水準測量是利用一條水平視線，並藉助水準尺，來測定地面兩點間的高差，這樣就可由已知點的高程推算出未知點的高程。
設後視A尺讀數為a ，前視B尺讀數為b ，則A、B兩點高差為
高差法：
視線高法：
水準測量所使用的儀器為水準儀，工具為水準尺和尺墊。
水準儀按其精度可分為DS05、DSl、DS3和DSl0等四個等級。建築工程測量廣泛使用DS3級水準儀。因此，本章著重介紹這類儀器。
一、水準儀的結構
根據水準測量的原理，水準儀的主要作用是提供一條水平視線，並能照準水準尺進行讀數。因此，水準儀構成主要有望遠鏡、水準器及基座三部分。
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。物鏡和目鏡多採用複合透鏡組，十字絲分劃板上刻有兩條互相垂直的長線，豎直的一條稱豎絲，橫的一條稱為中絲，是為了瞄準目標和談取讀數用的。在中絲的上下還對稱地刻有兩條與中絲平行的短橫線，是用來測定距離的，稱為視距絲。十字絲分劃板是由平板玻璃圓片製成的，平板玻璃片裝在分劃板座上，分劃板座固定在望遠鏡筒上。
十字絲交點與物鏡光心的連線，稱為視準軸或視線。水準測量是在視準軸水平時，用十字絲的中絲截取水準尺上的讀數。
對光凹透鏡可使不同距離的目標均能成像在十字絲乎面上。再通過目鏡，便可看清同時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察該目標的視角之比，稱為望遠鏡的放大率。DS3級水準僅望遠鏡的放大率一般為28倍。
2． 水準器：分為管水準器和圓水準器。
水準器是用來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。管水準器用來指示視準軸是否水平；圓水準器用來指示豎軸是否豎直。
(1)管水準器
又稱水準管，是一縱向內壁磨成圓弧形的玻璃管，管內裝酒精和乙醚的混合液，加熱融封冷卻後留有一個氣泡。由於氣泡較輕，故恆處於管內最高位置。
水準管上一般刻有間隔為2mm的分劃線，分劃線的中點0，稱為水準管零點。通過零點作水準管圓弧的切線，稱為水準管軸。當水準管的氣泡中點與水準管零點重合時，稱為氣泡居中；這時水準管軸工人處於水平位置。水準管圓弧2mm所對的圓心角稱為水準管分劃值。安裝在DS3級水準儀上的水準管，其分劃值不大於20″／2mm。
微傾式水準儀在水準管的上方安裝一組符合稜鏡，通過符合稜鏡的反射作用，使氣泡兩端的像反映在望遠鏡旁的符合氣泡觀察窗中。若氣泡兩端的半像吻合時，就表示氣泡居中。若氣泡的半像錯開，則表示氣泡不居中，這時，應轉動微傾螺旋，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。通過零點的球面法線為圓水準器軸線，當圓水準器氣泡居中時，該軸線處於豎直位置。當氣泡不居中時，氣泡中心偏移零點2mm，軸線所傾斜的角值，稱為圓水準器的分劃值，由於它的精度較低，故只用於儀器的概略整平。
(3)基座
基座的作用是文承儀器的上部並與三腳架連接。它主要由軸座、腳螺旋、底板和三角壓板構成。
二、水準尺和尺墊
水準尺是水準測量時使用的標尺。其質量好壞直接影響水準測量的精度。因此，水準尺需用不易變形且乾燥的優質木材製成； 要求尺長穩定，分劃準確。常用的水準尺有塔尺和雙面尺兩種。塔尺多用於等外水準測量，其長度有2m和5m兩種，用兩節或三節套接在一起。尺的底部為零點，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註記。雙面水準尺多用於三、四等水準測量。其長度有2m和3m兩種，且兩根尺為一對。尺的兩面均有刻劃，一面為紅白相間稱紅面尺；另—面為黑白相間，稱黑面尺(也稱主尺)，兩面的刻劃均為1cm，並在分米處注字。兩根尺的黑面均由零開始；而紅面，一根尺由4.687m開始至6.687m或7.687m，另一根由4.787m開始至6.787m或7.787m。
尺墊是在轉點處放置水準尺用的，它用生鐵鑄成，一般為三角形，中央有一突起的半球體，下方有三個支腳。用時將支腳牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形頂點作為豎立水準尺和標誌轉點之用。
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
