專題水準(zhǔn)測(cè)量

1、專題水準(zhǔn)測(cè)量2.1 普通高程測(cè)量絕對(duì)高程或海拔:地面點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的鉛垂距離假定高程或相對(duì)高程:從某點(diǎn)到假定水準(zhǔn)面的垂直距離高差:兩點(diǎn)間的高程差 h=H2-H1。一、概述 高程測(cè)量:測(cè)量地面上各點(diǎn)高程的工作 水準(zhǔn)測(cè)量 三角高程測(cè)量 氣壓高程測(cè)量 GPS衛(wèi)星測(cè)高水準(zhǔn)測(cè)量：確定地面點(diǎn)的高程1985年國家高程基準(zhǔn)：由黃海平均海水面高程零點(diǎn)和青島高程水準(zhǔn)原點(diǎn)所確定的高程體系。國家水準(zhǔn)原點(diǎn)(Leveling Origin) 二、水準(zhǔn)測(cè)量根本原理一個(gè)測(cè)站測(cè)量并計(jì)算高差：hAB=a-b = HB - HA 那么 HB=HA+ hAB 注：亦可求出視線高：Hi=HA+a ，那么 HB=Hi-b后視尺前視尺水平

2、視線：HA hAB= a-b = 0.461m 那么：HB=HA+ hAB 后視尺前視尺水平視線一個(gè)測(cè)段h1=a1-b1 h2=a2-b2 hn=an-bn hAB=h1+h2+hn=h 可用下式進(jìn)展高差計(jì)算正確性的檢核： hAB=(a1-b1)+(a2-b2)+ +(an-bn)= a-b 如果A為高程點(diǎn)，其高程為HA ，那么B點(diǎn)高程為： HB=HA +hAB=HA +a-b水平視線水準(zhǔn)曲面對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響 當(dāng)儀器中心到兩尺之間的距離相等時(shí)，水準(zhǔn)面曲率對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響被抵消。因此： 在水準(zhǔn)測(cè)量中應(yīng)使儀器與前后尺之間的距離盡可能相等 水準(zhǔn)路線布設(shè)形式A、閉合水準(zhǔn)路線B、附合水準(zhǔn)路線C、支水準(zhǔn)路

3、線閉合水準(zhǔn)路線附合水準(zhǔn)路線支水準(zhǔn)路線外業(yè)計(jì)算1、 水準(zhǔn)路線閉合差的計(jì)算閉合差：觀測(cè)所得水準(zhǔn)路線的高差值與理論值的差值，即水準(zhǔn)路線的閉合差。A、閉合水準(zhǔn)路線閉合差的計(jì)算B、附合水準(zhǔn)路線閉合差的計(jì)算C、支水準(zhǔn)路線閉合差的計(jì)算A、閉合水準(zhǔn)路線閉合差的計(jì)算A、閉合水準(zhǔn)路線閉合差的計(jì)算理論：閉合水準(zhǔn)路線高差的代數(shù)和在理論上應(yīng)等于零，即h測(cè)=0實(shí)際上不等于零，該不為零的數(shù)值稱為高差閉合差fh，即fh =h1+h2+h3+h4= h測(cè)B、附合水準(zhǔn)路線閉合差的計(jì)算附合水準(zhǔn)路線的高差總和應(yīng)等于兩端點(diǎn)高級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)高程H和H之差，那么閉合差為：fhh測(cè)-(H終始C、支水準(zhǔn)路線閉合差的計(jì)算一般采用往、返測(cè)，其往、返測(cè)高

4、差總和的絕對(duì)值應(yīng)相等而符號(hào)相反，故其代數(shù)和即閉合差為：fh=h往h返2、水準(zhǔn)路線閉合差限差的計(jì)算將計(jì)算的閉合差fh與限差fh限比較，假設(shè)小于限差那么進(jìn)展分配，否那么應(yīng)檢查錯(cuò)誤或重測(cè)限差：與水準(zhǔn)網(wǎng)網(wǎng)等級(jí)、水準(zhǔn)路線長度或測(cè)站數(shù)有關(guān)如對(duì)于等外水準(zhǔn)測(cè)量平地：山地：內(nèi)業(yè)計(jì)算1、水準(zhǔn)路線閉合差的檢核2、水準(zhǔn)路線閉合差的分配當(dāng)實(shí)測(cè)高差閉合差小于規(guī)程規(guī)定的限差時(shí)，應(yīng)對(duì)閉合差進(jìn)展合理的分配。按測(cè)站數(shù)成比例反號(hào)分配到各測(cè)段hi= hi + vi按路線長度成比例反號(hào)分配hi= hi + vi3 各點(diǎn)高差計(jì)算待定高程點(diǎn)i的近似高程概約高程為： Hi= HA + Hj ,j=1,2,3,i，i=1,2,3,n三、水準(zhǔn)測(cè)

