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1、模块一 水准测量本章主要介绍了水准测量的原理和方法、水准仪的技术操作和检验校、水准测量误差的影响与消除方法，并介绍了三、四等水准测量和精密、自动安平、数字水准仪。其重点内容包括水准测量原理、水准器的作用和分划值、水准仪的技术操作和检验校正、水准测量的施测程序与成果检核、闭合差调整、误差的消除方法以及三、四等水准测量。其难点为水准测量施测程序与成果检核、闭合差调整及误差的消除方法。地面点的高程是地面点的定位元素之一，测定地面点高程的工作称为高程测量，是测量的基本工作之一。按使用的测量仪器和获得高程的方法有水准测量和三角高程测量，此外还有液体静力水准测量、气压高程测量和GPS 高程测量等。本章主要
2、介绍水准测量。1.1 水准测量概述 高程是确定地面点位置的基本要素之一，所以高程测量是四种基本测量工作之一。高程测量的目的是要获得点的高程，但一般只能直接测得两点间的高差，然后根据其中一点的已知高程推算出另一点的高程。 进行高程测量的主要方法有水准测量和三角高程测量。水准测量是利用水平视线来测量两点间的高差。由于水准测量的精度较高，所以是高程测量中最主要的方法。三角高程测量是测量两点间的水平距离或斜距和竖直角(即倾斜角)，然后利用三角公式计算出两点间的高差。三角高程测量一般精度较低，只是在适当的条件下才被采用。除了上述两种方法外，还有利用大气压力的变化，测量高差的气压高程测量；利用液体的物理性
3、质测量高差的液体静力高程测量；以及利用摄影测量的测高等方法，但此方法较少采用。在一般的测量工作中都以大地水准面作为高程起算的基准面。因此，地面任一点沿铅垂线方向到大地水准面 的距离就称为该点的绝对高程或海拔，简称高程，用 H 表示。如图1-1 所示，图中的 HA、HB 分别表示地面上 A、 B 两点的高程。我国规定以 19501956 年间青岛验潮站多年记录的黄海平均海水面作为我国的大地水准面，由此 建立的高程系统称为“1956 年黄海高程系”。新的国家高程基准面是根据青岛验潮站 19521979 年间的验潮资料 计算确定的，依此基准面建立的高程系统称为“1985 国家高程基准”。并于 198
4、7年开始启用。图1-1241.2 水准测量的原理 水准测量是利用水平视线来求得两点的高差。例如图22中，为了求出A、B两点的高差 ，在A、B两个点上竖立带有分划的标尺水准尺，在A、B两点之间安置可提供水平视线的仪器水准仪。当视线水平时，在A、B两个点的标尺上分别读得读数a和b，则A、B两点的高差等于两个标尺读数之差。即：hAB=ab (21)如果A为已知高程的点，B为待求高程的点，则B点的高程为：HB=HA+hAB (22)读数a是在已知高程点上的水准尺读数，称为“后视读数”；b是在待求高程点上的水准尺读数，称为“前视读数”。高差必须是后视读数减去前视读数。高差hAB的值可能是正，也可能是负，
5、正值表示待求点B高于已知点A，负值表示待求点B低于已知点A。此外，高差的正负号又与测量进行的方向有关，例如图12中测量由A向B进行，高差用hAB表示，其值为正；反之由B向A进行，则高差用hBA表示，其值为负。所以说明高差时必须标明高差的正负号，同时要说明测量进行的方向。 图 12当两点相距较远或高差太大时，则可分段连续进行，从图13中可得： h1 = a1 - b1 h2 = a2 - b2 hn = an - bnhAB = h = a - b hAB=h=ab (23) 图 13即两点的高差等于连续各段高差的代数和，也等于后视读数之和减去前视读数之和。通常要同时用h和(ab)进行计算，用来
