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图2—2是我国生产的DS3型微倾式水准仪。

）

图2-2DS3微倾式水准仪

2.2.1.1望远镜

望远镜的作用是能使我们看清不同距离的目标，并提供一条照准目标的视线。

图2-3望远镜的构造

图2-3是DS3型水准仪望远镜的构造图，主要由物镜、镜筒、调焦透镜、十字丝分划板、目镜等部件构成。

物镜、调焦透镜和目镜多采用复合透镜组。

物镜固定在物镜筒前端，调焦透镜通过调焦螺旋可沿光轴在镜筒内前后移动。

十字丝分划板是安装在物镜与目镜之间的一块平板玻璃，上面刻有两条相互垂直的细线，称为十字丝。

竖的一条是竖丝，中间横的一条称为中丝（或横丝），是为了瞄准目标和读取读数用的。

在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测距离的，称为视距丝。

十字丝分划板通过压环安装在分划板座上，套入物镜筒后再通过校正螺钉与镜筒固连。

　　物镜光心与十字丝交点的连线称为视准轴或视准线（图2-3）。

视准轴是水准测量中用来读数的视线。

水准测量是在视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。

望远镜成像原理如图2—4所示，目标AB经过物镜后，形成一倒立缩小的实像ab。

移动对光凹透镜可使不同距离的目标均能成像在十字丝平面上，再通过目镜的作用，可看清同时放大了的十字丝和目标影像a′b′。

\

图2-4望远镜成像原理

　　通过望远镜所看到的目标影像的视角与肉眼直接观察该目标的视角之比，称为望远镜的放大率。

通过望远镜所看到的目标影像的视角为

，用肉眼直接观察该目标的视角可近似的认为是

，故放大率

。

DS3型水准仪望远镜放大率为28倍。

2.2.1.2水准器

　　水准器是用来判别视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。

水准器有管水准器和圆水准器两种。

管水准器用来判别视准轴是否水平，圆水准器用来判别竖轴是否竖直。

（1）管水准器

图2—5水准管

　　管水准器又称水准管，是把纵向内壁琢磨成圆弧形的玻璃管，管内装酒精和乙醚的混合液，管子加热融闭后，在管内形成一个气泡（图2—5）。

由于气泡很轻，故恒处于管内最高位置。

水准管圆弧中点O称为水准管零点。

过零点与内壁圆弧相切的直线LL，称为水准管轴。

当水准管气泡中心与零点重合时，称气泡居中，这时水准管轴处于水平位置。

图2-6水准管分划值

水准管2mm的弧长所对圆心角τ称为水准管分划值（图2—6），即气泡每移动一格时，水准管轴所倾斜的角值。

该值为：

式中：

R—水准管圆弧半径，mm；

—206265〞。

　　水准管分划值的大小反映了仪器置平精度的高低。

式（2-4）说明水准管半径愈大，分划值愈小，则水准管灵敏度（整平仪器的精度）愈高。

安装在DS3型仪器上的水准管，其分划值为20"

