第 4 章水准测量与水准仪

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院第4章水准测量与水准仪 Leveling and Level • 水准测量原理 • 水准测量仪器 • 水准测量方法 • 水准测量误差

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 4.1水准测量原理一、高程测量方法 • 几何水准测量（direct/spirit leveling） • 三角高程测量（trigonometric leveling） • GPS高程测量 • ……

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院二、水准测量原理前视尺前进方向水平视线若A点的高程已知，则B的高程为： A、B两点间的高差为则B点的高程为：后视尺 B b a Hi hAB A HB HA 大地水准面

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2.2 水准仪和水准尺一、水准仪的基本结构 1. 水准仪的功能与分类 • 水准仪的功能最基本功能是提供一条水平视线，进而获取两点间的高差；根据已知点与待定点之间的高差，将待定点放样到地面上。另外还可以测距和确定一条直线。 • 水准仪的分类 • 按精度分为：精密水准仪和普通水准仪（工程水准仪） • 按结构分为：微倾式准仪、自动安平水准仪、激光水准仪 • 按原理分为：光学水准仪和电子水准仪

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 • 水准仪的精度划分目前，我国按“每千米往返测高差中数的偶然中误差”将水准仪分为四个等级，分别为DS05、DS1、DS3和DS10。 DS05和DS1为精密水准仪， DS3和DS10为普通水准仪。 D —大地测量 S —水准仪 05、1、3、10 —仪器的精度

水准管气泡观察窗 物镜水准管物镜调焦螺旋目镜物镜目镜调焦微倾螺旋水平制动螺旋脚螺旋水平微动螺旋主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2. 微倾水准仪的基本结构微倾水准仪（title level）的主要部件有望远镜、水准器和基座（tribrach）。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院二、测量望远镜（telescope）的结构测量仪器上的望远镜用于瞄准远处目标和读数。由物镜、目镜、调焦透镜、十字丝分划板、物镜调焦螺旋和目镜调焦螺旋组成。 • 视准轴：物镜光心与十字丝中心的连线，如图中CC1

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 • 望远镜的放大倍率：从望远镜内所看到的物体像的视角β与直接观察物体的视角α之比。 • 视差（parallax）：眼睛在目镜后作上下或左右微微移动时，物像与十字丝发生相对移动的现象。视差严重影响照准的精确性，因此必须加以消除。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院三、水准器（bubble） • 水准器的功能与类别 • 水准器的功能（1）使仪器的竖轴处于铅垂位置；（2）使望远镜的视准轴位于水平位置；（3）使竖直度盘指标处于零位。 • 水准器的分类圆水准器（ circular bubble）管水准器（ bubble tube）

