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控制测量学课件第9讲.ppt

控制测量学课件第9讲

少女天空618
2019-02-02 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《控制测量学课件第9讲ppt》,可适用于人文社科领域

控制测量学第讲水准测量规范规定,作业前(后或作业期间)要对所用水准仪和水准尺进行检验,目的是分析仪器各部件关系及效用是否正确,只有符合要求的仪器才能用于水准测量作业。教材中称检验目的是“为了研究和分析存在误差的性质及对水准测量的影响规律。”实际上这些规律早有定论不是仪器例行检验的目的。本章所述检验的唯一目的就是检测不满足理想情况下误差的量级以决定仪器是符合测量作业要求。精密水准仪和水准尺的检验一二等水准测量规范规定,作业前检验项目为:水准仪检视概略水准器检校光学测微器隙动差和分划值测定④水泡式水准仪交叉误差检验⑤i角检验⑥双摆位自动安平水准仪摆差C的测定。精密水准仪的检验精密水准仪的检验第项检验是光学精密水准仪的检验项目数字水准仪没有测微器因而无此项检验。由于光学水准仪目前已基本淘汰所以检验方法不再重要在此就不再介绍。第⑥项检验是针对蔡司Ni类型光学精密水准仪的一项检验现在这类仪器已经较少使用因而同样不作介绍。第④项水泡式水准仪交叉误差检验所谓水泡式水准仪实际上就是非自动安平水准仪。自动安平水准仪和数字水准仪无此项检验。第⑤项i角检验是最重要的一项检验光学和数字水准仪均要进行此项检验。精密水准仪的检验图(-)精密水准仪的检验i角检验方法与步骤:如图(-)J、A、B、J等四点间距相等为计算方便距离设置为米先后在J、J设站,观测立在A、B两点的水准尺分别得到A、B间高差为:精密水准仪的检验i角检验方法与步骤:如不顾及其它误差影响应有:从而得到:规范规定:精密水准仪i角大于秒则需要校正。精密水准仪的检验i角校正:微倾螺旋水准仪校正是利用微倾和测微螺旋使水准仪照准正确读数然后改正长气泡校正螺旋使气泡居中自动安平水准仪没有长气泡,校正是在照准正确读数后,对目镜十字丝作调整数字水准仪校正是通过内置程序完成,检验工作除了采用与光学水准仪一样的方法进行外,还可以在室内检验平台完成精密水准仪的检验气泡式水准仪交叉误差检验视准轴和水准器轴在水平面上不平行,其夹角称为交叉误差。如存在交叉误差当垂直轴倾斜时交叉误差就会转化为i角误差。检验交叉误差应在i角检校后进行检验是否存在交叉误差的原理是:整平仪器后使仪器绕视准轴左右倾斜若存在交叉误差则气泡会产生倾斜。自动安平水准仪和数字水准仪没有微倾螺线和长气泡因而无此项检验。气泡式水准仪交叉误差检验交叉误差检验步骤:①仪器置于距水准尺m处仪器两个脚螺旋连线与照准方向垂直。②整平仪器,使用微倾螺旋精密符合气泡,锲形丝夹准一分划线,记下标尺和测微器读数,并在整个检验过程中保持不变,即通过这个方法保持视准轴方向不变。③将视线一侧脚螺旋升高周,另一侧脚螺旋等量降低,保持锲形丝夹准原目标,观察并记录长水准气泡偏移方向和大小。气泡式水准仪交叉误差检验④将脚螺旋反向进行操作,观察并记录长水准气泡偏移方向和大小。⑤进行③、④项操作时气泡保持符合则不存在交叉误差和i角误差若气泡同向偏离且偏移量相等则仅有i角误差没有交叉误差若同向偏离且偏移量不等则i角误差大于交叉误差若异向偏离且偏移量不等则交叉误差大于i角误差若异向偏离且偏移量相等则只有交叉误差没有i角误差。交叉误差校正:调整气泡校正螺旋使气泡居中。精密水准标尺的检验一二等水准测量规范规定作业前检验项目为:①标尺检视②圆水准器检校③标尺分划面弯曲差测定④标尺名义米长及分划偶然中误差测定⑤标尺尺带拉力测定⑥一对标尺零点不等差及基辅分划读数差测定实践中第④项检验是专业机构完成,第⑥项误差可以通过观测程序完全消除,第⑤项教材和规范中均未涉及检验方法精密水准测量的主要误差来源及其影响精密水准测量会受到各种误差的影响在这一节中就几种主要的误差进行分析并讨论对精密水准测量观测成果的影响。视准轴与水准轴不平行的误差i角的误差影响:虽然经过检验校正但两轴不会完全保持平行因此当水准气泡居中时视准轴仍不能保持水平这样会使水准标尺上的读数产生误差并且与视距成正比。i角的误差影响图i角的误差影响图中为前后视距由于存在i角并假设i角不变的情况下在前后水准标尺上的读数误差分别为和对高差的误差影响为对于两个水准点之间一个测段的高差总和的误差影响为()()i角的误差影响由此可见在i角保持不变的情况下一个测站上的前后视距相等或一个测段的前后视距总和相等则在观测高差中i角的误差影响可以得到消除。但在实际作业中要求前后视距完全相等是困难的。下面讨论前后视距不等差的容许值问题。设i=″要求对高差的影响小到可以忽略不计的程度例如=lmm,那么前后视距之差的容许值可由()式算得即所以规定二等水准测量前后视距差应小于m。为了使各种误差不致累积起来还规定一个测段前后视距累积差不大于m。