精密水準測量實驗.ppt

精密水準測量,郭丹丹 2009.05.01,目錄,第一章精密水準儀的認識與使用,第二章精密水準測量的實施,第一章精密水準儀的認識與使用,1.1.1 精密水準儀的構(gòu)造特點 1.1.2 精密水準標尺的構(gòu)造特點,1.1精密水準儀與水準尺,1.2.1 Wild N3精密水準儀 1.2.2 Zeiss Ni 004精密水準儀 1.2.3 國產(chǎn)S1型精密水準儀,1.2幾種精密水準儀的介紹,1.1精密水準儀與水準尺,1.1.1 精密水準儀的構(gòu)造特點,精密水準儀與一般水準儀比較，其特點是能夠 精密地整平視線和精確地讀取讀數(shù)。為此，在結(jié)構(gòu)上應滿足： （1）水準器具有較高的靈敏度。如DS1水準儀的管水準器值為10/2mm。 （2）望遠鏡具有良好的光學性能。如DS1水準儀望遠鏡的放大倍數(shù)為38倍，望遠鏡的有效孔徑47mm，視場亮度較高。十字絲的中絲刻成楔形，能較精確地瞄準水準尺的分劃。 （3）具有光學測微器裝置。可直接讀取水準尺一個分格（1cm或0.5cm）的1/100單位（0.1mm或0.05mm），提高讀數(shù)精度。 （4）視準軸與水準軸之間的聯(lián)系相對穩(wěn)定。精密水準儀均采用鋼構(gòu)件，并且密封起來，受溫度變化影響小。,1.1.1 精密水準儀的構(gòu)造特點,對于精密水準測量的精度而言，除一些外界因素的影響外，觀測儀器水準儀在結(jié)構(gòu)上的精確性與可靠性是具有重要意義的。為此，對精密水準儀必須具備的一些條件提出下列要求: 1.高質(zhì)量的望遠鏡光學系統(tǒng) 為了在望遠鏡中能獲得水準標尺上分劃線的清晰影像，望遠鏡必須具有足夠的放大倍率和較大的物鏡孔徑。一般精密水準儀的放大倍率應大于40倍，物鏡的孔徑應大于50mm。 2.堅固穩(wěn)定的儀器結(jié)構(gòu) 儀器的結(jié)構(gòu)必須使視準軸與水準軸之間的聯(lián)系相對穩(wěn)定，不受外界條件的變化而改變它們之間的關(guān)系。一般精密水準儀的主要構(gòu)件均用特殊的合金鋼制成，并在儀器上套有起隔熱作用的防護罩。 3.高精度的測微器裝置 精密水準儀必須有光學測微器裝置，借以精密測定小于水準標尺 最小分劃線間格值的尾數(shù)，從而提高在水準標尺上的讀數(shù)精度。 一般精密水準儀的光學測微器可以讀到0.lmm，估讀到0.Olmm,4.高靈敏的管水準器 一般精密水準儀的管水準器的格值為10“/2mm。由于水準器的靈敏度愈高，觀測時要使水準器氣泡迅速置中也就愈困難，為此，在精密水準儀上必須有傾斜螺旋（又稱微傾螺旋）的裝置，借以可以使視準軸與水準軸同時產(chǎn)生微量變化，從而使水準氣泡較為容易地精確置中以達到視準軸的精確整平。 5.高性能的補償器裝置 對于自動安平水準儀補償元件的質(zhì)量以及補償器裝置的精密度都可以影響補償器性能的可靠性。如果補償器不能給出正確的補償量，或是補償不足，或是補償過量，都會影響精密水準測量觀測成果的精度。 我國水準儀系列按精度分類有S05型,S1型,S3型等。S是“水”字的漢語拼音第一個字母,S后面的數(shù)字表示每公里往返平均高差的偶然中誤差的毫米數(shù)。,1.1.1精密水準儀的構(gòu)造特點,我國水準儀系列及基本技術(shù)參數(shù),1.1.2 精密水準標尺的構(gòu)造特點,精密水準尺一般是在木質(zhì)尺身的槽內(nèi)，安有一根因瓦合金帶。