6、检核计算是否有误。 图23中置仪器的点、称为测站。立标尺的点1、2、称为转点，它们在前一测站先作为待求高程的点，然后在下一测站再作为已知高程的点，转点起传递高程的作用。转点非常重要，转点上产生的任何差错，都会影响到以后所有点的高程。 1.3 水准仪和水准尺 水准仪是进行水准测量的主要仪器，它可以提供水准测量所必需的水平视线。目前通用的水准仪从构造上可分为两大类：即利用水准管来获得水平视线的水准管水准仪，其主要形式称“微倾式水准仪”；另一类是利用补偿器来获得水平视线的“自动安平水准仪”。此外，尚有一种新型水准仪电子水准仪，它配合条纹编码尺，利用数字化图像处理的方法，可自动显示高程和距离，使水准测
7、量实现了自动化。 我国的水准仪系列标准分为DS05、DS1、DS3和DS20四个等级。D是大地测量仪器的代号，S是水准仪的代号，均取大和水两个字汉语拼音的首字母。角码的数字表示仪器的精度。其中DS05和DS1用于精密水准测量，DS3用于一般水准测量，DS20则用于简易水准测量。 水准尺用优质木材或铝合金制成，最常用的形状有杆式和箱式两种(图15)，长度分别为3m和5m。箱式尺能伸缩携带方便，但接合处容易产生误差，杆式尺比较坚固可靠。水准尺尺面绘有1cm或5mm黑白相间的分格，米和分米处注有数字，尺底为零。为了便于倒像望远镜读数，注的数字常倒写。双面水准尺是一面为黑色另一面为红色的分划，每两根为
8、一对。两根的黑面都以尺底为零，而红面的尺底分别为4.687m和4.787m。利用双面尺可对读数进行检核。尺垫是用于转点上的一种工具，用钢板或铸铁制成(图16)。使用时把三个尖脚踩入土中，把水准尺立在突出的圆顶上。尺垫可使转点稳固防止下沉。(a) (b) 图15 图 16一、微倾式水准仪的构造和使用(一) DS3微倾式水准仪的构造 (b) (b) 图17 (a) (b)1.物镜2.目镜、3.调焦螺旋、4.管水准器、5.圆水准器、6.脚螺旋 7.制动螺旋、8.微动螺旋、9.微倾螺旋、10.基座图17为在一般水准测量中使用较广的DS3型微倾式水准仪，它由下列三个主要部分组成： 望远镜 它可以提供视线
9、，并可读出远处水准尺上的读数。 水准器 用于指示仪器或视线是否处于水平位置。基座 用于置平仪器，它支承仪器的上部并能使仪器的上部在水平方向转动。 水准仪各部分的名称见图17。基座上有三个脚螺旋，调节脚螺旋可使圆水准器的气泡移至中央，使仪器粗略整平。望远镜和管水准器与仪器的竖轴联结成一体，竖轴插入基座的轴套内，可使望远镜和管水准器在基座上绕竖轴旋转。制动螺旋和微动螺旋用来控制望远镜在水平方向的转动。制动螺旋松开时，望远镜能自由旋转；旋紧时望远镜则固定不动。旋转微动螺旋可使望远镜在水平方向作缓慢的转动，但只有在制动螺旋旋紧时，微动螺旋才能起作用。旋转微倾螺旋可使望远镜连同管水准器作俯仰微量的倾斜，
10、从而可使视线精确整平。因此这种水准仪称为微倾式水准仪。 下面先说明微倾式水准仪上主要的部件望远镜和水准器的构造和性能。 1. 望远镜 测量仪器上的望远镜还必须有一个十字丝分划板，它是刻在玻璃片上的一组十字丝，被安装在望远镜筒内靠近目镜的一端。水准仪上十字丝的图形如图18所示，水准测量中用它中间的横丝或楔形丝读取水准尺上的读数。十字丝交点和物镜光心的连线称为视准轴，也就是视线。视准轴是水准仪的主要轴线之一。图18 为了能准确地照准目标或读数，望远镜内必须同时能看到清晰的物像和十字丝。为此必须使物像落在十字丝分划板平面上。为了使离仪器不同距离的目标能成像于十字丝分划板平面上，望远镜内还必须安装一个
