第三章水准测量.docx
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第三章水准测量
第三章水准测量
高程测量，测定地面点高程的工作。
高程测量按所使用的仪器和施测方法的不同，可以分为水准测量、三角高程测量、GPS
高程测量和气压高程测量。
水准测量是目前精度较高的一种高程测量方法。
2.1水准测量原理
①高差法
高差即两点间高程之差。
A点到B点的高差为B点的高程减去A点的高程，即：
假如A点的高程是已知的，那么要求出B点的高程，关键是要知道•二为多少。
而求•二可以通过水准测量来得到。
后權尺的进方向
，、型■■乐ni：
uj
水准测量的原理是利用水准仪（level）提供的水平视线（horizontalsight），读取竖立于两个点
上的水准尺（levelingstaff）上的读数（即读取水准尺上的刻度），来测定两点间的高差，再
根据已知点高程计算未知点高程。
（从图上可以看出，B点的高程为,A点的高程为匚」，那么AB两点的高程为：
门，
假设水准仪在A点水准尺上的读数为a,在B点的读数为b，那么
h竝+E
即-1"-一（后一前）
②仪高（视线高）法
H,=HA^=HA+a-b=Hrb
'：
!
――仪器视线高程（即水平视线到大地水准面的铅垂距离）
仪器高法一般适用于安置一次仪器测定多点高程的情况，如线路高程测量、大面积场地平整高程测量。
2.2水准测量的仪器与工具
水准测量所用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。
水准仪的认识
水准仪按其精度可以分为■'J，/-'等四个等级。
水准仪的种类水准仪按其构造可以分为以下4类:
•激光水准仪
•电子水准仪
•自动安平水准仪
•微倾式水准仪
S3微倾式水准仪的构造
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，并能够瞄准水准尺读数。
那
么，要能提供一条水平视线，就要求水准仪有一个指示是否水平的水准器，并且还要有一个
能够将水准器调节至水平状态的部件。
要能够瞄准远处的水准尺，就要求水准仪有一个望远
镜。
因此，水准仪主要由三个部分组成：
望远镜、水准器、基座
1）望远镜
望远镜主要由四大光学部件组成：
物镜、调焦透镜、十字丝分划板、目镜，另外还包括
一些调节螺旋。
望远镜是用来照准远处竖立的水准尺并读取水准尺上的读数，要求望远镜能看清水准尺上的分划和注记并有读数标志。
十字丝分划板是一块玻璃片，上面刻有两条相互垂直的长线，竖直的一条称为竖丝，横
的一条称为中丝。
在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测量距离的，称为视距丝。
由视距丝测量出的距离就称为视距。
十字丝的交点与物镜光心的连线，称为视准轴。
水准测量是在视准轴水平的时候，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。
现在来看看微倾式水准仪望远镜的成像原理。
目标物体发出的光线经物镜、调焦透镜后，在十字丝分划板上成倒立的实像，通过目镜
放大后成倒立的虚像，同时十字丝也同时放大。
丄"二型水准仪的放大的倍数一般为28。
■'r型微倾式水准仪在目镜端观察到的物体成像是倒立的，而匸」七型自动安平水准仪
看到的物体成像是正的。
根据在目镜端观察到的物体成像情况，望远镜可以分为正像望远镜和倒像望远镜。
视差：
观测者的眼睛在目镜端上下移动时，目标像与十字丝有相对移动。
视差会降低读
数的精度。
产生的原因：
目标成像面与十字丝分划板不重合。
消除的办法：
反复进行物镜、目镜对光。
（操作：
先旋转目镜调焦螺旋，使十字丝十分清晰；然后旋转物镜调焦螺旋使目标像十分清晰）
2）水准器
水准器用于置平仪器。
水准器有管水准器和圆水准器两种。
a）管水准器
管水准器由玻璃圆管制成，其内壁磨成一定半径R的圆弧，如图2-7所示。
