水準測量論文剖析

1、水準測量論文111水準測量的誤差來源及控制方法摘要本論文主要闡述了在測量中，水準測量的主要方法和誤差來源及控制方法。高程測量是測量任務中的一部分。其中，水準測量是高程測量中精度最高、用途最廣、一種普遍采用的測量方法。是確定建設(shè)工程地面點高程的方法之一。實施測量過程中，要求測量人員要精心操作、以高度負責認真的態(tài)度來對待測量工作,養(yǎng)成良好的操作習慣。誤差允許范圍內(nèi)的精度由于儀器和人為的影響而不容易控制，而且易出現(xiàn)隱蔽性錯誤，如果不能及早發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)資料是錯誤的，從而水準點高程不正確，直接影響路線縱斷面設(shè)計和施工工作。15目錄摘要1第1章緒論錯誤！未定義書簽。1.1 背景和意義31.2 水準測量主要方

2、法41.3 主要內(nèi)容4第2章水準測量的基本原理和方法42.1 水準測量的基本原理42.2 水準測量方法與水準路線5第3章勘察設(shè)計過程中水準測量的問題及控制方法63.1 水準測量中出現(xiàn)的問題63.2儀器誤差（系統(tǒng)誤差）及控制方法93.2.1視準軸不平行水準管軸產(chǎn)生的誤差及控制方法93.2.2 水準尺誤差及控制方法103.3 觀測誤差（偶然誤差）和控制方法103.3.1 符合水準管氣泡居中誤差及控制方法103.3.2調(diào)焦誤差和視差的影響及控制方法103.3.3 水準尺的傾斜誤差及控制方法113.4外界條件（偶然誤差）影響和控制方法113.4.1 地球球氣差和日照風力引起的誤差及控制方法113.4.

3、2 儀器升降和水準尺下沉的影響13第4章結(jié)論錯誤！未定義書簽。參考文獻15致謝錯誤！未定義書簽。第1章緒論1.1 背景和意義在測量工作中，要確定地面點的空間位置，就必須要確定地面點的高程。確定地面點的高程的測量工作就成為高程測量。高程測量是測量任務中的重要一部分。其中，水準測量在工程建設(shè)應用中發(fā)揮著很重要的作用。幾何水準測量是高程測量中最基本、最精密的一種方法，被廣泛應用于高程控制測量和工程測量中。按精度的高低，幾何水準測量分為國家一、二、三、四等水準測量和等外水準測量（也叫圖根水準測量）。其中，一等水準測量的精度最高，是國家控制網(wǎng)的骨干，也是地殼垂直位移及有關(guān)科學研究的主要依據(jù)；二等水準測量

4、的精度低于一等水準測量，是國家高程控制的基礎(chǔ)；三、四等水準測量的精度一次降低，主要為地形圖和各種工程建設(shè)提供高程控制；等外水準測量的精度低于四等水準測量，主要用于測定圖根點的高程和普通工程建設(shè)施工。水準測量為施工放樣、設(shè)備安裝、變形監(jiān)測及分析與預報領(lǐng)域中提供基礎(chǔ)資料，為工程的順利進行做鋪墊。在這里以三級水準測量為例，我們初次測量時的成果顯示，其高差允許值都超出了規(guī)范要求，不能符合工程建設(shè)需要。最后經(jīng)過認真檢查發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場作業(yè)時沒有按精密水準測量規(guī)范操作，一個水準點段測完后沒有立即進行檢查、復核，為誤差的積累創(chuàng)造了條件。最后我們又從新復測了該段的高程，從儀器到測量人員做了全面的分析，從而發(fā)現(xiàn)了前

5、期誤差來源的主要問題。今天來寫這個題目，就是來探討水準測量在工程建設(shè)應用當中產(chǎn)生的一些問題和解決方法。只要我們在作業(yè)時按照其規(guī)范來要求測量人員，會在很大程度上提高我們的作業(yè)速度、效率和質(zhì)量，把水準測量的誤差限制最小，做到精益求精，以更好地為工程的順利進行服務。1.2水準測量主要方法水準測量在工程應用中的使用方法很多，這里主要論述的是在工程應用種最常用的有中間法（前后視距相等）、搖尺法（讀數(shù)時尺底置于點上，尺的上部在視線方向前后慢慢移動，讀取最小讀數(shù)）和距離補償法（前視距離和等于后視距離總和）來消除在測量當中產(chǎn)生的誤差1.3 主要內(nèi)容這里主要論述水準測量在工程測量中的基本原理，以及在勘察設(shè)計過程