φ角误差的影响当仪器不存在i角则在仪器的垂直轴严格垂直时交叉误差并不影响正确读数因为仪器在水平方向转动时视准轴与水准轴在垂直面上的投影仍保持互相平行。当仪器的垂直轴倾斜时水准轴气泡居中视准轴就会偏离水平位置而倾斜从而在竖直面上投影不水平显然其性质和i角相同将影响在水准标尺上的读数。虽然交叉误差是通过转化为i角误差来影响读数,但是竖轴倾斜时,它随仪器转动而变化因而对前后视影响不同,不能通过前后视距相等来消除为削弱交叉误差对读数的影响应校正好圆水准气泡认真整平仪器并对交叉误差进行检验与校正。温度变化对i角的影响当温度变化大时完全避免i角的变化是不可能的。仪器受热的部位不同对i角的影响也显著不同当太阳射向物镜和目镜端时影响最大旁射水准管一侧时影响较小旁射与水准管相对的另一侧时影响最小。因此温度的变化对i角的影响是极其复杂的实验结果表明当仪器周围的温度均匀地变化时i角将平均变化约为"最大时竟可达到""。由于i角受温度变化的影响很复杂因而对观测高差的影响难以用前后视距相等来完全消除而且这种误差影响不一定表现在往返测不符值中这就可能使高差中数受到系统性的误差影响。温度变化对i角的影响减弱这种误差影响的措施是:①观测时打伞避免日光直接照射仪器②在观测开始前应将仪器预先从箱中取出使仪器温度与周围空气温度一致后在开始观测。温度变化对i角的影响假设在较短的观测时间段内i角受温度的影响,与时间成比例地均匀变化则可以采取一定的观测程序来消除或削弱这种误差对观测高差的影响。设两相邻测站Ⅰ、Ⅱ对于标尺基本分划按①、②、③、④程序观测即在测站Ⅰ上:①后视②前视在测站Ⅱ上:③前视④后视则由图可知对测站Ⅰ、Ⅱ观测高差的影响分别为s为视距为每次读数变化了的i角。温度变化对i角的影响由于假设在观测时间段内i角与时间成比例地均匀变化所以在测站Ⅰ、Ⅱ的观测高差之和中就抵消了由于i角变化的误差影响实际上i角的变化不会完全与时间成比例地均匀变化而且相邻奇偶测站的视距也不相等所以按上述程序进行观测不能完全消除由于i角变化引起的的误差影响。(i角加大变化Ⅰ站高差变小Ⅱ高差变大如变化均匀则影响被消除)温度变化对i角的影响同理对于相邻测站Ⅰ、Ⅱ辅助分划的观测程序应为在测站Ⅰ上:①前视②后视在测站Ⅱ上:③后视④前视综上所述在相邻两个测站上对于基本分划和辅助分划的观测程序可以归纳为:①奇数站的观测程序后(基)前(基)前(辅)后(辅)②偶数站的观测程序前(基)后(基)后(辅)前(辅)所以一个测段的测站总数为偶数的规定对于削减由于i角变化对观测高差的误差影响也是必要的。水准标尺长度误差的影响水准标尺每米长度误差的影响在精密水准测量作业中必须使用经过检验的水准标尺。设f为水准标尺每米间隔平均真长误差(f=测定真值),则对一个测站的观测高差h应加的改正数为:对于一个测段来说应加的改正数为:式中为一个测段各测站观测高差之和。每米真长是一对标尺检验成果的平均值。()()水准标尺长度误差的影响两水准标尺零点差的影响两水准标尺的零点误差不等设a,b水准标尺的零点误差分别∆a和∆b,它们都会在引起读数误差如图-所示。图两水准标尺零点差的影响如图所示在测站Ⅰ上顾及两水准标尺的零点误差的读数则测站Ⅰ的观测高差为:在测站Ⅱ上读数为则测站Ⅱ的观测高差为:则﹑点之间的高差即I、Ⅱ测站所测高差之和为由此可见尽管两水准标尺存在零点误差,但在两相邻测站的观测高差之和中抵消了这种误差的影响。这也是规定各测段总测站数目偶数且相邻测站两水准标尺轮流作为前视尺和后视尺的依据之一。仪器和水准标尺垂直位移的影响仪器和水准标尺在垂直方向位移所产生的误差是精密水准测量系统误差的重要来源。按图中的观测程序设仪器的脚架随时间均匀下沉在读数过程中随着仪器的下沉视线逐步下降。如果相同的时间段内下沉量相等则采用“后前前后”的观测观测程序前后尺基辅分划读数时间的均值基本相等在下沉均匀发生的前提下可以较好地消除这项误差影响。仪器和水准标尺垂直位移的影响仪器和水准标尺垂直位移的影响发生在观测期间的水准标尺的垂直位移通过同样的观测程序可以得到消除或削弱。但是在水准仪迁站的过程中前视尺发生沉降会使后视读数偏大从而使各测站的观测高差都偏大成为系统性的误差影响。这种误差影响在往返测高差的平均值中可以得到有效的抵偿所以水准测量一般都要求进行往返测。在实际作业中采用打尺桩和使用沉重的尺台立尺点要求避免松软土质等措施来减少水准尺垂直位移量。有时仪器脚架和尺桩(台)也会发生上升现象即土壤的反作用力使脚架或尺桩上升。对于有些类型的土壤这种上升作用明显这种误差累计可以达到相当大的数值。大气垂直折光的影响近地面空气密度分布随离开地面的高度而变化光线通过密度不等的大气层时会因为折射成为一条曲线在垂直方向凹向密度较大的一方这种现象叫做大气垂直折光。如果在地势较为平坦的地区进行水准测量时前后视距相等则折光影响相同视线弯曲的程度也相同观测高差中不含这种误差影响。但是由于越接近地面的大气层密度的梯度越大前后视线离地面的高度不同视线所通过大气层的密度也不同折光影响也就不同所以前后视线在垂直面内的弯曲程度也不同。