学习情境2.1 水准测量原理及仪器
2.1.1 水准测量的基本原理
水准测量的原理是：利用水准仪提供的一条水平视线，分别读出地面上两个点处所立水准尺上的读数，由此计算两点的高差，根据测得的高差再由已知点的高程推求未知点的高程。根据使用的场合，分以下两种方法，如图2.1所示。
图2.1 水准测量原理
（1）高差法：
hAB=a-b
（2.1）
HB=HA+（a-b）=HA+hAB
（2.2）
（2）仪高法：
HB=（HA+a）-b
（2.3）
两者的区别在于：高差法用于高程的联标测量，一站只观测一个前视读数，来完成测量高程联标任务；仪器高法适用于在一个点上同时完成多个点的高程测量。另外，在高程放样时，常用仪高法，只要把仪高法的公式稍作改动即可。见下式：
HB=（HA+a）-b→b=（HA+a）-HB
（2.4）
从公式的角度看，测量和放样两者的区别是：测量是求得某点的高程，放样是求得某点的读数。
在实际测量操作和水准测量手簿上会出现以下几个名词术语，现给出定义如下。
（1）后视点及后视读数。某一测站上高程已知的点，称为后视点，在后视点上的读数称为后视读数，用a表示。
（2）前视点及前视读数。某一测站上高程待测的点，称为前视点，在前视点上的读数称为前视读数，用b表示。
（3）转点。在连续水准测量中，用来传递高程的点，称为转点，其上既有前视读数，又有后视读数。
（4）间视点。在测量过程中，临时用来检查某一点的高程而在其上立尺所测的只有前视读数的点称为间视点，属于前视点的一个类型，其数据不能用来进行计算校核，常在抄平中使用。
2.1.2 DS3微倾水准仪
水准仪是提供一条水平视线，并进行读数的测量仪器。微倾式水准仪主要由基座、望远镜和水准器组成，如图2.2所示。
图2.2DS3型水准仪
1—物镜；2—物镜调焦螺旋；3—微动螺旋；4—制动螺旋；5—微倾螺旋；6—脚螺旋；7—管水准气泡观察窗；
8—管水准器；9—圆水准器；10—圆水准器校正螺钉；11—目镜；12—准星；13—照门；14—基座
（1）基座。呈三角形，由轴座、脚螺旋和连接板组成。仪器上部通过竖轴插在轴套内，由基座承托。脚螺旋用来调整圆水准器。整个仪器通过连接板、中心螺旋与三脚架连接。
（2）望远镜。由物镜、目镜、十字丝分划板和对光透镜（内对光式）组成，其构造如图2.3所示。其主要性能参数包括放大倍率、视场角、分辨率和亮度等，其成像原理如图
2.4所示。
物镜（附合透镜）：其作用是将远处的目标成像在十字丝分划板上，形成缩小而倒立的实像。
图2.3 望远镜的构造
1—物镜；2—目镜；3—调焦透镜；4—十字丝分划板；5—物镜调焦螺旋；6—目镜调焦螺旋
图2.4 望远镜成像原理
目镜（附合透镜）：其作用是将物镜所形成的实像连同十字丝一起放大成虚像。
十字丝分化板：位于望远镜光学系统的焦平面上，属光学玻璃板，用以瞄准目标和读数，上面有一条竖丝和三条横丝（中丝和两条视距丝）。
视准轴：物镜光心和十字丝交点的连线。
视差：指物镜对光后，眼睛在目镜端上、下微微移动时，十字丝和水准尺成像有相互移动的现象。消除方法是仔细反复地调节目镜和物镜的对光螺旋，直到成像稳定。
（3）水准器。分圆水准器和管水准器，圆水准器用以使仪器竖轴处于铅垂位置，管水准器使视线精确水平。
水准管的构造如图2.5和图2.6所示。
