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第二章第二章第二章第二章水准测量水准测量水准测量水准测量高程是确定地面点位置的一个要素,水准测量是测定地面点高程的主要方法之一。第一节第一节第一节第一节水准测量原理水准测量原理水准测量原理水准测量原理一、水准测量原理水准测量的原理是借助仪器提供的水平视线，配合水准尺测定地面上两点间的高差,然后根据已知点的高程来推求未知点的高程。如图2—1所示,已知A点高程为HA,要测出B点高程HB,只要在A、B两点间安置一架能提供水平视线的仪器——水准仪,并在A、B两点各竖立水准尺,利用水平视线分别读出A点尺子上的读数a及B点尺子上读数b,则A、B两点间的高差为bahAB-=(2-1)如果测量是由A→B的方向前进，则A点称为后视点，B点称为前视点，a及b分别为后视读数和前视读数，两点间的高差就等于后视读数减去前视读数。如果B点高于A点,则高差为正,反之，高差为负。图图图图2222----1111二、计算高程的方法(一)由高差计算高程B点(未知点)的高程等于A点(已知点)的高程加上两点间的高差，即)(baHhHHAABAB-+=+=(2-2)(二)由视线高程计算高程由图2—1可知，A点高程加后视读数等于仪器视线的高程，设视线高程为Hi，即aHHAi+=则B点高程等于视线高程减去前视读数，即baHbHHAiB-+=-=)((2-3)第二节第二节第二节第二节水准仪和水准尺水准仪和水准尺水准仪和水准尺水准仪和水准尺一、水准仪水准仪的种类包括微倾式水准仪、自动安平水准仪和电子水准仪。通过调整水准仪微倾螺旋，使管水准气泡居中获得水平视线的水准仪称为微倾式水准仪；而通过补偿器工作获得水平视线读数的水准仪称为自动安平水准仪；电子水准仪则是在望远镜光路中增加了分光镜和光电探测器（CCD阵列）等部件，并采用条形码分划水准尺和图象处理电子系统构成的光、机、电及信息存储与处理的一体化水准测量系统。国产微倾式水准仪的型号有DS05、DS1、DS3、DS10，字母D、S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，字母后的数字表示以mm为单位的、仪器每公里往返测高差中数的偶然中误差，DS05、DS1、DS3、DS10水准仪的中误差分别为±0.5mm、±1mm、±3mm、±10mm，其中，DS05、DS1水准仪为精密水准仪，用于国家一、二等水准测量和精密工程测量；DS3、DS10水准仪为普通水准仪，用于国家三、四等水准测量和常规工程测量。图2—2是我国生产的DS3型微倾式水准仪。它主要由望远镜、水准器及基座三个部分组成。水准仪通过基座与三脚架连接,支承在三脚架上。基座上装有一个圆水准器。下面有三个脚螺旋,用以粗略整平仪器。望远镜一侧装有管状水准器,其下端装有一个能使望远镜作微小上下仰俯动作的微倾螺旋,转动微倾螺旋使管水准器随望远镜上下仰俯，当气泡居中时,望远镜中的视线便呈水平位置，以简化精密整平仪器的工作。水准仪在水平方向的转动是由一对水平制动螺旋和水平微动螺旋来控制的。1-准星；2-物镜；3-微动螺旋；4-制动螺旋；5-符合水准器观测镜；6-水准管；7-水准盒；8-校正螺丝；9-照门；10-目镜；11-目镜对光螺旋；12-物镜对光螺旋；13-微倾螺旋；14-基座；15-脚螺旋；16-连接板图图图图2222----2222自动安平水准仪是利用安装在望远镜内的自动补偿器,自动获得水平视线的一种水准仪。补偿器安装在调焦镜与十字丝分划板之间,以取代管水准器,只要圆水准器气泡居中,即使是望远镜稍有倾斜,也能在十字丝上读得水平视线时的读数,从而加快了水准测量的进度。此外,不仅克服了管水准器受温度影响的缺点,还由于仪器整置不当,地面有微小的振动或脚架不规则下沉等因素造成的视线不水平,也可由补偿器迅速调整,而得到正确读数,从而提高了水准测量的精度。图2—3是我国苏州一光仪器厂生产的DSZ2自动安平水准仪，图2—4是DSZ2自动安平水准仪的补偿器结构。