水准测量作业指导书1.doc

中铁三局广州分公司水准测量作业指导书

中铁三局广州分公司
工程管理部水准测量作业指导书

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批准日期：2011年09月 发布日期：2011年09月
中铁三局集团有限公司广州分公司

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目 录
一、水准测量原理 1
二、水准测量外业工作 1
（一）、水准点及水准测量路线形式 1
（二）、水准测量的实施 1
（三）、水准等级: 5
（四）、水准测量的检核 5
三、水准测量的内业 7
（一）、附合水准路线闭合差的计算和调整及成果计算 7
（二）、闭合水准路线闭合差的计算与调整 7
（三）、水准测量的精度 8
四、水准测量的误差 9
（一）、仪器误差 9
（二）、观测误差 10
五、外界条件的影响 10
六、水准测量时应注意的事项 11

一、水准测量原理
水准测量是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。由于不同高程的水准面不平行，沿不同路线测得的两点间高差将有差异，所以在整理国家水准测量成果时，须按所采用的正常高系统加以必要的改正，以求得正确的高程。
二、水准测量外业工作
（一）、水准点及水准测量路线形式
为了统一全国的高程系统和满足各种测量的需要，测绘部门在全国各地埋设并测定了很多高程点，这些点称为水准点(Bench Mark)，简记为BM。水准测量通常是从水准点引测其它点的高程。水准点有永久性和临时性两种。国家等级水准点一般用石料或钢筋混凝土制成，深埋到地面冻结线以下。在标石的顶面设有用不锈钢或其它不易锈蚀材料制成的半球状标志。有些水准点也可设置在稳定的墙脚上，称为墙上水准点。
　建筑工地上的永久性水准点一般用混凝土或钢筋混凝土制成，临时性的水准点可用地面上突出的坚硬岩石或用大木桩打入地下，校顶钉以半球形铁钉。
　埋设水准点后，应绘出水准点与附近固定建筑物或其它地物的关系图，在图上还要写明水准点的编号和高程，称为点之记，以便于日后寻找水准点位置之用。水准点编号前通常加BM字样，作为水准点的代号。
水准测量路线形式主要有：闭合水准路线、附合水准路线和支水准路线。
（1）、闭合水准路线
从某一已知水准点BMI开始，沿各高程待定的水准点1、2、3、4进行水准测量，最后仍回到原水准点BMI，称为闭合水准路线。
（2）、附合水准路线
从某一已知水准点BMI出发，沿各高程待定的水准点1、2、3进行水准测量，最后附合到另一个已知高程的水准点BMII上，称为附合水准路线。
（3）、支水准路线
从某一已知水准点BMI出发，沿各高程待定的水准点1、2进行水准测量，其路线既不闭合又不附合，称为支水准路线。
（二）、水准测量的实施
1、当欲测的高程点距水准点较远或高差很大时，就需要连续多次安置仪器采用以测出两点的高差，一般采用后-前-前-后的方法进行测量，进行二等水准测量时，。为测A、B点高差，在AB线路上增加1、2、3、4、……等中间点，将AB高差分成若干个水准测站。其中间点仅起传递高程的作用，称为转点（Turning Point），简写为TP。转点无固定标志，无需算出高程。显然，每安置一次仪器，便可测得一个高差。如图所示：