6、中水準測量的問題及控制方法。其分為：1. 儀器誤差（系統(tǒng)誤差）及控制方法；2、觀測誤差（偶然誤差）及控制方法；3、外界條件（偶然誤差）影響和控制方法。第2章水準測量的基本原理和方法2.1 水準測量的基本原理水準測量的基本原理是根據(jù)幾何關(guān)系，利用儀器提供的水平視線觀測立在兩點間上的水準尺以測定兩點間的高差。如圖1所示，在需要測定高差的A、B兩點上分別立上水準尺，在A、B兩點的中點安置可獲得水平視線的儀器（水準儀）,水平視線在A、B兩尺上的截尺數(shù)分別為a、b,設(shè)水準測量的前進方向是由A點向B點，則規(guī)定A點為后視點，其水準讀數(shù)為a，稱為后視讀數(shù)；B點為前視點,其水準讀數(shù)為b稱為前視讀數(shù)。由于AB距離

7、很短，地球曲率影響可忽略不計,則A、B兩點的高差為：前視尺前進方向后視尺HiHe圖1水準測量幾何原理hAB=ab（2-1）于是B點的高程H可按下式計算：bH=Hh（2-2）baab高差h本身可正可負，當a大于b時，h值為正，這種情況是B點高于Aabab點；當a小于b時，h值為負，即B點低于A點。ab為了避免計算高差時發(fā)生正、負號的錯誤，在書寫高差h時必須注意h下ab標的寫法。如，h是表示由A點至B點的高差；而h表示由B點至A點的高差,abba即h=-h（2-3）abba從圖1中還可以看出，B點的高程也可以利用水準儀的視線高程H（也稱為i儀器高程）來計算：H=H+a（2-4）iaH=H+（ab）

8、=H-b（2-5）bai當安置一次水準儀根據(jù)一個已知高程的后視點，需要求若干個未知點的高程時，用上式計算較為方便，此法成為視線高法，它在建筑工程中經(jīng)常應用。2.2 水準測量方法與水準路線當?shù)孛嫔蟽牲c間的距離較長或高差較大時,僅安置一次儀器不能直接測得兩點間的高差,則進行連續(xù)的分段測量,將所得各段高差相加、即可求得兩點間的高差。如某一點的高程通過轉(zhuǎn)1、轉(zhuǎn)2、轉(zhuǎn)3、轉(zhuǎn)n等點傳遞到另一點，這些用來傳遞高程的點,稱為轉(zhuǎn)點。任意轉(zhuǎn)點位置的變動,都會直接影響到某一點的高程,因此,轉(zhuǎn)點位置應選在堅實的地面上,在其上放置尺墊并踩實。水準路線是水準測量進行的路線。根據(jù)測區(qū)的具體情況,可選用不同的水準路線,水準路

9、線分為附合水準路線、閉合水準路線、支水準路線等三種。1）附合水準路線：當測區(qū)附近有高級水準點時,可由一高級水準點開始,沿著待測各高程的水準點1、2、作水準測量,最后附合到另一高級水準點叫附合水準路線。2）閉合水準路線：當測區(qū)附近有一高級水準點時,可從該點出發(fā),沿著待測的水準點進行水準測量,最后仍回到起始點,形成一個閉合的路線。3）支水準路線：從某一水準點出發(fā),進行水準測量到另一個點,即不符合到另一點,也不形成閉合的水準路線。第3章勘察設(shè)計過程中水準測量的問題及控制方法3.1 水準測量中出現(xiàn)的問題水準測量是采用幾何原理，利用水平視線測定兩點間高差。儀器使用DS型3水準儀，工具是3m的雙面木質(zhì)水準

10、標尺和尺墊。渠道工程測量一般使用DS型微3傾式自動安平水準儀，每公里能達到的精度是3mm，水準儀在一個測站使用的基本程序是安置儀器、粗略整平、瞄準水準尺、精確整平和讀數(shù)。我們在實際勘測過程中按這個順序施行，在每一水準點段測完后復核結(jié)果。在一個測區(qū)內(nèi)所有的工程采用同一個高程系統(tǒng)，現(xiàn)在應用三等水準點觀測方法采取往返測量，并且按照雙面水準標尺和中絲測高法并且每站按照“后前前一后”的觀測程序進行觀測讀數(shù)，最終成果整理要求高差閉合差f宀（f宀二三hh容h容+三h）達到平原微丘區(qū)三等水準測量的精度不大于±12L（1/2）。平原微丘地往返區(qū)影響水準測量精度的主要因素是水準路線的長度，長度越長，精度

