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1、精密测量仪器的原理与应用第二讲 水准仪的原理与应用,授课人：王磊 邮箱： 2011.9.8,主要内容,水准测量原理 地球曲率与大气折光 光学水准仪工作原理 电子水准仪简介 水准仪的检验与校正 外业水准测量 内业水准数据处理,水准测量原理,水准测量原理,设水准测量的前进方向是由A点向B点，则规定A点为后视点，其水准尺读数为a，称为后视读数；B点为前视点，其水准尺读数为b，称为前视读数。 A,B 两点间的高差计算公式： hAB=a-b; B点的高程计算公式： HB=HA+(a-b)=HA+hAB,水准测量原理,如果两点之间的距离较远，或高差较大时，仅安置一次仪器便不能测得它们的高差，这时需要加设若
2、干个临时的立尺点，作为传递高程的过渡点，称为转点。每安置一次仪器，称为一个测站 。,地球曲率和大气折光的影响,为了讨论地球曲率对水准尺上读数的影响，现把水准面看作圆球面。地球曲率对水准尺上读数的影响分别用 p1，p2表示（称为球差改正） 由于大气折光的影响，实际视线不是水平直线，而是曲线。实际视线的形状十分复杂，但当视线不太长时，可将其当做圆弧看待。大气折光的影响分别用f1, f2表示（称为气差改正）。,地球曲率和大气折光的影响,地球曲率和大气折光的影响,地球曲率对一根水准尺上读数的影响 设通过仪器中心的水准面的半径为，仪器至水准尺的弧长为，仪器至水准尺的切线长为t，地球曲率对水准尺上读数的影
3、响为p。得,地球曲率和大气折光的影响,大气折光对一根水准尺上读数的影响 设弯曲视线的曲率为 ，此处k为折光系数。由于R远远大于R，故k小于1，通常取平均值 k=0.11,光学水准仪原理,精密光学水准仪,光学水准仪构造,1物镜；2.目镜；3.调焦透镜；4.十字丝分划板；5.物镜调焦螺旋；6.目镜调焦螺旋；7.十字丝放大像,视差的产生与消除,观测者的眼睛作上、下（或左、右）移动，若发觉目标像与十字丝之间有相对移动，这种现象称为“视差” 解决方法：先调目镜，再调物镜,水准器,水准管：单个方向整平，精确整平 圆水准器：所有方向 ，粗略整平,光学测微原理,带有光学测微器装置的水准仪,自动安平水准仪的原理
4、,方法1：在光路中装置一个“补偿器”使光线偏转而通过十字丝交点,补偿器的原理,补偿器的具体结构类型有多种，但一般均采用吊挂光学零件的方法，借助重力的作用达到视线自动补偿的目的。,补偿器的阻尼装置,空气阻尼器,磁阻尼器,自动安平水准仪的原理,方法2：移动十字丝的“补偿”装置 视准轴始终是铅垂位置， 两个反光镜构成45度角， 视准轴经两次反射后射出 望远镜的光线必是水平光 线因此十字丝交点上始 终得到水平视线的渎数。,磁阻尼器,磁阻尼器,精密光学水准仪,水准尺和尺垫,因瓦水准尺,尺垫与尺桩,区格式木质双面水准尺,水准仪的使用,操作步骤： 1.安置仪器 2.粗平 3.瞄准水淮尺 4.精平 5.读数,
5、电子水准仪,特点： 速度快、 精度高、 读数客观、 使用方便、能减轻作业劳动强度、 可自动记录、存储测量数据、 易于实现水准测量内外业一体化,电子水准仪,目前电子水准仪采用的自动电子读数方法有以下三种： 相关法，如Leica公司NA2002，NA3003的电子水准仪； 几何法，如蔡司厂的DiNi10，DiNi20； 相位法，如拓普康公司的DL-101C，DL-102C。,电子水准仪的结构,在望远镜中装置了一个由光敏二极管构成的行阵探测器，仪器采用数字图像识别处理系统，并配用条码水准标尺,电子水准仪的结构,Leica DNA03 的各个部件,DNA03精密数字水准仪,Trimble DiNi03
6、精密水准仪,Topcon精密电子水准仪,水准仪的误差分析,水准仪、水准尺下沉误差 大气折光的影响 日照及风力引起的误差 水准尺磨损(标尺零点差) 水准尺弯曲,误差的处理方法,若水准仪在测站上随安置时间的增加而下沉 ，采用“后前前后”的观测程序可减少仪器下沉对高差的影响。 视线应高出地面0.3m，选择合适的天，避开不利的环境 减弱大气折光影响。 选择好的天气测量，给仪器打伞遮光等。减弱日照，风力影响 偶数站消除标尺零点差。 尺长改正消除水准尺弯曲,水准仪的检校,水准仪主要轴线： 水准管水准轴 望远镜视准轴 圆水准器水准轴 仪器旋转轴,水准仪的检验,水准仪应满足的主要条件有： 水准管的水准轴应与望
