实验一 水准仪的使用
1、用图和文字表述水准测量的基本原理。
水准测量又名“几何水准测量”，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。
图1 水准测量原理
如图所示，已知地面上A 点的高程为a ，欲测定B 点的高程，需要先测出A 、B 两点间的高差AB ，为此在A 、B 之间安置一台水准仪，再在A 、B 两点上各竖立一根水准尺。根据仪器的水平视线，分别读取A 、B 尺上的读数a 和b ，则B 点对于A 点的高差为：H AB =a -b
2、水准测量需要哪些仪器和工具，各有何作用？
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。
1、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。
2．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。
(1)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。
1
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。
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。
(2)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。
3) 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。
水准尺和尺垫
水准尺是水准测量时使用的标尺。其质量好坏直接影响水准测量的精度。因此，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。常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。塔尺多用于等外水准测量，其长度有2m 和5m 两种，用两节或三节套接在一起。尺的底部为零点，尺上黑白格相间，每格宽度为1cm ，有的为0.5cm ，每一米和分米处均有注记。双面水准尺多用于三、四等水准测量。其长度有2m 和3m 两种，且两根尺为一对。尺的两面均有刻划，一面为红白相间称红面尺；另—面为黑白相间，称黑面尺(也称主尺) ，两面的刻划均为1cm ，并在分米处注字。两根尺的黑面均由零开始；而红面，一根尺由4.687m 开始至6.687m 或7.687m ，另一根由4.787m 开始至6.787m 或7.787m 。
尺垫是在转点放置水准尺用的，它用生铁铸成，一般为三角形，中央有一突起的半球体，
下方有三个支脚。用时将支脚牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。
3、水准测量的基本步骤是什么？
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。
一、安置水准仪
打开三脚架并使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架腿是否安置稳固，脚架伸缩
螺旋是否拧紧，然后打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固连在三脚架头上。
二、粗略整平
粗平是借助圆水准器的气泡居中，使仪器竖轴大致铅垂，从而视准轴粗略水平。在整平
的过程中，气泡的移动方向与左手大拇指运动的方向—致。
三、瞄准
首先进行目镜对光，即把望远镜对着明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰。
再松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上的照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋。然后从望远镜中观察；转动物镜对光螺旋进行对光，使目标清晰，再转动微动螺旋，使竖丝对准水准尺。
当眼睛在目镜端上下微微移动时，若发现十字丝与目标影像有相对运动，这种现象称为
视差。产生视差的原因是目标成像的平面和十字丝平面不重合。由于视差的存在会影响到读数的正确性，必须加以消除。消除的方法是重新仔细地进行物镜对光，直到眼睛上下移动， 2
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。
四、精平
眼睛通过位于目镜左方的符合气泡观察窗看水准管气泡，右手转动微倾螺旋，使气泡两端的像吻合，变动望远镜使其转过90度，再使气泡两端的像吻合，此时水准仪的视准轴已精确水平。
五、读数
精平之后用十字丝的中丝在尺上读数。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。先估读毫米数，然后报出全部读数。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。
实验二 普通水准测量
1、简述变更仪器高法或黑红双面尺法进行水准测量的基本步骤。
（1）变更仪器高法 在每一测站上用两次不同仪器高度的水平视线(改变仪器高度应在10cm 以上) 来测
定相邻两点间的高差；如果两次高差观测值不相等，对图根水准测量，其差的绝对值应
小于5mm ，否则应重测。
（2）黑红双面尺法
用双面尺法进行水准测量就是同时读取每一把水准尺的黑面和红面分划读数，然后由前后视尺的黑面读数计算出一个高差，前后视尺的红面读数计算出另一个高差，以这两个高差之差是否小于某一限值来进行检核。在每一测站上仪器高度不变，这种方法可加快观测的速度。立尺点和水准仪的安置同两次仪器高法。
在每一测站上，仪器经过粗平后，其观测程序为：
①瞄准后视点水准尺黑面分划→精平→读数；
②瞄准前视点水准尺黑面分划→精平→读数；
③ 瞄准前视点水准尺红面分划→精平→读数；
④ 瞄准后视点水准尺红面分划→精平→读数。
其观测顺序简称为“后一前一前一后”，对于尺面分划来说，顺序为“黑一黑一红
一红”。
由于在一对双面水准尺中，两把尺子的红面零点注记分别为4687和4787，零点差
为100mm ，在每站观测高差的计算中，当4787水准尺位于后视点，4687水准尺位于前视
点时，采用红面尺读数计算出的高差比采用黑面尺读数计算出的高差大100mm ；当4687
水准尺位于后视点，4787水准尺位于前视点时，采用红面尺读数计算出的高差比采用黑
面尺读数计算出的高差小100mm 。因此在每站高差计算中，要先将红面尺读数计算出的
高差加或减100mm 后才能与黑面尺读数计算出的高差取平均。
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2、在进行普通水准测量时有哪些限差要求?