／2mm。

　　为了提高调整水准管气泡居中的精度和速度，微倾式水准仪在水准管上方安装一组符合棱镜，如图2—7a所示。

通过符合棱镜的折光作用，使气泡两端各半个影像反映在望远镜旁的气泡观察窗中。

若气泡两端的半像吻合时，表示气泡居中。

若两端半像错开（图2—7b），则表示气泡不居中，这时应转动微倾螺旋使气泡半像吻合（图2—7c）。

这种水准器称为符合水准器。

\

图2—7符合水准器

（2）圆水准器

圆水准器（图2—8）顶面的内壁是一个球面，球面中央有圆分划圈，圆圈的中心称为水准器零点。

通过零点的球面法线，称为圆水准轴，当圆水准器气泡居中时，圆水准轴处于竖直位置。

圆水准器的分划值是指通过零点的任意一个纵断面上，气泡中心偏离2mm的弧长所对圆心角的大小。

DS3水准仪圆水准器分划值一般为8′～10′/2mm。

由于它的精度较低，故只用于仪器的概略整平。

2.2.1.3基座

　　基座的作用是支撑仪器的上部并与三脚架连接。

基座主要由轴座、脚螺旋和连接板构成。

仪器上部通过竖轴插入轴座内，由基座托承。

整个仪器用连接螺旋与三脚架连结。

2.2.2水准尺和尺垫

　　水准尺是水准测量时使用的标尺。

其质量的好坏直接影响水准测量的精度。

因此，水准尺需用不易变形且干燥的优质木材制成；

要求尺长稳定，分划准确。

如图2—9所示，常用的水准尺有塔尺和双面尺两种，用优质木材或玻璃钢制成。

图2-8圆水准器图2—9水准尺

　　塔尺由两节或三节套接而成（图2—9a），长度有3m和5m两种。

尺的底部为零刻划，尺面以黑白相间的分划刻划，每格宽lcm，也有的为0．5cm，分米处注有数字，大于lm的数字注记加注红点或黑点，点的个数表示米数。

塔尺因节段接头处存在误差，故多用于精度要求较低的水准测量中。

双面尺也叫直尺或板尺（图2—9b），多用于三、四等水准测量。

尺的长度有2m和3m两种。

尺的双面均有刻划，一面为黑白相间，称为黑面尺（也称基本分划），尺底端起点为零；

尺的另一面为红白相间，称为红面尺（也称辅助分划），尺底端起点不为零，而是一常数K。

一根尺常数为4.787m，另一根尺常数为4.787m。

一根尺由4.687m开始至6.687m或7.687m，另一根尺由4.787m开始至6.787m或7.787m。

双面尺一般成对使用，利用黑红面尺零点差可对水准测量读数进行检核。

图2-10尺垫

　　尺垫由三角形的铸铁块制成（图2—10），上部中央有突起的半球。

使用时，将尺垫踏实，以防下沉，把水准尺立于突起的半球顶部。

突起的半球顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。

2.2.3水准仪的使用

水准仪的使用包括仪器的安置、粗略整平、瞄准水准尺、精平和读数等操作步骤。

（1）安置水准仪

　　在测站上安置三脚架，调节架脚使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架伸缩螺旋是否拧紧。

然后打开仪器箱取出水准仪，用连接螺旋把水准仪安置在三脚架头上，安装时，应用手扶住仪器，以防仪器从架头滑落。

（2）粗略整平

粗略整平是用仪器脚螺旋将圆水准器气泡调节到居中位置，借助圆水准器的气泡局中，使仪器竖轴大致铅直，视准轴粗略水平。

具体作法是：

先将脚架的两架脚踏实，操纵另一架脚左右、前后缓缓移动，使圆水准气泡基本居中（气泡偏离零点不要太远），再将此架脚踏实，然后调节脚螺旋使气泡完全居中。

调节脚螺旋的方法如图2-11所示。

在整平过程中，气泡移动的方向与左手（右手）大拇指转动方向一致（相反）；

有时要按上述方法反复调整脚螺旋，才能使气泡完全居中。

（3）瞄准水准尺

首先进行目镜对光，即把望远镜对着明亮背景，转动目镜调焦螺旋使十字丝成像清晰。

再松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上部的准星和照门大致对准水准尺后，拧紧制动螺旋。

然后从望远镜内观察目标，调节物镜调焦螺旋，使水准尺成像清晰。

最后用微动螺旋转动望远镜，使十字丝竖丝对准水准尺的中间稍偏一点，以便读数。

在物镜调焦后，当眼睛在目镜端上下作少量移动时，有时会出现十字丝与目标有相对运动的现象，这种现象称为视差。

产生视差的原因是目标通过物镜所成的像没有与十字丝平面重合（图2—12）。

由于视差的存在会影响观测结果的准确性，所以必须加以消除。

　　消除视差的方法是仔细地反复进行目镜和物镜调焦。

直到眼睛上移动，读数不变为止。

此时，从目镜端见到十字丝与目标的像都十分清晰。

图2—11圆水准气泡整平

图2—12视差现象

（4）精确整平与读数

精确整平是调节微倾螺旋，使目镜左边观察窗内的符合水准器的气泡两个半边影像完全吻合。

这时水准仪视准轴处于精确水平位置。

精平时，由于气泡移动有一个惯性，所以转动微倾螺旋的速度不能太快。

只有符合气泡两端影像完全吻合而又稳定不动后，才表示水准仪视准轴处于精确水平位置。

　　符合水准器气泡居中后，即可读取十字丝中丝截在水准尺上的读数。

直接读出米、分米和厘米，估读出毫米（见图2-13）。

现在的水准仪多采用倒像望远镜，因此读数时应从小往大，即从上往下读。

也有正像望远镜，读数与此相反。

　　精确整平与读数虽是两项不同的操作步骤，但在水准测量的实施过程中，却把两项操作视为一体，即精平后在读数，读数后还要检查管水准气泡是否完全符合，只有这样，才能取得准确的读数。