2、水准测量的一般规定
（1）观测前30分钟，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）仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等，其差应小于规定的限值：二等水准测量中规定，一测站前、后视距差应小于1.0m，前、后视距累积差应小于3m。这样，可以消除或削弱与距离有关的各种误差对观测高差的影响，如角误差和垂直折光等影响。
（3）对气泡式水准仪，观测前应测出倾斜螺旋的置平零点，并作标记，随着气温变化，应随时调整置平零点的位置。对于自动安平水准仪的圆水准器，须严格置平。
（4）同一测站上观测时，不得两次调焦；转动仪器的倾斜螺旋和测微螺旋，其最后旋转方向均应为旋进，以避免倾斜螺旋和测微器隙动差对观测成果的影响。
（5）在两相邻测站上，应按奇、偶数测站的观测程序进行观测，对于往测奇数测站按“后前前后”、偶数测站按“前后后前”的观测程序在相邻测站上交替进行。返测时，奇数测站与偶数测站的观测程序与往测时相反，即奇数测站由前视开始，偶数测站由后视开始。这样的观测程序可以消除或减弱与时间成比例均匀变化的误差对观测高差的影响，如角的变化和仪器的垂直位移等影响。
（6）在连续各测站上安置水准仪时，应使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，而第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。
（7）每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准标尺应互换位置，并应重新整置仪器。在水准路线上每一测段仪器测站安排成偶数，可以削减两水准标尺零点不等差等误差对观测高差的影响。
（8）每一测段的水准测量路线应进行往测和返测，这样，可以消除或减弱性质相同、正负号也相同的误差影响，如水准标尺垂直位移的误差影响。
（9）一个测段的水准测量路线的往测和返测应在不同的气象条件下进行，如分别在上午和下午观测。
（10)使用补偿式自动安平水准仪观测的操作程序与水准器水准仪相同。观测前对圆水准器应严格检验与校正，观测时应严格使圆水准器气泡居中。
（11）水准测量的观测工作间歇时，最好能结束在固定的水准点上，否则，应选择两个坚稳可靠、光滑突出、便于放置水准标尺的固定点，作为间歇点加以标记，间歇后，应对两个间歇点的高差进行检测，检测结果如符合限差要求（对于二等水准测量，规定检测间歇点高差之差应≤1.Omm），就可以从间歇点起测。若仅能选定一个固定点作为间歇点，则在间歇后应仔细检视，确认没有发生任何位移，方可由间歇点起测。
3、水准测量的观测方法
测站观测程序
往测时，奇数测站照准水准标尺分划的顺序为
后视标尺的基本分划；
前视标尺的基本分划；
前视标尺的辅助分划；
后视标尺的辅助分划；
往测时，偶数测站照准水准标尺分划的顺序为
前视标尺的基本分划；
后视标尺的基本分划；
后视标尺的辅助分划；
前视标尺的辅助分划。
返测时，奇、偶数测站照准标尺的顺序分别与往测偶、奇数测站相同。
按光学测微法进行观测，以往测奇数测站为例，一测站的操作程序如下：
（1）置平仪器。气泡式水准仪望远镜绕垂直轴旋转时，水准气泡两端影像的分离，不得超过lcm，对于自动安平水准仪，要求圆气泡位于指标圆环中央。
（2）将望远镜照准后视水准标尺，使符合水准气泡两端影像近于符合（双摆位自动安平水准仪应置于第Ⅰ摆位）。随后用上、下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数（如表5-2中的（1）和（2））。视距读取4位，第四位数由测微器直接读得。然后，使符合水准气泡两端影像精确符合，使用测微螺旋用楔形平分线精确照准标尺的基本分划，并读取标尺基本分划和测微分划的读数（3）。测微分划读数取至测微器最小分划。
（3）旋转望远镜照准前视标尺，并使符合水准气泡两端影像精确符合（双摆位自动安平水准仪仍在第Ⅰ摆位），用楔形平分线照准标尺基本分划，并读取标尺基本分划和测微分划的读数（4）。然后用上、下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数（5）和（6）。
（4）用水平微动螺旋使望远镜照准前视标尺的辅助分划，并使符合气泡两端影像精确符合（双摆位自动安平水准仪置于第Ⅱ摆位），用楔形平分线精确照准并进行标尺辅助分划与测微分划读数（7）。
（5）旋转望远镜，照准后视标尺的辅助分划，并使符合水准气泡两端影像精确符合（双摆位自动安平水准仪仍在第Ⅱ摆位），用楔形平分线精确照准并进行辅助分划与测微分划读数（8）。表5-2中第（1）至（8）栏是读数的记录部分，（9）至（18）栏是计算部分，现以往测奇数测站的观测程序为例，来说明计算内容与计算步骤。
视距部分的计算
（9）=（1）-（2）
（10）=（5）-（6）
（11）=（9）-（10）
（12）=（11）+前站（12）
高差部分的计算与检核
（14）＝（3）+ K -（8）
式中K为基辅差（对于N3水准标尺而言K=3.0155m)
（13）=（4）+ K -（7）
（15）=（3）-（4）
（16）=（8）-（7）
（17）=（14）-（13）=（15）-（16）
检核：（18）=[（15）+（16）]