（1）国家四级水准测量精度
（2）高差闭合差限差（容许误差）
对于普通水准测量，有：
式中，f h 容——高差闭合差限差，单位：mm
3、水准测量中需要注意什么？
① 水准测量过程中应尽量用目估或步测保持前、后视距基本相等，用以消除或减弱水
准管轴不平行致使视准轴所产生的误差，同时选择适当的观测时间，限制视线长度和高度来减少折光的影响。
② 仪器脚架要踩牢，观测速度要快，以减少仪器下沉的影响。转点处要用尺垫，取往、
返观测结果的平均值来抵消转点下沉的影响。
③ 估读要准确，读数时要仔细对光，消除视差，必须使水准管气泡居中，读完以后，
再检查气泡是否居中。
④ 检查塔尺相接处是否严密，消除尺底泥土。扶尺者要身体站正，双手扶尺，保证扶
尺竖直。为了消除两尺零点不一致对观测成果的影响，应在起、终点上用同一标尺。
⑤ 记录要原始，当场填写清楚，在记错或算错时，应在错字上划一斜线，将正确数字
写在错字上方。
⑥ 读数时，记录员要复读，以便核对，并应按记录格式填写，字迹要整齐、清楚、端
正，所有计算成果必须经校核后才能使用。
⑦ 观测时如果阳光较强要撑伞，给仪器遮太阳。
⑧ 测量者要严格执行操作规程，工作要细心，加强校校，防止错误。
4、将水准测量的原始数据附在最后。
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实验一 水准仪的使用
1、用图和文字表述水准测量的基本原理。
水准测量又名“几何水准测量”，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。
图1 水准测量原理
如图所示，已知地面上A 点的高程为a ，欲测定B 点的高程，需要先测出A 、B 两点间的高差AB ，为此在A 、B 之间安置一台水准仪，再在A 、B 两点上各竖立一根水准尺。根据仪器的水平视线，分别读取A 、B 尺上的读数a 和b ，则B 点对于A 点的高差为：H AB =a -b
2、水准测量需要哪些仪器和工具，各有何作用？
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。
1、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。
2．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。
(1)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。
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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。
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。
(2)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。
3) 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。
水准尺和尺垫
水准尺是水准测量时使用的标尺。其质量好坏直接影响水准测量的精度。因此，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。常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。塔尺多用于等外水准测量，其长度有2m 和5m 两种，用两节或三节套接在一起。尺的底部为零点，尺上黑白格相间，每格宽度为1cm ，有的为0.5cm ，每一米和分米处均有注记。双面水准尺多用于三、四等水准测量。其长度有2m 和3m 两种，且两根尺为一对。尺的两面均有刻划，一面为红白相间称红面尺；另—面为黑白相间，称黑面尺(也称主尺) ，两面的刻划均为1cm ，并在分米处注字。两根尺的黑面均由零开始；而红面，一根尺由4.687m 开始至6.687m 或7.687m ，另一根由4.787m 开始至6.787m 或7.787m 。
尺垫是在转点放置水准尺用的，它用生铁铸成，一般为三角形，中央有一突起的半球体，
下方有三个支脚。用时将支脚牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。
3、水准测量的基本步骤是什么？
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。
一、安置水准仪
打开三脚架并使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架腿是否安置稳固，脚架伸缩
螺旋是否拧紧，然后打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固连在三脚架头上。
