1、水利工程測量第3章 水準測量主講教師：高飛7/23/20221 合肥工業大學土木與水利學院測量工程系第3章 水準測量 3.1 水準測量原理 3.2 水準儀及其使用 3.3 自動安平水準儀及數字水準儀 3.4 水準測量方法 3.5 微傾式水準儀的檢驗與校正 3.6 水準測量的誤差分析及注意事項 7/23/2022 2 合肥工業大學第3章 水準測量測量三項基本工作之一：高程測量高程測量：測量地面上各點高程的工作高程測量有下列幾種方法： 1.幾何水準測量是高程測量最主要的方法 2.三角高程測量 3.物理高程測量 包括: 氣壓高程測量、液體靜力水準測量 4.GPS高程測量7/23/2022 3 合肥工

2、業大學主要內容： 水準測量原理、水準儀的構造及使用、水準測量的施測方法、儀器的檢驗與校正。主要目的： 使學生了解水準測量原理、測量工具，掌握地面點位高程測量過程，從而精確求出地面點高程。重點內容： 水準測量原理、施測方法、成果計算。第3章 水準測量7/23/2022 4 合肥工業大學 3.1 水準測量原理原理：利用水準儀提供的一條水平視線，借助水準尺來測定地面兩點間的高差，從而由已知點的高程和測得的高差，求出待定點的高程。1.高差法:hAB=后視讀數前視讀數，即：待定點B點的高程：2.儀高法(視線高法):7/23/2022 5 合肥工業大學 3.2 水準儀及其使用水準測量所使用的儀器為水準儀，

3、所使用的工具為水準尺和尺墊。水準儀按其精度劃分為四個等級： 精密水準儀DS05、DS1；普通水準儀DS3、DS10 D大地測量；S水準儀；后面的數字代表儀器的測量精度（每公里往返測高差中數的中誤差，即精度）。水準儀按其構造可分為四種： 微傾式水準儀、自動安平水準儀、電子水準儀和數字水準儀目前，普通工程測量中最常用的水準儀是： DS3微傾式水準儀（或DS3自動安平水準儀）7/23/2022 6 合肥工業大學一、DS3微傾式水準儀及其使用DS3微傾式水準儀的構造 作用：為測量高差提供一條水平視線 組成：望遠鏡、水準器、基座132765498101412131115161.微傾螺旋；2.分劃板護罩；

4、3.目鏡；4.物鏡調焦螺旋；5.制動螺旋；6.微動螺旋；7.底板；8.三角壓板； 9.腳螺旋；10.彈簧帽； 11.望遠鏡；12.物鏡；13.管水準器；14.圓水準器；15.連接小螺釘；16.軸座 7/23/2022 7 合肥工業大學(1)望遠鏡由物鏡、目鏡、調焦透鏡和十字絲分劃板組成C C視準軸CC：物鏡光心與十字絲交點的連線視準軸在測量時必須保持水平，也就是水平視線！7/23/2022 8 合肥工業大學（2）水準器水準器分為圓水準器和管水準器兩種。管水準器用來指示視準軸是否水平 0 點 2mm管水準器又稱為長水準管水準管分劃值 ：是水準管表面2mm圓弧所對應的圓心角水準管軸LL：過水準管零

5、點所作圓弧面的縱切線7/23/2022 9 合肥工業大學 2mm圓水準器用來指示儀器豎軸是否豎直 圓水準器分劃值 ：是圓水準器表面2mm圓弧所對應的圓心角 DS3水準儀水準器分劃值 通常為：長水準管 圓水準器 圓水準器軸 ：過圓水準器零點所作圓球面的法線7/23/2022 10 合肥工業大學DS3水準儀常采用符合水準管系統目的是提高水準管氣泡居中的精度 符合氣泡符合尚未符合 符合氣泡符合， 水準管軸與視 線水平。微傾螺旋7/23/2022 11 合肥工業大學（3）基座基座通過連接螺旋與三腳架相連基座用于支承水準儀上部，水準儀旋轉軸插入基座軸套可自由旋轉基座上的三個腳螺旋用于調節圓水準氣泡儀器豎

6、軸VV：就是水準儀的旋轉軸望遠鏡水準器基座三腳架VV7/23/2022 12 合肥工業大學CCLLVVLL水準儀的主要構造特點水準儀的主要軸線： 視準軸CC 水準管軸LL 圓水準器軸 儀器豎軸VV必須滿足的幾何條件： VV 十字絲橫絲 VV LL CC7/23/2022 13 合肥工業大學2. 水準尺和尺墊（1）水準尺有單面尺、雙面尺、塔尺三種（2）標準水準尺為一對雙面尺， 其中: A尺和B尺黑面03m; A尺紅面4.6877.687m, B尺紅面4.7877.787m。（3）尺墊半球形頂部用來豎立水準尺，并標志轉點位置。7/23/2022 14 合肥工業大學3. 水準儀的使用為測定A、B兩點