帶上標有刻劃，數(shù)字注在木尺上。精密水準尺須與精密水準儀配套使用。精密水準尺上的分劃注記形式一般有兩種： 一種是尺身上刻有左右兩排分劃，右邊為基本分劃，左邊為輔助分劃?；痉謩澋淖⒂洀牧汩_始，輔助分劃的注記從某一常數(shù)K開始，K稱為基輔差。另一種是尺身上兩排均為基本劃分，其最小分劃為10mm，但彼此錯開5mm。尺身一側(cè)注記米數(shù)，另一種側(cè)注記分米數(shù)。尺身標有大、小三角形，小三角形表示半分米處，大三角形表示分米的起始線。 這種水準尺上的注記數(shù)字比實際長度增大了一倍， 即5cm注記為1dm。因此使用這種水準尺進行測量時， 要將觀測高差除以2才是實際高差。,1.1.2 精密水準標尺的構(gòu)造特點,水準標尺是測定高差的長度標準，如果水準標尺的長度有誤差，則對精密水準測量的觀測成果帶來系統(tǒng)性質(zhì)的誤差影響，為此，對精密水準標尺提出如下要求： （1）當空氣的溫度和濕度發(fā)生變化時，水準標尺分劃間的長度必須保持穩(wěn)定，或僅有微小的變化。一般精密水準尺的分劃是漆在因瓦合金帶上，因瓦合金帶則以一定的拉力引張在木質(zhì)尺身的溝槽中，這樣因瓦合金帶的長度不會受木質(zhì)尺身伸縮變形影響。水準標尺分劃的數(shù)字是注記在因瓦合金帶兩旁的木質(zhì)尺身上，如圖（a）、（b）所示。,1.1.2 精密水準標尺的構(gòu)造特點,（2）水準標尺的分劃必須十分正確與精密，分劃的偶然 誤差和系統(tǒng)誤差都應很小。水準標尺分劃的偶然誤差和系 統(tǒng)誤差的大小主要決定于分劃刻度工藝的水平，當前精密水準標尺分劃的偶然中誤差一般在8llum。由于精密水 準標尺分劃的系統(tǒng)誤差可以通過水準標尺的平均每米真長 加以改正，所以分劃的偶然誤差代表水準標尺 分劃的綜合精度。 （3）水準標尺在構(gòu)造上應保證全長筆直，并且 尺身不易發(fā)生長度和彎扭等變形。一般精密水 準標尺的木質(zhì)尺身均應以經(jīng)過特殊處理的優(yōu)質(zhì) 木料制作。為了避免水準標尺在使用中尺身底 部磨損而改變尺身的長度，在水準標尺的底面 必須釘有堅固耐磨的金屬底板。,1.1.2 精密水準尺的構(gòu)造特點,（4）在精密水準標尺的尺身上應附有圓水準器裝置，作業(yè)時扶尺者借以使水準標尺保持在垂直位置。在尺身上一般還應有扶尺環(huán)的裝置，以便扶尺者使水準標尺穩(wěn)定在垂直位置。 （5）為了提高對水準標尺分劃的照準精度,水準標尺分劃的形式和顏色與水準標尺的顏色相協(xié)調(diào)，一般精密水準標尺都為黑色線條分劃，與淺黃色的尺面相配合，如21頁圖所示，有利于觀測時對水準標尺分劃精確照準。在精密水準測量作業(yè)時，水準標尺應豎立于特制的具有一定重量的尺,墊或尺樁上。尺墊和尺樁的形狀如下圖所示。,線條分劃精密水準標尺的分格值有l(wèi)0mm和5mm兩種。分格值為10mm的精密水準標尺如圖（a）所示，它有兩排分劃，尺面右邊一排分劃注記從0300cm，稱為基本分劃，左邊一排分劃注記從300600cm稱為輔助分劃，同一高度的基本分劃與輔助分劃讀數(shù)相差一個常數(shù)，稱為基輔差，通常又稱尺常數(shù)，水準測量作業(yè)時可以用以檢查讀數(shù)的正確性。