表1：水准测量观测手簿
测自 至 19 年 月 日
时间 始 时 分 末 时 分 成 像
温度 云量 风向风速
天气 土质 太阳方向
测
站
编
号
后
尺
下丝
前
尺
下丝
方 尺
及
向 号
标尺读数
基+K
减
辅
（一减二）
备考

上丝
上丝
后距
前距
基本分划
（一次）
辅助分划
（二次）
视距差

（1）
（5）
后
（3）
（8）
（14）

（2）
（6）
前
（4）
（7）
（13）
（9）
（10）
后-前
（15）
（16）
（17）
（11）
（12）

—

（18）

后

前

后-前

（三）、水准等级:
水准等级分为六级，一、二、三、四、五、图根（等外）。
1、一等水准网是国家高程控制网的骨干。二等水准网布设于一等水准环内，是国家高程控制网的全面基础。三、四等水准网为国家高程控制网的进一步加密。建立国家高程控制网，采用精密水准测量的方法。
2、城市首级高程等级：二等42%；三等42%；四等16%。
3、各级公路及构造物的水准测量等级应按规范要求选定。
（四）、水准测量的检核
1、计算检核
　B点对A点的高差等于各转点之间高差的代数和，也等于后视读数之和减去前视读数之和，因此，此式可用来作为计算的检核。但计算检核只能检查计算是否正确，不能检核观测和记录时是否产生错误。
2、测站检核
　B点的高程是根据A点的已知高程和转点之间的高差计算出来。若其中测错任何一个高差，B点高程就不会正确。因此，对每一站的高差，都必须采取措施进行检核测量。
　　（1）变动仪器高法：同一测站用两次不同的仪器高度，测得两次高差以相互比较进行检核。
　　（2）双面尺法：仪器高度不变，立在前视点和后视点上的水准尺分别用黑面和红面各进行一次读数，测得两次高差，相互进行检核。
3、成果检核
　　测站检核只能检核一个测站上是否存在错误或误差超限。由于温度、风力、大气折光、尺垫下沉和仪器下沉等到外界条件引起的误差，尺了倾斜和估读的误差，以及水准仪本身的误差等，虽然在一个测站上反映不很明显，但随着测站数的增多使误差积累，有时也会超过规定的限差。
　（1）附合水准路线检核
各段高差的代数和（∑h测）理论值应等于零：
∑h理= HA - HA =0
如果不等于零，便产生闭合差，fh= HA - HA =∑h测，其值不应超高容允许值：
∣fh ∣≤∣ fh容∣
　（2）闭合水准路线检核
各段的高差代数和理论值应等于两端已知水准点间的高差：
∑h理= HA -HB =∑h测
如果不相等，两者之差称为高程闭合差，fh=∑h测-∑h理，其值不应超高容许值：
∣fh ∣≤∣ fh容∣。
　（3）支水准路线检核
往返高差的代数和理论值应为零（往测高差总和与返测高差总和绝对值应相等而符号相反）：
∑h往+∑h返=0
如果不等于零，便产生闭合差，fh=∑h往+∑h返，其值不应超高容许值：
∣fh ∣≤∣ fh容∣。
水准测量容许值符合表3水准测量的限差要求的规定
三、水准测量的内业
　　水准测量外业式作结束后，要检查手簿，再计算各点间的高差。经检核无误后，才能进行计算和调整高差闭合差。最后计算各点的高程。
（一）、附合水准路线闭合差的计算和调整及成果计算
1、高差闭合差的计算 高差闭合差可用来衡量测量成果的精度，等外水准测量的高差闭合差容许值。
2、闭合差的调整
　　在同一条水准路线上，假设观测条件是相同的，可认为各站产生的误差机会是相同的，故闭合差的调整按与测站数（或距离）成正比反符号分配的原则进行。
3、高程计算
根据检核过的改正后高差，由起始点A开始，逐点推算出各点的高程。
（二）、闭合水准路线闭合差的计算与调整
　　1、闭合水准路线各段高差的代数和应等于零，即 由于存在着测量误差，必然产生高差闭合差，闭合水准路线高差闭合差的调整方法、容许值的计算，均与附合水准路线相同。
　　对于DS3级微倾水准仪，I值不得大于20″。
　 校正 转动微倾螺旋使中丝对准A点尺上正确读数c2，此时视准轴处于水平位置，但管水准气泡必然偏离中心。用拨针拨动水准管一端的上、下两个校正螺丝，使气泡的两个半象符合。
2、水准测量的相关规范要求：
表2 水准测量主要技术要求：
等级
仪器类型
视线长度
前后视距差
任一测站上前后视距差积累
视线高度（下丝读数）
一等
DSZ05，DS05
≤30
≤0.5
≤1.5
≥0.5
二等
DS1,DS05
≤50
≤1
≤3
≥0.3
三等
DS3
≤75
≤2
≤5
三丝能读数
DS1,DS05
≤100
≤2
≤5
三丝能读数
四等
DS3
≤100
≤3
≤10
三丝能读数
DS1,DS05
≤150
≤3
≤10
三丝能读数

