浅谈四等水准测量——测绘、测量毕业论文(设计)

浅谈四等水准测量
目录
摘要 (2)
一、水准测量的基本原理 (3)
(一)水准测量的概念 (2)
（二）高差及高程计算 (4)
水准路线的布设形式 (4)
（一）单一水准路线形式 (4)
（二）水准网形式 (4)
（三）水准点的布设 (5)
三、四等水准测量 (6)
（一）基本要求 (6)
（二）观测程序 (6)
（三）限差 (6)
四、仪器的使用和检验 (8)
（一）水准仪的构造 (8)
（二）水准仪应满足的几何条件 (9)
（三）水准仪的检验 (9)
五、实例 (10)
（一）测区概况 (10)
（二）技术设计 (10)
（三）作业方法 (11)
（四）计算成果及评价 (13)
六、误差来源及消除方法 (15)
（一）仪器误差 (15)
（二）观测误差 (15)
（三）外界条件的影响 (15)
结束语 (17)
参考文献 (18)
致谢 (19)
辽宁水利职业学院毕业论文摘要
摘要
在测量工作中，要确定地面点的空间位置，经常要确定地面点的高程。

我们把确定地面点高程的测量工作称为高程测量。

高程测量是测量任务中的一部分，其中，水准测量是高程测量中精度最高，用途最广、一种普遍采用的方法，是确定建筑工程地面点高程的方法之一。

实施测量过程中，要求测量人员要精心操作、以高度负责认真的态度来对待测量工作，养成良好的操作习惯。

下面将会配合千缘财富商汇的实例简单进行介绍。

一、水准测量的基本原理
水准测量的基本原理是根据几何关系，利用仪器提供的水平视线观测立在两点上的水准尺以测定两点间的高差。

如图1-1所示，在需要测定高差的A、B两点上分别立上水准尺，在A、B两点的中点安置可获得水平视线的仪器，水平视线在A、B两尺上的截尺数分别为a、b，由于AB距离很短，地球曲率影响可忽略不计，则A、B两点的高差为
若水准测量是沿着AB方向前进，则A点称为后视点，其竖立的标尺称为后视标尺，读数值a称为后视读数；B点称为前视点，其竖立的标尺称为前视标尺，读数值b称为前视读数。

当B点高程比A点高时，前视读数b比后视读数a要小，高差为正；当B点比A点低时，前视读数b比后视读数a要大，高差为负。

图 1- 1
(一)水准测量的概念
水准测量是利用水准仪提供水平视线，对竖立在两个地面点上的水准尺进行读数，从而计算两点间的高差，进而计算高程的一种测量方法。

（二）高差及高程计算
如图1-1所示，沿AB方向前进，A点为后视点，B点为前视点，两点间的高差等于后视读数减去前视读数。

如果A点的高程为已知，则B点的高程为
二、水准路线的布设形式
水准路线布设形式有单一水准路线形式和水准网形式两种。

（一）单一水准路线形式
单一水准路线形式有三种，即符合水准路线、闭合水准路线和支水准路线。

附和水准路线。

从一个高级水准点出发，沿一条路线进行施测，以测定待定水准点的高程，最后测到另外一个已知高程点上，这样的观测路线形式称为附和水准路线。

闭合水准路线。

从一个高级水准点出发，沿一条路线进行施测，以测定待定水准点的高程，最后仍回到原来的已知点上，从而形成一个闭合环线，这样的观测路线形式称为闭合水准路线。

支水准路线。

从一个高级水准点出发，沿一条路线进行施测，以测定待定水准点的高程，其路线既不闭合又不附和，这样的观测路线形式称为支水准路线。

（二）水准网形式
若干条单一水准路线相互连接构成结点或网状形式，称为水准网。

图 2-2
（三）水准点的布设
为了统一全国的高程系统和满足各种测量的需要，测绘部门在全国各地埋设并测定了很多高程点，这些点称为水准点(Bench Mark)，简记为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。