11、越低。山區(qū)，則是測站，測站越多，精度越低。一個水準點段測完后應立即進行檢核，在每一測站，沒有檢查、復核，為誤差的積累創(chuàng)造了條件，容易返工，耽誤時間、浪費人力。通過工程實踐證明，這一方法經(jīng)常出現(xiàn)錯誤，這里節(jié)選一個測段的三級水準測量的外業(yè)測量結(jié)果所出現(xiàn)的錯誤整理如下：表3.1以下列三級水準測量的外業(yè)測量結(jié)果為例測后下絲前下絲標尺讀數(shù)站編號尺上絲尺上絲方向及尺號兩次讀數(shù)差備注后距前尺第一次讀數(shù)第二次讀數(shù)視距差dE1B43(H=6.196)前13980139800337338后一前7407400-0.10.1高差中數(shù)+7402B45(H=6.309)

12、前13530135300525527后一前3303300-0.20.3高差中數(shù)+3303后12980129800刖12210122100330320后一前77077001.00.7高差中數(shù)+7704后796079600刖15560155600245257后一前7600760001.20.5高差中數(shù)76005后11770117700刖12840128400572571后一前1070107000.10.4高差中數(shù)1070615100150900589588后一前3230323000.10.3高差中數(shù)+3230718290182900506508后

13、一前3780378000.20.5高差中數(shù)37808B48(H=5.52刖13570135700359358后一前67067000.1-0.4高差中數(shù)+6703)表3.2重測三級水準測量的外業(yè)測量結(jié)果測站編號后尺下絲前尺下絲方向及尺號標尺讀數(shù)兩次讀數(shù)差備注上絲上絲后距前尺第一次讀數(shù)第二次讀數(shù)視距差dE1B43(H=6.196)前13980139800337338后一前7607600-0.1-0.1高差中數(shù)+7602B45(H=6.309)前13530135300525527后一前3303300-0.2-0.3高差中數(shù)

14、+3303后12980129800前12210122100330320后一前77077001.00.7高差中數(shù)+7704后789078900前15560155600245257后一前-7670-767001.2-0.5高差中數(shù)-76705后11770117700前12840128400572571后一前-1070-107000.1-0.4高差中數(shù)-1070615100151000589588后一前3240324000.1-0.3高差中數(shù)+3240182901829007506508后一前-3780-37800-0.2-0.5高差中數(shù)-3780

15、3后142401424005前SB489(H=5.0523)135701357001358后一前6706700-0.4高差中數(shù)+670表3.1經(jīng)過成果整理，讀數(shù)差厶h=Z后視-工前視，h大于2mm不滿足規(guī)范要求。但是施工過程中，施工單位和監(jiān)理提出問題要求復測，經(jīng)過表3.2復核補充測量成果證實，外業(yè)測量的結(jié)果符合設(shè)計要求。因此，有必要分析水準測量的誤差，找出控制糾正的方法，避免錯誤的出現(xiàn)，保證項目的順利施工。水準測量誤差來源主要有儀器誤差、觀測誤差和外界條件的影響。研究誤差的主要目的是找出消除或減少誤差的方法，以提高水準測量精度。3.2儀器誤差（系統(tǒng)誤差）及控制方法3.2.1 視準軸不平行水準管

16、軸產(chǎn)生的誤差及控制方法儀器雖在測量前經(jīng)過校正，仍會存在殘余誤差。一方面是制造誤差，即儀器在制造過程中就存在制造缺陷誤差，這項誤差是無法消除的；另一方面是檢驗和校正后的殘余誤差。在這些誤差中，影響最大、表現(xiàn)突出的就是照準軸和水準管軸不平行的誤差，即i角誤差。），此項誤差與儀器至立尺點的距離成正比，在測量中，如果使前、后視距相等，在高差計算中就可以消除該項誤差的影響。除了儀器誤差意外，還有水準標尺零點誤差的影響。該項誤差包括水準尺分劃不準確和零點誤差。由于使用磨損等原因，水準尺的底面與其分劃零點不完全一致，其差稱為零點誤差。標尺零點差的影響對于測站數(shù)位偶數(shù)的水準路線是可以自行抵消的；但對于測站數(shù)位

