情景教學(xué)二 水準測量與高程測設(shè)

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學(xué)習(xí)本單元，應(yīng)了解水準測量原理和水準儀的基本構(gòu)造；把握DS3型水準儀的使用方法；把握水準測量的施測方法和內(nèi)業(yè)計算；能夠進行DS3型水準儀的檢驗和校正；了解水準測量的誤差和其他水準儀的基本特點。把握已知高程的測設(shè)方法；把握已知坡度的測設(shè)方法。

知識要點水準儀及其使用技能訓(xùn)練DS3型水準儀的粗平、瞄準、精平和讀數(shù)方法；水準測量的施測；水準測量的外業(yè)施測與內(nèi)業(yè)計算水準測量數(shù)據(jù)的記錄計算；對水準測量的外業(yè)測量數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)成果計算；水準儀軸線應(yīng)滿足的幾何條水準儀的檢驗與校正件；圓水準器、十字絲板、水準管軸的檢驗與校正方法；高程測設(shè)根據(jù)工程現(xiàn)狀選擇測設(shè)高程的方法并進行測設(shè)；根據(jù)工程需要測設(shè)坡度；相關(guān)知識（1）水準儀的構(gòu)造；（2）水準尺和尺墊；（3）水準儀的使用；（1）水準測量觀測的基本步驟；（2）水準測量數(shù)據(jù)的記錄計算；（3）水準測量的測量校核；（4）水準測量的內(nèi)業(yè)計算；（1）圓水準器的檢驗與校正；（2）十字絲橫絲的檢驗與校正；（3）水準管的檢驗與校正；（1）高程測設(shè)的一般方法；（2）高程傳遞法；（1）坡度起點和終點高程的測設(shè)；已知坡度的測設(shè)

（2）坡度平行線的確定；（3）坡度釘?shù)臏y設(shè)。項目一水準測量原理與水準儀的使用

1.1水準測量儀器及工具的使用

1.1.1高程測量的概念

確定地面點高程的測量工作，稱為高程測量。高程測量按使用的儀器、施測方法和精度要求的不同，主要有水準測量、三角高程測量和GPS測量等。在工程建設(shè)中進行高程測量的主要方法是水準測量。

水準測量是利用水準儀建立的水平視線來測量兩點問的高差，進而獲得地面點的高程。三角高程測量是測量兩點間的水平距離或斜距和豎直角(即傾斜角)，然后利用三角公式計算出兩點間的高差，以求得高程，其工作精度較低，只能在適當(dāng)?shù)臈l件下才被采用。氣壓高程測量是利用大氣壓力的變化，測量點的高程。1.1.2水準測量原理

水準測量是運用水準儀所提供的水平視線來測定兩點間的高差，根據(jù)某一已知點的高程和兩點間的高差，計算另一待定點的高程。

1.高差法

如圖2.1，在A、B兩點分別樹立水準尺，利用水準儀提供的水平視線在水準尺上分別讀取數(shù)據(jù)a和b，則兩點間高差：

hAB=a-b(2-1)

圖2.1水準測量原理

兩點的高差，等于后視讀數(shù)a減前視讀數(shù)b。高差有正負值，當(dāng)后視讀數(shù)a大于前視讀數(shù)b（即地面B點高于A點），高差hAB為正值，反之為負值。測得A點至B點的高差后，可求得B點的高程：

HB=HA+hAB(2-2)

特別提醒

水準測量是有方向性的，在書寫高差時，必需注意h的下標：hAB表示B點相對于A點的高差；hBA則表示A點相對于B點的高差。兩者絕對值相等，符號相反。

2.視線高法

如圖2.1，高程的計算也可以用視線高程的方法進行計算，HB=(HA+a)-b=Hi-b(2-3)

式中Hi為視線高程，它等于已知A點的高程HA加A點尺上的后視讀數(shù)a。

特別提醒

在同一個測站上，利用同一個視線高，可以較便利的計算出若干個不同位置的前視點的高程。這種方法常在工程測量中應(yīng)用。

綜上所述，高差法與視線高法都是利用水準儀提供的水平視線測定地面點高程，因此前提要求視線水平。在進行水準觀測時要做好兩項工作：確保視線水平和選取水準尺讀數(shù)。此外，水準儀安置的高度對觀測結(jié)果沒有影響。