）图2—13水准尺读数

2.3水准测量方法

2.3.1水准点

　　用水准测量方法测定的高程控制点称为水准点（记为BM.）。

水准测量通常是从水准点引测其它点的高程。

水准点有永久性和临时性两种。

水准点的位置应选在土质坚硬、便于长期保存和使用方便的地点。

水准点按其精度分为不同的等级。

国家水准点分为四个等级，即一、二、三、四等水准点，按国家规范要求埋设永久性标石标志。

地面水准点按一定规格埋设，一般用石料或钢筋混凝土制成，埋深到地面冻结线以下。

在标石顶部设置有不易腐蚀的材料制成的半球状标志（图2—14a）；

墙脚水准点应按规格要求设置在永久性建筑物上（图2—14b）。

　　地形测量中的图根水准点和一些施工测量使用的水准点，常采用临时性标志，可用木桩或道钉打入地面，也可在地面上突出的坚硬岩石或房屋四周水泥面、台阶等处用红油漆作出标志。

（a）国家等级水准点（b）墙上水准点

图2—14二、三等水准点标石埋设图（单位：

mm）

2.3.2水准测量施测

　　当已知水准点与待测高程点的距离较远或两点间高差很大，安置一次仪器无法测到两点高差时，就需要把两点间分成若干段，连续安置仪器测出每段高差，然后依次推算高差和高程。

如图2—15所示，水准点BM．A的高程为54．206m，现拟测定B点高程，施测步骤如下：

图2—15水准测量施测

在离A适当距离处选择点TP．1，安放尺垫，在A、1两点上分别竖立水准尺。

在距A点和1点大致等距离处安置水准仪，瞄准后视点A，精平后读得后视读数为1.364，记入水准测量手簿（表2—1）。

旋转望远镜，瞄准前视点1，精平后读得前视读数

为0.979，记人手簿。

计算出A、1两点高差为+0.385。

此为一个测站的工作。

点1的水准尺不动，将A点水准尺，立于点2处，水准仪安置在1、2点之间，与上述相同的方法测出1、2点的高差，依次测至终点B。

每一测站可测得前、后视两点间的高差，即

在上述施测过程中，点1、2、3是临时的立尺点，作为传递高程的过渡点，称为转点（简记为TP．）。

由上述可知，在观测过程中，TP.1,TP.2,TP.3仅起传递高程的作用，它们无固定标志，无需算出高程。

2.3.3水准测量检核

2.3.3.1测站检核

　　在水准测量每一站测量时，任何一个观测数据出现错误，都将导致所测高差不正确。

因此，对每一站的高差，都必须采取措施进行检核测量，这种检核称为测战检核。

测站检核通常采用变动仪高法和双面尺法。

（1）变动仪高法

　　在每一测站上测出两点高差后，改变仪器高度再测一次高差，测得两次高差以进行比较检核。

两次高差之差不超过容许值（如图根水准测量容许值为土6mm），取其平均值作最后结果；

若超过容许值，则需重测。

（2）双面尺法

　　在每一测站上，仪器高度不变，分别测出两点的黑面尺高差和红面尺高差，测得两次高差，相互进行校核。

若同一水准尺红面读数与黑面读数之差，以及红面尺高差与黑面尺高差均在容许值范围内，取平均值作最后结果，否则应重测。

2.3.3.2成果检核

　　测站检核能检查每一测站的观测数据是否存在错误，但有些误差，例如在转站时转点的位置被移动，测站检核是查不出来的。

此外，每一测站的高差误差如果出现符号一致性，随着测站数的增多，误差积累起来，就有可能使高差总和的误差积累过大。

因此，还必须对水准测量进行成果检核，其方法是将水准路线布设成如下几种形式：

（1）附合水准路线

）图2—16水准路线的布设形式

如图2—16a，从一个已知高程的水准点BM．5起，沿各待测高程的水准点进行水准测量，最后连测到另一个已知高程的水准点BM．7上，这种形式称为附合水准路线。