17、奇數(shù)的水準路線，高差中含有這種誤差的影響。所以，在水準測量中，在一個測段內(nèi)應使測站數(shù)為偶數(shù)。不同精度等級的水準測量隊水準尺有不同的要求，精密水準測量要求使用經(jīng)過檢定的水準尺。3.2.2 水準尺誤差及控制方法主要包含尺長誤差（尺子長度不準確）、刻劃誤差（尺上的分劃不均勻）和零點差（尺的零刻劃位置不準確），對于較精密的水準測量，一般應選用尺長誤差和刻劃誤差小的標尺。對于尺長誤差較大水準尺，使用時應在最后的高差加上水準尺每1m的尺長改正。水準尺的底面與標尺第一個分格的起始線（黑面為零、紅面為4687或4787）應當是一致的。但由于使用磨損等原因，有時不能完全一致，這個差數(shù)是標尺的零點差（包括黑紅面零

18、點差及一對標尺零點差）。標尺零點差的影響對于測站數(shù)為偶數(shù)的水準路線是可以自行抵消的。當測站數(shù)為奇數(shù)時，高差中含有這種誤差的影響。所以，在水準測量中，每測段的測站數(shù)應取偶數(shù)為好，這樣就消除標尺的零點差對高程的影響；或者標尺的零誤差的影響，控制方法可以通過在一個水準測段內(nèi)，兩根水準尺交替輪換使用（在本測站用作后視尺，下測站則用為前視尺），并把測段站數(shù)目布設(shè)成偶數(shù)，即在高差中相互抵消。同時可以減弱刻劃誤差和尺長誤差的影響。3.3 觀測誤差（偶然誤差）和控制方法3.3.1 符合水準管氣泡居中誤差及控制方法水準測量的主要條件是視線必須水平。假設(shè)當水準儀不存在i角誤差的情況下，我們用微傾螺旋使管水準氣泡居

19、中，此時一般認為管水準軸就水平了因而望遠鏡照準軸水平了。其實不然，在觀察到氣泡居中的一瞬間，還不能認為水準軸是水平的。由于符合水準氣泡未能做到嚴格居中，造成望遠鏡視準軸傾斜，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。讀數(shù)誤差的大小與水準管的靈敏度有關(guān)，主要是水準管分劃值T的大小。只要觀測時符合水準管氣泡能夠認真仔細進行居中，且對視線長度加以限制，與中間法一致，此誤差可以消除。3.3.2 調(diào)焦誤差和視差的影響及控制方法在觀測時，若在照準后、前尺時均調(diào)焦，必然使在前、后尺讀數(shù)時i角高度不一致，從而引起讀數(shù)誤差。前后視距相等時可避免在一站中重復調(diào)焦。當存在視差時，尺像不與十字絲平面重合，觀測時眼睛所在的位置不同，讀出的數(shù)也不同

20、，因此，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。所以在每次讀數(shù)前，控制方法就是要仔細進行物鏡對光，消除視差。普通水準測量中水準尺以厘米刻劃，考慮儀器的基本性能，影響估讀精度的因素主要與十字絲的粗細、望遠鏡放大倍率及視線長度等因素有關(guān)。其中視線長度影響較大，有關(guān)規(guī)范對不同等級水準測量時的視線均作了規(guī)定，作業(yè)時應認真執(zhí)行。3.3.3 水準尺的傾斜誤差及控制方法水準尺如果是向視線的左右傾斜，觀測時通過望遠鏡十字絲很容易察覺而糾正。但是，如果水準尺的傾斜方向與視線方向一致，則不易察覺。尺子傾斜總是使尺上讀數(shù)增大。它對讀數(shù)的影響與尺的傾斜角和尺上讀數(shù)的大?。匆暰€距地面的高度）有關(guān)。尺的傾斜角越大，對讀數(shù)的影響就越大；尺上讀數(shù)越

21、大，對讀數(shù)的影響就越大。如圖2所示。當水準尺的傾斜角為丫時，其尺上讀數(shù)為a】，則由圖2可知3-5)3-6)圖2水準尺傾斜對讀數(shù)影響當尺子傾斜2°時，會造成大約1毫米的誤差。為了減少標尺豎立不值產(chǎn)生的度數(shù)誤差，可使用裝有圓水準器的水準標尺，并注意在測量中要認真扶尺。3.4 外界條件（偶然誤差）影響和控制方法3.4.1 地球球氣差和日照風力引起的誤差及控制方法aaB大地水準面bbHaHb圖3地球曲率及大氣折光的影響如上圖3所示，A、B為地面上兩點，大地水準面是一個曲面，如果水準儀的視線a，b平行于大地水準面，則A、B兩點的正確高差為：h|二a，b(37)ab但是，水平視線在水準尺上的讀數(shù)