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2.圆水准器圆水准器是将一圆柱形的玻璃盒装嵌在金属框内，如图所示。盒内装有酒精或乙醚，玻璃盒顶面内壁被磨成圆球面，中央刻有一个小圆圈，其圆心是圆水准器的零点，通过零点的球面法线，称为圆水准轴。当气泡居中时，圆水准轴处于铅垂位置。由于其灵敏度较低，只用于粗略整平仪器。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 3.水准管水准管是一个内装酒精或乙醚并留有气泡的密封玻璃管，其纵向内壁被磨成一定半径的圆弧面，外表面刻有2mm间隔的分划线，2mm所对的圆心角τ称为水准管分划值，通过分划线的对称中心做水准管圆弧的纵切线，称为水准管轴。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院四、水准尺和尺垫 • 水准尺：三、四等水准测量或普通水准测量所使用的水准尺是用干燥木料或玻璃纤维合成材料制成，一般长约3～4米，按其构造不同可分为折尺、塔尺、直尺等数种。折尺可以对折，塔尺可以缩短，这两种尺运输方便，但用旧后的接头处容易损坏，影响尺长的精度，所以三、四等水准测量规定只能用直尺。尺面每隔一厘米涂有黑白或红白相间的分格，每分米有数字注记。为倒像望远镜观测方便起见，注字常倒写。尺子底面钉以铁片，以防磨损。水准尺一般式样如右图所示。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院三、四等水准测量采用的尺长为3m，以厘米为分划单位的区格式木质双面水准尺。双面水准尺的一面分划黑白相间称为黑面尺（也叫主尺）。另一面分划红白相间称为红面尺（也叫辅助尺）。黑面分划的起始数字为“零”，而红面底部起始数字不是“零”，一般为4687mm或4787mm。为使水准尺能更精确的处于竖直位置，可在水准尺侧面装一圆水准器。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 • 尺垫（尺台）作为转点用，系用生铁铸成，一般为三角形，中央有一突起的圆顶，以便放置水准尺，下有三尖脚可以插入土中。在土质松软地区，可用尺桩。尺桩长约30cm，粗约2～3cm，使用时打入土中，比尺垫稳固。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院五、水准仪的使用安置水准仪、粗平、瞄准、精平和读数。 1. 安置水准仪在测站打开三脚架，高度适中，架头大致水平，稳固地架设在地面上；将水准仪安放在三脚架头上并旋紧中心螺旋。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2. 粗平首先用双手分别以相对方向同时等量转动两个脚螺旋1、2，使圆气泡移到1、2脚螺旋连线方向的中间，如图（a）所示；然后再转动第三个脚螺旋，使圆气泡居中，如图 (b)所示。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 3. 瞄准 • 对光：将望远镜对向明亮的背景，调节目镜调焦螺旋使十字丝清晰； • 粗瞄：用望远镜上的瞄准器粗略照准水准尺，并立即用制动螺旋将仪器制动； • 精瞄：调节物镜调焦螺旋，看清水准尺，利用水平微调螺旋使十字竖丝瞄准水准尺的中央，并检查是否有视差。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 4. 精平与读数 • 从望远镜的一侧观察管水准气泡偏离零点的方向，旋转微倾螺旋，使气泡大致居中，这时再从目镜左边的附合气泡观察窗中察看两个气泡影像是否吻合，如不吻合，再漫漫旋转微倾螺旋直至完全吻合为止。 • 仪器精平的同时，应立即用十字丝的横丝在水准标尺上读数。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院六、自动安平水准仪自动安平水准仪上没有水准管和微倾螺旋，但圆水准器的气泡居中，在十字丝交点上读得的便是视线水平时应该得到的读数。其自动安原理如下图：

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院补偿器一般采用吊挂光学零件，借助重力的作用达到视线自动补偿的目的。下面以DSZ3水准仪的补偿器为例加以说明。它有两个直角棱镜和一个屋脊棱镜构成。两个直角棱镜B用交叉的金属片C吊挂着，以零件A固定在望远镜上，当望远镜有微小的倾斜时，直角棱镜在重物（活塞P）的重力作用下，将与望远镜作相对的偏转运动，偏转方向刚好与望远镜的倾斜方向相反。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院七、数字水准仪数字水准仪在望远镜中安置了一个由光敏二极管构成的线阵探测器，仪器采用数字图像识别处理系统，并配用条码水准尺。水准尺的分划用条纹编码代替厘米间隔的米制长度分划。线阵探测器将水准尺上的条码图像用电信号传送给信息处理机。信息经处理后即可求得水平视线的水准尺读数和视距值。其特点：具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 1. 数字水准仪的一般结构

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主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院光学系统、机械系统和电子信息处理系统 • 调焦发送器：测定调焦透镜的位置，进而计算概略视距。 • 补偿器监视：监视补偿器工作是否正常。 • 分光镜：将进入望远镜的光分成可见光（供观测员观测水准尺）和红外光（线阵探测器的光源）。 • 线阵探测器：将条码图像信号转化为数字信号（标尺与视距读数。）

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2. 数字水准仪基本原理相关法（如：Leica公司NA2002、NA3003）几何法（如：蔡司的DiNi10、DiNi20）相位法（如：拓普康DL-101C、DL-102C） • 相关法基本原理：线阵探测器获得的水准尺上的条码图像信号（即测量信号），通过与仪器内预先设置的“已知代码”(参考信息)按信号相关方法进行比对，使测量信号移动以达到两信号最佳符合，从而获得标尺读数和视距读数。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 3. 条码水准尺条码设计随电子读数方法不同而不同，目前，采用的条纹编码方式有二进制码条码、几何位置测量条码、相位差法条码。 Wild Ni2002水准仪配用的条码标尺是用膨胀系数小于10×10-6m/m·℃的玻璃纤维合成材料制成，重量轻，坚固耐用。该尺一面采用伪随机条形码（属于二进制码），供电子水准测量用；另一面为区格式分划，供普通水准测量使用。尺子由三节1.35m长的短尺插接使用，三节全长4.05m。使用时仪器至标尺的最短可测量距离为1.8m，最远为100m。并要注意标尺不被障碍物（如树枝等）遮挡，因为标尺影像的亮度对仪器探测会有较大影响，可能会不显示读数。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 4.3 水准测量外业施测一、概述 • 水准测量的基本方法