附合水准路线中各测站实测高差的代数和应等于两已知水准点间的高差。

由于实测高差存在误差，使两者之间不完全相等，其差值称为高差闭合差

，即

（2—6）

——附合路线终点高程；

——起点高程。

（2）闭合水准路线

如图2—16b，从一已知高程的水准点BM．8出发，沿环形路线进行水准测量，最后测回到水准点BM．8，这种形式称为闭合水准路线。

闭合水准路线中各段高差的代数和应为零，但实测高差总和不一定为零，从而产生闭合差

（2—7）

（3）支水准路线

如图2—16c，从已知高程的水准点BM．6出发，最后没有连测到另一已知水准点上，也未形成闭合，称为支水准路线。

支水准路线要进行往、返测，往测高差总和与返测高差总和应大小相等符号相反。

但实测值两者之间存在差值，即产生高差闭合差

（2-8）

　　高差闭合差是各种因素产生的测量误差，故闭合差的数值应该在容许值范围内，否则应检查原因，返工图根水准测量高差闭合差容许值为：

（2—9）

四等水准测量高差闭合差容许值为：

（2—10）

式（2—9）和式（2—10）中：

L为水准路线总长（以公里为单位）；

，n为测站数

2.4水准测量成果计算

2.4.1附合水准路线测量成果计算

　　水准测量的成果计算，首先要算出高差闭合差，它是衡量水准测量精度的重要指标。

当高差闭合差在容许值范围内时，再对闭合差进行调整，求出改正后的高差，最后求出待测水准点的高程。

图2—17是根据水准测量手簿整理得到的观测数据，各测段高差和测站数如图所示。

A、B为已知高程水准点，l、2、3点为待求高程的水准点。

列表2—2进行高差闭合差的调整和高程计算。

图2—17附合水准路线计算图

（1）高差闭合差的计算

由式（2-6）：

=-9.811-（32.509-42.365）=+0.045m

按山地及图根水准精确度计算闭合差容许值为：

<

，符合图根水准测量技术要求。

（2）闭合差调整

闭合差的调整是按与距离或与测站数成正比例反符号分配到各测段高差中。

第测段高差改正数按下

式计算：

（2-11）

或

（2-12）

——路线总测站数；

——第段测站数；

——路线总长；

——第段距离。

由式（2—11）算出第一段（A～1）的改正数为：

其他各测段改正数按式（2—11）算出后列入表2—2中。

改正数的总和与高差闭合差大小相等符号相反。

每测段实测高差加相应的改正数便得到改正后的高差。

（3）计算各点高程

　　用每段改正后的高差，由已知水准点A开始，逐点算出各点高程，列入表2—2中。

由计算得到的B点高程应与B点的已知高程相等，以此作为计算检核。

附合水准路线成果计算表2-2

2.4.2闭合水准路线的成果计算

　　闭合水准路线高差闭合差按式（2—7）计算，若闭合差在容许值范围内，按上述附合水准路线相同的方法调整闭合差，并计算高程。

2.5微倾式水准仪的检验与校正

　　水准仪有以下主要轴线：

视准轴、水准管轴、仪器竖轴和圆水准器轴，以及十字丝横丝，见图2—18。

根据水准测量原理，水准仪必须提供一条水平视线，才能正确的测出两点间的高差。

为此，水准仪各轴线间应满足的几何条件是：

①圆水准器轴平行仪器竖轴VV；

②十字丝的中丝（横丝）垂直仪器竖轴VV；

③水准管轴LL平行视准轴CC。

　　上述水准应满足的各项条件，在仪器出厂时已经过检验与校正而得到满足，但由于仪器在长期使用和运输过程中受到震动和碰撞的原因，使各轴线之间的关系发生变化，若不及时检验校正，将会影响测量成果的质量。

