斜一個角度，稱水準管分劃值，亦即2 mm弧長所對的圓心角，其值為 （1-1-6）式中 2水準管每格弧長2 mm； R水準管內壁的曲率半徑，mm； 1弧度所對應的以秒為單位的角值， = 。水準管分化值越小，水準管靈敏度越高。一般水準儀上水準管分化值為120。上海光學儀器廠生產的S3型水準儀值為20。2符合水準器為了提高目估氣泡居中的精度，在水準管上方安裝一組符合棱鏡（圖1-1-10），通過棱鏡系統的連續折光作用，將水準管氣泡兩端各一半的影像傳遞到望遠鏡目鏡旁的顯微鏡內，觀測者在觀測時不須移動位置，就能看到水準管氣泡兩端符合的影像，其影像如圖1-1-11所示。兩個半氣泡影像符合一致時（如圖1

17、-1-11（a）所示），表示氣泡居中。兩個半氣泡影像上下錯開（如圖1-1-11（b）所示），表示水準管氣泡不居中，此時可調節微傾螺旋，使兩個半氣泡影像符合成圖1-1-11（a）所示形狀。圖1-1-10圖1-1-113.圓水準器圖1-1-12為圓水準器。圓水準器玻璃內壁是一個球面，球面中心是一個小圓圈，小圓圈的中點叫水準器零點。通過球面上零點的法線LL稱為圓水準軸。當圓水準氣泡中心和零點重合時，則圓水準軸處于豎直位置，切于零點的平面也就水平了。圖1-1-12圓水準器的小圓圈中心向任意方向偏移2 mm時，圓水準軸傾斜的角值稱為圓水準器分劃值。相對于水準管軸來說，圓水準器的分劃值較大，一般為 810

18、，因靈敏度較低，故只用于粗略整平。圓水準器底部有三個校正螺釘，供校正圓水準軸位置時使用。（三）基座基座的作用是支承儀器的上部并與三腳架連接。基座主要有軸座、腳螺旋和連接板構成。三腳架的作用是支撐整個儀器，以便觀測。四、水準尺水準尺又稱標尺，它是用經干燥處理的優質木材制成，也有用玻璃鋼或鋁合金等其他材料制成的。長度有2 m、3 m、4 m及5m數種。尺面采用區格式分劃，最小分劃一般為0.5或1cm。水準尺上裝有小的圓水準器。水準尺常用的有直尺和塔尺兩種，如圖1-1-13所示。直尺一般為3 m，中間無接頭，長度準確。塔尺可以伸縮，整長為5 m，攜帶方便，但接頭處誤差較大，影響精度。直尺型的水準尺，

19、除有單面刻劃的外，還有雙面水準尺。雙面水準尺用于檢查讀數和提高精度，尺面分劃一面為黑白相間，叫黑面；另一面為紅白相間，叫紅面。雙面水準尺必須成對使用。兩根水準尺黑面底部注記均是從零開始，而紅面底部的注記起始數分別為4 687 mm和4 787 mm。每一根水準尺在任何位置紅、黑面讀數均相差同一常數，即尺常數。五、尺墊亦稱尺臺，尺墊的作用是使水準尺矗立在非水準點上時，有一個穩固的立尺點，以防止水準尺下沉或水準尺轉動時改變其高程。如圖1-1-14所示，尺墊一般為三角形的鑄鐵塊，中央有一凸起的半圓球，水準尺立在半圓球的頂上。 圖1-1-13 圖1-1-14用水準儀測定高差之前，需要在測站上安置水準儀

20、。首先應打開三腳架，使其高度適中，架頭大致水平，牢固地架設在地面上。然后從儀器箱中取出儀器，用連接螺旋將它固定在三腳架上。水準儀的基本操作程序是：粗略整平目鏡對光照準水準標尺精確整平讀取標尺上的讀數。六、粗略整平由于微傾螺旋活動范圍有限，故用微傾螺旋精確整平望遠鏡視準軸時，應先用圓水準器粗略整平儀器。粗略整平的方法，如圖1-1-15所示。當氣泡中心偏離圓點見圖1-1-15（a）位于a處時 ，旋轉1、2兩個腳螺旋，使氣泡移至b處見圖1-1015（b） 。轉動腳螺旋時，左、右兩手應以相反的方向勻速旋轉，并注意氣泡移動方向總是與左手大拇指移動方向一致。接著再轉動另一個腳螺旋3，使氣泡居中。圖1-1-