图图图图2-3图图图图2-4电子水准仪可被认为是自动安平水准仪、CCD相机、微处理器和条形码尺组合成的一个几何水准自动测量系统。另外，仪器光学系统的结构将视准光束的一部分按一般光路行进，因此，电子水准仪仍可进行与光学水准仪一样的读数。20世纪90年代，已相继有瑞士Leica(徕卡)，日本TOPCON(拓普康)和德国ZEISS(蔡司)推出不同类型的电子水准仪，如Leica的NA3003、NA2002；TOPCON的DL101、DL102；ZEISS的DINI10和DINI20。图2—5是徕卡DNA03中文电子水准仪，图2—6是拓普康DL-111C电子水准仪。电子水准仪按每公里高差的偶然中误差可区分为两个档次，即相应于我国水准仪系列分级DS05级的精密级电子水准仪，其出厂指标为0.3mm～0.4mm/km；和相应于DS1的中等精度电子水准仪，出厂指标为0.7mm～1.0mm/km。图图图图2-5图图图图2-6((((一一一一))))望远镜望远镜望远镜望远镜望远镜是用来瞄准远方目标的，主要作用是使目标成像清晰、扩大视角，以精确照准目标。主要由物镜、十字丝分划板、调焦镜、目镜等组成。由于物镜调焦构造不同,望远镜有外对光望远镜和内对光望远镜两种。图2—7是内对光望远镜,转动对光螺旋时，对光凹透镜前后移动,进行调焦。这种望远镜的优点是：密封性好,灰尘、潮气不易侵入；镜筒短,使用方便；对光时物镜位置不变,仪器稳定,目前测量仪器上的望远镜都是内对光式的，不采用外对光望远镜。图图图图2-7图2-8是内对光望远镜成像原理。图图图图2222----8888目标通过物镜及调焦凹透镜的作用,在十字丝面上形成一个倒立的小实像,再经过目镜的放大作用,使目标的像和十字丝同时扩大成虚像。放大的虚像的视角与用眼睛直接看到目标大小的视角的比值叫做望远镜的放大倍率,用V表示,它是鉴别望远镜质量的主要指标,一般工程中常用的普通水准仪的放大倍率为18～30倍。由于目标有远有近,人的视力也不一样,为了使目标的像总是成在十字丝平面上,就需要调节物镜对光螺旋。望远镜上还装有目镜对光螺旋,可以调节目镜位置,使我们能够看清十字丝。十字丝是刻在十字丝分划板上,通过十字丝环用三个校正螺丝固定在望远镜镜筒上的。十字丝交点和物镜光心的连线称为视准轴(也称视线)。当视准轴对准目标时,就是照准了。((((二二二二))))水准器水准器水准器水准器水准仪上的水准器是用来指示视线是否水平或竖轴是否竖直的。水准器分圆水准器和长水准器(又称水准管)两种。圆水准器一般装在基座上,作粗略整平、使竖轴竖直之用；长水准管和望远镜连在一起,供精确调平视线之用。长水准管是把一个玻璃管的纵向内壁磨成圆弧,内装酒精和乙醚的混合液,经加热后密封而成的,待液体冷却后形成一个气泡。由于气泡较轻,恒处于管的最高处。水准管圆弧的中点，称为水准管零点；过水准管零点的切线LL称为水准管轴，如图2-9所示。当气泡两端与零点成对称,如图2-9所示的情况时,称为气泡居中,这时水准管轴水平。如果水准管轴与望远镜的视准轴平行,气泡居中时,视准轴就处于水平位置。图图图图2222----9999图图图图2222----10101010图图图图2222----11111111水准管上一般自零点向两端每间隔2mm刻有分划线,如图2-9所示，用以观察气泡居中。每2mm弧长所对的圆心角τ称为水准管分划值，即τ=2/R·ρ″（2-4）式中：ρ″——一弧度相应的秒值，为20265″；R——水准管圆弧半径（mm）。水准管分划值τ是水准管性能的指标,工程上常用水准仪的水准管分划值有20″、30″和60″三种。分划值越小,水准管越灵敏,用来整平仪器的精度越高。一般水准仪都在长水准管上方设置一组棱镜,通过棱镜的折光作用,使气泡两端的像映在望远镜旁的观察小窗内,如图2-10所示。当两半个气泡的像错开,表示气泡不居中；转动微倾螺旋使两半个气泡的像吻合时,则表示气泡居中。这种具有棱镜装置的水准管称为符合水准管,它能提高气泡居中的精度。