表3 水准测量的限差要求
水准测量限差要求（mm）
等级
测段、区段、路线往返测不符值
附和路线闭合差或环闭合差
检测已测测段高差只差

平原
山区
平原
山区

一等
±1.8√K
-
±2√F
±3√R
二等
±4√K
±0.8√n
±4√L
±4√F
±6√R
三等
±12√K
±2.4√n
±12√L
±15√L
±20√R
四等
±20√K
±4√n
±20√L
±25√L
±30√R
五等
±30√K
±20√K
±30√L
±40√R
注：
K--测段、区段或路线长度，km

L--附和路线长度，km

F--环线长度，km

R--检测测段长度，km
（三）、水准测量的精度
水准测量的精度根据往返测的高差不符值来评定，因为往返测的高差不符值集中反映了水准测量各种误差的共同影响，这些误差对水准测量精度的影响，不论其性质和变化规律都是极其复杂的，其中有偶然误差的影响，也有系统误差的影响。
根据研究和分析可知，在短距离，如一个测段的往返测高差不符值中，偶然误差是得到反映的，虽然也不排除有系统误差的影响，但毕竟由于距离短，所以影响很微弱，因而从测段的往返高差不符值来估计偶然中误差，还是合理的。在长的水准线路中，例如一个闭合环，影响观测的，除偶然误差外，还有系统误差，而且这种系统误差，在很长的路线上，也表现有偶然性质。环形闭合差表现为真误差的性质，因而可以利用环形闭合差来估计含有偶然误差和系统误差在内的全中误差，现行水准规范中所采用的计算水准测量精度的公式，就是以这种基本思想为基础而导得的。
由个测段往返测的高差不符值计算每公里单程高差的偶然中误差（相当于单位权观测中误差）的公式为
（3-1）
往返测高差平均值的每公里偶然中误差为
（3-2）
式中，是各测段往返测的高差不符值，取mm为单位；R是各测段的距离，取km为单位；是测段的数目。（3-2）式就是水准规范中规定用以计算往返测高差平均值的每公里偶然中误差的公式，这个公式是不严密的，因为在计算偶然误差时，完全没有顾及系统误差的影响。顾及系统误差的严密公式，形式比较复杂，计算也比较麻烦，而所得结果与（3-2）式所算得的结果相差甚微，所以（3-2）式可以认为是具有足够可靠性的。
按水准规范规定，一、二等水准路线须以测段往返高差不符值按（3-2）式计算每公里水准测量往返高差中数的偶然中误差。当水准路线构成水准网的水准环超过20个时，还需按水准环闭合差计算每公里水准测量高差中数的全中误差。
计算每公里水准测量高差中数的全中误差的公式为
（3-3）
式中，是水准环线经过正常水准面不平行改正后计算的水准环闭合差矩阵，的转置矩阵为环的闭合差，以mm为单位；为水准环的数目，协因数矩阵中对角线元素为各环线的周长，非对角线元素，如果图形不相邻，则一律为零，如果图形相邻，则为相邻边长度（公里数）的负值。
每公里水准测量往返高差中数偶然中误差和 表4
等级
一等mm
二等mm

