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1、1,2 水准测量,【内容提要】本章主要介绍水准测量的原理及外业、内业的内容和方法、水准仪的构造与使用及其检校、水准测量误差分析；还介绍了精密水准仪、自动安平水准仪、激光扫平仪的基本构造和使用。,2,2.1 水准测量原理,测量地面点高程的工作称为高程测量。按使用仪器和施测方法的不同，高程测量分为水准测量、三角高程测量和气压高程测量。水准测量是高程测量中精度最高和最常用的一种方法，被广泛应用于高程控制测量和工程施工测量中。 水准测量是利用水准仪提供的水平视线，借助水准尺读数来测定地面点之间的高差，从而由已知点的高程推算出待测点的高程。,3,4,如图2-1所示，欲测定A、B两点间的高差hAB，可在A
2、、B两点分别竖立水准尺，在A、B之间安置水准仪。利用水准仪提供的水平视线，分别读取A点水准尺上的读数a和B点水准尺上的读数b，则A、B两点高差为： hAB = a - b（2-1） 水准测量方向是由已知高程点开始向待测点方向行进的。在图2-1中，A为已知高程点，B为待测点，则A尺上的读数a称为后视读数，B尺上的读数b称为前视读数。由此可见，两点之间的高差一定是“后视读数”减“前视读数”。如果ab，测高差hAB为正，表示B点比A点高；如果ab，则高差hAB为负，表示B点比A点低。,6,视线高程Hi等于A点的高程加A点水准尺上的后视读数a，即 Hi=HA+a（2-4） 则:HB=（HA+a）-b=
3、Hi-b（2-5） 一般情况下，用（2-3）式计算未知点B的高程HB，称为高差法（或叫中间水准法）。当安置一次水准仪需要同时求出若干个未知点的高程时，则用（2-5）式计算较为方便，这种方法称为视线高程法。此法是在每一个测站上测定一个视线高程作为该测站的常数，分别减去各待测点上的前视读数，即可求得各未知点的高程，这在土建工程施工中经常用到。,7,2.2 DS3型水准仪及其操作,水准测量使用的仪器为水准仪，按仪器精度分，有DS05、DS1、DS3、DS10四种型号的仪器。D、S分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音第一个字母；数字05、1、3、10表示该仪器的精度。如DS3型水准仪，表示该型号仪
4、器进行水准测量每千米往、返测高差精度可达3mm。DS3水准仪是土木工程测量中常用的仪器。图2-2是我国生产的DS3型水准仪。,8,2.2.1 S3型水准仪的构造 S3型微倾式水准仪，主要由望远镜、水准器和基座三部分组成。,9,10,2.2.1.1 望远镜 望远镜的作用是能使我们看清不同距离的目标，并提供一条照准目标的视线。 图2-3是DS3型水准仪望远镜的构造图，主要由物镜、镜筒、调焦透镜、十字丝分划板、目镜等部件构成。物镜、调焦透镜和目镜多采用复合透镜组。物镜固定在物镜筒前端，调焦透镜通过调焦螺旋可沿光轴在镜筒内前后移动。十字丝分划板是安装在物镜与目镜之间的一块平板玻璃，上面刻有两条相互垂直
5、的细线，称为十字丝。中间横的一条称为中丝（或横丝）。与中丝平行的上、下两短丝称为视距丝，用来测距离。十字丝分划板通过压环安装在分划板座上，套入物镜筒后再通过校正螺钉与镜筒固连。,11,1.物镜；2.目镜；3.对光凹透镜；4.十字丝分划板；5.物镜对光螺旋；6.目镜对光螺旋,12,物镜光心与十字丝中丝交点的连线称为视准轴（图2-3中的C-C）。视准轴是水准测量中用来读数的视线。 物镜和目镜采用多块透镜组合而成，调焦透镜由单块透镜或多块透镜组合而成。望远镜成像原理如图2-4所示，望远镜所瞄准的目标AB经过物镜的作用形成一个倒立而缩小的实像ab，调节物镜对光螺旋即可带动调焦透镜在望远镜筒内前后移动，
