水准测量

水准测量确定地面点高程的测量工作，称为高程测量。根据所使用的仪器和施测方法的不同，分为水准测量、三角高程测量、气压高程测量及流体静力水准测量和GPS高程测量等。其中，水准测量是高程测量中最精密、最常用的方法。本章主要介绍水准测量的原理、水准仪的使用、水准测量的施测方法以及水准测量成果计算等内容。第一节水准测量原理水准测量是利用水准仪和水准标尺，根据水平视线原理测定两点间高差的测量方法。测定待测点高程的方法有两种：高差法和仪高法。一、高差法如图2—l所示，若A点的高程已知为，欲测定B点的高程．施测时在A、B两点上分别竖立一根水准标尺（简称水准尺），井在A、B两点间安置水准仪，照准A点标尺，利用水准仪提供的水平视线读出标尺上的读数为a，再照准B点的标尺，用水准仪的水平视线读出读数为b，则B点对于A点的高差为：＝a－b（2—1）B点的高程为；（2—2）在此施测过程中，A点为已知高程点，B点为待测定高程的点，测量是由A点向B点为前进方向，故称A点为后视点，B点为前视点；a为后视读数，b为前视读数。由上述可知：测定待定点与已知点之间的高差，就可以求算得待定点的高程。用文字表述(2—1)式，则为：两点间高差等于后视读数减去前视读数。相对来说，读数小表示地面点高，读数大表示地面点低。为此，高差有正、负之分；当为正值时，即表示前视点B比后视点A高；为负值时，表示B点比A点低。在计算高程时，高差应连同其符号一并运算。在书写时，必须注意h的下标，是表示B点相对于A点的高差。若高差写作，则表示A点相对于B点的高差。与的绝对值是相等的，但符号相反。上述利用高差计算待测点高程的方法，叫高差法。二、仪高法由图2—1可以看出，是仪器水平视线的高程，通常叫视线高程或仪器高程，简称仪高。前视点高程也可以通过仪高，求得。仪高法的观测方法与高差法完全相同。计算时，先算出仪高。如图2—2所示，仪高等于后视点高程加后视读数，即：＝十a(2—3)则B点、M点、N点的高程可用下式分别计算：＝－b＝－m＝－n(2—4)用文字表示(2—4)式，则为：前视点高程等于仪高减去前视读数。仪高法是计算一次仪高，就可以简便地测算几个前视点的高程。因此，当安置一次仪器，同时需要测出数个前视点的高程时，使用仪高法是比较方便的。因此，在建筑工程测量中仪高法被广泛地应用。这里需要注意：前视与后视的概念一定耍弄清楚，不能误解为往前看或往后看所得的尺读数。综上所述，高差法与仪高法都是利用水准仪提供的水平视线测定地面点高程。如果视线不水平，上述公式不成立，测算将发生错误。因此，望远镜视线水于是水准测量过程中要时刻牢记的关键操作。此外，施测过程中，水准仪安置的高度对测算地面点高程并无影响。因此，只要当水准仪的视线水平时，能在前、后视的标尺上读数即可。第二节水准仪及其使用一、自动安平水准仪自动安平水准仪亦称补偿器水准仪，它的构造特点是没有水准管和徽倾螺旋，而是利用自动安干补偿器代替水准管和微倾螺旋。使用时只要使圆水准器的气泡居中，将仪器粗平之后，借助仪器内的补偿器即可读得水平视线时的尺上读数。因此，使用这种仪器，可大大缩短观测时间。另外由于观测时间长，风力和温度变化等原因造成的视线不水平，也可以由“补偿器”迅速调整，而得到水平视线时的尺上读数，从而提高了观测精度。它具有操作简便，速度快、精度稳定、可靠的优点。自动安平水准仪的种类很多，现将北京光学仪器厂生产的AL系列自动安平水准仪作—简要介绍。图2—22是该厂生产的DSZ1.5型自动安平水准仪外形图。该类型仪器广泛应用于国家三、四级水准测量和一般工程及大型机器安装等水准测量。补偿器采用交叉弹性吊丝悬挂反射棱镜的结构形式。为了在视准轴有微小倾斜时也能读得视准轴水平时的数值，在十字丝分划板与调焦透镜之间安装了一个光学补偿器。虽然视准轴有微小的倾斜，但通过物镜光心的水平视线经过补偿器的作用，仍能通过十字丝交点，达到自动安平的目的(达到自动补偿的目的)，从而经过十字丝交点的读数就是视线水平时的读数。