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21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： (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： （高差法） (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
2、差必须是后视读数减去前视读数。高差的值可能是正，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22中测量由A向B进行，高差用表示，其值为正；反之由B向A进行，则高差用表示，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21可以看出，B点高程还可以通过仪器的视线高程Hi来计算，即HiHAa (23)HBHib （仪高法） (24)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22中可得： (25)图 22从公式25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
3、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。通常要同时用和进行计算，用来检核计算是否有误。图22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。22 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
4、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
5、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25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。(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
6、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26)。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
7、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27)，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，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28)。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
8、 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29)，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
9、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 21023 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
10、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。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
11、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212c)。(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
12、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
13、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视线读数，在读数前和读数后都应该检查气泡是否符合。2-4水准测量方法与侧过计算按照精度要求的不同，我国水准测量分为一、二、三、四等，还有不属于规定等级的水准测量，我们称为普通水准测量，又叫做等外水准测量。普通水准测量的精度比国家等级的精度要低，水准路线的布设及水准点的密度有着较大的灵活性，但等级水准测量的原理是相同的。一、水准点和水准路线（一）、水准点（Bench Mark）：用水准测量方法测定高程的控制点称为水准点，一般用其英文缩写BM表示。国家等级的水准点按要求埋设永久固定标志；不需永久保存的则在地面上打入木桩，或在地面，建筑物上设置苦
14、定标志，并标记。（二）、水准路线：水准测量的任务，是从已知高程的水准点开始测量其他水准点或地面点的高程。测量前应根据要求布置并选定水准点的位置，埋设好水准点标石，拟定水准测量进行的路线。水准路线的布设形式分单一水准路线和水准网，单一水准路线有以下三种布设形式：图 231(1) 附合水准路线 是水准测量从一个高级水准点开始，结束于另一高级水准点的水准路线。这种形式的水准路线，可使测量成果得到可靠的检核(图231a)。(2) 闭合水准路线 是水准测量从一已知高程的水准点开始，最后又闭合到起始点上的水准路线。这种形式的水准路线也可以使测量成果得到检核(图231b)。(3) 水准支线 是由一已知高程的
15、水准点开始，最后既不附合也不闭合到已知高程的水准点上的一种水准路线。这种形式的水准路线由于不能对测量成果自行检核，因此必须进行往测和返测，或用两组仪器进行并测(图231c)。水准网 当几条附合水准路线或闭合水准路线连接在一起时，就形成了水准网(图231d、e)。水准网可使检核成果的条件增多因而可提高成果的精度。二、水准测量的施测方法（一）普通水准测量的观测顺序：水准测量施测顺序如图232所示，图中A为已知高程的点，B为待求高程的点。1在已知高程的起始点A上竖立水准尺，作为后视尺；2在测量前进方向离起点不超过150m处设立第一个转点Z1，必要时可放置尺垫，并竖立水准尺，作为前视尺。3在离这两点等
16、距离处I安置水准仪。仪器粗略整平后，先照准起始点A上的水准尺，用微倾螺旋使气泡符合后，读取A点的后视读数，并记入手簿；4然后照准转点Z1上的水准尺，气泡符合后读取Z1点的前视读数。把读数记入手簿，并计算出这两点间的高差。此时就算是完成了一个测站的观测过程。5将仪器迁至第二站，此时在转点Z1处的水准尺不动，仅把尺面转向前进方向。在A点的水准尺向前转移，水准尺安置在与第一站有同样间距的转点Z2，按在第I站同样的步骤和方法读取后视读数和前视读数，并计算出高差。这样九完成了第二站高差的观测。6如此继续进行直到待求高程点B。图 232（二）注意事项1在已知高程点上立尺，直接放在标石中心（或木桩）上；2仪
17、器到前后水准尺的距离要大致相等，可用视距或脚步量测确定；3水准尺要扶直，不能前后左右倾斜；4尺垫仅用于转点，仪器搬站前，不能移动后视点的尺垫；5记录数据时不得涂改原始记录，有误或记错的数据应划去，再将正确数据写在上方，并在备注栏内注明原因。使记录簿干净、整齐。（三）水准测量观测记录观测所得每一读数应立即记入手簿，水准测量手簿格式见实习手簿。填写时应注意把各个读数正确地填写在相应的行和栏内。例如仪器在测站I时，起点A上所得水准尺读数应记入该点的后视读数栏内，照准转点Z1所得读数应记入Z1点的前视读数栏内。后视读数减前视读数得A、Z1两点的高差+记入高差栏内。以后各测站观测所得均按同样方法记录和计
18、算。各测站所得的高差代数和，就是从起点A到终点B总的高差。终点B的高程等于起点A的高程A、B间的高差。因为测量的目的是求B点的高程，所以各转点的高程不需计算。为了节省手簿的篇幅，在实际工作中常把水准手簿格式简化格式（见实习手簿）。这种格式实际上是把同一转点的后视读数和前视读数合并填在同一行内，两点间的高差则一律填写在该测站前视读数的同一行内。其他计算和检核均相同。在每一测段结束后或手簿上每一页之末，必须进行计算检核。检查后视读数之和减去前视读数之和是否等于各站高差之和，并等于终点高程减起点高程。如不相等，则计算中必有错误，应进行检查。但应注意这种检核只能检查计算工作有无错误，而不能检查出测量过
19、程中所产生的错误，如读错记错等。检查测量过程中的差错，要采用下面将要叙述的方法。三、水准测量成果的检核为了保证水准测量成果的正确可靠，在进行内业计算前，对水准测量的成果必须进行检核。检核方法有测站检核和水准路线检核两种：(一) 测站检核为防止在一个测站上发生错误而导致整个水准路线结果的错误，可在每个测站上对观测结果进行检核，方法如下：1. 两次仪器高法 在每个测站上一次测得两转点间的高差后，改变一下水准仪的高度，再次测量两转点间的高差。对于一般水准测量，当两次所得高差之差小于5mm时可认为合格，取其平均值作为该测站所得高差，否则应进行检查或重测。2. 双面尺法 利用双面水准尺分别由黑面和红面读