二、粗略整平
粗平是借助圆水准器的气泡居中，使仪器竖轴大致铅垂，从而视准轴粗略水平。在整平
的过程中，气泡的移动方向与左手大拇指运动的方向—致。
三、瞄准
首先进行目镜对光，即把望远镜对着明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰。
再松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上的照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋。然后从望远镜中观察；转动物镜对光螺旋进行对光，使目标清晰，再转动微动螺旋，使竖丝对准水准尺。
当眼睛在目镜端上下微微移动时，若发现十字丝与目标影像有相对运动，这种现象称为
视差。产生视差的原因是目标成像的平面和十字丝平面不重合。由于视差的存在会影响到读数的正确性，必须加以消除。消除的方法是重新仔细地进行物镜对光，直到眼睛上下移动， 2
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。
四、精平
眼睛通过位于目镜左方的符合气泡观察窗看水准管气泡，右手转动微倾螺旋，使气泡两端的像吻合，变动望远镜使其转过90度，再使气泡两端的像吻合，此时水准仪的视准轴已精确水平。
五、读数
精平之后用十字丝的中丝在尺上读数。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。先估读毫米数，然后报出全部读数。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。
实验二 普通水准测量
1、简述变更仪器高法或黑红双面尺法进行水准测量的基本步骤。
（1）变更仪器高法 在每一测站上用两次不同仪器高度的水平视线(改变仪器高度应在10cm 以上) 来测
定相邻两点间的高差；如果两次高差观测值不相等，对图根水准测量，其差的绝对值应
小于5mm ，否则应重测。
（2）黑红双面尺法
用双面尺法进行水准测量就是同时读取每一把水准尺的黑面和红面分划读数，然后由前后视尺的黑面读数计算出一个高差，前后视尺的红面读数计算出另一个高差，以这两个高差之差是否小于某一限值来进行检核。在每一测站上仪器高度不变，这种方法可加快观测的速度。立尺点和水准仪的安置同两次仪器高法。
在每一测站上，仪器经过粗平后，其观测程序为：
①瞄准后视点水准尺黑面分划→精平→读数；
②瞄准前视点水准尺黑面分划→精平→读数；
③ 瞄准前视点水准尺红面分划→精平→读数；
④ 瞄准后视点水准尺红面分划→精平→读数。
其观测顺序简称为“后一前一前一后”，对于尺面分划来说，顺序为“黑一黑一红
一红”。
由于在一对双面水准尺中，两把尺子的红面零点注记分别为4687和4787，零点差
为100mm ，在每站观测高差的计算中，当4787水准尺位于后视点，4687水准尺位于前视
点时，采用红面尺读数计算出的高差比采用黑面尺读数计算出的高差大100mm ；当4687
水准尺位于后视点，4787水准尺位于前视点时，采用红面尺读数计算出的高差比采用黑
面尺读数计算出的高差小100mm 。因此在每站高差计算中，要先将红面尺读数计算出的
高差加或减100mm 后才能与黑面尺读数计算出的高差取平均。
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2、在进行普通水准测量时有哪些限差要求?
（1）国家四级水准测量精度
（2）高差闭合差限差（容许误差）
对于普通水准测量，有：
式中，f h 容——高差闭合差限差，单位：mm
3、水准测量中需要注意什么？
① 水准测量过程中应尽量用目估或步测保持前、后视距基本相等，用以消除或减弱水
准管轴不平行致使视准轴所产生的误差，同时选择适当的观测时间，限制视线长度和高度来减少折光的影响。
② 仪器脚架要踩牢，观测速度要快，以减少仪器下沉的影响。转点处要用尺垫，取往、
返观测结果的平均值来抵消转点下沉的影响。
③ 估读要准确，读数时要仔细对光，消除视差，必须使水准管气泡居中，读完以后，
再检查气泡是否居中。
④ 检查塔尺相接处是否严密，消除尺底泥土。扶尺者要身体站正，双手扶尺，保证扶
尺竖直。为了消除两尺零点不一致对观测成果的影响，应在起、终点上用同一标尺。
⑤ 记录要原始，当场填写清楚，在记错或算错时，应在错字上划一斜线，将正确数字
写在错字上方。
⑥ 读数时，记录员要复读，以便核对，并应按记录格式填写，字迹要整齐、清楚、端
正，所有计算成果必须经校核后才能使用。
⑦ 观测时如果阳光较强要撑伞，给仪器遮太阳。
⑧ 测量者要严格执行操作规程，工作要细心，加强校校，防止错误。
4、将水准测量的原始数据附在最后。
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