分格值為5mm的精密水準尺如圖（b）所示，它也有兩排分劃，但兩排分劃彼此錯開 5mm ,所以實際上左邊是單數(shù)分劃，右邊是雙數(shù)分劃， 也就是單數(shù)分劃和雙數(shù)分劃各占一排，而沒有輔助分 劃 。木質(zhì)尺面右邊注記的是米數(shù)，左邊注記的是分米數(shù)，整個注記從0.15.9m，實際分格值為5mm，分劃注記比實際數(shù)值大了一倍，所以用這種水準標尺所測得的高差值必須除以2才是實際的高差值。,1.1.2 精密水準標尺的構(gòu)造特點,WildN3精密水準儀的外形如下圖a所示。望遠鏡物鏡的有效孔徑為50mm，放大倍率為40倍，管狀水準器格值為10“/2mm。N3精密水準儀與分格值為l0mm的精密因瓦水準標尺配套使用，標尺的基輔差為301.55cm。在望遠鏡目鏡的左邊上下有兩個小目鏡（在下圖a中沒有表示出來），它們是符合氣泡觀察目鏡和測微器讀數(shù)目鏡，在3個不同的目鏡中所見到的影像如下圖b所示。 轉(zhuǎn)動傾斜螺旋，使符合氣泡觀察目鏡的水準氣泡兩端符合，則視線精確水平，此時可轉(zhuǎn)動測微螺旋使望遠鏡目鏡中看到的楔形絲夾準水準標尺上的148分劃線，也就是使148分劃線平分楔角，再在測微器目鏡中讀出測微器讀數(shù)653(即6.53mm)，故水平視線在水準標尺上的全部讀數(shù)為148.653cm。,1.2幾種精密水準儀的介紹,1.2.1 Wild N3精密水準儀,圖a,Wild N3精密水準儀,圖b,圖c,Wild N3精密水準儀,1. N3精密水準儀的傾料螺旋裝置 上圖c所示是N3型精密水準儀傾斜螺旋裝置及其作用示意圖。它是一種杠桿結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動傾斜螺旋時，通過著力點可以帶動支臂繞支點轉(zhuǎn)動，使其對望遠鏡的作用點產(chǎn)生微量升降，從而使望遠鏡繞轉(zhuǎn)軸作微量傾斜。由于望遠鏡與水準器是緊密相聯(lián)的，于是傾斜螺旋的旋轉(zhuǎn)就可以使水準軸和視準軸同時產(chǎn)生微量的變化，借以迅速而精確地將視準軸整平。在傾斜螺旋上一般附有分劃盤，可借助于固定指標進行讀數(shù)，由傾斜螺旋所轉(zhuǎn)動的格數(shù)可以確定視線傾角的微小變化量，其轉(zhuǎn)動范圍約為7周。借助于這種裝置，可以測定視準軸微傾的角度值，在進行跨越障礙物的精密水準測量時具有重要作用。,必須指出，由上圖c可見儀器轉(zhuǎn)軸并不位于望遠鏡的中心，而是位于靠近物鏡的一端。由圓水準器整平儀器時，垂直軸并不能精確在垂直位置，可能偏離垂直位置較大。此時使用傾斜螺旋精確整平視準軸時，將會引起視準軸高度的變化，傾斜螺旋轉(zhuǎn)動量愈大，視準軸高度的變化也就愈大。如果前后視精確整平視準軸時，傾斜螺旋的轉(zhuǎn)動量不等，就會在高差中帶來這種誤差的影響。,因此，在實際作業(yè)中規(guī)定：只有在符合水準氣泡兩端影像的分離量小于lcm時（這時儀器的垂直軸基本上在垂直位置），才允許使用傾斜螺旋來進行精確整平視準軸。但有些儀器轉(zhuǎn)軸的裝置，位于過望遠鏡中心的垂直幾何軸線上。,N3精密水準儀的 傾料螺旋裝置,下圖是N3精密水準儀的光學測微器的測微工作原理示意圖。由圖可見，光學測微器由平行玻璃板、測微器分劃尺、傳動桿和測微螺旋等部件組成。平行玻璃板傳動桿與測微分劃尺相連。測微分劃尺上有100個分格，它與10mm相對應，即每分格為0.lmm，可估讀至0.0lmm。