打開三腳架並使高度適中，目估使架頭大致水平，檢查腳架腿是否安置穩固，腳架伸縮螺旋是否擰緊，然後打開儀器箱取出水準儀，置於三腳架頭上用連接螺旋將儀器牢固地固連在三腳架頭上。
二、粗略整平
粗平是藉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。在整平的過程中，氣泡的移動方向與左手大拇指運動的方向—致。
三、瞄準水準尺
首先進行目鏡對光，即把望遠鏡對著明亮的背景，轉動目鏡對光螺旋，使十字絲清晰。再鬆開制動螺旋，轉動望遠鏡，用望遠鏡筒上的照門和準星瞄準水準尺，擰緊制動螺旋。然後從望遠鏡中觀察；轉動物鏡對光螺旋進行對光，使目標清晰，再轉動微動螺旋，使豎絲對準水準尺。
當眼睛在目鏡端上下微微移動時，若發現十字絲與目標影像有相對運動，這種現象稱為視差。產生視差的原因是目標成像的平面和十字絲平面不重合。由於視差的存在會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行物鏡對光，直到眼睛上下移動，讀數不變為止。此時，從目鏡端見到十字絲與目標的像都十分清晰。
四、精平與讀數
眼睛通過位於目鏡左方的符合氣泡觀察窗看水準管氣泡，右手轉動微傾螺旋，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，即可用十字絲的中絲在尺上讀數。現在的水準儀多採用倒像望遠鏡，因此讀數時應從小往大，即從上往下讀。先估讀毫米數，然後報出全部讀數。
精平和讀數雖是兩項不同的操作步驟，但在水準測量的實施過程中，卻把兩項操作視為一個整體；即精平後再讀數，讀數後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。
一、水準點（Bench Mark）及水準測量路線形式
為了統一全國的高程系統和滿足各種測量的需要，測繪部門在全國各地埋設並測定了很多高程點，這些點稱為水準點(Bench Mark)，簡記為BM。水準測量通常是從水準點引測其它點的高程。水準點有永久性和臨時性兩種。國家等級水準點一般用石料或鋼筋混凝土製成，深埋到地面凍結線以下。在標石的頂面設有用不鏽鋼或其它不易鏽蝕材料製成的半球狀標誌。有些水準點也可設置在穩定的牆腳上，稱為牆上水準點。
建築工地上的永久性水準點一般用混凝土或鋼筋混凝土製成，臨時性的水準點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。
埋設水準點後，應繪出水準點與附近固定建築物或其它地物的關係圖，在圖上還要寫明水準點的編號和高程，稱為點之記，以便於日後尋找水準點位置之用。水準點編號前通常加BM字樣，作為水準點的代號。
水準測量路線形式主要有：閉合水準路線、附合水準路線和支水準路線。
二、水準測量的實施
當欲測的高程點距水準點較遠或高差很大時，就需要連續多次安置儀器以測出兩點的高差。為測A、B點高差，在AB線路上增加1、2、3、4、……等中間點，將AB高差分成若干個水準測站。其中間點僅起傳遞高程的作用，稱為轉點（Turning Point），簡寫為TP。轉點無固定標誌，無需算出高程。
顯然，每安置一次儀器，便可測得一個高差，即
……………
將各式相加，得
則B點的高程為
三、水準測量的檢核
1．計算檢核
B點對A點的高差等於各轉點之間高差的代數和，也等於後視讀數之和減去前視讀數之和，因此，此式可用來作為計算的檢核。但計算檢核只能檢查計算是否正確，不能檢核觀測和記錄時是否產生錯誤。
2．測站檢核
B點的高程是根據A點的已知高程和轉點之間的高差計算出來。若其中測錯任何一個高差，B點高程就不會正確。因此，對每一站的高差，都必須採取措施進行檢核測量。
1）變動儀器高法：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行檢核。
2）雙面尺法：儀器高度不變，立在前視點和後視點上的水準尺分別用黑面和紅面各進行一次讀數，測得兩次高差，相互進行檢核。
3．成果檢核
測站檢核只能檢核一個測站上是否存在錯誤或誤差超限。由於溫度、風力、大氣折光、尺墊下沉和儀器下沉等到外界條件引起的誤差，尺了傾斜和估讀的誤差，以及水準儀本身的誤差等，雖然在一個測站上反映不很明顯，但隨著測站數的增多使誤差積累，有時也會超過規定的限差。
1）附合水準路線檢核
2）閉合水準路線檢核
3）支水準路線檢核
第五節 水準測量的內業