21、15七、照準標尺（一）目鏡對光照準前，先根據觀測者的視力，將望遠鏡先對向白色背景，旋轉目鏡對光螺旋，進行目鏡對光，使十字絲清晰。（二）初瞄水準尺松開制動螺旋，水平旋轉望遠鏡，利用望遠鏡后部上方的照門（缺口）和望遠鏡物鏡端上方的準星，瞄準水準尺。當在望遠鏡視場內見到水準尺后，擰緊制動螺旋。（三）物鏡對光先用望遠鏡上面的瞄準器瞄準目標（水準標尺），固定制動螺旋。再從望遠鏡中觀察，若目標不清晰，則轉動望遠鏡上的物鏡對光（調焦）螺旋，使目標影像落在十字絲板平面上，這時目鏡中可同時清晰穩定的看到十字絲和目標。最后轉動水平微動螺旋使十字絲豎絲照準目標。（三）對光與瞄準轉動對光螺旋，使尺子的影像十分清晰并消

22、除視差，用微動螺旋轉動水準儀，使十字絲豎絲照準尺面中央。對光是否合乎要求，關鍵在于消除視差。如圖1-1-16所示，觀測者可用十字絲交點Q對準目標上一點P，眼睛在目鏡上下或左右移動，若十字絲交點Q始終對準目標P時，則合乎要求。否則，當眼睛從O1移到O和O2時，十字絲交點Q分別對準P1、P、P2點，即十字絲交點與目標點發生相對移動，這種現像稱為視差。由此可見，視差產生的原因，是由于目標的物鏡的像平面與十字絲平面不重合。視差使瞄準目標讀數時產生誤差，因而對光就不符合要求。消除視差的方法是重新仔細調節目鏡和用望遠鏡對光螺旋對光，直至眼睛上下或左右移動觀測時目標像與十字絲不發生移動為止。八、精平與讀數

23、讀數前轉動微動螺旋，使水準管氣泡居中，要使望遠鏡的觀察窗的氣泡完全符合，這就達到了精平的要求，然后，立即據十字絲橫絲在水準尺上的位置進行讀數。對于倒立的尺像，讀數應由下而上，從小到大進行，要讀出m、dm、cm并讀至mm。圖1-1-17中的讀數為1 848 mm。讀完后視讀數后，儀器立即轉向前視方向，仍要使符合氣泡完全符合后，再讀取前視尺讀數。 精平與讀數雖是兩項不同的操作步驟，但是這兩項操作卻是不可分割的整體，即精平后才能讀數，讀數后要檢查精平。這樣，才可以保證所讀的標尺讀數為視準軸水平時的讀數。 圖1-1-16 圖1-1-17九、自動安平水準儀在用微傾式水準儀進行水準測量時，每次讀數都要用微

24、傾螺旋將水準管氣泡調至居中位置，這不僅使觀測起來十分麻煩、影響觀測速度，而且由于延長了測站觀測時間，將增加外界因素的影響，使觀測成果的質量降低。為此，在本世紀40年代研制出了一種自動安平水準儀。經過不斷的發展和完善，自動安平水準儀已得到了廣泛的應用并成為水準儀的發展方向。 1自動安平水準儀的原理 如圖1-1-18a所示，當望遠鏡視準軸傾斜了一個小角時，由水準尺上的a。點過物鏡光心0所形成的水平光線，不再通過十字絲中心Z,而在離Z為L的A點處，顯然 （1-1-7）式中 f一為物鏡的等效焦距， 一視準軸傾斜的小角度。 在圖1-1-18a中，若在距十字絲分劃板S處，安裝一個補償器K，使水平光線偏轉角

25、，并恰好通過十字絲中心Z，則 (1-1-8) (1-1-9) 由此可知，式（1-1-9）的條件若能滿足，即使視準軸有微小傾斜，十字絲中心Z仍能讀出視線水平時的讀數a0，從而達到自動補償的目的。圖1-1-18 還有另一種補償器（如圖1-1-7b），它是借助補償器K將Z移至A處，這時視準軸所截取尺上的讀數仍為a0。這種補償器是將十字絲分劃板懸吊起來，借助重力，在儀器有一微小傾斜的情況下，十字絲分劃板仍回到原來的位置，安平的條件仍為式（1-1-9）。 2自動安平補償器 自動安平補償器的種類很多，但一般都是采用吊掛補償裝置，借助重力進行自動補償，達到視線自動安平的目的。 圖1-1-18是DSZ3自動安平水準儀的內部光路結構示意圖。它是在對光透鏡和十字絲分劃板之間安設補償器，