水平仪测量高程的方法和步骤

　　内容：理解水准测量的基本原理；掌握 DS3 型微倾式水准仪、自动安平水准仪的构造特点、水准尺和尺垫；掌握水准仪的使用及检校方法；掌握水准测量的外业实施（观测、记录和检核）及内业数据处理（高差闭合差的调整）方法；了解水准测量的注意事项、精密水准仪和电子水准仪的构造及操作方法。

　　重点：水准测量原理；水准测量的外业实施及内业数据处理。

　　难点：水准仪的检验与校正。

　　§2.1 高程测量（ Height Measurement ）的概念

　　测量地面上各点高程的工作 , 称为高程测量。高程测量根据所使用的仪器和施测方法的不同，分为：

　　（1）水准测量 (leveling)

　　（2）三角高程测量 (trigonometric leveling)

　　（3）气压高程测量 (air pressure leveling)

　　（4）GPS 测量 (GPS leveling)

　　§2.2 水准测量原理

　　一、基本原理

　　水准测量的原理是利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程。

　　a —— 后视读数 A —— 后视点

　　b —— 前视读数 B —— 前视点

　　1、A 、 B 两点间高差：

　　2、测得两点间高差 后，若已知 A 点高程 ，则可得B点的高程：。

　　3、视线高程：

　　4、转点 TP(turning point) 的概念：当地面上两点的距离较远，或两点的高差太大，放置一次仪器不能测定其高差时，就需增设若干个临时传递高程的立尺点，称为转点。

　　二、连续水准测量

　　如图所示，在实际水准测量中， A 、 B 两点间高差较大或相距较远，安置一次水准仪不能测定两点之间的高差。此时有必要沿 A 、 B 的水准路线增设若干个必要的临时立尺点，即转点（用作传递高程）。根据水准测量的原理依次连续地在两个立尺中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，求和得到 A 、 B 两点间的高差值，有：

　　h 1=a 1 － b 1

　　h 2=a 2 － b 2

　　……

　　则： h AB=h 1 + h 2 +…… + h n=Σ h=Σ a － Σ b

　　结论： A 、 B 两点间的高差 等于后视读数之和减去前视读数之和。

　　§ 2.3 水准仪和水准尺

　　一、水准仪 (level)

　　如图所示，由望远镜、水准器和基座三部分组成。

　　DS3 微倾式水准仪　　　　　　　　　　 自动安平水准仪

　　1、望远镜 (telescope) ——由物镜、目镜和十字丝（上、中、下丝）三部分组成。

　　2、水准器 (bubble) 有两种：

　　圆水准器 (circular bubble) ——精度低，用于粗略整平；水准管 (bubble tube) ——精度高，用于精平。

　　特性：气泡始终位于高处，气泡在哪处，说明哪处高。

　　3、基座 (tribrach)

　　二、水准尺 (leveling staff)

　　水准尺主要有：单面尺、双面尺和塔尺。

　　1、尺面分划为 1cm ，每 10cm 处（ E 字形刻划的尖端）注有阿拉伯数字。

　　2、双面尺的红面尺底刻划：一把为 4687mm ，另一把为 4787mm 。

　　三、尺垫 (staff plate)

　　放置在转点上，为防止观测过程中水准尺下沉。

　　四、 水准仪的使用

　　操作程序：粗平——瞄准——精平——读数

　　（一）粗平——调节脚螺旋，使圆水准气泡居中。

　　1、方法：对向转动脚螺旋 1 、 2 ——使气泡移至 1 、 2 方向的中间——转动脚螺旋 3 ，使气泡居中。

　　2、规律：气泡移动方向与左手大拇指运动的方向一致。

　　（二）瞄准

　　1、方法：先用准星器粗瞄，再用微动螺旋精瞄。

　　2、视差

　　概念：眼睛在目镜端上下移动时，十字丝与目标像有相对运动。

　　产生原因：目标像平面与十字丝平面不重合。

　　消除方法：仔细反复交替调节目镜和物镜对光螺旋。

　　（三）精平

　　1、方法：如图所示微倾式水准仪 (tilt level) ，调节微倾螺旋，使水准管气泡成像抛物线符合。

　　2、说明：若使用自动安平水准仪（ compensator level ），仪器无微倾螺旋，故不需进行精平工作。

　　（四）读数——精平后，用十字丝的中丝在水准尺上读数。

　　1、方法：从小数向大数读，读四位。米、分米看尺面上的注记，厘米数尺面上的格数，毫米估读。

　　2、规律：读数在尺面上由小到大的方向读。故对于望远镜成倒像的仪器，即从上往下读，望远镜成正像的仪器，即从下往上读。如图所示，从小向大读四位数为 0.725 米 。