水準測量外業式作結束後，要檢查手簿，再計算各點間的高差。經檢核無誤後，才能進行計算和調整高差閉合差。最後計算各點的高程。
一、附合水準路線閉合差的計算和調整 ,附合水準路線成果計算。
1．高差閉合差的計算
高差閉合差可用來衡量測量成果的精度，等外水準測量的高差閉合差容許值，規定為
平地 L為水準路線長度公裡數
山地 n為測站數
2．閉合差的調整
在同一條水準路線上，假設觀測條件是相同的，可認為各站產生的誤差機會是相同的，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行。
3．高程計算
二、閉合水準路線閉合差的計算與調整
閉合水準路線各段高差的代數和應等於零，即
由於存在著測量誤差，必然產生高差閉合差
閉合水準路線高差閉合差的調整方法、容許值的計算，均與附合水準路線相同。
精密水準儀分類：1、微傾式精密水準儀，2、自動安平精密水準儀，3、數字精密水準儀。
對儀器要求：即使望遠鏡筒傾斜，視準軸仍水平。
例一：兩個關鍵
十字絲懸吊在望遠鏡筒上，吊點位於物鏡的光心。所以鏡筒內的視準軸永遠處於鉛垂位置
兩片反光鏡的夾角嚴格等於45度，能把視準軸轉90度後射出鏡筒
如果鏡筒傾斜，則十字絲中心偏離過物鏡光心的水平線（標準位置）
自動安平裝置的作用在於：
使十字絲經物鏡射出的光線水平，好象十字絲移到標準位置上去了
或者使來自水準尺水平讀數成象與十字絲中心，好象尺子水平讀數的象移到十字絲中心上去了。
例一中十字絲是真正移到標準位置上去了。
一、水準儀應滿足的條件
根據水準測量原理，水準儀必須提供一條水平視線，才能正確地測出兩點間高差。為此，水準儀應滿足的幾何條件是：
1）圓水準器軸L′L′應平行於儀器的豎軸VV；
2）十字絲的中絲（橫絲）應垂直於儀器的豎軸；
3）水準管軸LL平行於視準軸CC。
二、檢驗與校正
1．圓水準軸平行於儀器豎軸的檢驗與校正
檢驗 用腳螺旋使圓水準器氣泡居中，將儀器繞豎軸旋轉180度，如果氣泡不居中，表明圓水準軸不平行於豎軸，而離開零點弧長所對應的圓心角為兩倍的α。
校正 調整圓水準三個校正螺絲，使氣泡向居中位置移動偏離量的一半。校正工作一般都難於一次完成，需反覆進行直至儀器旋轉到任何位置圓水準器氣泡皆居中時為止。
2．十字絲橫絲應垂直於儀器豎軸的檢驗與校正
檢驗 安置儀器後，先將橫絲一端對準一個明顯的點狀目標M，固定制動螺旋，轉動微動螺旋，如果標誌點M不離開橫絲，說明橫絲垂直於豎軸，否則需要校正。
校正 用螺絲刀鬆開分劃板座固定螺絲，轉動分劃板座，改正偏離量的一半。
3．視準軸平行於水準管軸的檢驗校正
檢驗 在S1處安置水準儀，從儀器向兩側各量40米，定出等距離的A、B兩點，打木樁或放置尺墊標誌之。
1）在S1處用變動儀高法，測出A、B兩點的高差。若兩次測得的高差之差不超過3mm，則取其平均值hAB作為最後結果。由於距離相等，兩軸不平行的誤差△h可在高差計算中自動消除，故h值不受視準軸誤差的影響。
2）安置儀器於B點附近的S2處，離B點約3米左右，精平後讀得B點水準尺上的讀數為b2，因儀器離B點很近，兩軸不平行引起的讀數誤差可忽略不計。故根據b2和A、B兩點的正確高差h算出A點尺上應有讀數為
然後，瞄準A點水準尺，讀出水平視線讀數 ，如果 與 相等，說明兩軸平行，否則存在I角，其值為
對於DS3級微傾水準儀，I值不得大於20″。
校正 轉動微傾螺旋使中絲對準A點尺上正確讀數c2，此時視準軸處於水平位置，但管水準氣泡必然偏離中心。用撥針撥動水準管一端的上、下兩個校正螺絲，使氣泡的兩個半象符合。
第九節 水準測量的誤差分析一、儀器誤差
1．儀器校正後的殘餘誤差
I角校正殘餘誤差，這種影響與距離成正比，只要觀測時注意前、後視距離相等，可消除或減弱此項的影響。
2．水準尺誤差
由於水準尺刻劃不準確，尺長變化、彎曲等影響，水準尺必須經過檢驗才能使用。標尺的零點差可在一水準段中使測站為偶數的方法予以消除。
二、觀測誤差
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″，採用符合式水準器時，氣泡居中精度可提高一倍，故居中誤差為
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長度有關，通常按下式計算
3．視差影響
當視差存在時，十字絲平面與水準尺影像不重合，若眼睛觀察的位置不同，便讀出不同的讀數，因而也會產生讀數誤差。