20、数得出的高差，扣除一对水准尺的常数差后，两个高差之差小于5mm时可认为合格，否则应进行检查或重测。用双面尺进行水准测量的检核方法具体方法以后在讲。(二) 水准路线的检核1. 附合水准路线 为使测量成果得到可靠的检核，最好把水准路线布设成附合水准路线。对于附合水准路线，理论上在两已知高程水准点间所测得各站高差之和应等于起迄两水准点间高程之差。即如果它们不能相等，其差值称为高程闭合差，用表示。所以附合水准路线的高程闭合差为：高程闭合差的大小在一定程度上反映了测量成果的质量。2. 闭合水准路线 在闭合水准路线上亦可对测量成果进行检核。对于闭合水准路线，因为它起迄于同一个点，所以理论上全线各站高差之和
21、应等于零。即如果高差之和不等于零，则其差值即就是闭合水准路线的高程闭合差。即3. 水准支线 水准支线必须在起终点间用往返测进行检核。理论上往返测所得高差的绝对值应相等，但符号相反，或者是往返测高差的代数和应等于零。即如果往返测高差的代数和不等于零，其值即为水准支线的高程闭合差。即有时也可以用两组并测来代替一组的往返测以加快工作进度。两组所得高差应相等，若不等，其差值即为水准支线的高程闭合差。故闭合差的大小反映了测量成果的精度。在各种不同性质的水准测量中，都规定了高程闭合差的限值即容许高程闭合差，用表示。一般水准测量的容许高程闭合差为：式中L为附合水准路线或闭合水准路线的长度，在水准支线上，L为
22、测段的长，均以公里为单位，n为测站数。当实际闭合差小于容许闭合差时，表示观测精度满足要求，否则应对外业资料进行检查，甚至返工重测。四、闭合差的调整和高程的计算当实际的高程闭合差在容许值以内时，可把闭合差分配到各测段的高差上。显然，高程测量的误差是随水准路线的长度或测站数的增加而增加，所以分配的原则是把闭合差以相反的符号根据各测段路线的长度或测站数按比例分配到各测段的高差上。故各测段高差的改正数为：或式中和分别为各测段路线之长和测站数；和分别为水准路线总长和测站总数。举例说明：书P24，算例。对于水准支线，应将高程闭合差按相反的符号平均分配在往测和返测所得的高差值上。【例】在A、B两点间进行往返
23、水准测量，已知HA=8.475m，A、B间线路长L=3km，求改正后的B点高程。实际高程闭合差容许高程闭合差，故精度符合要求。改正后往测高差改正后返测高差故B点高程。2-5 水准仪的检验与校正1圆水准器的检验与校正检验方法：转脚螺旋使圆水准器气泡居中，然后将仪器上部在水平方向绕竖轴旋转180，若气泡仍居中，则表示圆水准器轴已平行于竖轴，若气泡偏离中央则需进行校正。校正方法 用脚螺旋使气泡向中央方向移动偏离量的一半，然后拨圆水准器的校正螺旋使气泡居中。由于一次拨动不易使圆水准器校正得很完善，所以需重复上述的检验和校正，使仪器上部旋转到任何位置气泡都能居中为止；2望远镜十字丝的检验与校正检验方法
24、先用横丝的一端照准一固定的目标或在水准尺上读一读数，然后用微动螺旋转动望远镜，用横丝的另一端观测同一目标或读数。如果目标仍在横丝上或水准尺上读数不变，说明横丝已与竖轴垂直。若目标偏离了横丝或水准尺读数有变化，则说明横丝与竖轴没有垂直，应予校正校正方法 打开十字丝分划板的护罩，可见到三个或四个分划板的固定螺丝。松开这些固定螺丝，用手转动十字丝分划板座，反复试验使横丝的两端都能与目标重合或使横丝两端所得水准尺读数相同，则校正完成。最后旋紧所有固定螺丝；3水准管轴平行与视准轴的检验与校正检验方法 在平坦地面选相距80100m的A、B两点，在两点打入木桩或设置尺垫。水准仪首先置于离A、B等距的I点，测
25、得A、B两点的高差 若视准轴与水准管轴不平行而构成i角，由于仪器至A、B两点的距离相等，因此由于视准轴倾斜，而在前、后视读数所产生的误差x也相等，所以所得的是A、B两点的正确高差。然后把水准仪移到AB延长方向上靠近B的点，再次测A、B两点的高差，必须仍把A作为后视点，根据正确高差可求出A尺的正确读数设A尺的实际读数为a2，若a2= a2,说明满足条件。当a2 a2, 说明视准轴向下倾斜；a2 a2,说明视准轴向上倾斜。若a2 a23mm时，需要校正。校正方法：为了使水准管轴和视准轴平行，用微倾螺旋，使十字丝的横丝切于A尺的正确读数a2处，此时视准轴由倾斜位置改变到水平位置，但水准管也因随之变动
