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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(diǎn)間高差的方法。通常由水準原點(diǎn)或任一已知高程點(diǎn)出發(fā)，沿選定的水準路線(xiàn)逐站測定各點(diǎn)的高程。由于不同高程的水準面不平行，沿不同路線(xiàn)測得的高差將有差異，所以在同一路線(xiàn)中，高差閉合差應不超過(guò)一定數值，若超過(guò)則須重測。 因此，水準測量測定地面上兩點(diǎn)間高差的方法是沿水準路線(xiàn)逐站測定各點(diǎn)的高程，若高差閉合差不超過(guò)一定數值，則可認為各點(diǎn)高程已基本測得正確。水準測量
測定地面上兩點(diǎn)間高差的方法
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(diǎn)間高差的方法。在地面兩點(diǎn)間安置水準儀，觀(guān)測豎立在兩點(diǎn)上的水準標尺，按尺上讀數推算兩點(diǎn)間的高差。
通常由水準原點(diǎn)或任一已知高程點(diǎn)出發(fā)，沿選定的水準路線(xiàn)逐站測定各點(diǎn)的高程。由于不同高程的水準面不平行，沿不同路線(xiàn)測得的兩點(diǎn)間高差將有差異，所以在整理國家水準測量成果時(shí)，須按所采用的正常高系統加以必要的改正，以求得正確的高程。
基本信息
| 中文名 | 水準測量 |
| 外文名 | Leveling Surveying |
| 別名 | 幾何水準測量 |
| 拼音 | shui zhun ce liang |
| 測量?jì)x器 | 水準儀 和水準尺 |
| 作用 | 測定地面上兩點(diǎn)間高差 |
| 又名 | 幾何水準測量 |
收起
儀器工具
原理
水準測量是利用一條水平視線(xiàn)，并借助水準尺，來(lái)測定地面兩點(diǎn)間的高差，這樣就可由已知點(diǎn)的高程推算出未知點(diǎn)的高程。
結構
1．望遠鏡
DS3水準儀望遠鏡主要由物鏡、目鏡、對光透鏡和十字絲分劃板所組成。物鏡和目鏡多采用復合透鏡組，十字絲劃板上刻有兩條互相垂直的長(cháng)線(xiàn)，豎直的一條稱(chēng)豎絲，橫的一條稱(chēng)為中絲，是為了瞄準目標和讀取讀數用的。在中絲的上下還對稱(chēng)地刻有兩條與中絲平行的短橫線(xiàn)，是用來(lái)測定距離的，稱(chēng)為視距絲。十字絲分劃板是由平板玻璃圓片制成的，平板玻璃片裝在分劃板座上，分劃板座固定在望遠鏡筒上。
對光凹透鏡可使不同距離的目標均能成像在十字絲平面上。再通過(guò)目鏡，便可看清同時(shí)放大了的十字絲和目標影像。從望遠鏡內所看到的目標影像的視角與肉眼直接觀(guān)察該目標的視角之比，稱(chēng)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。
水準器是用來(lái)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(lái)指示視準軸是否水平；圓水準器用來(lái)指示豎軸是否豎直。
(1)管水準器
水準管上一般刻有間隔為2mm的分劃線(xiàn)，分劃線(xiàn)的中點(diǎn)0，稱(chēng)為水準管零點(diǎn)。通過(guò)零點(diǎn)作水準管圓弧的切線(xiàn)，稱(chēng)為水準管軸。當水準管的氣泡中點(diǎn)與水準管零點(diǎn)重合時(shí)，稱(chēng)為氣泡居中；這時(shí)水準管軸工人處于水平位置。水準管圓弧2mm所對的圓心角稱(chēng)為水準管分劃值。安裝在DS3級水準儀上的水準管，其分劃值不大于20″/2m。