7、的高差，首先將水準儀安置在A、B兩點之間，然后按以下四個步驟進行操作：（1）粗平（粗略整平） 目的是使儀器豎軸鉛直 調節三個腳螺旋使圓水準器氣泡居中，氣泡移動的方向始終與左手大拇指的運動方向一致。7/23/2022 15 合肥工業大學（2）瞄準（瞄準水準尺） 首先轉動目鏡調焦螺旋使十字絲清晰，轉動望遠鏡瞄準水準尺，再轉動物鏡調焦螺旋使目標清晰。注意消除視差！ 什么是視差？產生的原因？如何消除？7/23/2022 16 合肥工業大學（3）精平（精確整平） 在每次讀數之前，都應注視符合水準氣泡觀測窗，轉動微傾螺旋使水準管氣泡居中，即符合水準器的兩端氣泡影像對齊，只有當氣泡已經穩定不動而又居中的時候

8、，水準管軸水平，視準軸亦水平，即提供了一條水平視線。微傾螺旋7/23/2022 17 合肥工業大學（4）讀數（精確整平） 儀器精確整平后，即可用十字絲橫絲（即中絲）在水準尺上讀數。 讀數按由小到大的方向，讀出米、分米、厘米、并仔細估讀毫米數。 讀數記錄一般均不加小數點，讀記四位數，以毫米為單位。黑面讀數a=1274（mm）紅面讀數 b=5958（mm）7/23/2022 18 合肥工業大學7/23/2022 19 合肥工業大學精密水準儀（DS05、DS1）主要用于國家一、二等水準測量(the first and second order leveling)和高精度的工程測量中；例如建構筑物的沉

9、降觀測，大型橋梁工程的施工測量和大型精密設備安裝的水平基準測量等。二、 精密水準儀和精密水準尺 3.2 水準儀及其使用7/23/2022 20 合肥工業大學1. 精密水準儀的特點1) 望遠鏡的放大倍數大，分辨率高，如規范要求DS1不小于38倍，DS05不小于40倍；2) 管水準器分劃值為10/2mm，精平精度高；3) 望遠鏡的物鏡有效孔徑大，亮度好；4) 望遠鏡外表材料一般采用受溫度變化小的因瓦合金鋼，以減小環境溫度變化的影響；5) 采用平板玻璃測微器讀數，讀數誤差小；6) 配備精密水準尺。7/23/2022 21 合肥工業大學2. 精密水準尺(因瓦水準尺)精密水準尺：是在木質尺身的凹槽內，引

10、張一根因瓦合金鋼帶，其中零點端固定在尺身上，另一端用彈簧以一定的拉力將其引張在尺身上，以使因瓦合金鋼帶不受尺身伸縮變形的影響。長度分劃在因瓦合金鋼帶上，數字注記在木質尺身上，精密水準尺的分劃值分為基輔分劃（10mm）和奇偶分劃（5mm）兩種。基輔分劃差為：3.01550 m7/23/2022 22 合肥工業大學3. N3精密水準儀及其讀數原理下圖就是新N3微傾式精密水準儀，其每km往返測高差中數的中誤差為0.3mm。為了提高讀數精度，精密水準儀上設有平行玻璃板測微器。7/23/2022 23 合肥工業大學測微尺的讀數通過光路成像在測微尺讀數窗內。 7/23/2022 24 合肥工業大學旋轉N3

11、的平行玻璃板可以產生的最大視線平移量為10mm，它對應測微尺上的100個分格。測微尺上1個分格等于0.1mm，如在測微尺上估讀到0.1分格，則可以估讀到0.01mm。將標尺上的讀數加上測微尺上的讀數就等于標尺的實際讀數。如下圖的讀數為148+0.655=148.655cm=1.48655m。 測微尺的讀數7/23/2022 25 合肥工業大學 自動安平水準儀不需要水準管和微傾螺旋，只有一個圓水準器，安置儀器時，只要使圓水準器的氣泡居中后，借助一種“補償器”的特別裝置，使視線自動處于水平狀態。自動安平水準儀正面 3.3 自動安平水準儀 及數字水準儀一、自動安平水準儀7/23/2022 26 合肥

12、工業大學自動安平水準儀反面自動安平水準儀后面自動安平水準儀反面自動安平水準儀正面7/23/2022 27 合肥工業大學自動安平水準儀安平的工作原理7/23/2022 28 合肥工業大學二、數字水準儀望遠鏡基座 腳螺旋自動安平補償器 電子水準 儀調焦螺旋制動、微動螺旋調焦發送器：計算概略視距值；補償監視器：監測安平補償器的工作狀態分光鏡 ：將由物鏡計入的光分為可見光和紅外光行陣探測器：識別水準尺上的條碼，進行讀數（電子水準儀）7/23/2022 29 合肥工業大學二、數字水準儀7/23/2022 30 合肥工業大學下圖為采用相關法的徠卡NA3003數字水準儀的機械光學結構圖7/23/2022 3