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2.水准点及转点 • 水准点：标志和保存水准测量成果的固定地面点，可以是永久性的（用水准标石在实地进行标定），也可以是临时性的（用木桩或其它标志在实地标志）。 • 转点：在两水准点之间设置前、后视水准尺，用于传递高程的过渡点。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 3. 水准路线和水准网的布设 • 测段：两相邻水准点间的观测路线 • 单一水准路线：连接于高级水准点之上、由若干个测段首尾相连构成的单一路线。 • 单一水准路线的形式：附合水准路线、闭合水准路线、支水准路线。 • 水准网：由若干个单一水准路线相互连接构成的网状图形。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院二、普通水准测量 • 将水准尺立于已知高程的水准点上作为后视，水准仪置于施测路线附近合适位置，在施测路线的前进方向上放置尺垫，在尺垫上竖立水准尺作为前视。立尺点的选择应尽量保持仪器至前、后水准尺的距离大致相等。 • 粗平水准仪后瞄准后视标尺，用微倾螺旋将水准管气泡居中，用中丝读后视读数至毫米。掉转望远镜瞄准前视标尺，再次将水准管气泡居中，用中丝读前视读数至毫米。 • 将读数记录在手薄中，并立即计算高差。此为第一测站的全部工作。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 • 第一测站结束后，记录员通知后视标尺员向前转移，选定第二站的前视点，并将仪器随之迁至第二测站。前视尺的尺垫保持不动，而作为第二测站的后视尺。然后依第一测站相同的工作程序进行第二测站的工作。如此依次沿水准路线方向施测直至全部路线观测完为止。 • 进行连续水准测量时，若其中任何一个后视读数或前视读数有错误，都要影响高差的正确性。因此，在每一测站的水准测量中，为了能及时发现观测中的错误，通常采用双面尺法或两次仪器高法进行观测，以检查高差测定中可能发生的错误。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 • 双面尺法在每一测站上将水准仪安置在两立尺点之间，高度不变。分别读取后视、前视水准尺的黑、红面读数各一次，测得两次高差。（应相等） • 两次仪器高法每一测站上用两次不同仪器高度测得两次高差，以相互进行比较。按理，两次测得的高差应相等，据此检查观测中是否存在错误。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院日期＿＿＿＿仪器＿＿＿＿＿观测者＿＿＿＿＿天气＿＿＿＿　自＿＿至＿＿＿记录者＿＿＿＿＿

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院三、国家三、四等水准测量 • 基本要求 S3级及其以上等级，并配以区格式木质水准尺，在作业期间应对水准仪和水准尺按规定的项目进行检验与校正。国家三、四等水准测量技术要求见下表：

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2.观测方法 • 三等水准测量采用中丝读数法进行往返观测，每测站的观测顺序为：后→前→前→后，即：（1）照准后视尺黑面，按视距丝及中丝读数；（2）照准前视尺黑面，按视距丝及中丝读数；（3）照准前视尺红面，按中丝读数；（4）照准后视尺红面，按中丝读数。 • 四等水准测量采用中丝读数法。对于附合水准路线、闭合水准路线，可只进行单程观测；对于支水准路线，必须进行往返观测或单程双转点观测。每测站的观测顺序为：后→后→前→前。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 3. 国家三、四等水准测量的记录及计算 • 三、四水准测量的记录 • 三、四水准测量的计算与检核 • 测站上的计算与检核 • 一测段的计算与检核 • 成果超限处理 • 凡超限成果，均应重测； • 测站观测超限时，若在本站发现后，应立即重测，若迁站后发现，则应从水准点或间歇点重新观测； • 测段往返测不符值超限时，应选可靠程度较小的往测或返测进行整段重测，并与原测成果比较，若不超限，则取其中数。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 4.4水准测量的误差分析水准测量误差包括仪器误差、观测误差和外界环境的影响。一、仪器误差 • 视准轴与水准管轴不平行的误差 x i a A S