微傾式水準儀在水準管的上方安裝一組符合棱鏡，通過(guò)符合棱鏡的反射作用，使氣泡兩端的像反映在望遠鏡旁的符合氣泡觀(guān)察窗中。若氣泡兩端的半像吻合時(shí)，就表示氣泡居中。若氣泡的半像錯開(kāi)，則表示氣泡不居中，這時(shí)，應轉動(dòng)微傾螺旋，使氣泡的半像吻合。
(2)圓水準器
圓水準器頂面的內壁是球面，其中有圓分劃圈，圓圈的中心為水準器的零點(diǎn)。通過(guò)零點(diǎn)的球面法線(xiàn)為圓水準器軸線(xiàn)，當圓水準器氣泡居中時(shí)，該軸線(xiàn)處于豎直位置。當氣泡不居中時(shí)，氣泡中心偏移零點(diǎn)2mm，軸線(xiàn)所傾斜的角值，稱(chēng)為圓水準器的分劃值，由于它的精度較低，故只用于儀器的概略整平。
(3)基座
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、底板和三角壓板構成。
水準尺和尺墊
水準尺是水準測量時(shí)使用的標尺。其質(zhì)量好壞直接影響水準測量的精度。因此，準尺需用不易變形且干燥的優(yōu)質(zhì)木材制成；要求尺長(cháng)穩定，分劃準確。常用的水準尺有塔尺和雙面尺兩種。塔尺多用于等外水準測量，其長(cháng)度有2m和5m兩種，用兩節或三節套接在一起。尺的底部為零點(diǎn)，尺上黑白格相間，每格寬度為1cm，有的為0.5cm，每一米和分米處均有注記。雙面水準尺多用于三、四等水準測量。其長(cháng)度有2m和3m兩種，且兩根尺為一對。尺的兩面均有刻劃，一面為紅白相間稱(chēng)紅面尺；另—面為黑白相間，稱(chēng)黑面尺(也稱(chēng)主尺)，兩面的刻劃均為1cm，并在分米處注字。兩根尺的黑面均由零開(kāi)始；而紅面，一根尺由4.687m開(kāi)始至6.687m或7.687m，另一根由4.787m開(kāi)始至6.787m或7.787m。
尺墊是在轉點(diǎn)放置水準尺用的，它用生鐵鑄成，一般為三角形，中央有一突起的半球體，下方有三個(gè)支腳。用時(shí)將支腳牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形頂點(diǎn)作為豎立水準尺和標志轉點(diǎn)之用。
操作
水準儀的使用包括儀器的安置、粗略整平、瞄準水準尺、精平和讀數等操作步驟。
一、安置水準儀
二、粗略整平
粗平是借助圓水準器的氣泡居中，使儀器豎軸大致鉛垂，從而視準軸粗略水平。在整平的過(guò)程中，氣泡的移動(dòng)方向與左手大拇指運動(dòng)的方向—致。
三、瞄準水準尺
首先進(jìn)行目鏡對光，即把望遠鏡對著(zhù)明亮的背景，轉動(dòng)目鏡對光螺旋，使十字絲清晰。再松開(kāi)制動(dòng)螺旋，轉動(dòng)望遠鏡，用望遠鏡筒上的照門(mén)和準星瞄準水準尺，擰緊制動(dòng)螺旋。然后從望遠鏡中觀(guān)察；轉動(dòng)物鏡對光螺旋進(jìn)行對光，使目標清晰，再轉動(dòng)微動(dòng)螺旋，使豎絲對準水準尺。
當眼睛在目鏡端上下微微移動(dòng)時(shí)，若發(fā)現十字絲與目標影像有相對運動(dòng)，這種現象稱(chēng)為視差。產(chǎn)生視差的原因是目標成像的平面和十字絲平面不重合。由于視差的存在會(huì )影響到讀數的正確性，必須加以消除。消除的方法是重新仔細地進(jìn)行物鏡對光，直到眼睛上下移動(dòng)，讀數不變?yōu)橹?。此時(shí)，從目鏡端見(jiàn)到十字絲與目標的像都十分清晰。