1.1.3水準測量儀器及工具

進行水準測量的儀器是水準儀，協(xié)同使用的工具有水準尺和尺墊。1.水準儀的型號及標稱精度

水準儀按測量精度分為DS0.5，DS1，DS3等水準儀?！癉〞，“S〞分別是“大地測量〞、“水準儀〞的漢語拼音的第一個字母。下標數(shù)字表示這些型號的儀器每公里來回測高差中數(shù)的中誤差，以毫米為單位。DS0.5，DS1型屬于縝密水準儀，DS0.5型主要用于國家一、二等水準和縝密工程測量，DS1型主要用于國家二等水準和縝密工程測量。DS3型為普通水準儀，可用于一般工程建設(shè)測量、國家三、四等水準測量，是目前工程上使用最普遍的一種。

水準儀按結(jié)構(gòu)分類，目前主要有微傾式水準儀、自動安平水準儀和電子水準儀三種。2.DS3型微傾式水準儀構(gòu)造

儀器主要部件的名稱如圖2.2所示。DS3型微傾式水準儀主要由望遠鏡、水準器、基座和三腳架組成。各組成部分的主要功能見表2.1。

圖2.2DS3型微傾式水準儀

1-微傾螺旋2-分劃板護罩3-目鏡4-物鏡調(diào)焦螺旋5-制動螺旋6-微動螺旋

7-底板8-三角壓板9-腳螺旋10-彈簧帽11-望遠鏡12-物鏡

13-管水準器14圓水準器15連接小螺釘16-軸座

DS3型微傾式水準儀的組成部分表2.1序號組成部分名稱作用及功能望遠鏡是用來確切瞄準遠處目標（標尺）和提供水平視線進行望遠鏡讀數(shù)的設(shè)備。它主要由物鏡、目鏡、十字絲分劃板和對光（調(diào)1焦）透鏡組成。如圖2.3所示。水準器是水準儀上的重要部件，它尋常分為圓水準器（圖2.4）水準器和管水準器（圖2.5）兩類。為了提高管水準器氣泡的精度，2水準儀中尋常安置的是符合水準器（圖2.6）。基座的作用是支承儀器的上部，并通過連接螺旋與三角架相基座3連?；系娜齻€腳螺旋起粗平的作用。特別提醒

水準儀除了上述三個主要部分外，還裝有一套制動和微動螺旋。瞄準目標時，只要擰緊制動螺旋，望遠鏡就不能轉(zhuǎn)動。此時，放轉(zhuǎn)微動螺旋可使望遠鏡在水平方向作微小的轉(zhuǎn)動，以利于確切瞄難日標。當(dāng)松開制動螺旋時，微動螺旋也就失去了作用。

1）

望遠鏡

望遠鏡是用來確切瞄準遠處目標（即水準尺）的。轉(zhuǎn)動物鏡對光螺旋即可帶動對光透鏡在望遠鏡筒內(nèi)前后移動，使物像明了地反映到十字絲平面上。轉(zhuǎn)動目鏡對光螺旋，使十字絲像明了。

圖2.3望遠鏡

1-物鏡2-目鏡3-調(diào)焦透鏡

4-十字絲分劃板5-連接螺旋6-調(diào)焦透鏡

十字絲刻在一塊圓形的玻璃片上，稱為十字絲分劃板，它裝在十字絲環(huán)上，再用螺絲固定在望遠鏡筒內(nèi)。十字絲交點與物鏡光心的連線稱為視準軸（圖2.3的C-C軸）。視準軸的延長線為視線，它是瞄準目標的依據(jù)。十字絲橫絲上下的二根短絲是測距時用的。2）水準器

水準器是供整平儀器用的。水準器分為圓水準器和水準管兩種。

圓水準器適用于儀器粗略整平之用。如圖2.4所示，圓圈的中心稱為零點，通過零點的法線L′L′，稱為圓水準軸。當(dāng)氣泡居中時，圓水準軸就處于鉛垂位置。指示儀器的豎軸也處于鉛垂位置。

水準管適用于儀器確切整平。圓弧中點稱為水準管的零點，通過零點與內(nèi)壁圓弧相切的直線稱為水準管軸（圖2.5中LL軸線）。水準管氣泡居中時，水準管軸處于水平位置。指示視準軸也處于水平位置。