大气垂直折光的影响如水准测量通过一个较长的坡度时由于前视视线离地面的高度总是大于(或小于)后视视线离地面的高度这样前后视受垂直折光影响不同折光对高差将产生系统性误差影响。为了减弱垂直折光对观测高差的影响在坡度较大的水准路线上进行作业时应适当缩短视距使视线离地面有足够的高度。仪器和水准标尺垂直位移的影响太阳辐射是短波辐射,来到地面上,被地面吸收,再放射出长波辐射,大气只能吸收地面放射出来的长波辐射,所以离地面越近气温就越高。在日出后半小时左右和日落前半小时左右这两段时间内由于地表面的吸热和散热使近地面的大气密度和折光差变化迅速而无规律故不宜进行观测在中午一段时间内由于太阳强烈照射使空气对流剧烈致使目标成像不稳定.也不宜进行观测。仪器和水准标尺垂直位移的影响折光影响是精密水准测量一项主要的误差来源它的影响与观测所处的气象条件水准路线所处的地理位置和自然环境观测时间视线长度测站高差以及视线离地面的高度等诸多因素有关很难通过计算改正数削弱或消除因此观测程序是主要的应对措施。为了减弱垂直折光对观测高差的影响水准规范规定每一测段的往测和返测应分别在上午或下午通过取往返测观测高差平均值减弱垂直折光的影响。电磁场对水准测量的影响输电线经过的地带所产生的电磁场对平行于电磁场和正交于电磁场的视线将有不同影响因此在设计高程控制网布设水准路线时要考虑到通过大功率、超高压输电线附近时水准仪视线受影响产生的误差。近几年来初步研究的结果表明为了避免这种系统性的影响在布设与输电线平行的水准路线时必须使水准线路离输电线m以外。如果水准线路与输电线相交则其交角应为直角并且应将水准仪严格地安置在输电线的下方标尺点与输电线成对称布置这样照准后视和前视水准标尺的视准线直线性的变形可以互相抵消。磁场对补偿式自动安平水准仪的影响自动安平水准仪的原理是:在望远镜光路中设置一个可以利用重力作自由摆动的补偿器在视准轴略为倾斜时通过补偿器的折射、反射仍能得到正确的标尺读数。研究证明由于补偿器受地球磁场影响会产生偏转对水准测量观测结果产生系统性误差影响。这种误差的基本特征是与水准路线方向有关实验数据表明在南北方向每公里可达mm。因此为削弱地球磁场的影响在南北方向的精密水准测量应不使用自动安平水准仪。观测误差的影响精密水准测量的观测误差主要有水准器气泡居中的误差照准水准标尺上分划的误差和读数误差这些误差都是属于偶然性质的。由于精密水准仪有倾斜螺旋和符合水准器并有光学测微器装置可以提高读数精度同时用楔形丝照准水准标尺上的分划线这样可以减小照准误差因此这些误差影响都可以有效地控制在很小的范围内。实验结果分析表明这些误差在每测站上由基辅分划所得观测高差的平均值中的影响还不到lmm。数字水准仪没有照准水准标尺上分划的误差和读数误差精密水准测量的实施精密水准测量一般指国家一、二等水准测量在各项工程的不同建设阶段的高程控制测量中极少进行一等水准测量故在工程测量技术规范中将水准测量分为二、三、四等三个等级其精度指标与国家水准测量的相应等级一致。精密水准测量的一般规定()观测前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。精密水准测量的一般规定()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m前、后视距累积差应小于m目的是消除或削弱与距离有关的各种误差对观测高差的影响如i角误差和垂直折光等影响。()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目的是便于迅速整平视准轴。()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。()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i角的变化和仪器的垂直位移等影响。精密水准测量的一般规定()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。()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。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。精密水准测量的一般规定精密水准测量的一般规定()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。()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。从间歇点重新开测时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≤Omm)就可以从间歇点起测。精密水准测量观测测站观测程序(光学水准仪)往测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。返测奇、偶数测站照准标尺的顺序分别与往测偶、奇数测站相同。