四、精平與讀數
眼睛通過(guò)位于目鏡左方的符合氣泡觀(guān)察窗看水準管氣泡，右手轉動(dòng)微傾螺旋，使氣泡兩端的像吻合，即表示水準儀的視準軸已精確水平。這時(shí)，即可用十字絲的中絲在尺上讀數?，F在的水準儀多采用倒像望遠鏡，因此讀數時(shí)應從小往大，即從上往下讀。先估讀毫米數，然后報出全部讀數。精平和讀數雖是兩項不同的操作步驟，但在水準測量的實(shí)施過(guò)程中，卻把兩項操作視為一個(gè)整體；即精平后再讀數，讀數后還要檢查管水準氣泡是否完全符合。只有這樣，才能取得準確的讀數。
外業(yè)工作
水準點(diǎn)布設
為了統一全國的高程系統和滿(mǎn)足各種測量的需要，測繪部門(mén)在全國各地埋設并測定了很多高程點(diǎn)，這些點(diǎn)稱(chēng)為水準點(diǎn)(Bench Mark)，簡(jiǎn)記為BM。水準測量通常是從水準點(diǎn)引測其它點(diǎn)的高程。水準點(diǎn)有永久性和臨時(shí)性?xún)煞N。國家等級水準點(diǎn)一般用石料或鋼筋混凝土制成，深埋到地面凍結線(xiàn)以下。在標石的頂面設有用不銹鋼或其它不易銹蝕材料制成的半球狀標志。有些水準點(diǎn)也可設置在穩定的墻腳上，稱(chēng)為墻上水準點(diǎn)。
建筑工地上的永久性水準點(diǎn)一般用混凝土或鋼筋混凝土制成，臨時(shí)性的水準點(diǎn)可用地面上突出的堅硬巖石或用大木樁打入地下，校頂釘以半球形鐵釘。
埋設水準點(diǎn)后，應繪出水準點(diǎn)與附近固定建筑物或其它地物的關(guān)系圖，在圖上還要寫(xiě)明水準點(diǎn)的編號和高程，稱(chēng)為點(diǎn)之記，以便于日后尋找水準點(diǎn)位置之用。水準點(diǎn)編號前通常加BM字樣，作為水準點(diǎn)的代號。
路線(xiàn)形式
測量過(guò)程
當預測的高程點(diǎn)距水準點(diǎn)較遠或高差很大時(shí)，就需要連續多次安置儀器以測出兩點(diǎn)的高差。為測A、B點(diǎn)高差，在A(yíng)B線(xiàn)路上增加1、2、3、4、……等中間點(diǎn)，將AB高差分成若干個(gè)水準測站。其中間點(diǎn)僅起傳遞高程的作用，稱(chēng)為轉點(diǎn)（Turning Point），簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)P或者ZD。轉點(diǎn)無(wú)固定標志，無(wú)需算出高程。顯然，每安置一次儀器，便可測得一個(gè)高差。
檢核
1．計算檢核
B點(diǎn)對A點(diǎn)的高差等于各轉點(diǎn)之間高差的代數和，也等于后視讀數之和減去前視讀數之和，因此，此式可用來(lái)作為計算的檢核。但計算檢核只能檢查計算是否正確，不能檢核觀(guān)測和記錄時(shí)是否產(chǎn)生錯誤。
2．測站檢核
B點(diǎn)的高程是根據A點(diǎn)的已知高程和轉點(diǎn)之間的高差計算出來(lái)。若其中測錯任何一個(gè)高差，B點(diǎn)高程就不會(huì )正確。因此，對每一站的高差，都必須采取措施進(jìn)行檢核測量。
1）變動(dòng)儀器高法：同一測站用兩次不同的儀器高度，測得兩次高差以相互比較進(jìn)行檢核。
3．路線(xiàn)檢核