26、而气泡不再符合。用校正针拨动水准管一端的校正螺旋使气泡符合，则水准管轴也处于水平位置从而使水准管轴平行于视准轴。校正时先松动左右两校正螺旋，然后拨上下两校正螺旋使气泡符合。拨动上下校正螺旋时，应先松一个再紧另一个逐渐改正，当最后校正完毕时，所有校正螺旋都应适度旋紧。2-6 水准测量误差及其消减方法测量工作中由于仪器、人、环境等各种因素的影响，使测量成果中都带有误差。为了保证测量成果的精度，需要分析研究产生误差的原因，并采取措施消除和减小误差的影响。水准测量中误差的主要来源如下：一、仪器误差(一) 视准轴与水准管轴不平行引起的误差仪器虽经过校正，但i角仍会有微小的残余误差。当在测量时如能保持前视
27、和后视的距离相等，这种误差就能消除。当因某种原因某一测站的前视(或后视)距离较大，那么就在下一测站上使后视(或前视)距离较大，使误差得到补偿。(二) 调焦引起的误差当调焦时，调焦透镜光心移动的轨迹和望远镜光轴不重合，则改变调焦就会引起视准轴的改变，从而改变了视准轴与水准管轴的关系。如果在测量中保持前视后视距离相等，就可在前视和后视读数过程中不改变调焦，避免因调焦而引起的误差。(三) 水准尺的误差水准尺的误差包括分划误差和尺身构造上的误差，构造上的误差如零点误差和箱尺的接头误差。所以使用前应对水准尺进行检验。水准尺的主要误差是每米真长的误差，它具有积累性质，高差愈大误差也愈大。对于误差过大的应在
28、成果中加入尺长改正。二、观测误差(一) 气泡居中误差视线水平是以气泡居中或符合为根据的，但气泡的居中或符合都是凭肉眼来判断，不能绝对准确。气泡居中的精度也就是水准管的灵敏度，它主要决定于水准管的分划值。一般认为水准管居中的误差约为分划值，它对水准尺读数产生的误差为：式中为水准管的分划值，s为视线长。符合水准器气泡居中的误差大约是直接观察气泡居中误差的。为了减小气泡居中误差的影响，应对视线长加以限制，观测时应使气泡精确地居中或符合。(二) 估读水准尺分划的误差水准尺上的毫米数都是估读的，估读的误差决定于视场中十字丝和厘米分划的宽度，所以估读误差与望远镜的放大率及视线的长度有关。通常在望远镜中十字
29、丝的宽度为厘米分划宽度的十分之一时，能准确估读出毫米数。所以在各种等级的水准测量中，对望远镜的放大率和视线长的限制都有一定的要求。此外，在观测中还应注意消除视差，并避免在成像不清晰时进行观测。(三) 扶水准尺不直的误差水准尺没有扶直，无论向哪一侧倾斜都使读数偏大。这种误差随尺的倾斜角和读数的增大而增大。例如尺有3的倾斜，读数为1.5m时，可产生2mm的误差。为使尺能扶直，水准尺上最好装有水准器。没有水准器时，可采用摇尺法，读数时把尺的上端在视线方向前后来回摆动，当视线水平时，观测到的最小读数就是尺扶直时的读数(图261)。这种误差在前后视读数中均可发生，所以在计算高差时可以抵消一部分。 图 2
30、61三、外界环境的影响(一) 仪器下沉和水准尺下沉的误差1. 仪器下沉的误差 在读取后视读数和前视读数之间若仪器下沉了，由于前视读数减少了从而使高差增大了(图262)。在松软的土地上，每一测站都可能产生这种误差。当采 图 262用双面尺或两次仪器高时，第二次观测可先读前视点B，然后读后视点A，则可使所得高差偏小，两次高差的平均值可消除一部分仪器下沉的误差。用往测、返测时，亦因同样的原因可消除部分的误差。2. 水准尺下沉的误差 在仪器从一个测站迁到下一个测站的过程中，若转点下沉了，则使下一测站的后视读数偏大，使高差也增大(图263)。在同样情况下返测，则使高差的绝对值减小。所以取往返测的平均高差
31、，可以减弱水准尺下沉的影响。图 263当然，在进行水准测量时，必须选择坚实的地点安置仪器和转点，避免仪器和尺的下沉。(二) 地球曲率和大气折光的误差1. 地球曲率引起的误差 理论上水准测量应根据水准面来求出两点的高差(图264)，但视准轴是一直线，因此使读数中含有由地球曲率引起的误差p，p可以参照公式(15)写出：式中s为视线长，R为地球的半径。图 2642. 大气折光引起的误差 水平视线经过密度不同的空气层被折射，一般情况下形成一向下弯曲的曲线，它与理论水平线所得读数之差，就是由大气折光引起的误差r(图264)。实验得出：大气折光误差比地球曲率误差要小，是地球曲率误差的K倍，在一般大气情况下，故所以水平视线在水准尺上的实际读数位于，它与按水准面得出的读数b之差，就是地球曲率和大气折光总的影响值f。故 当前视后视距离相等时，这种误差在计算高差时可自行消除。但是离近地面的大气折光变化十分复杂，在同一测站的前视和后视距离上就可能不同，所以即使保持前视后视距离相等，大气折光误差也不能完全消除。由于f值与距离的平方成正比，所以限制视线的长可以使这种误差大为减小，此外使视线离地面尽可能高些，
