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1、水准测量的原理一、几种常见的水准测量方法1几何水准测量（简称水准测量）；2三角高程测量；3气压高程测量（物理高程测量）。二、水准测量原理水准测量 是利用水平视线来求得两点的高差。例如图 2 1 中，为了求出 A、B 两点的高差 hAB ，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(2 1)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：H BH AhAB （高差法）(2 2)读数 a 是在已知
2、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，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 2 2 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 21由图 2 1 可以看出， B 点高程还可以通过仪器的视线高程H 来计算，即iHi HA a(2(2 3)H H b （
3、仪高法） 4)Bi三、转点、测站当两点相距较远或高差太大时，则可分段连续进行，从图2 2 中可得：h1a1b1h2a2b2hnanbnhABhab(2 5)图 22从公式 2 5 就可以看出来：1每一站的高差等于此站的后视读数减去前视读数；2起点到闭点的高差等于各段高差的代数和，也等于后视读数之和减去前视读数之和。ab图 2 2 中，我们把进行观测中每安置一次仪器观测两点间的高差，称为测站 。立标尺的点1、 2、称为 转点，那转点的特点：一、传递高程，转点上产生的任何差错，都会影响到以后所有点的高程；二、既有前视读数又有后视读数，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
4、点。当然水准测量的目的不是仅仅为了获得两点的高差， 而是要求得一系列点的高程， 例如测量沿线的地面起伏情况。 2 2 水准仪和水准尺水准仪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
5、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。DS3 微倾式水准仪的构造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，并可读出远处水准尺上的读数。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2 5 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。
6、视准轴是水准仪的主要轴线之一。(a)(b)图 25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。望远镜的性能衡量指标：放大率、分辨率、视场角、亮度等水准器用于指示仪器或视线是否处于水平位置。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
7、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 2 6) 。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 26为了提高气泡居中的精度，在水准管的上面安装一套棱镜组( 图 2 7) ，使两端各有半个气泡的像被反射到一起。 当气泡居中时， 两端气泡的像就能符合。 故这种水准器称为 符合水准器 ，是微倾式水准仪上普遍采用的水准器。图 27(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
8、，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 2 8) 。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 28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。水准尺和尺垫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 2 9) ，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
9、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。(a) (b)图 29尺垫是用于转点上的一种工具，用钢板或铸铁制成( 图 210) 。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。图 210 2 3 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
10、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 211 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。
11、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。图 2113 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
12、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212a、 b) 。存在视差时不可能得出准确的读数。消除视差的方法是一面稍旋转调焦螺旋一面仔细观察，直到不再出现尺像和十字丝有相对移动为止，即尺像与十字丝在同一平面上( 图2 12c) 。(a)(b)(c)图 2124. 视线的精确整平由于圆水准器的灵敏度较低，所以用圆水准器只能使水准仪粗略地整平。因此在每次读数前还必须用微倾螺旋使水准管气泡符合，使视线精确整平。由于微倾螺旋旋转时，经常在改变望远镜和竖轴的关系， 当望远镜由一个方向转变到另一个方向时， 水准管气泡一般不再符合。 所以望远镜每次变动方向后， 也就是在每次读数前， 都需要用微倾螺旋重新使气泡符合。5. 读数用十字丝中间的横丝读取水准尺的读数。从尺上可直接读出米、分米和厘米数， 并估读出毫米数， 所以每个读数必须有四位数。 如果某一位数是零， 也必须读出并记录。 不可省略，如 1.002m、 0.007m、 2.100m 等。由于望远镜一般都为倒像，所以从望远镜内读数时应由上向下读， 即由小数向大数读。 读数前应先认清水准尺的分划特点， 特别应注意与注字相对应的分米分划线的位置。 为了保证得出正确的水平