測站檢核只能檢核一個(gè)測站上是否存在錯誤或誤差超限。由于溫度、風(fēng)力、大氣折光、尺墊下沉和儀器下沉等到外界條件引起的誤差，尺子傾斜和估讀的誤差，以及水準儀本身的誤差等，雖然在一個(gè)測站上反映不很明顯，但隨著(zhù)測站數的增多使誤差積累，有時(shí)也會(huì )超過(guò)規定的限差。
1）附合水準路線(xiàn)檢核
2）閉合水準路線(xiàn)檢核
3）支水準路線(xiàn)檢核
內業(yè)工作
1．高差閉合差的計算高差閉合差可用來(lái)衡量測量成果的精度，等外水準測量的高差閉合差容許值。
2．閉合差的調整
在同一條水準路線(xiàn)上，假設觀(guān)測條件是相同的，可認為各站產(chǎn)生的誤差機會(huì )是相同的，故閉合差的調整按與測站數（或距離）成正比反符號分配的原則進(jìn)行。
3．高程計算
二、閉合水準路線(xiàn)閉合差的計算與調整
閉合水準路線(xiàn)各段高差的代數和應等于零，即 由于存在著(zhù)測量誤差，必然產(chǎn)生高差閉合差，閉合水準路線(xiàn)高差閉合差的調整方法、容許值的計算，均與附合水準路線(xiàn)相同。
對于DS3級微傾水準儀，I值不得大于20″。
校正 轉動(dòng)微傾螺旋使中絲對準A點(diǎn)尺上正確讀數c2，此時(shí)視準軸處于水平位置，但管水準氣泡必然偏離中心。用撥針撥動(dòng)水準管一端的上、下兩個(gè)校正螺絲，使氣泡的兩個(gè)半象符合。
誤差校正
一、儀器誤差
1．儀器校正后的殘余誤差
在水準實(shí)驗前雖然儀器經(jīng)過(guò)了嚴格的檢驗校正，但仍然存在殘余的角殘差。理論上水準管軸應與視準軸平行，若兩者不平等，雖經(jīng)校正但仍然殘存誤差。即兩軸線(xiàn)不平行形成角，這種誤差的影響與儀器至水準尺的距離成正比，屬于系統誤差?？梢栽跍y量中采取一定的方法加以減弱或消除。若觀(guān)測時(shí)使前、后視距相等，可消除或減弱此項誤差的影響。
2．水準尺誤差
由于水準尺刻劃不準確、尺長(cháng)發(fā)生變化、尺身彎曲等原因，會(huì )對水準測量造成影響，因此水準尺在使用之前必須進(jìn)行檢驗。此外，由于水準尺長(cháng)期使用導致尺底端零點(diǎn)磨損，或者是水準尺的底端粘上泥土改變了水準尺的零點(diǎn)位置，則可以在一水準測段中把兩支水準尺交替作為前后視讀數，或者測量偶數站來(lái)消除。
二、觀(guān)測誤差
1．水準管氣泡居中誤差
設水準管分劃值為τ″，居中誤差一般為±0.15τ″，采用符合式水準器時(shí)，氣泡居中精度可提高一倍。
2．讀數誤差
在水準尺上估讀毫米數的誤差，與人眼的分辨能力、望遠鏡的放大倍率以及視線(xiàn)長(cháng)度有關(guān)。
3．視差影響
當視差存在時(shí)，十字絲平面與水準尺影像不重合，若眼睛觀(guān)察的位置不同，便讀出不同的讀數，因而也會(huì )產(chǎn)生讀數誤差。
4．水準尺傾斜影響
水準尺傾斜將使尺上讀數增大。
三、外界條件的影響
1．儀器下沉
由于儀器下沉，使視線(xiàn)降低，從而引起高差誤差。采用“后、前、前、后”的觀(guān)測程序，可減弱其影響。
2．尺墊下沉
如果在轉點(diǎn)發(fā)生尺墊下沉，將使下一站后視讀數增大。采用往返觀(guān)測，取平均值的方法可以減弱其影響。
3．地球曲率及大氣折光影響
由于大氣折光，視線(xiàn)并非是水平，而是一條曲線(xiàn)，標準折射曲線(xiàn)的曲率半徑為地球半徑的4倍。
如果前視水準尺和后視水準尺到測站的距離相等，則在前視讀數和后視讀數中含有相同的。這樣在高差中就沒(méi)有這誤差的影響了。因此，放測站時(shí)要爭取“前后視相等”
