水准测量仪器的原理及使用「水准测量原理与仪器操作」

水准测量原理与仪器操作

水准测量又名“几何水准测量”，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。

由于不同高程的水准面不平行，沿不同路线测得的两点间高差将有差异，所以在整理国家水准测量成果时，须按所采用的正常高系统加以必要的改正，以求得正确的高程。

一、基本原理

水准测量是利用一条水平视线，并借助水准尺，来测定地面两点间的高差，这样就可由已知点的高程推算出未知点的高程。

结构

根据水准测量的原理，水准仪的主要作用是提供一条水平视线，并能照准水准尺进行读数。因此，水准仪构成主要有望远镜、水准器及基座三部分。

A——后视点 a——后视读数

B——前视点 b——前视读数

1、A、B两点间高差

2、B点的高程

3、视线高程

4、转点TP(turning point)的概念

若A、B 两点间布设一些过渡点（转点）1、2、3…，将其分为n段，则用水准仪分别测得各段高差为h1， h2… hn，则有：

二、水准测量的仪器与工具

（一）水准仪(level)组成

1、望远镜(telescope)

■物镜

■目镜

■十字丝（上、中、下丝）

三个部分组成。

物镜和目镜多采用复合透镜组，十字丝划板上刻有两条互相垂直的长线，竖直的一条称竖丝，横的一条称为中丝，是为了瞄准目标和读取读数用的。在竖丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测定距离的，称为视距丝。十字丝分划板是由平板玻璃圆片制成的，平板玻璃片装在分划板座上，分划板座固定在望远镜筒上。

十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴或视线。水准测量是在视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。

对光凹透镜可使不同距离的目标均能成像在十字丝平面上。再通过目镜，便可看清同时放大了的十字丝和目标影像。从望远镜内所看到的目标影像的视角与肉眼直接观察该目标的视角之比，称为望远镜的放大率。DS3级水准仪望远镜的放大率一般为28倍。

2、水准器(bubble)

■圆水准器(circular bubble) ：用于整平。

■水准管(bubble tube) ： 用于精平。

特性：气泡始终向高处移动。

水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。有管水准器和圆水准器两种。管水准器用来指示视准轴是否水平；圆水准器用来指示竖轴是否竖直。

3、基座(tribrach)

基座的作用是支承仪器的上部并与三脚架连接。它主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。

（二）水准尺(leveling staff)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)

尺垫由三角形的铸铁块制成，上部中央有突起的半球，下面有三个尖角以便踩入土中，使其稳定。

使用时，将尺垫踏实，水准尺立于突起的半球顶部。当水准尺转动方向时，尺底的高程不会改变。

三、水准仪的使用

操作程序：粗平—瞄准—精平—读数

（一）粗平

安置水准仪打开三脚架并使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架腿是否安置稳固，脚架伸缩螺旋是否拧紧，然后打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固连在三脚架头上。

粗平是借助圆水准器的气泡居中，使仪器竖轴大致铅垂，从而视准轴粗略水平。在整平的过程中，气泡的移动方向与左手大拇指运动的方向—致。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方向中间——转动脚螺旋3，使气泡居中。

图形：粗平的操作方法示意图

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

首先进行目镜对光，即把望远镜对着明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰。再松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上的照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋。然后从望远镜中观察；转动物镜对光螺旋进行对光，使目标清晰，再转动微动螺旋，使竖丝对准水准尺。

当眼睛在目镜端上下微微移动时，若发现十字丝与目标影像有相对运动，这种现象称为视差。产生视差的原因是目标成像的平面和十字丝平面不重合。由于视差的存在会影响到读数的正确性，必须加以消除。消除的方法是重新仔细地进行物镜对光，直到眼睛上下移动，读数不变为止。此时，从目镜端见到十字丝与目标的像都十分清晰。

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：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，调节微倾螺旋，使水准管气泡成像抛物线符合。

2、说明：自动安平水准仪（compensator level），不需进行精平。

（四）读数

精平后，用十字丝的中丝在水准尺上读数。

1．方法：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。故仪器若成倒像的，从上往下读；若成正像，即从下往上读。

4. 水准仪读数实例