7、远镜的视准轴平行 望远镜的视准轴不因调焦而变动位置 水准仪应满足的次要条件有： 圆水准器的水准轴应与仪器的旋转轴平行 十字丝的横丝应与仪器的旋转轴垂直,圆水准器水准轴与仪器旋转轴平行的检验,先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后将仪器旋转，若气泡仍在居中位置，则表明此项条件已得到满足；若气泡有了偏移，则表明条件没有满足。 气泡偏移弧长代表了仪器旋转轴和水准轴的交角的两倍。,圆水准器水准轴与仪器旋转轴平行的检验,望远镜视准轴应与水准管水准轴平行的检验,望远镜视准轴与水准管水准轴， 在竖直面上的投影是否平行的检验称为i角检验。 在水平面上的投影是否平行的检验称为交叉误差检验。,i角检验原理,在地面选定
8、两个固定点、B，测出、B 间的两次高差hAB和hAB 。设仪器存在i角误差，,i角检验原理,i角检验方法1：,i角检验原理,i角检验方法2：,i角检验原理,水准测量规范规定， 用于一、二等水准测量的仪器i角不得大于15； 用于三、四等水准测量的仪器i角不得大于20，否则应进行校正。,交叉误差的消除,水准测量时仪器旋转轴不严格竖直，两轴在水平面上的投影不平行可能会导致两轴在竖直面上不平行，即交叉误差转变为i角误差,交叉误差的消除,在水准测量中，仪器旋转轴的倾斜方向相对于三脚架大体保持在某一固定的位置，三脚架的某两个脚如果固定在线路的一方，仪器旋转轴的倾斜方向没有变化，各测站交叉误差在水准测量成果
9、中的影响便是系统性的。为了消除这种系统误差，水准测量规范规定：在连续各站上安置水准仪的三脚架时，应使其中两脚与水准线路方向平行，而第三脚轮换置于路线方向的左侧与右侧。,水准尺分划的检验,水准尺每米平均真长的测定 每米长度误差，不得超过0.5mm 水准尺每分米分划误差的测定 分划线位置误差不得超过0.1mm 水准尺红黑面零点差的测定 应为4687或4787mm 一对水准尺黑面零点差 设置偶数测站,外业观测要求,国家三、四等水准测量 一测站上水准仪照准双面水准尺的顺序为： 照准后视标尺黑面，进行视距丝、中丝读数； 照准前视标尺黑面，进行中丝、视距丝读数； 照准前视标尺红面，进行中丝读数； 照准后视
10、标尺红面，进行中丝读数； 即“后前前后”（黑、黑、红、红） 四等水准测量每站观测顺序也可为“后后前前”（黑、红、黑、红）,普通水准(三四等)规范要求,精密(一二等)水准测量,在两相邻测站上，应按奇、偶数测站的观测顺序进行观测： （1）往测：奇数站为后前前后；偶数站为前后后前。 （2）返测：奇数站为前后后前；偶数站为后前前后。 在一测段的水准测量路线上，测站数应为偶数。每一测段的水准路线应进行往测与返测，且应分别在上午和下午观测。,水准观测中的注意事项,（1）观测之前应将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致；观测时应用测伞遮蔽阳光；迁站时应罩以仪器罩。 （2）观测前应测出倾斜螺旋的置平零
11、点，并做标记；随着气温变化，应随时调整置平零点的位置。 （3）除路线拐弯处外，每一测站上仪器和前后视标尺的3个位置，应尽可能接近于一条直线。 （4）同一测站上观测时， 不得重复调焦。转动仪器的倾斜螺旋和测微轮时，其最后旋转方向均应为旋进。 （5）每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，否则应加入标尺零点差改正。由往测转为返测时，2根标尺必须互换位置，并应重新整置仪器。 （6）在观测工作间歇时，最好能结束在固定的水准点上，否则应选择2个坚稳可靠的固定点，作为间歇点。间歇后，应对2个间歇点的高差进行检测，检测结果符合要求后从间歇点起测。,水准数据处理,精密水准数据处理软件包CosaLevel 操作步骤： 新建项目 项目设置 导入(准备)数据 质量检核 平差计算 输出报告,