≤0.45
≤1.0
≤1.0
≤2.0
全中误差的限值列于表4中。
偶然中误差，全中误差超限时，应分析原因，重测有关测段或路线。

四、水准测量的误差
（一）、仪器误差
　 1、仪器校正后的残余误差
　　I角校正残余误差，这种影响与距离成正比，只要观测时注意前、后视距离相等，可消除或减弱此项的影响。
　 2、水准尺误差
　　由于水准尺刻划不准确，尺长变化、弯曲等影响，水准尺必须经过检验才能使用。标尺的零点差可在一水准段中使测站为偶数的方法予以消除。
（二）、观测误差
　 1、水准管气泡居中误差
　　设水准管分划值为τ″，居中误差一般为±0.15τ″，采用符合式水准器时，气泡居中精度可提高一倍。
　 2、读数误差
　　在水准尺上估读毫米数的误差，与人眼的分辨能力、望远镜的放大倍率以及视线长度有关。
　 3、视差影响
　　当视差存在时，十字丝平面与水准尺影像不重合，若眼睛观察的位置不同，便读出不同的读数，因而也会产生读数误差。
　 4、水准尺倾斜影响
　　水准尺倾斜将使尺上读数增大。
五、外界条件的影响
　1、仪器下沉
　　由于仪器下沉，使视线降低，从而引起高差误差。采用“后、前、前、后”的观测程序，可减弱其影响。
　2、尺垫下沉
　　如果在转点发生尺垫下沉，将使下一站后视读数增大。采用往返观测，取平均值的方法可以减弱其影响。
　3、地球曲率及大气折光影响
　　由于大气折光，视线并非是水平，而是一条曲线，曲线的曲率半径为地球半径的7倍。
　　如果前视水准尺和后视水准尺到测站的距离相等，则在前视读数和后视读数中含有相同的 。这样在高差中就没有这误差的影响了。因此，放测站时要争取“前后视相等”
　　接近地面的空气温度不均匀，所以空气的密度也不均匀。光线在密度不匀的介质中沿曲线传布。这称为“大气折光”。总体上说，白天近地面的空气温度高，密度低，弯曲的光线凹面向上；晚上近地面的空气温度低，密度高，弯曲的光线凹面向下。接近地面的温度梯度大大气折光的曲率大，由于空气的温度不同时刻不同的地方一直处于变动之中。所以很难描述折光的规律。对策是避免用接近地面的视线工作，尽量抬高视线，用前后视等距的方法进行水准测量
　　除了规律性的大气折光以外，还有不规律的部分：白天近地面的空气受热膨胀而上升，较冷的空气下降补充。因此，这里的空气处于频繁的运动之中，形成不规则的湍流。湍流会使视线抖动，从而增加读数误差。对策是夏天中午一般不做水准测量。在沙地，水泥地……湍流强的地区，一般只在上午10点之前作水准测量。高精度的水准测量也只在上午10点之前进行。
　 4、温度对仪器的影响
　　温度会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件（物镜，十字丝和调焦镜）相对位置的变化，或者引起视准轴相对与水准管轴位置的变化。由于光学测量仪器是精密仪器，不大的位移量可能使轴线产生几秒偏差，从而使测量结果的误差增大。
　　不均匀的温度对仪器的性能影响尤其大。例如从前方或后方日光照射水准管，就能使气泡“趋向太阳”——水准管轴的零位置改变了。
　　温度的变化不仅引起大气折光的变化，而且当烈日照射水准管时，由于水准管本身和管内液体温度升高，气泡向着温度高的方向移动，影响仪器水平，产生气泡居中误差，观测时应注意撑伞遮阳。
六、水准测量时应注意的事项
1、读数前观察符合水准气泡居中后，方可读数，读完数后应检查符合水准气泡是否居中。
2、读尺时不能误读整米数，或误把6读成9。
3、未读下一站的后视，立尺员不能将转点上的尺垫碰撞或拔起。
4、用塔尺作水准测量进，尺节自动下滑未被发现。
5、记录人听错、记错，或把前、后视读数位置搞错。
6、误把十字丝的上、下视距丝当作十字丝横丝在水准尺上读数。
7、 认真记录，边记边回报数字，准确无误的记入记录手簿相应栏中，严禁伪造和传抄；
8、字体要端正、清楚、不准涂改，不准用橡皮擦，如按规定可以改正时，应在原数字上划线后再在上方重写；
9、每站应当场计算，检查符合要求后，才能通知观测者搬站。
10、扶尺人员认真竖立水准尺；
11、转点应选择土质坚实处，并踩实尺垫；
12、水准仪搬站时，应注意保护好原前视点尺垫位置不移动。