国家等级水准点一般用石料或钢筋混凝土制成，
深埋到地面冻结线以下。

在标石的顶面设有用不锈钢或其它不易锈蚀材料制成的半球状标志。

有些水准点也可设置在稳定的墙脚上，称为墙上水准点。

建筑工地上的永久性水准点一般用混凝土或钢筋混凝土制成，临时性的水准点可用地面上突出的坚硬岩石或用大木桩打入地下，校顶钉以半球形铁钉。

埋设水准点后，应绘出水准点与附近固定建筑物或其它地物的关系图，在图上还要写明水准点的编号和高程，称为点之记，以便于日后寻找水准点位置之用。

水准点编号前通常加BM字样，作为水准点的代号。

三、四等水准测量
（一）基本要求
进行测量首先要有一对双面水准尺，其中K值相差100mm，视线最低高度要保证三丝都能读数。

三等水准测量与四等水准测量在观测顺序与精度要求方面有着差别。

三、四等水准测量主要技术要求如图4-1所示：
（二）观测程序
四等水准测量一般采用双面水准标尺和中丝测高法进行观测，并且每站按后-后-前-前和黑-红-黑-红的顺序进行观测。

下面以四等水准测量为例介绍。

a 确定后视点、前视点
b 在两点之间安置仪器，前后视距差不大于3mm.
c 照准后视尺黑面，按上中下的顺序读取三丝读数，并记录
d 照准后视尺红面，读取中丝读数，并记录
e照准前视尺黑面，按上中下的顺序读取三丝读数，并记录
f照准前视尺红面，读取中丝读数，并记录
（三）限差
a 视距差
b 视距累积差
c 黑红面读数差
d 黑红面高差读数差
e fh）fh（山地）
四、仪器的使用和检验
（一）水准仪的构造
根据水准测量的原理，水准仪的主要作用是提供一条水平视线，并能照准水准尺进行读数。

因此，水准仪构成主要有望远镜、水准器及基座三部分。

望远镜 DS3水准仪望远镜主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板所组成。

物镜和目镜多采用复合透镜组，十字丝划板上刻有两条互相垂直的长线，竖直的一条称竖丝，横的一条称为中丝，是为了瞄准目标和谈取读数用的。

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

十字丝分划板是由平板玻璃圆片制成的，平板玻璃片装在分划板座上，分划板座固定在望远镜筒上。

十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴或视线。

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。

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，便可看清同时放大了的十字丝和目标影像。

从望远镜内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。

DS3级水准仪望远镜的放大率一般为28倍。

水准器：分为管水准器和圆水准器。

水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。

有管水准器和圆水准器两种。

管水准器用来指示视准轴是否水平；圆水准器用来指示竖轴是否竖直。

管水准器又称水准管，是一纵向内壁磨成圆弧形的玻璃管，管内装酒精和乙醚的混合液，加热融封冷却后留有一个气泡。

由于气泡较轻，故恒处于管内最高位置。

水准管上一般刻有间隔为2mm的分划线，分划线的中点0，称为水准管零点。

通过零点作水准管圆弧的切线，称为水准管轴。

当水准管的气泡中点与水准管零点重合时，称为气泡居中；这时水准管轴工人处于水平位置。

水准管圆弧2mm
所对的圆心角称为水准管分划值。

安装在DS3级水准仪上的水准管，其分划值不大于20″/2m。

微倾式水准仪在水准管的上方安装一组符合棱镜，通过符合棱镜的反射作用，使气泡两端的像反映在望远镜旁的符合气泡观察窗中。

若气泡两端的半像吻合时，就表示气泡居中。

若气泡的半像错开，则表示气泡不居中，这时，应转动微倾螺旋，使气泡的半像吻合。

圆水准器圆水准器顶面的内壁是球面，其中有圆分划圈，圆圈的中心为水准器的零点。

通过零点的球面法线为圆水准器轴线，当圆水准器气泡居中时，该轴线处于竖直位置。

当气泡不居中时，气泡中心偏移零点2mm，轴线所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值，由于它的精度较低，故只用于仪器的概略整平。

基座基座的作用是支承仪器的上部并与三脚架连接。

它主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。

（二）水准仪应满足的几何条件
a 视准轴水准管轴
b 圆水准器轴竖轴
c 十字丝横丝竖轴
（三）水准仪的检验
1、圆水准器的检验
进行圆水准器检验的目的是：圆水准器轴是否平行于竖轴。

所用的方法是：先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后将仪器旋转180度，若气泡仍在居中位置，则表示此项条件已得到满足；否则，表面条件没有满足。