5、量?jī)x器和工具 水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺和尺墊1 水準(zhǔn)尺和尺墊常用雙面尺：一面黑白相間刻劃：黑面尺或主尺， 另一面紅白相間刻劃：紅面尺或副尺。 兩根尺黑面的起始讀數(shù)為零尺墊：在轉(zhuǎn)點(diǎn)處放置水準(zhǔn)尺2 水準(zhǔn)儀DS：level 水準(zhǔn)儀是能夠提供水平視線的儀器，主要由基座、照準(zhǔn)部包括望遠(yuǎn)鏡、水準(zhǔn)器構(gòu)成。望遠(yuǎn)鏡：瞄準(zhǔn)目標(biāo)并在水準(zhǔn)尺上讀數(shù)。 十字絲中心(或稱十字絲交點(diǎn))和物鏡光心的連線，稱為視準(zhǔn)軸 水準(zhǔn)器：圓水準(zhǔn)器，管水準(zhǔn)器四、水準(zhǔn)測(cè)量的方法一水準(zhǔn)儀的操作步驟 儀器安置 粗略整平 瞄準(zhǔn) 準(zhǔn)確整平 讀數(shù)1 安置水準(zhǔn)儀 翻開三腳架并使其高度適中，目估使架頭大致水平，然后將三腳架尖踩入土中，將水準(zhǔn)儀用中心螺旋固定于三腳架頭上

6、2 粗略整平(粗平) 用腳螺旋將圓水準(zhǔn)器的氣泡調(diào)整居中。左手拇指規(guī)那么：“左手拇指旋轉(zhuǎn)腳螺旋的運(yùn)動(dòng)方向，就是氣泡移動(dòng)的方向3 瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺 目鏡對(duì)光 瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺，擰緊制動(dòng)螺旋 準(zhǔn)確瞄準(zhǔn) 消除視差4 準(zhǔn)確整平(精平) 調(diào)整微傾螺旋，使氣泡兩端的影像符合5 讀數(shù) 利用中絲在尺上讀數(shù)，估讀至毫米二兩點(diǎn)間高差確實(shí)定 水準(zhǔn)測(cè)量通常是從一個(gè)高程的水準(zhǔn)點(diǎn)開場(chǎng)，按照一定的水準(zhǔn)路線，引測(cè)出所需各點(diǎn)的高程。 兩點(diǎn)距離較近時(shí)，設(shè)站一次進(jìn)展測(cè)量后視尺前視尺水平視線 兩點(diǎn)相距較遠(yuǎn)或高差較大時(shí)，在中間設(shè)立假設(shè)干轉(zhuǎn)點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)間的高差是各高差之和 h1=a1-b1 h2=a2-b2 hn=an-bn hAB=h1+h2+h

7、n=h 可用下式進(jìn)展高差計(jì)算正確性的檢核： hAB=(a1-b1)+(a2-b2)+ +(an-bn)= a-b 如果A為高程點(diǎn)，其高程為HA ，那么B點(diǎn)高程為：HB=HA+hAB=HA+a-b兩次儀器高法： 立尺，尺中間安置水準(zhǔn)儀，粗平 照準(zhǔn)后視尺，精平，讀數(shù) 照準(zhǔn)前視尺，粗平，讀數(shù) 計(jì)算高差 變動(dòng)儀器高升或降大于10cm再觀測(cè) 高差互差不大于5mm時(shí)，取平均值雙面尺法黑面、紅面： 用雙面尺，每尺均讀黑、紅面讀數(shù) 立尺，尺中間安置水準(zhǔn)儀，粗平 瞄準(zhǔn)后視尺黑面，精平，讀數(shù) 瞄準(zhǔn)前視尺黑面，精平，讀數(shù) 瞄準(zhǔn)前視尺紅面，精平，讀數(shù) 瞄準(zhǔn)后視尺紅面，精平，讀數(shù)黑面：以零開場(chǎng)刻劃紅面：一尺從4687開