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
由於儀器下沉，使視線降低，從而引起高差誤差。採用「後、前、前、後」的觀測程序，可減弱其影響。
2．尺墊下沉
如果在轉點發生尺墊下沉，將使下一站後視讀數增大。採用往返觀測，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
用水平視線代替大地水準面地尺上讀數產生的誤差為C，則
由於大氣折光，視線並非是水平，而是一條曲線，曲線的曲率半徑為地球半徑的7倍，其折光量的大小對水準讀數產生的影響為
折光影響與地球曲率影響之和為
如果前視水準尺和後視水準尺到測站的距離相等，則在前視讀數和後視讀數中含有相同的 。這樣在高差中就沒有這誤差的影響了。因此，放測站時要爭取「前後視相等」
接近地面的空氣溫度不均勻，所以空氣的密度也不均勻。光線在密度不勻的介質中沿曲線傳布。這稱為「大氣折光」。總體上說，白天近地面的空氣溫度高，密度低，彎曲的光線凹面向上；晚上近地面的空氣溫度低，密度高，彎曲的光線凹面向下。接近地面的溫度梯度大大氣折光的曲率大，由於空氣的溫度不同時刻不同的地方一直處於變動之中。所以很難描述折光的規律。對策是避免用接近地面的視線工作，儘量抬高視線，用前後視等距的方法進行水準測量
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，這裡的空氣處於頻繁的運動之中，形成不規則的湍流。湍流會使視線抖動，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點之前作水準測量。高精度的水準測量也只在上午10點之前進行。
4，溫度對儀器的影響
溫度會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。由於光學測量儀器是精密儀器，不大的位移量可能使軸線產生幾秒偏差，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。例如從前方或後方日光照射水準管，就能使氣泡「趨向太陽」---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，由於水準管本身和管內液體溫度升高，氣泡向著溫度高的方向移動，影響儀器水平，產生氣泡居中誤差，觀測時應注意撐傘遮陽。
1．水準測量是利用水準儀提供的水平視線來直接測定地面上各點間的高差，然後根據其中一點的高程推算出其他各點的高程。高差hAB＝a—b，下角AB表示A點測向B點，a為A尺上的讀數即後視讀數，b為B尺上的讀數即前視讀數，所以高差具有正、負性(方向性)。
2．弄清下述一些基本概念：視準軸、望遠鏡放大率、水準軸、水準管分劃值、視差等。
3．水準管的作用在於導致視線成水平位置，圓水準器的作用在於導致豎鈾成豎直位置。安置水準儀時，必須要使架頭大致與觀測者身高相適應。要掌握以左手大拇指為準的調節腳螺旋使圓水準器居中的方法，讀數時一定要消除視差，並使水準管氣泡居中。轉點處要放尺墊，其作用是防止水準尺的位置和高度發生變化。
4．在實際工作中，由於兩點相距較遠或高差較大時，必須安置若干次儀器才能測得兩點間的高差，這是一個測站上工作的重複連續運用，所以其特點是工作的連續性。轉點在水準測量中用來傳遞高程的點，通常不必求該點高程，其上要放尺墊固定。轉點的特點是既有前視讀數，又有後視讀數，它有關全局，所以要選擇堅實的地方。
5．測量工作一般都在規定的記錄表格上如實地反映出測、算過程和結果，表格中有計算校核，∑a一∑b＝∑h，這隻說明計算無誤，但不能反映測量成果的優劣。外業結束後，進行高差閉合差的計算，在限差允許的範圍內，即按水準路線長度或測站數進行調整，若超過限差，必須重測。高差改正後，可根據已知點高程算出其它各欲求點的高程。
6．水準測量時，將儀器放在距前、後視距離相等處的目的、在於消除地球曲率、大氣折光的影響和視準軸不平行於水準管軸殘餘誤差的影響。
7．在正式作業前，必須將儀器進行全面檢查、檢驗和校正，其中水準軸平行視準軸的檢驗與校正是主要條件，這樣才能保證提供一條水平的視線。在測量中要注意分析各種誤差產生的原因，採取一定的辦法進行消除或減弱，這樣之書目保證測量的精度。
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