圆水准器是一个顶部内表面磨成球面的玻璃圆盒,通过球面中点的球半径LL′′称为圆水准器轴(图2-11),当气泡居中时,圆水准器轴处于铅垂位置。如果圆水准气泡居中,竖轴即处于铅垂位置。常用的圆水准器分划值有4′、8′、15′几种,灵敏度较低,只能用于粗略整平。圆水准器用一松紧螺丝固定在金属盒内,并有三个校正螺丝,可以调整其位置。((((三三三三))))基座基座基座基座基座主要有轴座、脚螺旋和连接板组成,起支承仪器上部和与三脚架连接的作用。二、水准尺与尺垫水准尺（图2-12）是进行水准测量时用以读数的重要工具。尺长一般为3m～5m,尺底从零开始,每隔1cm涂有黑白或红白相间的分格,每分米注一数字。水准尺按尺面分为单面尺和双面尺两种；按尺形分为直尺、折尺、塔尺等三种。与精密水准仪配套的是铟瓦水准尺（图2-13），与电子水准仪配套的是条形码尺（图2-14）。双面水准尺一面为黑面,分划黑白相间,为主尺；另一面为红面,分划红白相间,为辅尺。双面水准尺必须成对使用。两根水准尺黑面底部的起始数均为零,而红面底部的起始数分别为4687mm和4787mm,用以检校读数。尺垫一般制成三角形铸铁块,中央有一突起的半圆球体,如图2-15所示。立尺前先将尺垫用脚踩实,然后竖立水准尺于半圆球体顶上,它的作用在于防止水准尺下沉及尺子转动时不改变其高程。图图图图2222----12121212图图图图2222----13131313图图图图2222----14141414图图图图2222----15151515第三节第三节第三节第三节水准仪的使用水准仪的使用水准仪的使用水准仪的使用一、水准仪的安置在选好的测站上,先打开三脚架,用中心连接螺旋将仪器固定在架头上,然后将三脚架的两条腿踩入泥土中,前、后、左、右移动第三条腿,使架头大致水平,同时将第三条腿也踩入泥土中。二、粗平粗平的工作是通过旋转脚螺旋使圆水准器的气泡居中。其步骤是:如图2-16(a)所示,首先用两手同时向内或向外旋转脚螺旋1和2，使偏离中心的气泡沿1、2两脚螺旋的平行方向移动到图2-16(b)所示的位置(气泡移动的方向与左手大拇指移动的方向一致)；然后再转动脚螺旋3,使气泡居中,这时，仪器的竖轴已大致处于铅垂位置。图图图图2222----16161616三、瞄准仪器概略整平后,即可使用望远镜瞄准水准尺,其操作步骤如下:1.调节目镜根据观测者的视力,转动目镜调节螺旋,使十字丝看得十分清晰。2.初步瞄准松开制动螺旋,转动望远镜,利用望远镜上的缺口和准星,瞄准水准尺,瞄准后拧紧制动螺旋。3、对光和瞄准转动物镜对光螺旋,使尺面的像看得十分清楚。转动望远镜微动螺旋,使十字丝对准尺面中央。4、消除视差瞄准目标时,应使尺子的像落在十字丝平面上,否则当眼睛靠近目镜上下微微晃动时,可发现十字丝横丝在水准尺上的读数也随之变动,如图2-17(a)所示,这种现象称为十字丝视差。由于视差影响着读数的正确性,因此必须加以消除。消除的方法是再仔细地反复交替调节目镜和物镜对光螺旋,直至象面与十字丝面重合，使读数不变为止,如图2—17(b)所示。图图图图2222----17171717四、读数用望远镜瞄准水准尺后,读数前必须转动微倾螺旋,使水准管气泡居中，达到视线水平才能读数。如图2—18（a）所示,黑面中丝读数为1.608m(估读至毫米)，如图2—18（b）所示,红面中丝读数为6.295m。读数后再检查气泡是否居中,否则应重新调整,再次读数。应该注意,读完后视读数后,仪器转到前视方向,仍要利用微倾螺旋调整水准管气泡居中(但不能转动脚螺旋使水准管气泡居中),再进行读数。图图图图2222----18181818第四节第四节第四节第四节水准测量的实施水准测量的实施水准测量的实施水准测量的实施若地面两点相距不远时,安置一次仪器(安置仪器的位置称为测站)就可以直接测定两点间的高差。但当地面上两点相距较远或高差较大时,安置一站仪器难以测得两点的高差,因此，必须依图2-19所示,在A、B两点之间增设若干临时立尺点,把A、B分成若干站,逐