校正：校正工作可用装在圆水准器下面的校正螺旋钉来实现。

2、十字丝横丝的检验
进行十字丝横丝检验的目的是：十字丝横丝是否垂直于竖轴。

使用的方法是：整平仪器后，将横丝一端照准远处一明显目标，然后旋转水平微动螺旋，使目标点移到横丝的另一端，若目标点始终不离开横丝，则表示横丝水平，否则应进行校正。

校正：旋开十字丝护盖，松开十字丝环的四个固定螺旋丝中的相邻两个，旋转十字丝环，使横丝的一端移至其偏离位置的一半处，最后旋紧十字丝环的固定螺丝，旋上护盖。

3、i角检验
进行i角检验的方法是：在平坦地面上选择80m到100m的两点，在中点安置仪器，测得两点间的高差，再将仪器搬到距后视点（或前视点）2m到3m的位置，再测得高差，量取两点间距离，通过i角计算公式求的i角。

五、实例
（一）测区概况
水准测量与地形图测绘都在千缘财富商汇内进行，由于学校整体建筑在低矮破碎的丘陵地形上，各点之间相对高程不大，这给水准测量提供了一定的便利。

但就进行地形图测绘的局部区域来说，测区内树木，灌木较多，通视情况一般，且多陡坎，沟渠的复杂地物，给我们并不熟练的地形图测绘带来了一定难度。

另外，由于测区位于校园主干道附近，且周围有教学楼，图书馆，幼儿园等设施，导致测区内人流量与车流量较大，容易对实习中的人员和仪器造成干扰或者带来危险。

在实习过程中，武汉市区的天气状况以阴天为主，并且时常伴随着小到中雨，气温也一直在10度以下徘徊，这些，也都给测量工作带来了一定的困难。

（二）技术设计
1、四等水准测量
水准测量方法：使用水准仪和水准尺，根据水平视线确定两点之间的高差，从而由已知点的高程推求未知点的高程。

各类测站的选择：在所选择的闭合回路上选取2个普通水准标石作为固定点，将整个闭合回路分为2个测段，每个测段中设置偶数个测站，站与站之间距离应适中。

施测方法及使用的仪器：四等水准测量中使用一套S3水准仪，按照国家四等水准测量技术要求并参照〈城市测量规范〉CJJ8-9进行施测。

各项限差：
视线长度前后视距差前后视距累计差黑红面读数差黑红面高差之差高差闭合差i角误差
≤80m≤5.0m≤10.0m≤3.0mm≤5.0mm≤±√Lmm≤20〃
2、地形图测绘
(1)图根控制测量
图根控制测量方法：采用图根三维光电测距导线测量，既在控制点间布设闭合导线，利用全站仪进行数据的观测，将平面控制测量和高程控制测量集成在对全站仪的一次操作中。

各类控制点的布设方案：经过实地勘察后，本小组以在点位稳定，安全性好，通视情况良好，便于观测为原则在测区内选择了6个点作为控制点，并用油漆画
⊕作为标记，由这6个控制点构成闭合导线，并且以其中两点连线方向做为正南正北方向，给其中一控制点赋予坐标值(1000，1000，100)。

施测方法及使用的仪器：施测中使用的仪器有：全站仪设备1套，脚架3个，反射棱镜2套。

在各个控制点的观测时，导线的转折角，导线边，导线控制点的高程进行观测，并量取仪器高和棱镜高，其中对转折角及导线边长采用一测回观测，而三角高程测量时采用对向观测。

在移站的过程中，采用三联脚架法，以减少操作和提高测量精度。

各项限差：
水平控制测量：(n为测站数)
比例尺闭合导线长度平均边长导线相对闭合差测回数J6方位角闭合差
1：500≤900m≤80m≤1/40001≤±40〃√n
三角高程测量：(S为一条导线边长，[S]为导线全长，以千米为单位)
仪器J6指标差较差对象观测高差较差/m闭合路线闭合差/mm
对向一测回≤25秒≤0。

4*S≤±40√[S]
(2)碎部测量：
成图规格：1：500
测图方法及使用的仪器：根据〈城市测量规范〉CJJ8-99及〈1：500，1：1000，1：2000地形图图式〉的要求，对坐标格网进行绘制和图根点的展绘。

同样根据两本规范书的要求，采用全站仪+白纸的方式对测区进行碎部点的测绘，对碎部点的施测同时测取高程与其平面位置，在用极坐标法求得碎部点的平面位置后，利用分度规与三角尺结合的方式将所测碎部点展绘到聚脂塑料薄膜上。