自动安平水准仪补偿器的补偿范围—般为±8′，故要求在观测时，首先要进行粗平，然后再照准目标，并进行水准尺读数。自动安平水准仪的使用方法与微倾式水准仪大致相同，即：（1）安置仪器、高度适中；（2）粗平(转动脚螺旋使圆水准器气泡居中)；（3）照准水准尺(注意消除视差)；（4）进行水准尺读数(一般当圆水准器气泡居中后2s内，便可进行水准尺读数)。通常自动安平水准仪的目镜下方安装有补偿器控制按钮，观测时，轻轻按动按钮，若尺上读数无变化，则说明补偿器处于正常的工作状态，否则应进行检修。此按钮用于进行校核读数。在使用、携带和运输自动安平水准仪的过程中，应尽量减少和避免剧烈振动、以免损坏补偿器。二、水准尺和尺垫（一）水准尺配合水准仪进行水准测量的标尺，称为水准尺．常用的有双面水准尺和塔尺两种。1．双面水准尺双面水准尺又称板尺．如图2—7中（a）、（b）所示。尺长为3m，尺的两面分划格均为lcm，在每一分米处注有两位数，表示从零点到此刻划线的分米值。一面为黑白格相间的分划，称为黑面尺。黑面尺尺底从零起算，另一面为红白格相问的分划，称为红面尺。红面尺尺底以4．687m或4．787m起算。也就是说，双面尺的红面与黑面尺底不是从同一数开始，一般相差4．678m或4．787m．通常是这样的两根水准尺组成一对使用。其目的是为了检核水准测量作业时读数的正确性。为了便于扶尺和竖直，在尺的两侧面装有把手和圆水准器。双面水准尺由于直尺整体性好，故多用于三、四等水准测量的施测。2．塔尺全长5m，由三节尺段套接而成，可以伸缩。如图2—7中（c）所示。尺的底部从零起算，尺面为黑白格相间分划，分划格为lcm或0.5cm；每分米处加一注字，表示从零点到此刻划线的分米值。分米的准确位置有的尺以字顶为准，有的尺以字底为准，使用时要注意认清分米的准确位置。在分米数值上方加的红点数表示米数，如2表示1.2m，3表示2.3m等。塔尺拉出使用时，—定定要注意接合处的卡簧是否卡紧，数值是否连续。由于尺段接头处易于损坏和常有对接不准的差错，故塔尺多用于等外水准测量。当高差不大时，可只用第一节。由于携带方便，塔尺也多用于建筑测量中。（二）尺垫尺垫一般用生铁铸成，如图2—8所示。在长距离的水准测量时，尺垫用作竖立水准尺和标志转点．尺垫中心部位凸起的圆顶，即为置尺的转点。在土质松软地段进行水准测量时，要将三个尖脚牢固地踩入地下，然后将水准尺立于圆顶上。这样，尺子在此转动方向时，高程不会改变。因此，尺垫仅限于高程传递的转点上使用，以防止观测过程中，尺子位置改变而影响读数。三、水准仪的使用使用水准仪的基本操作程序为：安置仪器、粗略整平、对光与照准、精干与读数等。（一）安置仪器将水准仪安置在测站上，安置时，三脚架高度要适中（与观测者身高相适应），架顶面大致水平，用连接螺旋将水准仪固连在三脚架上。（二）粗略整平（简称粗平）粗平是通过转动脚螺旋使圆水准器气泡居中，达到使仪器竖轴竖直，为视准轴在各方向精密水平创造条件。（三）对光与照准（1）目镜对光：用望远镜瞄准目标之前，先调节目镜对光螺旋，使十字丝影像达到最清晰。（2）概略瞄准目标：通过镜简上的缺口和准星瞄准水准尺。（3）物镜对光；转动物镜对光螺旋使水准尺在望远镜内成像达到最清晰。（4）精确照准：用十字丝竖丝照准水准尺边缘或用竖丝平分水准尺，如图2—9所示。以利于用横丝中央部分截取水准尺读数。若尺歪斜，要指挥扶尺者扶正。（5）消除视差：做好对光的标准是不仅目标成像清晰，而且要求必须成像在十字丝分划板平面上，如图2—10（d）所示。如果对光不好，目标的影像未落在十字丝分划板子面上，如图2—10（b）所示。当眼睛在靠近目镜端上下移动时，就会发现十字丝的横丝在水准尺上的读数也随之变动，这种现象称之为视差。若有视差，将直接影响读数的精度，故必须加以消除。（四）精平与读数转动微倾螺旋，使符合水准器气泡两端的半像吻合。如图2—5（c）所示。从而使望远镜视准轴精确地处于水平位置，称为精平。