将管内注满酒精和乙醚的混合液，加热封闭，冷却后，管内形成的空隙部分充满了液体的蒸汽，称为水
准气泡。
因为蒸汽的比重小于液体，所以，水准气泡总是位于内圆弧的最高点。
管水准器内圆弧中点0称为管水准器的零点，过零点做内圆弧的切线LL称为管水准器
轴（或水准管轴）。
当管水准器气泡居中时，管水准器轴LL处于水平位置。
在管水准器的外表面，对称于零点的左右两侧，刻划有2mm间隔的分划线。
定义2mm
弧长所对的圆心角称为管水准器的分划值。
公式：
t〃=2/RXp〃
p〃=206265〃
分划值t的几何意义为：
当水准气泡移动2mm时，管水准器倾斜的角度为T。
性质：
1、R愈大，工愈小，水准管的精度愈高。
2、：
-一水准仪的分划值为2072mm
为了提高水准气泡的居中精度，在管水准器的上方装有一组符合棱镜，通过这组棱镜，
将气泡两端的影像反射到望远镜旁的管水准气泡观察窗内，旋转微倾螺旋，当窗内气泡两端的影像吻合后，表示气泡居中。
制造水准仪时，使管水准器轴平行于望远镜的视准轴。
旋转微倾螺旋使管水准气泡居中时，管水准器轴处于水平位置，从而使望远镜的视准轴也处于水平位置。
b）圆水准器
构造：
内表磨成球面的玻璃圆盒。
零点：
圆水准器的球面顶点。
圆水准器轴：
过圆水准器零点的球面法线。
分划值t一般为8'TO'。
作用：
粗平仪器，使水准仪竖轴大致竖直，通过调节三个脚螺旋实现。
C）基座
基座的作用是支承仪器的上部，用中心螺旋将基座连接到三脚架上。
基座主要由轴座、
脚螺旋、底板和三角压板构成。
水准尺和尺垫
水准尺的种类
水准尺一般用优质木材、铝合金或玻璃钢制成，长度从2-5m不等。
根据构造可以分为
直尺、塔尺和折尺，其中直尺又分为单面分划和双面分划两种。
双面水准尺，一般长3m，多用于三、四等水准测量，以两把尺为一对使用。
尺的两面
均有分划，一面为黑白相间称黑面尺；另一面为红白相间称红面尺，两面的最小分划均为
1cm，分米处有注记。
“E”的最长分划线为分米的起始。
读数时直接读取米、分米、厘米,
估读毫米，单位为米或毫米。
两把尺的黑面均由零开始分划和注记。
红面的分划和注记，一把尺由4.687m开始分划
和注记，另一把尺由4.787m开始分划和注记，两把尺红面注记的零点差为0.1m。
塔尺，有3m、4m、5m多种，常用于碎部测量。
铟刚尺，通常是单面尺，一般长3m或2m。
常与精密水准仪配套使用，用于国家一、二等水准测量。
尺垫
尺垫是在转点处放置水准尺用的，它是用生铁铸成的三角形板座，尺垫中央有一凸起的
半球体，以便于放置水准尺，下有三个尖足便于将其踩入土中，以固稳防动。
2.3水准测量的外业实施
水准点
为统一全国的高程系统和满足各种测量的需要，测绘部门在全国各地埋设并测定了很多
高程点，这些点称为水准点（BenchMark，通常缩写为BM）。
水准点分为临时性水准点和永
久性的水准点。
永久性的国家等级水准点一般用钢筋混凝土制成，并深埋入地下。
在建筑工
地上的临时性水准点可用大木桩，在木桩的顶端再钉上一颗具有圆球形表面的钉子，木桩周
围用水泥混凝土加固。
水准点埋设之后，为便于以后使用时寻找，应做点之记。
即详细记载水准点所在的位置
（如水准点距离某个房子多少米，周围有什么建筑物等）、水准点的编号和高程，测设日期
等。
有了水准点，我们就可以用它来测其他待定点的高程了。
注：
采用某等级的水准测量方法测岀其高程的水准点称为该等级水准点；各等水准点均应埋设永久性标石或标志，水准点的等级应注记在水准点标石或标记面上。
水准点标石的类型可分为：
基岩水准标石、基本水准标石、普通水准标石和墙脚水准标志四种。
水准测量的实施
如图，A点是已知点，B点是待求点，如果AB两点相距很远，或者AB两点不能通视，那么就需要将AB分成多段，按水准测量原理，测出各段高差。
例如先测出A和'「之间的
高差J，然后再测出F和
之间的高差二……最后将这些高差累加起来就可以得到AB
之间的高差。
由A点的已知高程，即可求得B点高程。
匚1、匚1、分段点，起着传递高程
的作用，称为转点。