水准管是将玻璃管内的纵向内壁磨成圆弧，内封酒精和乙醚的混合物，冷却后在内部形成一个气泡，用气泡居中与否来判断望远镜视准线的是否水平。水准管圆弧的中点称为水准管的零点。过零点的圆弧的纵切线称为水准管轴，用LL表示。水准管上相邻两分划线间的圆弧（弧长2mm）所对的圆心角称为水准管分划值，用τ表示。其大小与水准管圆弧半径R成反比，即半径越大，τ值越小，灵敏度越高。
为了提高气泡的居中精度和便于观测，在水准管的上方装有附合棱镜，如图2.5（c）所示。当两边的半个气泡影像附合在一起，构成“U”形时，如图2.5（e）所示，则表示气泡居中，此时可以进行读数。
图2.5 水准管的构造
圆水准器的构造如图2.6所示。分划小圆周的中心为圆水准器的零点，过零点的球面法线L′L′为圆水准轴。分划值大，灵敏度低，仅用于粗平。
2.1.3 水准仪的操作
水准仪的使用分以下几步。1.三脚架打开与安置
（1）提拉脚架。用右手抓住三脚架的头部，立起来，然后用左手顺时针拧开三脚架三个脚腿的固定螺栓。同时上提脚架，脚腿自然下滑。提至架头与自己的眼眉齐平为止。之后逆时针拧紧螺旋，固定脚腿。注意螺栓的拧紧程度不要过大，手感吃力即可。
（2）打开脚架。提拉完脚架之后，用两手分别抓住两个架腿，向外测掰拉，同时用脚推出另一个架腿，使脚架的落地点构成等边三角形并保证架头大致水平。要求脚架的空档与两个立尺点相对，这样防止骑跨某个架腿读数的情况出现。
图2.6 圆水准器
（3）安置仪器。三脚架立好后，打开仪器箱取出仪器，将
仪器的底座一侧接触架头，然后顺势放平仪器，旋紧底座固定螺旋，要求松紧适度。
2.仪器安放与整平
（1）仪器安放。打开仪器箱，看清仪器在箱中的放置样式，然后取出仪器，将仪器的底部侧面与三脚架座接触后，平推仪器，对准螺栓孔，旋紧固定螺栓，在放置时，要求圆气泡对准一个架腿测，手提该架腿前后推拉，并左右拨动脚腿，使气泡大致居中。气泡的运动方向与架腿的运动方法之间的关系为左右同向，前后反向。
（2）粗平。调节脚螺旋，使圆水准气泡严格居中，称为圆气泡的粗平，如图2.7（a）所示。
（3）精平。旋动微倾螺旋，使附合水准管的两个半气泡对齐，称为读数精平，如图
2.7（c）所示。
3.读数
精平后，应立即用中丝在水准尺上读，读数时，前三位数从尺上直接读取，第四位的毫米数估读。读数前，要知道仪器成像的倒与正。不论成像是正像还是倒像，在望远镜中分清水准尺上大数和小数的排列顺序，从小数向大数方向顺次读取，可避免读错尺读数，尺读数如图2.8所示。
图2.7 水准器整平
图2.8 瞄准水准尺与读数
仪器操作时，应注意以下几点：每次读数前都要精平；制动螺旋、微动螺旋不能错
用，旋转要轻巧；切忌手扶脚架进行观测。
2.1.4 测量工具
1.水准尺
水准尺是水准测量的重要工具，与水准仪配合使用。其种类有精密水准尺和普通水准尺，尺长一般为3～5m，尺型有直尺、折尺、塔尺等。如图2.9所示，普通水准尺分划为底部从零开始每间隔1cm，涂有黑白或黑红相间的分划，每分米注记数字。双面尺分黑面尺（主尺）和红面尺（辅尺），其中黑面尺读数范围是0～3m，红
面尺读数范围是4.687（4.787）～7.687（7.787）m。
2.尺垫
图2.9 水准尺
尺垫是用生铁铸造而成，如图2.10所示，其下有三个支爪，上部有一个半球形凸起。在连续水准测量时，在转点上作为临时立尺点，传递高程，防止水准尺下沉和立尺点移动。使用时将尺垫用脚踩实，尺子立在半球形凸起的顶上。
图2.10 尺垫