圖2.4圓水準器圖2.5管水準器圖2.6符合水準器

為了提高判別水準管氣泡居中的確鑿度，在水準管的上方設(shè)置一組符合棱鏡（圖2.6a），借棱鏡組的反射將氣泡兩端的半像反映在望遠鏡旁邊的觀測窗內(nèi)。圖2.6c是水準管氣泡不居中，水準管兩端的影像錯開，這時可轉(zhuǎn)動微傾螺旋（右手大姆指旋轉(zhuǎn)微傾螺旋方向與左側(cè)半氣泡影像的移動方向一致），以使水準管連同望遠鏡沿豎向作微小轉(zhuǎn)動達到水準管氣泡居中，此時兩端的影像吻合，氣泡居中（圖2.6b）。3）基座

基座由軸座、腳螺旋和連接板組成。儀器上部通過豎軸插入軸座內(nèi)，由基座承托，旋緊中心螺旋，使儀器與三腳架相連接。三腳架由木質(zhì)（或金屬）制成，腳架一般可伸縮，便于攜帶及調(diào)整儀器高度。

3.水準儀的附件（見表2.2）水準儀的附件表2.2序號附件名稱作用及功能用以安置水準儀，由木質(zhì)或金屬制成，腳架一般可伸縮，便于三角架1攜帶及調(diào)整儀器高度，使用時用中心連接螺旋與儀器固緊。水準標尺是水準測量的重要工具，其質(zhì)量的好壞直接影響水準測量的精度。水準尺的形式好多，一般有單面尺、雙面尺、木水準標尺2質(zhì)標尺、鋁合金標尺、塔尺、縝密水準尺（銦鋼尺）、條形碼水準尺等。如圖2.7所示。一般由三角形鑄鐵制成，下面有三個尖腳，便于使用時將尺墊尺墊踩入土中，使之穩(wěn)固。上面有一個突起的半球體，水準尺立于3球頂?shù)淖罡唿c。尺墊尋常用于轉(zhuǎn)點上。如圖2.8所示。圖2.7水準標尺圖2.8尺墊

1.2水準儀的操作步驟

1.2.1水準儀的操作步驟（見表2.3）

水準儀的基本操作步驟表2.3

序號1步驟安置儀器2粗平3瞄準4精平5讀數(shù)操作方法安置儀器的方法是，在測站上開啟三角架，將其支在地面上，使高度適中，架頭大致水平，并將三角架的三個腳尖踩緊。從儀器箱中取出儀器，用中心螺旋將其與三角架連接緊固。儀器的粗平，就是調(diào)整儀器腳螺旋，使圓水準器氣泡居中。如圖2.8所示。當(dāng)氣泡偏離如圖a的位置時，可旋轉(zhuǎn)任意兩個腳螺旋。轉(zhuǎn)動①、②兩個腳螺旋，其轉(zhuǎn)動方向按圖中箭頭所示方向進行，兩手應(yīng)對向轉(zhuǎn)動，使氣泡從圖a所示位置轉(zhuǎn)至圖b所示位置。然后按箭頭方向轉(zhuǎn)動第三個腳螺旋③使氣泡向中心移動。按此方法屢屢進行，使氣泡居中。腳螺旋的轉(zhuǎn)動方向與氣泡的移動方向的規(guī)律是：轉(zhuǎn)動腳螺旋時，氣泡移動的方向與左手大拇指轉(zhuǎn)動腳螺旋的方向一致。用望遠鏡瞄準水準尺。先用望遠鏡上方的照門和準星，使目標在這兩點的延長線上。然后轉(zhuǎn)動目鏡對光螺旋，使十字絲明了，松開水平制動螺旋，轉(zhuǎn)動望遠鏡，利用望遠鏡上部的準星與缺口照準目標，旋緊制動螺旋，再轉(zhuǎn)動物鏡對光螺旋，使目標的像明了，此時目標的像不完全在中間位置，可轉(zhuǎn)動微動螺旋確切對準目標。瞄準目標后再進行望遠鏡調(diào)焦以消除視差。如圖2.9所示。（在讀數(shù)之前，將眼睛在目鏡端上下（或左右）微小移動，若發(fā)現(xiàn)十字絲和物像有相對移動，出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象稱為視差。產(chǎn)生視差的原因是由于對光沒有做好，像平面不與十字絲分劃板平面重合。要消除視差必需再次進行目鏡對光（使十字絲明了）和物鏡對光（使物像明了），以達到像平面與十字絲分劃板平面相重合。）在標尺讀數(shù)前，必需進行確切整平。方法是漸漸轉(zhuǎn)動微傾螺旋，調(diào)整符合水準器使氣泡居中。如圖2.10所示。水準測量是用十字絲的橫絲在標尺上讀數(shù)的。讀數(shù)前，必需轉(zhuǎn)動微傾螺旋使符合水準器氣泡嚴格