水準測量原理與儀器操作

水準測量又名“幾何水準測量”，是用水準儀和水準尺測定地面上兩點間高差的方法。在地面兩點間安置水準儀，觀測豎立在兩點上的水準标尺，按尺上讀數推算兩點間的高差。通常由水準原點或任一已知高程點出發，沿選定的水準路線逐站測定各點的高程。

由于不同高程的水準面不平行，沿不同路線測得的兩點間高差将有差異，所以在整理國家水準測量成果時，須按所采用的正常高系統加以必要的改正，以求得正确的高程。

一、基本原理

水準測量是利用一條水平視線，并借助水準尺，來測定地面兩點間的高差，這樣就可由已知點的高程推算出未知點的高程。

結構

根據水準測量的原理，水準儀的主要作用是提供一條水平視線，并能照準水準尺進行讀數。因此，水準儀構成主要有望遠鏡、水準器及基座三部分。

A——後視點 a——後視讀數

B——前視點 b——前視讀數

1、A、B兩點間高差

2、B點的高程

3、視線高程

4、轉點TP(turning point)的概念

若A、B 兩點間布設一些過渡點（轉點）1、2、3…，将其分為n段，則用水準儀分别測得各段高差為h1， h2… hn，則有：

二、水準測量的儀器與工具

（一）水準儀(level)組成

1、望遠鏡(telescope)

■物鏡

■目鏡

■十字絲（上、中、下絲）

三個部分組成。

物鏡和目鏡多采用複合透鏡組，十字絲劃闆上刻有兩條互相垂直的長線，豎直的一條稱豎絲，橫的一條稱為中絲，是為了瞄準目标和讀取讀數用的。在豎絲的上下還對稱地刻有兩條與中絲平行的短橫線，是用來測定距離的，稱為視距絲。十字絲分劃闆是由平闆玻璃圓片制成的，平闆玻璃片裝在分劃闆座上，分劃闆座固定在望遠鏡筒上。

十字絲交點與物鏡光心的連線，稱為視準軸或視線。水準測量是在視準軸水平時，用十字絲的中絲截取水準尺上的讀數。

對光凹透鏡可使不同距離的目标均能成像在十字絲平面上。再通過目鏡，便可看清同時放大了的十字絲和目标影像。從望遠鏡内所看到的目标影像的視角與肉眼直接觀察該目标的視角之比，稱為望遠鏡的放大率。DS3級水準儀望遠鏡的放大率一般為28倍。

2、水準器(bubble)

■圓水準器(circular bubble) ：用于整平。

■水準管(bubble tube) ： 用于精平。

特性：氣泡始終向高處移動。

水準器是用來指示視準軸是否水平或儀器豎軸是否豎直的裝置。有管水準器和圓水準器兩種。管水準器用來指示視準軸是否水平；圓水準器用來指示豎軸是否豎直。

3、基座(tribrach)

基座的作用是支承儀器的上部并與三腳架連接。它主要由軸座、腳螺旋、底闆和三角壓闆構成。

（二）水準尺(leveling staff)主要有單面尺、雙面尺和塔尺。

1、尺面分劃為1cm，每10cm處（E字形刻劃的尖端）注有阿拉伯數字。

2、雙面尺的紅面尺底刻劃：一把為4687mm，另一把為4787mm。

（三）尺墊(staff plate)

尺墊由三角形的鑄鐵塊制成，上部中央有突起的半球，下面有三個尖角以便踩入土中，使其穩定。

使用時，将尺墊踏實，水準尺立于突起的半球頂部。當水準尺轉動方向時，尺底的高程不會改變。

三、水準儀的使用

操作程序：粗平—瞄準—精平—讀數

（一）粗平

安置水準儀打開三腳架并使高度适中，目估使架頭大緻水平，檢查腳架腿是否安置穩固，腳架伸縮螺旋是否擰緊，然後打開儀器箱取出水準儀，置于三腳架頭上用連接螺旋将儀器牢固地固連在三腳架頭上。

粗平是借助圓水準器的氣泡居中，使儀器豎軸大緻鉛垂，從而視準軸粗略水平。在整平的過程中，氣泡的移動方向與左手大拇指運動的方向—緻。調節腳螺旋，使圓水準氣泡居中。

1．方法：

對向轉動腳螺旋1、2——使氣泡移至1、2方向中間——轉動腳螺旋3，使氣泡居中。

圖形：粗平的操作方法示意圖

2．規律：

氣泡移動方向與左手大拇指運動的方向一緻。

（二） 瞄準

首先進行目鏡對光，即把望遠鏡對着明亮的背景，轉動目鏡對光螺旋，使十字絲清晰。再松開制動螺旋，轉動望遠鏡，用望遠鏡筒上的照門和準星瞄準水準尺，擰緊制動螺旋。然後從望遠鏡中觀察；轉動物鏡對光螺旋進行對光，使目标清晰，再轉動微動螺旋，使豎絲對準水準尺。

當眼睛在目鏡端上下微微移動時，若發現十字絲與目标影像有相對運動，這種現象稱為視差。産生視差的原因是目标成像的平面和十字絲平面不重合。由于視差的存在會影響到讀數的正确性，必須加以消除。消除的方法是重新仔細地進行物鏡對光，直到眼睛上下移動，讀數不變為止。此時，從目鏡端見到十字絲與目标的像都十分清晰。

1．方法：先用準星器粗瞄，再用微動螺旋精瞄。

2．視差：

概念：眼睛在目鏡端上下移動時，十字絲與目标像有相對運動。

産生原因：目标像平面與十字絲平面不重合。

消除方法：反複交替調節目鏡和物鏡對光螺旋。

（三）精平

1、方法：如圖所示，調節微傾螺旋，使水準管氣泡成像抛物線符合。

2、說明：自動安平水準儀（compensator level），不需進行精平。

（四）讀數

精平後，用十字絲的中絲在水準尺上讀數。

1．方法：米、分米看尺面上的注記，厘米數尺面上的格數，毫米估讀。

2．規律：讀數在尺面上由小到大的方向讀。故儀器若成倒像的，從上往下讀；若成正像，即從下往上讀。

4. 水準儀讀數實例

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