6、从而将不同距离的目标都能清晰地成像在十字丝平面上。调节目镜对光螺旋可使十字丝像清晰，再通过目镜，便可看到同时放大了的十字丝和目标影像ab。,13,14,通过目镜所看到的目标影像的视角与未通过望远镜直接观察目标的视角之比，称为望远镜的放大率，即放大率V=/。DS3型水准仪望远镜放大率为28倍。 由于物镜调焦螺旋调焦不完善，可能使目标形成的实像ab与十字丝分划板平面不完全重合，此时当观测者眼睛在目镜端略作上、下少量移动时，就会发现目标的实像ab与十字丝平面之间有相对移动，这种现象称为视差。在检查视差是否存在时，观测者眼睛应处于松弛状态，不宜紧张，且眼睛在目镜上下移动量不宜大，仅作很少量移动，否则会
7、引起错觉而误认为视差存在。,15,2.2.1.2 水准器 水准器是水准仪上的重要部件，它是利用液体受重力作用后使气泡居为最高处的特性，指示水准器的水准轴位于水平或竖直位置的一种装置，从而使水准仪获得一条水平视线。水准器分圆水准器和管水准器两种。 （1）管水准器 管水准器是由玻璃管制成，又称“水准管”，其纵向内壁研磨成具有一定半径的圆弧（圆弧半径一般为720m），内装酒精和乙醚的混合液，加热密封冷却后形成一个小长气泡，因气泡较轻，故处于管内最高处。,16,17,水准管顶面刻有2mm间隔的分划线，分划线的中点O称为水准管零点，通过零点O的圆弧切线LL，称为水准管轴，如图2-5a所示。当水准管的气泡
8、中点与零点重合时，称为气泡居中，表示水准管轴水平。若保持视准轴与水准管轴平行，则当气泡居中时，视准轴也应位于水平位置。通常根据水准管气泡两端距水准管两端刻划的格数相等的方法来判断水准管气泡是否精确居中，如图2-5b所示。 水准管上两相邻分划线间的圆弧（弧长为2mm）所对的圆心角，称为水准管分划值。用公式表示为 （2-6） 式中R水准管圆弧半径，单位：mm。 上式说明分划值与水准管圆弧半径R成反比。R愈大，愈小，水准管灵敏度愈高，则定平仪器的精度也愈高，反之定平精度就低。DS3型水准仪水准管的分划值一般为20/2mm，表明气泡移动一格（2mm），水准管轴倾斜20。,18,19,为了提高水准管气泡
9、居中精度，S3型水准仪的水准管上方安装有一组符合棱镜，如图2-6所示。通过符合棱镜的反射作用，把水准管气泡两端的影像反映在望远镜旁的水准管气泡观察窗内，当气泡两端的两个半像符合成一个圆弧时，就表示水准管气泡居中；若两个半像错开，则表示水准管气泡不居中，此时可转动位于目镜下方的微倾螺旋，使气泡两端的半像严密吻合（即居中），达到仪器的精确置平。 这种配有符合棱镜的水准器，称为符合水准器。它不仅便于观察，同时可以使气泡居中精度提高一倍,20,（2）圆水准器 圆水准器是一个圆柱形的玻璃盒子，如图2-7所示。圆水准器顶面的内壁磨成圆球面， （顶面中央刻有一个小圆圈，其圆心O称为圆水准器的零点，过零点O的
10、法线LL，称为圆水准器轴。由于它与仪器的旋转轴（竖轴）平行，所以当圆气泡居中时，圆水准器轴处于竖直（铅垂）位置，表示水准仪的竖轴也大致处于竖直位置了。S3水准仪圆水准器分划值一般为810，由于分划值较大，则灵敏度较低，只能用于水准仪的粗略整平，为仪器精确置平创造条件。,21,22,2.2.1.3 基座 基座主要由轴座、脚螺旋和连接板构成。仪器上部通过竖轴插入轴座内，由基座托承。整个仪器用连接螺旋与三脚架连结。 2.2.2 水准尺、尺垫和三脚架 水准尺是水准测量时使用的标尺，其质量的好坏直接影响水准测量的精度，因此水准尺是用不易变形且干燥的优良木材或玻璃钢制成，要求尺长稳定，刻划准确，长度从2m
11、至5m不等。 根据它们的构造，常用的水准尺可分为直尺（整体尺）和塔尺两种，如图2-8所示。直尺中又有单面分划尺和双面（红黑面）分划尺。,23,24,水准尺尺面每隔1cm涂有黑白或红白相间的分格，每分米处注有数字，数字一般是倒写的，以便观测时从望远镜中看到的是正像字。 双面水准尺的两面均有刻划，一面为黑白分划，称为“黑面尺”（也称主尺），另一面为红白分划，称为“红面尺”。通常用两根尺组成一对进行水准测量，两根尺的黑白尺尺底读数均从零开始，而红面尺尺底，一根从固定数值4.687m开始，另一根从固定数值4.787m开始，此数值称为零点差（或红黑面常数差）。水平视线在同一根水准尺上的黑面与红面的读数之