　　§ 2.4 水准测量的实施与成果整理

　　一、水准点 (Bench Mark)

　　通过水准测量方法获得其高程的高程控制点，称为水准点 BM ，一般用表示。有永久性和临时性两种。（见图）

　　二、水准路线 (leveling line)

　　水准路线依据工程的性质和测区情况，可布设成以下几种形式：

　　1、闭合水准路线 (closed leveling line) 。由已知点 BM1 ——已知点 BM1

　　2、附合水准路线 (annexed leveling line) 。由已知点 BM1 ——已知点 BM2

　　3、支水准路线 (spur leveling line) 。 由已知点 BM1 ——某一待定水准点 A 。

　　4、水准网：若干条单一水准路线相互连接构成的图形。

　　三、水准测量的实施（外业）

　　1、观测要求

　　如图，有：

　　（1）水准仪安置在离前、后视距离大致相等之处。

　　（2）为及时发现观测中的错误，通常采用“两次仪器高法”或 “双面尺法”。

　　两次仪器高法：高差之差 h-h'< ±5mm ；双面尺法，①红黑面读数差 <±3mm ② h 黑 -h 红 <±5mm 。

　　2、水准测量记录表

　　注意：（1）起始点只有后视读数，结束点只有前视读数，中间点既有后视读数又有前视读数。

　　（2） ，只表明计算无误，不表明观测和记录无误。

　　四、水准测量的成果处理（内业）

　　（一）计算闭合差：

　　1、闭合水准路线：

　　2、附合水准路线：

　　（二）分配高差闭合差

　　1、高差闭合差限差（容许误差）

　　对于普通水准测量，有：

　　式中， ——高差闭合差限差，单位： mm

　　L ——水准路线长度，单位： km ； n ——测站数

　　2、分配原则：

　　按与距离 L 或测站数 n 成正比，将高差闭合差反号分配到各段高差上。

　　（三）计算各待定点高程

　　用改正后的高差和已知点的高程，来计算各待定点的高程。

　　五、水准测量的成果实例

　　【例】如图为按图根水准测量要求施测某附合水准路线观测成果略图。 BM-A 和 BM-B 为已知高程的水准点，图中箭头表示水准测量前进方向，路线上方的数字为测得的两点间的高差 ( 以 m 为单位 ) ，路线下方数字为该段路线的长度 ( 以 km 为单位 ) ，试计算待定点 1 、 2 、 3 点的高程。

　　解算如下：

　　第一步计算高差闭合差：

　　第二步计算限差：

　　因为 ，可进行闭合差分配。

　　第三步计算每 km 改正数：

　　第四步计算各段高差改正数： 。四舍五入后，使 。

　　故有： V 1=- 8mm ， V 2=- 11mm ， V 3=- 8mm ， V 4=- 10mm 。

　　第五步计算各段改正后高差后，计算 1 、 2 、 3 各点的高程。

　　改正后高差=改正前高差 + 改正数 V i

　　H 1=H BM-A +(h 1 +V 1 )=45.286+2.323=47.609(m)

　　H 2=H 1 +(h 2 +V 2 )=47.509+2.802=50.411(m)

　　H 3=H 2 +(h 3 +V 3 )=50.311-2.252=48.159(m)

　　HBM-B=H 3 +(h 4 +V 4 )=48.059+1.420=49.579(m)

