水準測量又名“幾何水準測量”，是用水準儀和水準尺測定地面上兩點間高差的方法。在地面兩點間安置水準儀，觀測豎立在兩點上的水準標尺，按尺上讀數推算兩點間的高差。通常由水準原點或任一已知高程點出發，沿選定的水準路線逐站測定各點的高程。由於不同高程的水準面不平行，沿不同路線測得的兩點間高差將有差異，所以在整理國家水準測量成果時，須按所採用的正常高系統加以必要的改正，以求得正確的高程。
基本介紹
- 中文名：水準測量
- 外文名：Leveling Surveying
- 又名：幾何水準測量
- 測量儀器：水準儀和水準尺
- 作用：測定地面上兩點間高差
儀器工具,原理,結構,操作,外業工作,水準點布設,路線形式,測量過程,檢核,內業工作,誤差校正,測量規範,
儀器工具
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
水準儀水準儀按其精度可分為DS05、DS1、DS2、DS3和DS10等五個等級。建築工程測量廣泛使用DS3級水準儀。
原理
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。
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，是為了瞄準目標和讀取讀數用的。在豎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平面上。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級水準儀望遠鏡的放大率一般為28倍。
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″/2m。
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
基座的作用是支承儀器的上部並與三腳架連線。它主要由軸座、腳螺旋、底板和三角壓板構成。
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，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。
操作
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線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。
外業工作
水準點布設
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。有些水準點也可設定在穩定的牆腳上，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岩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。
路線形式
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。
測量過程
當預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或者ZD。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。
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．路線檢核
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，尺子傾斜和估讀的誤差，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
內業工作
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。
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。
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。
誤差校正
一、儀器誤差
1．儀器校正後的殘餘誤差
在水準實驗前雖然儀器經過了嚴格的檢驗校正，但仍然存在殘餘的角殘差。理論上水準管軸應與視準軸平行，若兩者不平等，雖經校正但仍然殘存誤差。即兩軸線不平行形成角，這種誤差的影響與儀器至水準尺的距離成正比，屬於系統誤差。可以在測量中採取一定的方法加以減弱或消除。若觀測時使前、後視距相等，可消除或減弱此項誤差的影響。
2．水準尺誤差
由於水準尺刻劃不準確、尺長發生變化、尺身彎曲等原因，會對水準測量造成影響，因此水準尺在使用之前必須進行檢驗。此外，由於水準尺長期使用導致尺底端零點磨損，或者是水準尺的底端粘上泥土改變了水準尺的零點位置，則可以在一水準測段中把兩支水準尺交替作為前後視讀數，或者測量偶數站來消除。
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。
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。
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”的觀測程式，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
由於大氣折光，視線並非是水平，而是一條曲線，標準折射曲線的曲率半徑為地球半徑的4倍。
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
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。
測量規範
國家水準網布設成一等、二等、三等、四等4個等級。現用的水準測量規範為：GBT_12897-2006_國家一、二等水準測量規範與GBT_12898-2009_國家三、四等水準測量規範。工程上常用的水準測量為：三、四等水準測量；等外水準測量。
三、四等水準測量主要技術要求如下：
等級 | 路線長度 /km | 水準儀 | 水準尺 | 觀測次數 | 往返較差、附合 或環線閉合差 | ||
與已知點聯測 | 符合或環線 | 平地/mm | 山地/mm | ||||
三 | ≤50 | DS1 | 因瓦 | 往返各一次 | 往一次 | ±12 | ±4 |
DS3 | 雙面 | 往返各一次 | |||||
四 | ≤16 | DS3 | 雙面 | 往返各一次 | 往一次 | ±20 | ±6 |
等級 | 水準儀 | 視線 長度 /m | 前後 視距差 /m | 前後視距累積差 /m | 視線高度 | 黑面、紅面 讀數之差 /mm | 黑面、紅面 所測高差之差 /mm |
三 | DS1 | 100 | 3 | 6 | 三絲能讀數 | 1.0 | 1.5 |
DS3 | 75 | 2.0 | 3.0 | ||||
四 | DS3 | 100 | 5 | 10 | 三絲能讀數 | 3.0 | 5.0 |