转点用TP（TurningPoint）或ZD表示，在转点上通常放置尺垫，再把水准尺立在尺垫上面。
安置仪器的位置称为测站。
水准测量的基本步骤
水准测量的具体步骤，以图为例：
（若要测AB两点间的高差，先在A点立水准点，然后选择一个点作为转点，在转点上安放尺垫，尺垫上立水准尺。
A点与转点之间距离一般不超过100m。
然后在A点和转点之间大致中点的位置（为了抵消地球曲率的影响），安置水准仪，按原理读取后、前视读数。
将观测的数据填写到相关的表格中。
这就是在第一测站上的工作。
然后前视尺不动（所谓前视尺，就是我们面向前进的方向所看见的水准尺，背对着的就是后视尺），后视尺移到第2个转点上，然后水准仪搬到1、2转点之间（也叫做搬站）。
接着读数,记录。
依次前进直到B点。
）
[二-玄—Hr人+
A]-flg"hj月讦尽+応
可得：
工h=芳ab讣血+口
所以:
方曲二胡+陶+
水准测量的检核方法1计算检核
在实际工作中，我们是把水准测量的数据记录在表格中，然后再计算高差。
计算过程中
总是难免出错的，为了能够检查高差是否计算正确，就要进行计算检核。
工h=2aS-从公式的左右两边来看）；
比较两种结果：
相等——高差计算正确。
2、测站检核
计算检核只能检核高差计算的正确性，但如果某一站的高差由于某种原因测错了，那计
算检核就无能为力了。
因此，我们对每一站的高差都要进行检核，这种检核就称为测站检核，
常见的检核方法有双仪高法和双面尺法。
双仪高法：
改变仪器的高度（前后尺保持不动），测出两次黑面高差，在理论上这两次
测得的高差应该相同。
但由于误差的存在，使得两次测得的高差存在差值。
若差值<5mm（等
外水准）认为高差正确，取平均值作为该站高差，否则重测。
双面尺法：
用黑、红面同时读数，测出黑、红面高差，若差值<5mm（三四等水准），认为高差正确，取黑、红面高差的平均值作为该站高差。
。
黑面高差为•:
TV
2.4水准测量的内业计算
在水准测量的观测、记录等外业工作完成后，就要转入到内业计算阶段。
由于在外业阶
段受到各种误差的影响，会使测量成果的精度降低。
这些影响在某一个测站上反映可能不明显，在测站上进行测站检核是符合要求的，但随着测站数的增多，会使误差积累起来，这种
积累可能导致测量成果超出限差要求。
因此还需要进行水准测量路线成果检核。
高差闭合差二：
一条水准路线高差测量值之和与高差理论值之和的差值。
即
咼差闭合差的允许值
为■:
',各等级水准测量，规范中有相应的要求。
当■''-，：
；o时，成果合格。
否则成果不合格，需重测。
水准路线
所谓水准路线,就是进行水准测量所经过的路线。
常见的有:
附合水准路线：
即从一已知水准点BM1出发，沿着各个待定高程的点逐站进行水准测量，最后附合到
另一个已知水准点1上。
显然，从门订测到’’J的高差之和为：
这就是附和水准路线的检核条件。
闭合水准路线
即从已知水准点出发，沿环线对各个待定高程的点逐站进行水准测量，最后又回到出发
点。
显然有：
—''
这就是闭合水准路线的检核条件。
支水准路线
即从已知水准点出发，沿着各个待定高程的点逐站进行水准测量，然后又沿原路返回测
到已知水准点。
显然：
从已知水准点出发时所测得的高差等于返回时所测得的高差：
这就是支水准路线的检核条件。
以附合水准路线为例进行内业计算。
计算步骤
1、高差闭合差的计算与调整
★计算
根据附合水准路线的限制条件，应有Sh理=H终—H起
Sh=4.330m,H终一H起=4.293m。
两者并不相等，这两者之间的差值为
S—（H终一H起）=37mm
对于等外水准测量
=±40J7伽=±108.8mm（L为路线长，以km计）
（平地）
=±12拯mm
•；：
＜卩，因此精度符合要求。
★调整
调整计算就是要将高差闭合差按照一定的规则分配到各个测站所测得的高差中。
这样就
消除了高差闭合差，使得附和水准路线的限制条件得以满足。
基本原则：
将高差闭合差按与测站数（或路线长度）成正比原则反号分配到各段高差中去。
计算方法:
二—-丄上二d-小一,
检核：
Dr
'!