精密水准测量观测精密水准测量观测以往测奇数测站为例一测站的操作程序如下:()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。()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。用上、下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数,第四位数由测微器直接读得。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,测微分划读数取至测微器最小分划。(后尺上、下、中丝基本分划)()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。然后用上、下丝分别照准标尺基本分划进行视距读数(前尺中丝基本分划、上、下丝)。()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(前尺中丝辅助分划)。精密水准测量观测()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用楔形平分线精确照准并进行辅助分划与测微分划读数。(后尺中丝辅助分划)下面表格是观测记录表,其中第()至()栏是读数的记录部分()至()栏是计算部分。精密水准测量观测测自至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d前距∑d基本分划(一次)辅助分划(二次)()()后()()()()()前()()()()()后前()()()()()h()后前后前h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()=()()()=()()()=()()()=()前站()高差部分的计算与检核()=()K()式中K为基辅差(对于N水准标尺而言K=m)精密水准测量观测()=()K()()=()()()=()()()=()()=()()检核()=()()以上即一测站全部操作与观测过程。上述表格是用于光学水准仪的表格数字水准仪不照准标尺分划用上下丝读取视距、中丝读高度而是照准标尺按键即可获得视距和高差(照前后尺)现在未见用于数字水准仪的记录表格但是仪器随机软件可以还原出光学水准仪记录表。精密水准测量观测一、二等精密水准测量外业计算尾数取位规定项目等级往(返)测距离总和km测段距离中数km各测站高差mm往(返)测高差总和mm测段高差中数mm水准点高程mm一二水准测量限差一、二等水准测量限差规定路线往返测高差不符值、附合路线和环线闭合差以及检测已测测段高差之差的限值项目等级测段路线往返测高差不符值mm附合路线闭合差mm环线闭合差mm检测已测测段高差之差mm一等二等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水准测量误差对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一个测段的往返测高差不符值中虽然不能排除残余系统误差影响但由于路线长度较短因而影响很微弱往返高差不符值主要表现出偶然误差影响。在较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。但是统计若干个环这种系统误差也表现有偶然性质。环形闭合差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。水准测量的精度由n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:n个测段往返测高差平均值的每公里偶然中误差为:()()教材上是:水准测量的精度式()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n是测段的数目。()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()式所算得的结果相差甚微所以()式可以认为是具有足够可靠性的。水准测量的精度按水准规范规定一、二等水准路线须以测段往返高差不符值按()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:式中wi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Fi是水准环线长度N为水准环的数目。注意:()和()都是计算全中误差公式,但内容不同,这里是采用简化公式()(-)水准测量的精度每公里水准测量往返高差中数偶然中误差和全中误差的限差: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。等级一等mm二等mm≤≤≤≤≤≤

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