接近地面的空氣溫度不均勻，所以空氣的密度也不均勻。光線(xiàn)在密度不勻的介質(zhì)中沿曲線(xiàn)傳布。這稱(chēng)為“大氣折光”?？傮w上說(shuō)，白天近地面的空氣溫度高，密度低，彎曲的光線(xiàn)凹面向上；晚上近地面的空氣溫度低，密度高，彎曲的光線(xiàn)凹面向下。接近地面的溫度梯度大大氣折光的曲率大，由于空氣的溫度不同時(shí)刻不同的地方一直處于變動(dòng)之中。所以很難描述折光的規律。對策是避免用接近地面的視線(xiàn)工作，盡量抬高視線(xiàn)，用前后視等距的方法進(jìn)行水準測量
除了規律性的大氣折光以外，還有不規律的部分：白天近地面的空氣受熱膨脹而上升，較冷的空氣下降補充。因此，這里的空氣處于頻繁的運動(dòng)之中，形成不規則的湍流。湍流會(huì )使視線(xiàn)抖動(dòng)，從而增加讀數誤差。對策是夏天中午一般不做水準測量。在沙地，水泥地……湍流強的地區，一般只在上午10點(diǎn)之前作水準測量。高精度的水準測量也只在上午10點(diǎn)之前進(jìn)行。
4，溫度對儀器的影響
溫度會(huì )引起儀器的部件漲縮，從而可能引起視準軸的構件（物鏡，十字絲和調焦鏡）相對位置的變化，或者引起視準軸相對與水準管軸位置的變化。由于光學(xué)測量?jì)x器是精密儀器，不大的位移量可能使軸線(xiàn)產(chǎn)生幾秒偏差，從而使測量結果的誤差增大。
不均勻的溫度對儀器的性能影響尤其大。例如從前方或后方日光照射水準管，就能使氣泡“趨向太陽(yáng)”——水準管軸的零位置改變了。
溫度的變化不僅引起大氣折光的變化，而且當烈日照射水準管時(shí)，由于水準管本身和管內液體溫度升高，氣泡向著(zhù)溫度高的方向移動(dòng)，影響儀器水平，產(chǎn)生氣泡居中誤差，觀(guān)測時(shí)應注意撐傘遮陽(yáng)。
測量規范
國家水準網(wǎng)布設成一等、二等、三等、四等4個(gè)等級?，F用的水準測量規范為：GBT_12897-2006_國家一、二等水準測量規范與GBT_12898-2009_國家三、四等水準測量規范。工程上常用的水準測量為：三、四等水準測量；等外水準測量。
三、四等水準測量主要技術(shù)要求如下：
等級 | 路線(xiàn)長(cháng)度 /km | 水準儀 | 水準尺 | 觀(guān)測次數 | 往返較差、附合 或環(huán)線(xiàn)閉合差 | ||
與已知點(diǎn)聯(lián)測 | 符合或環(huán)線(xiàn) | 平地/mm | 山地/mm | ||||
三 | ≤50 | DS1 | 因瓦 | 往返各一次 | 往一次 | ±12 | ±4 |
DS3 | 雙面 | 往返各一次 | |||||
四 | ≤16 | DS3 | 雙面 | 往返各一次 | 往一次 | ±20 | ±6 |
等級 | 水準儀 | 視線(xiàn) 長(cháng)度 /m | 前后 視距差 /m | 前后視距累積差 /m | 視線(xiàn)高度 | 黑面、紅面 讀數之差 /mm | 黑面、紅面 所測高差之差 /mm |
三 | DS1 | 100 | 3 | 6 | 三絲能讀數 | 1.0 | 1.5 |
DS3 | 75 | 2.0 | 3.0 | ||||
四 | DS3 | 100 | 5 | 10 | 三絲能讀數 | 3.0 | 5.0 |
參考資料
[1]
水準測量原理 · 道客巴巴[引用日期2012-09-10]
[2]
水準測量 · 道客巴巴[引用日期2012-09-10]
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