困难地区的技术要求：在对控制点无法通视的碎部点进行观测时，采用布设支导线的方式，并且支导线线路上的图根点不得超过两个。

各项限差：
仪器对中误差归零差转折角观测较差
≤2mm≤4′≤2′
（三）作业方法
1、四等水准测量
本小组共有成员6人，在施测水准测量的时候，人员分配情况是：四人为跑尺员(前，后尺各两人)，另外一人为观测员，一人为记录员。

具体作业方法如下：在选取了合适的水准路线和固定点之后(水准路线见附图)，开始进行第一测站的观测，将水准尺立于固定点上做为后视，水准仪放置杂水准路线附近合适位置，然后在施测路径前进方向上取仪器与后尺大致相等距离放置尺垫，在尺垫上树立前尺。

随后观测员对水准仪进行整平，并按“后后前
前”的顺序对后尺前尺进行读数。

在一测站完毕后，通知后尺移站，此时前一站的前视点变为后一站的后视点，按照与前一站相同的工作程序完成该站的测量，直到完成该测段为止。

2、地形图测绘
(1)图根控制测量
在图根控制测量过程中，对小组成员进行了如下分配：四人负责棱镜与配套脚架，一人为观测员，一人为记录员。

具体的作业方法如下：在组织组员对测区进行了勘察情况下选定了控制点，在确定已知点坐标和正北方向后，按照三联脚架法对导线进行观测：将全站仪安置在第I站的基座中，棱镜分别安置在后视点i-1和前视点i+1的基座中，进行导线测量，分别读取六种观测值：水平角β，距离S，竖角α，仪器高i，目标高υ。

迁站时，点i和点i+1上的脚架和基座不移动，将全站仪安置在第i+1站的基座上，第i站上则安置棱镜，再将第i-1站的仪器迁到第i+2站，随后再如前一站进行观测，直到闭合导线测量完毕。

在整个过程中都应该遵守〈城市测量规范〉CJJ8-99及〈1：500，1：1000，1：2000地形图图式〉的要求。

(2)碎部测绘
在碎部测绘的过程中，小组成员分配如下：两人负责棱镜，一人负责绘图，两人负责记录数据，一人进行观测。

具体的作业方法如下：首先根据控制测量得到的数据，由负责绘图的同学将坐标格网和控制点坐标展绘在塑料薄膜上。

在可以观测到待测碎部点的控制点上架设全站仪，在碎部点处设置对中杆进行观测，由观测员读取数据水平距HD，垂直距VD，水平角HR，记录员读取数据后，进行简单的高程和距离计算后将数据报给绘图员，由绘图员利用分度规和直尺将碎部点标注在图纸上，如此进行直到所有碎部点测量完毕。

对于观测困难的碎部点，采用支点线的方法进行测量，由两左右测回观测确定支导线线上支点的坐标后，将支点等同于控制点进行如前的观测与展绘。

（四）计算成果及评价
1、四等水准测量
本小组对水准路线进行了往返观测，主要计算及其成果如下：
I角进行了两次检验及一次调试，两次观测过程中i角值分别为21秒和0秒，基本符合要求。

在由观测员读取各站观测数据后，立即由记录员算出视线长度及前后视距差，黑红面读数差以及黑红面高差之差，均满足限差条件。

内业计算后得出：往测中，前后视距累计差为0cm，高程闭合差为-1mm，返测中，前后视距累计差为+35cm,高程闭合差为+1.5mm。

以上各项数据都满足实习中对限差的要求。

2、地形图测绘
在进行了内业计算后，本小组地形图测绘的指标数据如下：
闭合导线长度：472.634m≤900m;
平均边长：78.778m≤80m;
导线相对闭合差：1/94526.79≤1/4000;
方位角闭合差：55〃≤40〃√n=97〃;
高程闭合差：27.1mm;
以上各项数据也都满足实习中对限差的要求。

六、误差来源及消除方法
（一）仪器误差
1．仪器校正后的残余误差
在水准实验前虽然仪器经过了严格的检验校正，但仍然存在残余的角残差。

理论上水准管轴应与视准轴平行，若两者不平等，虽经校正但仍然残存误差。

即两轴线不平行形成角，这种误差的影响与仪器至水准尺的距离成正比，属于系统误差。

可以在测量中采取一定的方法加以减弱或消除。

若观测时使前、后视距相等，可消除或减弱此项误差的影响。

2．水准尺误差
由于水准尺刻划不准确、尺长发生变化、尺身弯曲等原因，会对水准测量造成影响，因此水准尺在使用之前必须进行检验。

此外，由于水准尺长期使用导致尺底端零点磨损，或者是水准尺的底端粘上泥土改变了水准尺的零点位置，则可以在一水准测段中把两支水准尺交替作为前后视读数，或者测量偶数站来消除。