精干后随即读出十字丝横丝在尺上所截位置的米、分米、厘米并估读毫米（共四位数）。进行三、四等水准测量时，要求用横丝读数的瞬间，同时读出上丝与下丝的读数。读数时要首先弄清水准尺的分划与注记，读数时要按照从小到大数值增加方向读。如图2—9中正确的读数为1．273m。精干与读数虽然是两项不同的操作程序，但在水准测量的实施过程中，应该将两项操作视为一个整体。即一边观察气泡，一边观测读数，当气泡吻合后立即读数。读数后还须再检查气泡是否仍吻合。若气泡不吻合，则应重新精于，重新读数。第三节水准测量方法一、水准点和水准路线（一）水准点用水准测量方法测定的高程控制点，称为水准点，简记为BM。水准点分为永久性和临时性两种。永久性水准点是国家有关专业测量单位，按一、二、三、四等，四个精度等级分级，在全国各地建立的国家等级水准点。永久性水准点多用石料，金属或混凝土制成，顶面设置半球状的金屑标志，其顶点表示水准点的高程和位置。如图2—11（a）所示。水准点应埋设在不易损毁的坚实土质内。在城镇，厂矿区可将水准点埋设于基础稳定的建筑物墙角适当高度处，称之为墙上水准点。在冻土带，水准点应深埋在冰冻线以0.5m，称为地下水准点。水准点的高程可在当地测量主管部门索取，作为地形图测绘、工程建设和科学研究引测高程的依据。建筑工地上布设的临时性水准点（只用于一个时期而不需永久保留）通常可将大木桩（一般顶面10cm～10cm）打入地下，桩顶钉一个半球状铁钉来标定，也可以利用稳固的地物，如坚硬的岩石、房角等。如图2—11（b）所示。临时性水准点的绝对高程都是从国家等级水准点上引测的，若引测有困难，可采用相对高程。临时性水准点一般都为等外水准测量的水准点。埋设水准点后，应编号并绘制点位地面略图，在图上要注明定位尺寸、水准点编号和高程，称为点之记，必要时设置指示桩，以便保管和使用。（二）水准路线在一系列水准点间进行水准测量所经过的路线，称为水准路线。为避免在测量成果中存在错误，保证测量成果能达到—定的精度要求，水准测量都要根据测区的实际情况和作业要求布设成某种形式的水准路线，并利用一定的条件来检核测量成果的正确性。水准路线的布设形式主要有闭合水准路线、附合水准路线和支线水准路线三种。1．闭合水准路线如图2—12（a）所示，从水准点出发，沿各待定高程的点1、2、3、4进行水准测量，最后又回到原出发的水准点，这种形成环形的路线，称为闭合水准路线。2．附合水准路线如图2—12（b）所示，从水准点出发，沿各待定高程的点1、2、3进行水准测量，最后附合到另一个水准点。这种在两个已知水准点之间布设的路线，称为附合水准路线。3．支线水准路线如图2—12（c）所示，从水准点出发，沿各待定高程的点1、2、3进行水准测量，这种从一个已知水准点出发，而另一端为未知点的路线，该路线即不自行闭合，也不附合到其他水准点上，称为支线水准路线。二、水准测量方法和记录水准测量—般都是从已知高程的水准点开始，引测未知点的高程。当欲测高程点距水准点较远或高差较大时，或有障碍物遮挡视线时，在两点间仅安置一次仪器难以测得两点间的高差（安置一次仪器只能测定100～200m或高差小于水准尺长度的两点间高差），此时应把两点间距分成若干段，分段连续进行测量。下面分别以高差法和仪高法，用实例说明普通水准测量的施测和记录、计算方法。（一）高差法如图2—13所示，已知A点高程＝43.150m，欲测出B点高程。可先在AB之间增设若干个临时立尺点，将AB路线分成若干段，然后由A点向B点逐段连续安置仪器，分段测定高差。具体观测步骤如下：在距A约100～200m处选定点，分别在A和点竖立水准尺，在距A点与点大致等距离的I处安置水准仪，按规定操作程序，精平后读取A点尺上后视读数。＝1.525m，点尺上前视读数＝0.897m，则A点与点之间高差为：＝－＝0.628m；点的高程＝＋＝43.778m，以上完成第一个测站的观测与计算。然后将水准仪搬至测站ii处安置，将点上的尺面在原处反转过来，变为测站II的后视尺，点A上的尺子向