表示第i站的改正数，Li表示第i段的水准路线长度，L表示总的路线长度;
「表示第i段的水准路线所包括的测站数，N为总的测站数。
2、计算改正后的各段高差
计算（•为第i段改正后的高差）检核：
f”亠
3、推算各未知点的高程
计算:
检核：
H曳计=H曳己力
闭合水准路线的内业计算步骤也是一样的，但要注意限制条件发生了变化。
支水准路线的高差闭合差：
人==细一二张=2?
协-①如+Y竝）期
支水准路线改正后的高差:
o三、四等水准测量
一般用在国家高程控制网加密（即增加密度，国家一、二等水准控制点比较稀疏，水准点之间的距离较大，因此为满足工程建设的需要，还要在国家一、二等高程控制网的基础上进行三、四等水准测量，增加国家高程控制网的密度），也可作为小地区首级高程控制。
三、四等水准测量的技术要求
表三*四等水准测量的液站技术要求
等级
视线长度
（m）
前后视距差
（m）
前后视距累积差
（m）
红翼面I
读数差
（mm）
红巽面所测高差之差
（mm）
三等
£
<3
四等
<80
W5
<10
W3
<5
三、四等水准测量的观测方法
★测站观测程序
后黑（上、下、中）、前黑（上、下、中）、前红（中）、后红（中）
先安置好仪器。
★测站计算与检核
视距累计差
即前尺的红黑面之差、后尺的红之差、黑咼差之差、前后视距差、后视距（9）=后[下丝读数
（1）-上丝读数
（2）]X100
前视距（10）=前[下丝读数（4）-上丝读数（5）]X100
前、后视距差（11）=后视距（9）-前视距（10）四等应W犬m，三等应w±3m
前、后视视距累积差（12）=上站（12）+本站视距差（11）四等应w±10m，三等应
w±5m
2水准尺读数检核（单位：
mm）
同一水准尺黑面与红面读数差的检核
前尺黑、红面读数差（13）=黑面中丝（6）+Ki-红面中丝（7）四等应w±3mm,
三等应W2mm
后尺黑、红面读数差（14）=黑面中丝（3）+K2-红面中丝（8）四等应w±3mm，三等
应w2mm
3高差计算与检核（单位：
m）
黑面高差（15）=后视黑面中丝（3）-前视黑面中丝（6）
红面高差（16）=后视红面中丝（8）-前视红面中丝（7）
红黑面高差之差（17）=黑面高差（15）-{红面高差（16）±0.1}
或=后尺黑、红面读数差（14）-前尺黑、红面读数差
（13）
要求：
四等应w±jmm，三等应w3mm
高差中数（18）={黑面高差（15）+红面高差（16）±0.1}/2
4每页记录计算检核（单位：
m）为了防止计算上的错误，还要进行计算检核。
高差检核工（3-工（6）=丫15）
工（8）工（7）=丫16）
工（15片工（16）=X18）（偶数站）
=2（18）±0.1（奇数站）
视距检核2（9）2（10）=末站2（12）
三、四等水准测量的内业计算
水准测量成果处理是根据已知点高程和水准路线的观测高差，求出待定点的高程值
三、四等附合或闭合水准路线高差闭合差的计算、调整方法与普通水准测量相同。
其高差闭合差的限差为:
=±20
mm（L为路线长，以
km计）
mm（N为测站数）
2.6自动安平水准仪和精密水准仪简介
自动安平水准仪
自动安平水准仪的结构特点是没有管水准器和微倾螺旋。
（区别微倾水准仪）它是