（二）观测误差
1．水准管气泡居中误差
设水准管分划值为τ″，居中误差一般为±0.15τ″，采用符合式水准器时，气泡居中精度可提高一倍。

2．读数误差
在水准尺上估读毫米数的误差，与人眼的分辨能力、望远镜的放大倍率以及视线长度有关。

3．视差影响
当视差存在时，十字丝平面与水准尺影像不重合，若眼睛观察的位置不同，便读出不同的读数，因而也会产生读数误差。

4．水准尺倾斜影响
水准尺倾斜将使尺上读数增大。

（三）外界条件的影响
1．仪器下沉
由于仪器下沉，使视线降低，从而引起高差误差。

采用“后、前、前、后”的观测程序，可减弱其影响。

2．尺垫下沉
如果在转点发生尺垫下沉，将使下一站后视读数增大。

采用往返观测，取平均值的方法可以减弱其影响。

3．地球曲率及大气折光影响
由于大气折光，视线并非是水平，而是一条曲线，曲线的曲率半径为地球半径的7倍。

如果前视水准尺和后视水准尺到测站的距离相等，则在前视读数和后视读数中含有相同的。

这样在高差中就没有这误差的影响了。

因此，放测站时要争取“前后视相等”
接近地面的空气温度不均匀，所以空气的密度也不均匀。

光线在密度不匀的介质中沿曲线传布。

这称为“大气折光”。

总体上说，白天近地面的空气温度高，密度低，弯曲的光线凹面向上；晚上近地面的空气温度低，密度高，弯曲的光线凹面向下。

接近地面的温度梯度大大气折光的曲率大，由于空气的温度不同时刻不同的地方一直处于变动之中。

所以很难描述折光的规律。

对策是避免用接近地面的视线工作，尽量抬高视线，用前后视等距的方法进行水准测量除了规律性的大气折光以外，还有不规律的部分：白天近地面的空气受热膨胀而上升，较冷的空气下降补充。

因此，这里的空气处于频繁的运动之中，形成不规则的湍流。

湍流会使视线抖动，从而增加读数误差。

对策是夏天中午一般不做水准测量。

在沙地，水泥地……湍流强的地区，一般只在上午10点之前作水准测量。

高精度的水准测量也只在上午10点之前进行。

4．温度对仪器的影响
温度会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件（物镜，十字丝和调焦镜）相对位置的变化，或者引起视准轴相对与水准管轴位置的变化。

由于光学测量仪器是精密仪器，不大的位移量可能使轴线产生几秒偏差，从而使测量结果的误差增大。

不均匀的温度对仪器的性能影响尤其大。

例如从前方或后方日光照射水准管，就能使气泡“趋向太阳”——水准管轴的零位置改变了。

温度的变化不仅引起大气折光的变化，而且当烈日照射水准管时，由于水准管本身和管内液体温度升高，气泡向着温度高的方向移动，影响仪器水平，产生气泡居中误差，观测时应注意撑伞遮阳。

结束语
水准测量是确定工程地面点高程的方法之一，是高程测量中精度较高且常用的方法。

实施过程中，需要几个人合作才能完成，误差允许范围内的精度由于仪器和人为的影响而不容易控制，而且容易出现隐蔽性错误，如果不能及早发现，基础资料是错误的，从而水准点高程不正确，直接影响路线纵断面设计和施工。

参考文献
1.赵文亮.地形测量，河南省：黄河水利出版社，2005，29-66
致谢
本文是在张老师的悉心指导下完成的，从论文选题、开题、资料收集到定稿的整个过程中，张老师倾注了大量心血，张老师渊博的专业知识、严谨的治学作风使我受益匪浅：张老师谦虚谨慎、平易近人、敬业奉献的精神更是时刻感染着我，使我真终生难忘，在此，向张老师表示最衷心的感谢。

与此同时，还有我的专业老师们，你们辛苦培养我们，呕心沥血，你们辛苦了。

还有，全系的老师们，你们为我们的未来发展付出了太多的汗水，真的是太辛苦了……。