11、调焦透镜。观测不同距离处的目标，可旋转调焦螺旋改变调焦透镜的位置，从而能在望远镜内清晰地看到十字丝和所要观测的目标。 2. 水准器 水准器是用以置平仪器的一种设备，是测量仪器上的重要部件。水准器分为管水准器和圆水准器两种： (1) 管水准器 又称水准管，是一个封闭的玻璃管，管的内壁在纵向磨成圆弧形，其半径可自0.2m至100m。管内盛酒精或乙醚或两者混合的液体，并留有一气泡(图19)。管面上刻有间隔为2mm的分划线，分划的中点称水准管的零点。过零点与管内壁在纵向相切的直线称水准管轴。当气泡的中心点与零点重合时，称气泡居中，气泡居中时水准管轴位于水平位置。图19 水准管上一格(2mm)所对应的圆
12、心角称为水准管的分划值。根据几何关系可以看出，分划值也是气泡移动一格水准管轴所变动的角值(图18)。水准仪上水准管的分划值为1020，水准管的分划值愈小，视线置平的精度愈高。但水准管的置平精度还与水准管的研磨质量、液体的性质和气泡的长度有关。在这些因素的综合影响下，使气泡移动0.1格时水准管轴所变动的角值称水准管的灵敏度。能够被气泡的移动反映出水准管轴变动的角值愈小，水准管的灵敏度就愈高。 (2) 圆水准器 是一个封闭的圆形玻璃容器，顶盖的内表面为一球面，半径可自0.12m至0.86m，容器内盛乙醚类液体，留有一小圆气泡(图110)。容器顶盖中央刻有一小圈，小圈的中心是圆水准器的零点。通过零点
13、的球面法线是圆水准器的轴，当圆水准器的气泡居中时，圆水准器的轴位于铅垂位置。圆水准器的分划值，是顶盖球面上2mm弧长所对应的圆心角值，水准仪上圆水准器的角值为8至15。 图 110(二) DS3微倾式水准仪的使用 使用水准仪的基本作业是：在适当位置安置水准仪，整平视线后读取水准尺上的读数。微倾式水准仪的操作应按下列步骤和方法进行： 1. 安置水准仪 首先打开三脚架，安置三脚架要求高度适当、架头大致水平并牢固稳妥，在山坡上应使三脚架的两脚在坡下一脚在坡上。然后把水准仪用中心连接螺旋连接到三脚架上，取水准仪时必须握住仪器的坚固部位，并确认已牢固地连结在三脚架上之后才可放手。 2. 仪器的粗略整平
14、仪器的粗略整平是用脚螺旋使圆水准器的气泡居中。不论圆水准器在任何位置，先用任意两个脚螺旋使气泡移到通过圆水准器零点并垂直于这两个脚螺旋连线的方向上，如图215中气泡自a移到b，如此可使仪器在这两个脚螺旋连线的方向处于水平位置。然后单独用第三个脚螺旋使气泡居中，如此使原两个脚螺旋连线的垂线方向亦处于水平位置，从而使整个仪器置平。如仍有偏差可重复进行。操作时必须记住以下三条要领： (1)先旋转两个脚螺旋，然后旋转第三个脚螺旋； (2)旋转两个脚螺旋时必须作相对地转动，即旋转方向应相反。(3)气泡移动的方向始终和左手大拇指移动的方向一致。3. 照准目标 用望远镜照准目标，必须先调节目镜使十字丝清晰。然后利用望远镜上的准星从外部瞄准水准尺，再旋转调焦螺旋使尺像清晰，也就是使尺像落到十字丝平面上。这两步不可颠倒。最后用微动螺旋使十字丝竖丝照准水准尺，为了便于读数，也可使尺像稍偏离竖丝一些。当照准不同距离处的水准尺时，需重新调节调焦螺旋才能使尺像清晰，但十字丝可不必再调。 照准目标时必须要消除视差。当观测时把眼睛稍作上下移动，如果尺像与十字丝有相对的移动，即读数有改变，则表示有视差存在。其原因是尺像没有落在十字丝平面上(图216a、b