每10格有較長分劃線并注記數(shù)字，每兩長分劃線間的格值為lmm。當平行玻璃板與水平視線正交時，測微分劃尺上初始讀數(shù)為5mm。轉(zhuǎn)動測微螺旋時，傳動桿就帶動平行玻璃板相對于物鏡作前俯后仰，并同時帶動測微分劃尺作相應的移動。平行玻璃板相對于物鏡作前俯后仰，水平視線就會向上或向下作平行移動。若逆轉(zhuǎn)測微螺旋，使平行玻璃板前俯到測微分劃尺移至10mm處，則水平視線向下平移5mm，反之，順轉(zhuǎn)測微螺旋使平行玻璃板后仰到測微分劃尺移至0mm處，則水平視線向上平移5mm。,2. N3精密水準儀的測微器裝置,在下圖中，當平行玻璃板與水平視線正交時，水準標尺上讀數(shù)應為在兩相鄰分劃148與149之間，此時測微分劃上讀數(shù)為5mm，而不是0。轉(zhuǎn)動測微螺旋，平行玻璃板作前俯，使水平視線向下平移與就近的148分劃重合，這時測微分劃尺上的讀數(shù)為6.50mm,而水平視線的平移量應為6.505mm，最后讀數(shù)為148cm+6.50mm-5mm =148.650cm-5mm。由上述可知，每次讀數(shù)中應減去常數(shù)（初始讀數(shù)) 5mm,但因在水準測量中計算高差時能自動抵消這個常數(shù)，所以在水準測量作業(yè)時，讀數(shù)、記錄、計算過程中都可以不考慮這個 常數(shù)。但在單向 讀數(shù)時就必須減 去這個初始讀數(shù)。,N3精密水準儀的測微器裝置,1.2.2 Zeiss Ni 004精密水準儀,該儀器的主要特點是對熱影響的感應較小，即當外界溫度變化時，水準軸與視準軸之間的交角的變化很小，這是因為望遠鏡、管狀水準器和平行玻璃板的傾斜設(shè)備等部件，都裝在一個附有絕熱層的金屬套筒內(nèi)，這樣就保證了水準儀上這些部件的溫度迅速達到平衡。,儀器物鏡的有效孔徑為56mm，望遠鏡放大倍率為44倍，望遠鏡目鏡視場內(nèi)有左右兩組楔形絲，如右圖所示，右邊一組楔形絲的交角較小，在視距較遠時使用，左邊一組楔形絲的交角較大，在視距較近時使用，管狀水準器格值為10/2mm。轉(zhuǎn)動測微螺旋可使水平視線在10mm范圍內(nèi)平移，測微器的分劃鼓直接與測微螺旋相連（見右圖），通過放大鏡在測微鼓上進行讀數(shù)，測微鼓上有100個分格，所以測微鼓最小格值為0.1mm。從望遠鏡目鏡視場中所看到的影像如右圖所示，視場下部是 水準器的符合氣泡影像。,Ni 004精密水準儀與分格值為5mm的精密因瓦水準尺配套使用。在右圖中，使用測微螺旋使楔形絲夾準水準標尺上197分劃，在測微分劃鼓上的讀數(shù)為340，即3.40mm，水準標尺上的全部讀數(shù)為197.340cm。,Zeiss Ni004 精密 水準儀,1.2.3 國產(chǎn)S1型精密水準儀,S1型精密水準儀由北京測繪儀器廠生產(chǎn)。儀器物鏡的有效孔徑為50mm，望遠鏡放大倍率為40倍，管狀水準器格值為10“/2mm。轉(zhuǎn)動測微螺旋可使水平視線在10mm范圍內(nèi)作平移，測微器分劃尺有100個分格，故測微器分劃尺最小格值為0.1mm。,國產(chǎn)S1型精密水準儀望遠鏡目鏡視場中所看到的影像如右圖所示，視場左邊是水準器的符合氣泡影像，測微器讀數(shù)顯微鏡在望遠鏡目鏡的右下方。 該儀器與分格值為5mm的精密水準標尺配套使用。 