8、場(chǎng)刻劃，另一尺從4787開場(chǎng)紅黑面計(jì)算高差理論上相差水準(zhǔn)測(cè)量采集數(shù)據(jù)的記錄、計(jì)算與檢核測(cè)站后下前下方向及尺號(hào)標(biāo)尺讀數(shù)K+黑-紅高差中數(shù)后上前上后距前距黑面紅面視距差d121112186后1924661117371811前19986786后-前五、水準(zhǔn)儀的檢驗(yàn)與校正 圓水準(zhǔn)器軸應(yīng)平行于儀器的垂直軸LL/VV 水準(zhǔn)管軸應(yīng)平行于望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸LL/VV 望遠(yuǎn)鏡十字絲橫絲應(yīng)垂直于儀器的垂直軸圓水準(zhǔn)器軸平行于儀器的垂直軸的檢驗(yàn)校正 檢驗(yàn)方法：旋轉(zhuǎn)腳螺旋使圓水準(zhǔn)氣泡居中，之后將儀器水平旋轉(zhuǎn)180，氣泡仍居中那么正常，否那么需要校正。水準(zhǔn)管軸平行于望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸的檢驗(yàn)校正i角誤差 檢驗(yàn)方法：旋轉(zhuǎn)腳螺旋使圓水

9、準(zhǔn)氣泡居中，之后將儀器水平旋轉(zhuǎn)180，氣泡仍居中那么正常，否那么需要校正。望遠(yuǎn)鏡十字絲橫絲垂直于儀器垂直軸的檢驗(yàn) 檢驗(yàn)方法：瞄準(zhǔn)一固定點(diǎn)，轉(zhuǎn)微動(dòng)螺旋使儀器水平旋轉(zhuǎn)，假設(shè)點(diǎn)始終沿橫絲移動(dòng)，那么水平；否那么需校正。五、水準(zhǔn)尺的檢驗(yàn)與校正水準(zhǔn)尺分劃面彎曲差矢距的測(cè)定 對(duì)普通水準(zhǔn)尺，應(yīng)有：f8mm否那么，應(yīng)進(jìn)展改正： l=(8f2)/3l其中l(wèi)為水準(zhǔn)尺尺長水準(zhǔn)尺分劃正確性檢驗(yàn) 每米分劃間隔正確性檢驗(yàn) 水準(zhǔn)尺紅面與黑面零點(diǎn)差尺常數(shù)K的測(cè)定 一對(duì)水準(zhǔn)尺黑面零點(diǎn)差的測(cè)定六、水準(zhǔn)測(cè)量誤差的來源及其減弱措施儀器誤差：i角誤差觀測(cè)誤差 精平誤差 調(diào)焦誤差 估讀誤差 水準(zhǔn)尺傾斜誤差外界環(huán)境影響 水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺下沉

10、大氣折光與地球曲率影響 日照及風(fēng)力引起的誤差七、幾種新型水準(zhǔn)儀1 自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀2 激光水準(zhǔn)儀3 數(shù)字水準(zhǔn)儀實(shí)驗(yàn)一：水準(zhǔn)儀的使用與高差測(cè)定實(shí)驗(yàn)二：普通水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)三：水準(zhǔn)儀檢校一、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三、方法與過程四、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果作業(yè)：1 高差計(jì)算單站：HA計(jì)算： HB2 高差計(jì)算設(shè)轉(zhuǎn)點(diǎn)HA觀測(cè)時(shí)在A、B點(diǎn)之間設(shè)了兩個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)，讀數(shù)分別如下a1 = 1.348m, b1 = 1.627m;a2 = 1.082m, b2 = 2.631m;a3 = 0.947m, b3 = 1.465m;計(jì)算： HB三角高程測(cè)量一、三角高程測(cè)量原理hAB = D tg + i v +fABHB=HA+D tg

11、 + i v +fAB直覘hAB = D tgAB + IA vB +fAB反覘hBA = D tgBA + IB vA +fAB互差小于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)取平均值作為最終結(jié)果 HB=HA+二、誤差來源與減弱措施hAB = D tg + i v +fAB 邊長誤差 垂直角誤差：減小大氣折光陰天或中午，減小邊長，用短邊傳播 大氣折光影響：取直、反覘高差平均值消除之 儀、標(biāo)高誤差三、布設(shè)形式與施測(cè)要求 三角高程網(wǎng)：確定各平面控制點(diǎn)的高程 三角高程路線 獨(dú)立交會(huì)點(diǎn)施測(cè)要求i鋼尺獨(dú)立量取兩次，讀至5mm,較差不大于1cmD從平面控制成果中獲得直接觀測(cè)得到垂直角一般與水平角同時(shí)觀測(cè)，一般進(jìn)展直、反覘對(duì)向觀測(cè)四、