22、分別為a、b。a，、a之差與b，、b之差，就是地球曲率對讀數(shù)的影響，用c表示。即：C=D2/2R(38)式中D水準儀到水準尺的距離(km)；R地球的平均半徑，R=6371km。由于大氣折光的影響，視線是一條曲線，在水準尺上的讀數(shù)分別為a、b；a、a之差與b、b之差，就是大氣折光對讀數(shù)的影響，用r表示。在穩(wěn)定的氣象條件下，r約為c的1/7，即r=1/7(C)=0.07(D2/2R)(39)地球曲率和大氣折光的共同影響為：f=cr=0.43(D2/2R)(310)由于地球曲率的緣故，在同一水準面上的兩個點其高差并不為零。由此產(chǎn)生用水平面代替水準面對高程的影響，可以用公式C=D2/(2R)表示，地球

23、半徑R=6371Km，當D=1Km時，C=8cm；顯然，以水平面代替水準面時高程所產(chǎn)生的誤差要遠大于測量高程的誤差。所以，對于高程而言，即使距離很短，也不能將水準面當作水平面，一定要考慮地球曲率對高程的影響。實測中采用中間法可自動消除曲率對前后視讀數(shù)的影響。大氣折光使視線成為一條曲率約為地球半徑7倍的曲線，使讀數(shù)減小，可以用公式Ah=D2/(2x7R)表示，視線離地面越近，折射越大，因此，視線距離地面的高度不應小于0.3m,并且其影響也可用中間法消除或減弱。此外，應選擇有利的時間，一日之中，上午10時至下午4時這段時間大氣比較穩(wěn)定，便于消除大氣折光的影響，但在中午前后觀測時，尺像會有跳動，影響

24、讀數(shù)，應避開這段時間，陰天、有微風的天氣可全天觀測。日照及風力引起的誤差影響是綜合的，比較復雜。如果光照會造成儀器各部分受熱不均使軸線關(guān)系發(fā)生改變、風大時會使儀器抖動、不易精平等會引起誤差。處選擇好的天氣測量外，給儀器打傘遮光等都是消除和減弱其影響的好辦法。3.4.2 儀器升降和水準尺下沉的影響在觀測中，由于儀器的自重、測站上土質(zhì)松軟等原因，使儀器隨時間逐漸下沉；或由于土壤的彈性會使儀器上升，它將使尺上讀數(shù)減小或增大。為減小下沉的影響，儀器應安置在土質(zhì)堅實的地方，腳架要踏實。在測站采用往返觀測法，提高觀測速度，可消除其影響。水準尺下沉的誤差是指儀器在搬遷過程中，轉(zhuǎn)點發(fā)生下沉，使遷站后的后視讀數(shù)

25、增大，算得的高差也增大。如果采取往返測，往測高差增大，返測高差減小，所以取往返高差的平均值，可以減弱水準尺下沉的影響。最有效的方法是應用尺墊，在轉(zhuǎn)點的地方必須放置尺墊，并將其踩實，以防止水準尺在觀測過程中下沉。3.5 水準測量時應注意的事項由于誤差是不可避免的，因此無法完全消除誤差的影響，但可以采取一定的措施減小誤差的影響，提高測量結(jié)果的精度。同時，應避免測量人員疏忽大意造成的錯誤。水準測量時測量人員應認真執(zhí)行水準測量規(guī)范，并注意以下事項：(1)放置儀器時，盡量使前后視距相等。(2) 讀數(shù)時符合水準管氣泡必須嚴格居中。（3）前后實現(xiàn)長度一般不超過100米，視線離地面高度一般應大于0.3米，使三

26、絲都能度數(shù)。（4）讀數(shù)時，水準尺要豎直。（5）未完成本站觀測，立尺員不能將后視點上的尺墊碰動或拔起，在下一站觀測完成前應保持不動。（6）用塔尺進行水準測量時，應注意接頭處連接是否正確，避免自動下滑而未被發(fā)現(xiàn)。（7）記錄員應大聲回報觀測者報出的數(shù)據(jù)，避免聽錯、記錯，或記錯前、后視讀數(shù)位置。（8）避免誤把十字絲的上、下視距當成十字絲橫絲在水準尺上讀數(shù)。（9）在陽光強烈的情況下觀測，必須撐傘。第4章結(jié)論根據(jù)誤差來源分析表3.2,應用偶然中誤差M=±（4/4nR）（“2）計算合格,附合路線閉合差公式計算同樣合格。那么,這個比較隱蔽的錯誤主要來源是立尺方向出現(xiàn)傾斜和轉(zhuǎn)點位置下沉或移動,中間法距離控制不好。解決的方法是首先改變水準測量的模式,基平與中平分開。其次在每一個測站