在水准仪视准轴有稍微倾斜的时候通过一个自动补偿装置使视线水平。
（注意不要超过补偿
限度）
国产自动安平水准仪的型号是在DS中加字母乙即为：
匸」1—其
中Z代表自动安平”汉语拼音的第一个字母。
1〜2秒钟内自动、精确、可
自动安平水准仪用补偿器代替水准器，能使仪器的视准轴，在靠地安放在水平位置。
满足条件：
f〉=S：
=ZZo
补偿器种类：
悬吊十字丝板（可动十字丝）、悬吊棱镜（可动水平视线）
精密水准仪和精密水准尺
★精密水准仪的构造（徕卡N3型精密水准仪）
用途：
精密水准仪（preciselevel）主要用于国家一、二等水准测量、地震水准测量、精密工程测量和变形观测中。
例如建构筑物的沉降观测，大型桥梁工程的施工测量和大型精密设备安装测量等。
构造特点
⑴小。
.6〜102/2mm
（2）v340*;物镜镜筒通光孔径大，因而亮度大。
（3）外壳用铟钢制造。
⑷装有平行玻璃板测微器，最小读数0.1〜0.05mm，可估读到0.01-0.005mm。
转动
测微螺旋，可使水平视线在10mm范围内上下平移。
（5）楔形十字丝。
（6）专用水准尺
★测微器它由平行玻璃板、测微尺，传动杆和测微螺旋等构件组成。
如图，平行玻璃板安装在物镜前，它与测微尺间用带有齿条的传动杆连接，当旋转测微
螺旋时，传动杆带动平行玻璃板绕其旋转轴作俯仰倾斜。
视线经过倾斜的平行玻璃板时产生
上下平行移动，可以使原来并不对准尺上某一分划的视线能够精确对准某一分划，从而读到
一个整分划读数（图中的148cm分划），而视线在尺上的平行移动量则由测微尺记录下来，测
微尺的读数通过光路成像在测微尺读数窗内。
平行玻璃板测微器，它的最大视线平移量为1cm,它对应测微尺上的100个分格，测微尺上1个分格等于0.01cm，可估读到0.001cm。
★精密水准尺的构造（
因瓦水准尺）
•
:
L■
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MS*
***
-
J
孑J产j
y
二
（b）
图a为徕卡公司生产的与新N3精密水准仪配套的精密水准尺。
图b是国产的DS1
精密水准仪配套的水准尺。
图a中水准尺全长约3.2m，尺是木质的，在尺子中央的凹槽内安置了一根因瓦合金钢带。
钢带的零点端固定在尺身上，另一端用弹簧牵引着，这样就可以使因瓦合金钢带不受
尺子伸缩变形的影响。
在因瓦合金钢带上刻有两排分划，左边一排分划为基本分划，数字注
记从0到300cm,右边一排分划为辅助分划，数字注记从300cm到600cm，基本分划与辅
助分划的零点相差一个常数301.55cm,称为基辅差或尺常数。
★精密水准仪的操作
精密水准仪的操作与普通水准仪的操作基本相同。
粗平-瞄准基本分划-精平-测微-读数-瞄准辅助分划-精平-测微-读数。
rqiM
IH156
寸54
E1192
二仙
Z'146
：
-144
<142
读数=尺上读数（三位）+测微窗上读数（三位）
64
65—
66
67—
H
f
一
图中：
水准尺读数为148cm测微器读数为0.655cm
则读数为：
148+0.665=1.48655m。
注意：
当尺子分划是实际分划的两倍时，应除以2,才是实际读数。
数字水准仪和条码水准尺