12、高差計(jì)算1 高程計(jì)算直反覘均值2 高差閉合差計(jì)算與分配與水準(zhǔn)測(cè)量一樣閉合路線： wh=h測(cè)附合路線： wh h測(cè)-(H終始3 各點(diǎn)高差計(jì)算重點(diǎn)：三角高程測(cè)量的原理計(jì)算方法高程系統(tǒng)(Elevation System)由高程基準(zhǔn)面起算的地面點(diǎn)的高度稱為高程。高程基準(zhǔn)分為全球統(tǒng)一高程基準(zhǔn)和局部高程基準(zhǔn)兩類。 注：一般地，一個(gè)國家只采用一個(gè)平均海水面作為統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)面局部高程基準(zhǔn)，由此高程基準(zhǔn)面建立的高程系統(tǒng)稱為國家高程系，否那么稱為地方高程系。采用不同的基準(zhǔn)面表示地面點(diǎn)的上下產(chǎn)生不同的高程表示法或者對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)采取不同的處理方法產(chǎn)生幾種高程系統(tǒng)：主要有正高、正常高、力高和大地高程等系統(tǒng)。注：高程

13、基準(zhǔn)面根本上有三種：一是大地水準(zhǔn)面，它是正高的基準(zhǔn)面；二是橢球面，它是大地高程的基準(zhǔn)面。此外，為了抑制正高不能準(zhǔn)確計(jì)算的困難還采用正常高，以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面，它非常接近大地水準(zhǔn)面。水準(zhǔn)面的定義和性質(zhì)回憶 重力的方向和大小由重力位唯一確定，它可表示成重力位的梯度:當(dāng)S方向取鉛垂線方向時(shí)： 顯然，由于水準(zhǔn)面上各點(diǎn)的重力不同，所以水準(zhǔn)面是不平行的，即：兩個(gè)等位面的間距是不同的； 同一水準(zhǔn)面上重力位能一樣，同樣由于水準(zhǔn)面上各點(diǎn)的重力不同，導(dǎo)致同一水準(zhǔn)面上各點(diǎn)處高程不同。AB高程系統(tǒng)(Elevation System)高程系統(tǒng)(Elevation System)不同高程路線得到不同的高差閉合高程路線

14、的理論閉合差A(yù)B高程系統(tǒng) 正高Orthometric Height高程系統(tǒng) 沿地面點(diǎn)B 的垂線方向到大地水準(zhǔn)面的距離Hg，稱為B點(diǎn)的正高如圖,這樣定義的高程系統(tǒng)稱為正高系統(tǒng)，其計(jì)算公式為： 式中dh為沿水準(zhǔn)路線測(cè)得的高差；g為沿水準(zhǔn)路線的重力值,由重力測(cè)量求得；gm為沿地面點(diǎn)B的垂線至大地水準(zhǔn)面之間的平均重力值。要推算這種平均重力值，必須知道地面和大地水準(zhǔn)面之間巖層的密度分布，這是不能用簡(jiǎn)單方法來推求的。所以過去都是采用近似的數(shù)據(jù)，只能求得正高的近似值近似正高。高程系統(tǒng) 近似正高Orthometric Height高程系統(tǒng) 正高高程的準(zhǔn)確值不能求得，通常采用近似正高。沿地面點(diǎn)B 的垂線方向到平

15、均橢球面的距離，稱為B點(diǎn)的近似正高如圖,這樣定義的高程系統(tǒng)稱為近似正高系統(tǒng)，其計(jì)算公式為： 式中dh為沿水準(zhǔn)路線測(cè)得的高差；r0為平均橢球面上的正常重力值。h AB近=h AB測(cè)+V不平行高程系統(tǒng) 正常高高程系統(tǒng) Normal Height 1945年蘇聯(lián)的M.C.莫洛堅(jiān)斯基提出了正常高的概念，即將正高式中的分母gm改用平均正常重力值 來代替，也就是正常高為： 式中 是可以準(zhǔn)確計(jì)算的,因此正常高也可以準(zhǔn)確地計(jì)算出來。由各地面點(diǎn)沿正常重力線向下截取各點(diǎn)的正常高，所得到的點(diǎn)構(gòu)成的曲面,稱為似大地水準(zhǔn)面,它是正常高的基準(zhǔn)面。 h AB常=h AB近+V重力異常 似大地水準(zhǔn)面很接近于大地水準(zhǔn)面，在海洋