在右圖中，使用測微螺旋使楔形絲夾準198分劃，在測微器讀數(shù)顯微鏡中的讀數(shù)為150，即1.50mm，水準標尺上的全部讀數(shù)為198.150cm。,國產(chǎn)S1型精密水準儀,1.3精密水準儀的操作與使用,1.安置腳架和連接儀器。在選好的測站上松開腳架伸縮螺旋，按需要調(diào)整高度，架頭大致保持水平，旋緊腳架伸縮螺旋。用連接螺旋將儀器固定在架頭上。 2.粗平。轉(zhuǎn)動腳螺旋，使圓水準器或粗平水準管氣泡居中，使儀器的豎軸大致垂直。 3.瞄準。將望遠鏡對準水準尺，進行目鏡調(diào)焦和物鏡調(diào)焦，使十字絲和水準尺像均十分清晰，注意消除視差。具體方法同DS3水準儀。 4.精平。轉(zhuǎn)動微傾螺旋，使水準管氣泡嚴格居中（符合），可以在目鏡視場中看到水準管氣泡兩端的影像，使氣泡兩端影像符合。 5.讀數(shù)。水準儀精平后，視線水平。通過測微裝置使視線平行移動，為了能精確地對準水準尺上某一分劃，精密水準儀的十字絲一側(cè)刻成楔形的雙絲，用它去夾住某一分劃。,第二章精密水準測量的實施,2.1 精密水準測量作業(yè)的一般規(guī)定 2.2 精密水準測量觀測,2.1 精密水準測量作業(yè)的一般規(guī)定,根據(jù)各種誤差的性質(zhì)及其影響規(guī)律，水準規(guī)范中對精密水準測量的實施作出了各種相應的規(guī)定 ： （1）觀測前30分鐘，應將儀器置于露天陰影處，使儀器與外界氣溫趨于一致；觀測時應用測傘遮蔽陽光；遷站時應罩以儀器罩。 （2）儀器距前、后視水準標尺的距離應盡量相等，其差應小于規(guī)定的限值：二等水準測量中規(guī)定，一測站前、后視距差應小于1.0m，前、后視距累積差應小于3m。這樣，可以消除或削弱與距離有關(guān)的各種誤差對觀測高差的影響，如角誤差和垂直折光等影響。 （3）對氣泡式水準儀，觀測前應測出傾斜螺旋的置平零點，并作標記，隨著氣溫變化，應隨時調(diào)整置平零點的位置。對于自動安平水準儀的圓水準器，須嚴格置平。 （4）同一測站上觀測時，不得兩次調(diào)焦；轉(zhuǎn)動儀器的傾斜螺旋和測微螺旋，其最后旋轉(zhuǎn)方向均應為旋進，以避免傾斜螺旋和測微器隙動差對觀測成果的影響。,2.1 精密水準測量作業(yè)的一般規(guī)定,（5）在兩相鄰測站上，應按奇、偶數(shù)測站的觀測程序進行觀測，對于往測奇數(shù)測站按“后前前后”、偶數(shù)測站按“前后后前”的觀測程序在相鄰測站上交替進行。返測時，奇數(shù)測站與偶數(shù)測站的觀測程序與往測時相反，即奇數(shù)測站由前視開始，偶數(shù)測站由后視開始。這樣的觀測程序可以消除或減弱與時間成比例均勻變化的誤差對觀測高差的影響，如角的變化和儀器的垂直位移等影響。 （6）在連續(xù)各測站上安置水準儀時，應使其中兩腳螺旋與水準路線方向平行，而第三腳螺旋輪換置于路線方向的左側(cè)與右側(cè)。 （7）每一測段的往測與返測，其測站數(shù)均應為偶數(shù)，由往測轉(zhuǎn)向返測時，兩水準標尺應互換位置，并應重新整置儀器。在水準路線上每一測段儀器測站安排成偶數(shù)，可以削減兩水準標尺零點不等差等誤差對觀測高差的影響。 （8）每一測段的水準測量路線應進行往測和返測，這樣，可以消除或減弱性質(zhì)相同、正負號也相同的誤差影響，如水準標尺垂直位移的誤差影響。