所以，水准测量作业前，应对水准仪进行检验，如不满足要求，应及时对仪器加以校正。

图2-18水准仪的主要轴线

2.5.1圆水准器轴平行仪器竖轴的检验校正

（1）检验

　　安置仪器后，用脚螺旋调节圆水准器气泡居中，然后将望远镜绕竖轴旋转180°

，如气泡仍居中，表示此项条件满足要求（园水准器轴与竖轴平行）；

若气泡不居中，则应进行校正。

检验原理如图2—19所示。

当圆水准器气泡居中时，圆水准器轴处于铅垂位置。

若圆水准器轴与竖轴不平行，那么竖轴与铅垂线之间出现倾角（图2-19a）。

当望远镜绕倾斜的竖轴旋转180°

后，仪器的竖轴位置并没有改变，而圆水准器轴却转到了竖轴的另一侧。

这时，圆水准器轴与铅垂线夹角为2，则圆气泡偏离零点，其偏离零点的弧长所对的圆心角为2（图2-19b）。

（点击图片放大）图2—19圆水准器检验校正原理

（2）校正

　　根据上述检验原理，校正时，用脚螺旋使气泡向零点方向移动偏离长度的一半，这时竖轴处于铅垂位置（图2—19c）。

然后再用校正针调整圆水准器下面的三个校正螺钉，使气泡居中。

这时，圆水准器轴便平行于仪器竖轴（图2—19d）。

　　圆水准器下面的校正螺钉构造如图2—20所示。

校正时，一般要反复进行数次，直到仪器旋转到任何位置圆水准器气泡都居中为止。

最后要注意拧紧固紧螺丝。

图2-20圆水准器校正螺钉

2.5.2十字丝横丝垂直仪器竖轴的检验与校正

　　安置水准仪并整平后，先用十字丝横丝的一端对准一个点状目标，如图2—2la中的P点，然后拧紧制动螺旋，缓缓转动微动螺旋。

若P点始终在横丝上移动（图2—2lb），说明十字丝横丝垂直仪器竖轴，条件满足；

若P点移动的轨迹离开了横丝（图2—21c、d），则条件不满足，需要校正。

　　校正方法因十字丝分划板座安置的形式不同而异。

其中一种十字丝分划板的安置是将其固定在目镜筒内，目镜筒插人物镜筒后，再由三个固定螺钉与物镜筒连接。

校正时，用螺丝刀放松三个固定螺钉，然后转动目镜筒，使横丝水平（图2—22），最后将三个固定螺钉拧紧。

图2-21十字丝的检验

图2-22十字丝的校正

2.5.3水准管轴平行视准轴的检验与校正

如图2—23，在高差不大的地面上选择相距80m左右的A、B两点，打入木桩或安放尺垫。

将水准仪安置在A、B两点的中点I处，用变仪器高法（或双面尺法）测出A、B两点高差，两次高差之差小于3mm时，取其平均值作为最后结果。

由于仪器距A、B两点等距离，从图2—23可看出，不论水准管轴是否平行视准轴，在I处测出的高差都是正确的高差。

由于距离相等，两轴不平行误差可在高差计算中自动消除，故高差不受视准轴误差的影响。

图2—23水准管轴平行视准轴的检验

然后将仪器搬至距A点2～3m的Ⅱ处，精平后，分别读取A尺和B尺的中丝读数a′和b′。

因仪器距A很近，水准管轴不平行视准轴引起的读数误差可忽略不计，则可计算出仪器在Ⅱ处时，B点尺上水平视线的正确读数为：

（2—13）

实际测出的b′，如果与计算得到的相等，则表明水准管轴平行视准轴；

否则，两轴不平行，其夹角为：

　　（2-14）

式中

=206265″。

对于DS3微倾式水准仪，角不得大于20″，如果超限，则应对水准仪进行校正。

　　仪器仍在Ⅱ处，调节微倾螺旋，使中丝在B尺上的中丝读数移到，这时视准轴处于水平位置，但水准管气泡不居中（符合气泡不吻合）。

用校正针拨动水准管一端的上、下两个校正螺钉，先松一个，再紧另一个，将水准管一端升高或降低，使符合气泡吻合（图2—24）。

再拧紧上、下两个校正螺钉。

此项校正要反复进行，直到角小于20″为止。

图2—24水准管的校正

2.6水准测量误差及其消减方法

水准测量误差包括仪器误差、观测误差和外界条件的影响三方面。

2.6.1仪器误差

（1）仪器校正后的残余误差

　　例如水准仪的足水准管轴与视准轴不平行，虽经过校正但仍然残存少量误差，因而使读数产生误差。

这项误差与仪器至立尺点的距离成正比。

只要在测量中，使前、后视距离相等，在高差计算中就可消除或减少该项误差的影响。

（2）水准尺误差

　　由于水准尺刻划不准确、尺长变化、弯曲等影响，都会影响水准测量的精度。

因此，水准尺须经过检验才能使用。

至于水准尺的零点误差在成对使用水准尺时，可采取设置偶数测站的方法来消除；

也可在前、后视中使用同一根水准尺来消除。

2.6.2观测误差

（1）水准管气泡居中误差

　　由于水准管内液体与管壁的粘滞作用和观测者眼睛分辨能力的限制，致使气泡没有严格居中引起的误差。

水准管气泡居中误差一般为±

0.15τ″（τ″为水准管分划值），采用符合水准器时，气泡居中精度可提高一倍。

故由气泡居中误差引起的读数误差为：

　　（2-15）

D—水准仪到水准尺的距离。

（2）读数误差

在水准尺上估读毫米数的误差，该项误差与人眼分辨能力、望远镜放大率以及视线长度有关。

通常按下式计算：

（2-16）

V—望远镜放大率；

60″—人眼能分辨的最小角度。

为保证估读数精度，各等级水准测量对仪器望远镜的放大率和最大视线长都有相应规定。

（3）视差影响

　　当存在视差时，十字丝平面与水准尺影像不重合，若眼睛观察位置的不同，便读出不同的读数，因此产生读数误差。

操作中应仔细调焦，避免出现视差。

（4）水准尺倾斜误差

　　水准尺倾斜将使尺上读数增大，其误差大小与尺倾斜的角度和在尺上的读数大小有关。

例如，尺子倾斜3°

30′，视线在尺上读数为1.0m时，会产生约2mm的读数误差。

因此，测量过程中，要认真扶尺，尽可能保