16、上兩者是重合的，在平原地區(qū)兩者相差不過幾厘米，在高山地區(qū)兩者最多相差2米。似大地水準(zhǔn)面不是等位面，沒有明確的物理意義。它是由各地面點(diǎn)按公式計(jì)算的正常高來定義的，這是正常高系統(tǒng)的缺陷,但其優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確計(jì)算,不必引入人為的假定。 中國?大地測(cè)量法?規(guī)定采用正常高系統(tǒng)。起算依據(jù)是國家高程基準(zhǔn)，傳算途徑是全國四等以上各級(jí)高程控制網(wǎng)。 高程系統(tǒng) 大地高高程系統(tǒng)(Geodetic Height，Ellipsoidal Height )地面點(diǎn)在三維大地坐標(biāo)系中的幾何位置，是以大地經(jīng)度、大地緯度和大地高程表示的。大地高程以橢球面為基準(zhǔn)面，是由地面點(diǎn)沿其法線到橢球面的距離,如圖中的H。 大地高程可直接由衛(wèi)星大

17、地測(cè)量方法測(cè)定，也可由幾何和物理大地測(cè)量相結(jié)合來測(cè)定。采用前一種方法時(shí)，直接由衛(wèi)星定位技術(shù)測(cè)定地面點(diǎn)在一全球地心坐標(biāo)系中的大地高程；采用后一種方法時(shí)，大地高程分為兩段來測(cè)定，其中由地面點(diǎn)至大地水準(zhǔn)面或似大地水準(zhǔn)面的一段由水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果加上重力改正而得，由大地水準(zhǔn)面或似大地水準(zhǔn)面至橢球面的一段由物理大地測(cè)量方法求得。 當(dāng)以大地水準(zhǔn)面為過渡面時(shí)，那么： H =H g + N,式中N為大地水準(zhǔn)面至橢球面的差距,稱為大地水準(zhǔn)面起伏。 如以似大地水準(zhǔn)面為過渡面，那么： H =H r + ,式中為似大地水準(zhǔn)面至橢球面的距離，稱為高程異常。由于正高Hg是由地面點(diǎn)沿垂線至大地水準(zhǔn)面的距離, 而正常高H r是由地

18、面點(diǎn)沿正常重力線至似大地水準(zhǔn)面的距離，所以由上述兩種方法計(jì)算得出的大地高程有差異，差數(shù)約為十分之幾毫米。高程系統(tǒng)地球位數(shù)Geopotential Number 地面點(diǎn)的上下也可以用地球位數(shù)表示。它定義為大地水準(zhǔn)面的位W0與通過地面點(diǎn)的水準(zhǔn)面的位W之差，即：W= w - w0由此可見，地球位數(shù)也是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面，但它不是以米制表示的高程，而是位差。同一水準(zhǔn)面上所有各點(diǎn)的地球位數(shù)一樣。地球位數(shù)之差，可由每一水準(zhǔn)測(cè)量線段觀測(cè)的高差乘以該線段適當(dāng)?shù)钠骄亓τ^測(cè)值而得。假設(shè)重力值以千伽為單位，觀測(cè)高差以米為單位，因?yàn)榈孛嬷亓χ到频扔谇з?，于是，以地球位?shù)表示的兩地面點(diǎn)間的位差比以米表示的高差約小

19、2%。用地球位數(shù)表示的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果，換算為正高、正常高或力高系統(tǒng)時(shí)都比較方便，這是地球位數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。所以有些國家同時(shí)采用地球位數(shù)、正高和力高計(jì)算一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)，歐洲統(tǒng)一水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)甚至采用位于阿姆斯特丹的一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的地球位數(shù)作為高程起算基準(zhǔn)。 高程系統(tǒng)(據(jù)計(jì)算，在緯度差為12，高差相差的近2500 m的同一條測(cè)線上，現(xiàn)行的高程與力高高程相差7 m之多，這樣大的偏差是不能忽略的。) 動(dòng)力高Dynamic Height高程系統(tǒng) 由于同一水準(zhǔn)面上的各點(diǎn)在正高或正常高系統(tǒng)中的高程值不同，因而對(duì)于大規(guī)模的水利工程來說，使用很不方便。為了使同一水準(zhǔn)面上各點(diǎn)有一樣的高程值，可以采用力高系統(tǒng)。力高即某點(diǎn)的地球位數(shù)與大地緯度為45 處或測(cè)量區(qū)域平均大地緯度處的正常重力值之比值。力高按下式計(jì)算： ，式中分母是適中選擇的某一緯度處例如采用45或某一地區(qū)的平均緯度的正常重力值。地面點(diǎn)的力高定義為通過該點(diǎn)的水準(zhǔn)面上在特定緯度處的正高，即一個(gè)水準(zhǔn)面上各點(diǎn)的力高都等于該面上特定緯度處的正高。注：力高一般不作為國家的高程系統(tǒng)，只用于解決局部地區(qū)有關(guān)水利建立的問題。高程系統(tǒng)注意：以上 4種高程系統(tǒng)和地球位數(shù)都需要知道水準(zhǔn)點(diǎn)上的重力值g。因此