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院当前后视距相等时，i角误差对观测高差没有影响。由此，在可采取将水准仪安置在前、后水准尺中点处的办法消除该误差对观测高差的影响。 2. 水准尺误差水准尺刻划不准确、尺长变化、弯曲和水准尺的零点差等会影响水准测量的精度。因此水准尺须进行检验后才能使用；对于零点差，可在一测段中设置偶数站予以消除。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院二、观测误差 1. 精平误差精平的程度反映了视准轴的水平程度。对于分划值为20″/mm的水准器，视线长度为100m时，若水准管气泡偏离中心0.5格，则引起的读数误差可达5mm。（严格精平，快速、果断读数） 2. 调焦误差望远镜调焦必然导致视准轴发生变化，而引起读数误差。在一测站的观测中不允许两次调焦。由于前、后视距大致相等，因此，是可以做到的。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 3. 估读误差毫米读数的准确度与厘米分划像的宽度、十字丝的粗细有关。而厘米分划像的宽度与望远镜的放大倍率和视线的长度有关。因此规范中规定了远镜的放大倍率和视线的长度。 4. 视差应彻底消除视差 5. 水准尺倾斜误差水准尺未竖直的影响总是使读数偏大。 a—照准标尺的高度； γ—标尺的倾角在水准尺上安置水准器；用“摇尺法”读数。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院三、外界环境的影响 1. 地球曲率与大气折光的影响水平视线折射后视线 f p 水准面 B A SB SA

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2. 仪器和尺垫升沉的影响在土质松软地段作业时，仪器和尺垫在重力作用下会下沉，还可能因土壤和杂草的弹性而使仪器和尺垫升高，在春季、解冻地段特别突出。在松软地段和解冻地段作业时，采取特殊措施避免其升沉；在一般地段，采取适当的观测程序来限制其影响，如后（a1）→前（b1） →前（b2） →后（a2）。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 3. 温度和风力的影响 • 温度变化使木质水准尺伸缩、水准管的灵敏度降低以及大气折光的变化等。观测时给仪器撑伞遮阳，避免太阳直射，规定视线最低高度。气温的变化还会使密度不同的空气发生湍动，导致视线发生跳动，特别是在日出后与日落前半小时，和太阳中天前后较为明显，故应避免在这些时段进行水准测量。 • 风力大于四级时，会使水准尺和仪器的整置难以稳定，因此要避免在风力大于四级时进行水准测量。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 4.5 水准仪的检验与校正一、水准仪应满足的条件 1. 主要条件：LL∥CC；不因调焦而变动视准轴位置。 2. 次要条件： L′L′∥VV；十字丝的横丝应水平。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院二、水准仪的检验与校正 1. L′L′∥VV的检验与校正 • 检验原理 V L′ V L′ 铅垂线 δ δ δ L′ V L′ V

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 • 检验方法先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后将仪器旋转180°，若气泡偏离了中央，则表明条件没有满足，应予以校正。 • 校正方法校正可用圆水准器下面的校正螺钉进行。操作时，可微微松开固紧螺旋，调整三个校正螺钉使气泡向居中位置移动偏离长度的一半，用脚螺旋改正另一半，使气泡回到中央。如此反复，直至条件得到满足。

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 2. 十字丝横丝应与仪器旋转轴垂直 • 检验方法首先安置好仪器，用十字丝横丝瞄准一个明显的点状目标，并固定制动螺旋，转动水平微动螺旋。若目标点沿横丝移动，则横丝垂直于竖轴。否则，则需要校正。 • 校正方法：用固定十字丝的校正螺钉进行。 P

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院 • 视准轴与水准管轴平行的检验与校正

主讲：王腾军 E-mail：wangtj@chd.edu.cn 长安大学地测学院（1） i角误差检验 • 检验原理

第 4 章 水准测量与水准仪