12、差称为尺底的零点差，可作为水准测量时读数的检核。 塔尺是由三节小尺套接而成，不用时套在最下一节之内，长度仅2m。如把三节全部拉出可达5m。塔尺携带方便，但应注意塔尺的连接处，务使套接准确稳固，塔尺一般用于地形起伏较大，精度要求较低的水准测量。,25,尺垫一般由三角形的铸铁制成，下面有三个尖脚，便于使用时将尺垫踩入土中，使之稳固。上面有一个突起的半球体，水准尺竖立于球顶最高点。在精度要求较高的水准测量中，转点处应放置尺垫，以防止观测过程中水准尺下沉或位置发生变化而影响读数。 三脚架是水准仪的附件，用以安置水准仪，由木质（或金属）制成，脚架一般可伸缩，便于携带及调整仪器高度，使用时用中心连接螺旋与
13、仪器固紧。,26,2.2.3 水准仪的使用,水准仪的操作包括安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确置平和读数等步骤。 （1）安置仪器 在测站上安置三脚架，调节架脚使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架伸缩螺旋是否拧紧。然后用连接螺旋把水准仪安置在三脚架头上，应用手扶住仪器，以防仪器从架头滑落。 （2）粗略整平（粗平） 粗平即初步整平仪器，通过调节三个脚螺旋使圆水准器气泡居中，从而使仪器的竖轴大致铅垂。具体作法是：如图2-10a所示，外围三个圆圈为脚螺旋，中间为圆水准器，虚线圆圈代表气泡所在位置，首先用双手按箭头所指方向转动脚螺旋1、2，使圆气泡移到这两个脚螺旋连线方向的中间，然后再按图2-10
14、b中箭头所指方向，用左手转动脚螺旋3，使圆气泡居中（即位于黑圆圈中央）。在整平的过程中，气泡移动的方向与左手大拇指转动脚螺旋时的移动方向一致。,27,28,（3）瞄准水准尺 先将望远镜对着明亮背景，转动目镜调焦螺旋使十字丝成像清晰。再松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上部的准星和照门大致对准水准尺后，拧紧制动螺旋。然后从望远镜内观察目标，调节物镜调焦螺旋，使水准尺成像清晰。最后用微动螺旋转动望远镜，使十字丝竖丝对准水准尺的中间稍偏一点，以便读数。瞄准时应注意消除视差。,29,30,产生视差的原因是目标通过物镜所成的像没有与十字丝平面重合。视差的存在将影响观测结果的准确性，应予消除。消除视差的
15、方法是仔细地反复进行目镜和物镜调焦。如图2-11。 （4）精确整平（精平） 精确整平是调节微倾螺旋，使目镜左边观察窗内的符合水准器的气泡两个半边影像完全吻合，这时视准轴处于精确水平位置。由于气泡移动有一个惯性，所以转动微倾螺旋的速度 不能太快。只有符合气泡两端影像完全吻合而又稳定不动后气泡才居中。 （5）读数 符合水准器气泡居中后，即可读取十字丝中丝截在水准尺上的读数。直接读出米、分米和厘米，估读出毫米（见图2-12）。,31,32,读数时应从小数向大数读。观测者应先估读水准尺上毫米数（小于一格的估值），然后读出米、分米及厘米值，一般应读出四位数。读数应迅速、果断、准确，读数后应立即重新检视符
16、合水准气泡是否仍旧居中，如仍居中，则读数有效，否则应重新使符合水准气泡居中后再读数。,33,2.3 水准测量外业与检核,2.3.1 水准点与水准路线 一、水准点：用水准测量方法测定的高程控制点称为水准点（Bench Make. 记为BM.）。 水准点的位置应选在土质坚实、便于长期保存和使用方便的地方。 水准点按其精度分为不同的等级。国家水准点分为四个等级，即一、二、三、四等水准点，按国家规范要求埋设永久性标石标志。 地面水准点按一定规格埋设，在标石顶部设置有不易腐蚀的材料制成的半球状标志（图2-13a）。 墙上水准点应按规格要求设置在永久性建筑物的墙脚上（图2-13b）。 地形测量中的图根水准点和一些施工测量使用的水准点，常采用临时性标志，可用木桩或道钉打入地面，也可在地面上突出的坚硬岩石或房屋四周水泥面、台阶等处用油漆作出标志。,34,35,二、水准路线： 水准测量是按一定的路线进行的。将若干个水准点按施测前进的方向连接起来，称为水准路线。水准路线有附合路线、闭合路线和支水准路线（往返路线）。 （1）附合水准路线 如图2-15a，从一个已知高程的水准点BM1起，沿各水准点进