,2.1 精密水準測量作業(yè)的一般規(guī)定,（9）一個測段的水準測量路線的往測和返測應在不同的氣象條件下進行，如分別在上午和下午觀測。 （10）使用補償式自動安平水準儀觀測的操作程序與水準器水準儀相同。觀測前對圓水準器應嚴格檢驗與校正，觀測時應嚴格使圓水準器氣泡居中。 （11）水準測量的觀測工作間歇時，最好能結(jié)束在固定的水準點上，否則，應選擇兩個堅穩(wěn)可靠、光滑突出、便于放置水準標尺的固定點，作為間歇點加以標記，間歇后，應對兩個間歇點的高差進行檢測，檢測結(jié)果如符合限差要求（對于二等水準測量，規(guī)定檢測間歇點高差之差應1.Omm），就可以從間歇點起測。若僅能選定一個固定點作為間歇點，則在間歇后應仔細檢視，確認沒有發(fā)生任何位移，方可由間歇點起測。,2.2 精密水準測量觀測,1.測站觀測程序 往測時，奇數(shù)測站照準水準標尺分劃的順序為 后視標尺的基本分劃； 前視標尺的基本分劃； 前視標尺的輔助分劃； 后視標尺的輔助分劃； 往測時，偶數(shù)測站照準水準標尺分劃的順序為 前視標尺的基本分劃； 后視標尺的基本分劃； 后視標尺的輔助分劃； 前視標尺的輔助分劃。 返測時，奇、偶數(shù)測站照準標尺的順序分別與往測偶、奇數(shù)測 站相同。,2.2 精密水準測量觀測,以往測奇數(shù)測站為例，一測站的操作程序如下： （一）置平儀器。氣泡式水準儀望遠鏡繞垂直軸旋轉(zhuǎn)時，水準氣泡兩端影像的分離，不得超過lcm，對于自動安平水準儀，要求圓氣泡位于指標圓環(huán)中央。 （二）將望遠鏡照準后視水準標尺，使符合水準氣泡兩端影像近于符合（雙擺位自動安平水準儀應置于第擺位）。隨后用上、下絲分別照準標尺基本分劃進行視距讀數(shù)（如下表中的（1）和（2）。視距讀取4位，第四位數(shù)由測微器直接讀得。然后，使符合水準氣泡兩端影像精確符合，使用測微螺旋用楔形平分線精確照準標尺的基本分劃，并讀取標尺基本分劃和測微分劃的讀數(shù)（3）。測微分劃讀數(shù)取至測微器最小分劃。 （三）旋轉(zhuǎn)望遠鏡照準前視標尺，并使符合水準氣泡兩端影像精確符合（雙擺位自動安平水準儀仍在第擺位），用楔形平分線照準標尺基本分劃，并讀取標尺基本分劃和測微分劃的讀數(shù)（4）。然后用上、下絲分別照準標尺基本分劃進行視距讀數(shù)（5）和（6）。,（四）用水平微動螺旋使望遠鏡照準前視標尺的輔助分劃，并使符合氣泡兩端影像精確符合（雙擺位自動安平水準儀置于第擺位），用楔形平分線精確照準并進行標尺輔助分劃與測微分劃讀數(shù)（7）。 （五）旋轉(zhuǎn)望遠鏡，照準后視標尺的輔助分劃，并使符合水準氣泡兩端影像精確符合（雙擺位自動安平水準儀仍在第擺位），用楔形平分線精確照準并進行輔助分劃與測微分劃讀數(shù)（8）。下表中第（1）至（8）欄是讀數(shù)的記錄部分，（9）至（18）欄是計算部分。,2.2 精密水準測量觀測,測自 至 20 年 月 日 時間 始 時 分 末 時 分 成 像 溫度 云量 風向風速 天氣 土質(zhì) 太陽方向,2.2 精密水準測量觀測,現(xiàn)以往測奇數(shù)測站的觀測程序為例，來說明計算內(nèi)容與計算步驟 視距部分的計算 （9）=（1）-（2） （10）=（5）-（6） （11）=（9）-（10） （12）=（11）+前站（12） 高差部分的計算與檢核 （14）（3）+ K -（8） 式中K為基輔差（對于N3水準標