　　可用 EXCEL 软件计算如下图：

　　§ 2.5 水准仪的检验与校正

　　一、水准仪轴线的几何关系

　　水准仪轴线应满足的几何条件是：

　　1、水准管轴 LL// 视准轴 CC

　　2、圆水准轴 L ' L ' // 竖轴 VV

　　3、横丝要水平（即： ⊥ 竖轴 VV ）

　　如下图所示：

　　二、水准仪的检验与校正

　　（一）圆水准器的检验与校正

　　1、检验：气泡居中后，再将仪器绕竖轴旋转 180 °，看气泡是否居中。

　　2、校正：用脚螺旋使气泡向中央移动一半 , 再用拨针拨动三个“校正螺旋”，使气泡居中。

　　（二）十字丝横丝的检验与校正

　　1、检验：

　　整平后，用横丝的一端对准一固定点 P ，转动微动螺旋，看 P 点是否沿着横丝移动。

　　2、校正 ：旋下目镜处的十字丝环外罩，转动左右 2 个“校正螺丝”。

　　（三）水准管轴平行于视准轴（ i 角）的检验与校正

　　1、检验：

　　（1）平坦地上选 A 、 B 两点，约 50m 。

　　（2）在中点 C 架仪，读取 a 1 、 b 1 ，得 h 1=a 1 -b 1

　　（3）在距 B 点约 2 — 3m 处架仪，读取 a 2 、 b 2 ，得 h 2=a 2 -b 2

　　（4）若 h 2 ≠ h 1 , 则水准管轴不平行于视准轴，有 i 角。

　　因为① h1 为正确高差② b2 的误差可忽略不计，故有：

　　对于 S 3 水准仪，若 i 角大于 时，需校正。

　　2、校正方法有二种：

　　（1）校正水准管

　　旋转微倾螺旋，使十字丝横丝对准 (a 2 '=h 1 +b 2 ) ，拨动水准管“校正螺丝”，使水准管气泡居中。

　　（2）校正十字丝——可用于自动安平水准仪

　　保持水准管气泡居中，拨动十字丝上下两个“校正螺丝”，使横丝对准 a 2 ' 。

　　§ 2.6 自动安平、精密、电子水准仪简介

　　一、自动安平水准仪 (compensator level)

　　1、原理——与普通水准仪相比，在望远镜的光路上加了一个补偿器。

　　2、使用——粗平后，望远镜内观察警告指示窗若全部呈绿色，方可读数；最好状态是指示窗的三角形尖顶与横指标线平齐。

　　3、检校——与精通水准仪相比，要增加一项补偿器的检验，即：转动脚螺旋，看警告指示窗是否出现红色；以此来检查补偿器是否失灵。

　　二、精密水准仪 （ precise level ） （每公里往返平均高差中误差 1mm ）

　　1、精密水准仪 —— 提供精确的水平视线和精确读数。

　　精密水准仪

　　2、精密水准尺 —— 刻度精确 ( 铟钢带水准尺 invar leveling staff) 。

　　3、读数方法

　　（1）精平后，转动测微螺旋，使十字丝的楔形丝精确夹准某一整分划线。

　　（2）读数时，将整分划值和测微器中的读数合起来。如 : 14865.0mm 。

　　三、数字水准仪 (digital level) 及条纹码水准尺 (coding level staff)

　　1、具有自动安平、显示读数和视距功能。

　　2、能与计算机数据通讯，避免了人为观测误差。

　　§ 2.7 水准测量误差及注意事项

　　来源有：仪器误差、操作误差、外界条件影响。

　　一、仪器误差

　　主要有：视准轴不平行于水准管轴（ i 角）的误差、水准尺误差

　　二、操作误差

　　主要有：水准气泡未严格居中、视差、估读误差、水准尺未竖直。

　　三、外界条件影响的误差

　　主要有：仪器下沉、尺垫下沉、地球曲率、大气折光、气温和风力。

　　四、水准测量的注意事项：

　　(一）观测：

　　1、观测前应认真按要求检验水准仪和水准尺；

　　2、仪器应安置在土质坚实处，并踩实三角架；

　　3、前后视距应尽可能相等；

　　4、每次读数前要消除视差，只有当符合水准气泡居中后才能读数；

　　5、注意对仪器的保护，做到 “ 人不离仪器 ” ；

　　6、只有当一测站记录计算合格后才能搬站，搬站时先检查仪器连接螺旋是否固紧，一手托住仪器，一手握住脚架稳步前进。

　　（二）记录：