13、1 合肥工業大學 3.4 水準測量方法一、水準測量的外業實施1. 水準點 事先埋設標志在地面上，用水準測量方法建立的高程控制點(Bench Mark), 常以BM表示。 水準點分為永久性和臨時性兩種，其頂部通常為凸起的半球面, 用于放置水準尺。 7/23/2022 32 合肥工業大學2. 待定點高程的測量和計算檢核已知HA， 求高程HB，中間臨時放置標尺的過度點1，2.稱為轉點, 起高程傳遞作用, 常用TP表示，實測時轉點上應使用尺墊 。7/23/2022 33 合肥工業大學每測站高差：各測站高差之和：待定點B點高程：施測方法（動畫）2. 待定點高程的測量和計算檢核7/23/2022 34 合

14、肥工業大學普通水準測量記錄表0.7182.20950.5831.2681.425ZD1ab=5.358 3.867=1.491h=2.209 0.718=1.491HB HA=51.491 50.000=1.491HB HA=h=a b (計算無誤) 計算檢核3.8675.35851.4910.346B50.6181.5811.219ZD351.3360.6720.863ZD2HA=50.000m 50.0000.5830.7530.8731.851A前視+后 視備 注高 程（m）高 差標尺讀數（m）測點0.7187/23/2022 35 合肥工業大學3. 測站檢核為保證每一測站的高差正確，或

15、在誤差允許范圍之內，必須進行測站檢核。測站檢核有雙儀高法和雙面尺法（1）雙面尺法：黑面讀數高差： 紅面讀數高差： 紅黑面高差之差： 最后高差中數： （2）雙儀高法：改變儀器高度10cm以上，測出兩次高差，進行檢核。7/23/2022 36 合肥工業大學 雙面尺法水準測量觀測記錄表7/23/2022 37 合肥工業大學 雙儀高法水準測量觀測記錄表7/23/2022 38 合肥工業大學二、水準路線測量的成果檢核1.閉合水準路線 從某已知點BMA出發,經待定點1,2,3,4; 再回到A點。 高差理論值： 高差閉合差：2.附合水準路線從已知點BMA出發到另一已知點B, 高差理論值： 高差閉合差：AB2

16、h1h317/23/2022 39 合肥工業大學二、水準路線測量的成果檢核3.結點水準網 （1） 獨立水準網 （2）單結點附合水準網4.支水準路線從已知點BMA出發到待定點B 7/23/2022 40 合肥工業大學三、水準測量的內業計算按一定的原則將計算出的水準線路高差閉合差進行分配，確保各測段（或各測站）高差經改正后嚴格滿足檢核條件。等外水準測量高差閉合差容許誤差：山地：平地：國家四等水準測量高差閉合差容許誤差：山地：平地：7/23/2022 41 合肥工業大學 水準測量的內業計算步驟 （附合、閉合水準路線） h21）計算閉合差2）判斷閉合差是否超限3）計算各測段觀測高差的改正數5）計算各測

17、段的改正后的高差6）計算各點的高程值4）檢查閉合差是否分配完AB2附合水準路線h1h317/23/2022 42 合肥工業大學例：附合水準測量內業計算1.37/23/2022 43 合肥工業大學普通水準測量記錄計算表-0.016-0.014-0.119B56.9020964575415636348Bfh= h = 0.016 m = 16 mm檢核BMA55.35207725560BMAE55.2432024671208765566ED56.3322100688609325720DC57.0791387607613506035CHA=55.352m 55.35225127200BMA平均高差高

18、差前視后 視備 注高 程（m）高 差標尺讀數（m）測點7.23330.8697.24730.988+1.548+1.446+0.176+0.272-0.750-0.851-1.092-0.992+0.104+0.006 +3+1.547 +3+0.174 +3-0.750 +3-1.092 +4+0.1057/23/2022 44 合肥工業大學 3.5 微傾式水準儀的檢驗與校正一、圓水準器的檢驗與校正 檢驗目的是保證：圓水準器軸儀器VV二、十字絲的檢驗與校正 檢驗目的是保證：十字絲橫絲 儀器VV三、管水準器的檢驗與校正 檢驗目的是保證：視準軸CC 水準管軸LL （水準儀的主條件）7/23/2022 45 合肥工業大學 3.6 水準測量誤差分析及注意事項一、儀器誤差 1. 儀器校正后的殘余誤差 2. 水準尺誤差(包含: 刻劃、變形和零點誤差等）二、觀測誤差 1. 讀數誤差; 2. 視差影響 3. 水準管氣泡居中誤差三、外界條件的影響 1. 儀器下沉和尺墊下沉誤差 2. 地球曲率和大氣折