数字水准仪是在仪器望远镜光路中增加了分光镜和光电探测器等部件，采用条形码分划水准尺和图
像处理电子系统构成光、机、电及信息存储与处理的一体化水准测量系统。
上数字水准仪能够自动记录、检核和存储测量结果，大大提高了水准测量的速度和效率，而且数字水准仪测量结果的精度高，不会存在读错、记错的问题。
数字水准仪的基本原理是水准尺上的条形码影像进入水准仪后，水准仪将光信号转
换为数字信号，并与机器内已存储的条形码信息进行比较，就可以获得水准尺上的水平视线
读数和视距读数。
鞘卅发送㈱补偿曙黯悔H诞
物鐘I測翔透續|慄测器
分光虢分划板
2.7水准仪的检验与校正
1、水准仪应满足的几何轴线关系
★圆水准器轴平行于仪器竖轴L/L'llVV
★水准管轴应平行于视准轴LL||CC
★十字丝横丝应垂直与仪器竖轴
2、水准仪的检验与校正
★圆水准器轴平行于仪器竖轴的检校
检验：
圆水准气泡居中，旋转1「「，是否还居中？
（图a、b）
校正：
转动脚螺旋使气泡移回偏离的一半，然后拨动校正螺丝，使气泡居中（或先用校正螺
丝校正一半，再用脚螺旋整平）。
此项工作要反复进行（图c、d）
★十字丝横丝应垂直于仪器竖轴的检校
检验：
安置仪器后，用十字丝横丝的一端对准一明显标志点P,调微动螺旋，转动水准仪，
看点P是否始终在横丝上移动？
I忖
校正：
松开分划板座固定螺丝，转动分划板，使目标始终在横丝上移动。
★水准管轴应平行于视准轴的检校
水准管轴与视准轴不平行，存在一个角，称i角
检验：
将仪器置于与AB等距位置，测出出珥i角误差相抵消）
将仪器置于与B点很近的位置，测出"亠：
（B点i角误差忽略，A点受i角误差影响读数产生偏差为
心（曲恥）”
（其中p=206265'）
若i角大于20”需校正。
检校：
调微倾螺旋，使水准仪横丝对准正确读数-一'.Li二；再调节水准管校正螺丝使水准管气泡居中。
搬仪器于另一点，检核。
注意：
此项检校须经常进行。
2.8水准测量的误差分析
包括仪器误差、观测误差、外界环境的影响。
一、仪器误差
★仪器校正后的残余i角误差:
原因：
i角误差检校后的残余值
方法：
观测时注意使前、后视距相等，可消除或减弱其影响。
★水准尺误差:
原因：
水准尺分划不准确、尺长变化、尺弯曲等。
方法：
检验水准尺上真长与名义长度，加尺长改正数；
◎水准尺的零点差：
一测段中采用偶数站到达方式予以消除。
、观测误差★气泡居中误差
★读数误差
★水准尺倾斜（尤其注意前后倾斜）
★视差的影响
这些误差须严格认真操作、读数，来避免误差的影响三、外界环境的影响★仪器下沉：
（在软土或植被上时容易发生下沉）采用后一前一前一后”的观测顺序，可以削弱其影响。
★尺垫下沉：
采用往返观测取观测高差的中数可以削弱其影响。
★地球曲率和大气折光影响：
地球曲率影响：
c=D2I2R（前后视距相等来消除，即地球曲率对前后尺读数影响相同）
大气折光影响：
一一匚-…丄（由于大气折光，视线会发生弯曲。
越靠近地面，光线折射
的影响也就越大。
因此要求视线要高于地面0.3m以上，前后视距相等也可消减该影响）
两差影响f=c-r=0A3D2IR
o温度影响：
观测时应注意撑伞遮阳
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