2.1　光学水准仪的构造

2.1.1　水准测量的基准

水准测量的基准是水准面。水准面是重力等位面，可理解为自由静止的水面，水准面有无数多个。人们将与平均海水面吻合程度最高的水准面称为大地水准面，大地水准面所包围的形体称为大地体，大地体即为地球的物理形状。大地水准面只有一个，可理解为自由静止的等密度海水在恒温、恒压、无潮汐、无波浪情况下向陆地内部延伸后所形成的封闭海水面。大地水准面是一个极端理想化的曲面，是不可能准确建立起来的，只能随着各方面条件的改善逐步趋近。精确的大地水准面无法建立，只能建立一个接近于它的替代品，这个替代品就是国家水准面。所谓国家水准面就是符合国家基本地理特征和需求的水准面，具有国家唯一性，国家水准面是一个国家统一的高程起算面。我国的国家水准面是青岛验潮站求出的黄海平均海水面。以青岛验潮站1950—1956年的潮汐资料推求的平均海水面作为我国的高程基准面（国家水准面）的系统称为“1956黄海高程系统”。根据1952—1979年的验潮站资料确定的平均海水面作为我国新的高程基准面的系统称为“1985国家高程基准”。我国国家水准面的基准体系是建立在青岛的水准原点网，该网由1个主点（国家水准原点，见图2-1）、6个参考点和附点共同组成。“1956黄海高程系统”的水准原点高程为72.289m，“1985国家高程基准”的水准原点高程为72.260m。目前，“1956黄海高程系统”已经废止。在利用高程数据时一定要弄清其归属的“高程系统”，“高程系统”不同时应根据“水准原点”高程差换算为同一个系统。

高程有很多种，常用的高程有正高、正常高、海拔高、大地高。正高高程（简称正高）是地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，记为H_×（“×”代表点名），由于大地水准面难以准确确定，故正高高程也难以准确确定，因此，测绘和工程建设领域一般不采用正高高程系统。正常高高程（简称正常高）是地面点沿铅垂线方向到似大地水准面的距离，也记为H_×（“×”代表点名），似大地水准面是一个数学水准面，因此，正常高可以以很高的精度确定，故测绘和工程建设领域普遍采用正常高系统（一般情况下，不特别声明时的高程均是指正常高，用水准仪获得的高差为正常高高差）。海拔高高程（简称海拔高或海拔）是地面点沿铅垂线方向到平均海水面的距离，也记为H_×（“×”代表点名），大地水准面不是平均海水面（是对平均海水面的无限逼近），故海拔高高程也不容易准确确定，因此，测绘和工程建设领域一般也不采用海拔高高程。大地高高程（简称大地高）是地面点沿法线方向到参考椭球面的距离，记为h_×（“×”代表点名），大地高是数学高，可以准确确定，GPS显示的高程就是大地高。测绘工作中除了采用水准测量原理获得的高程为正常高外基本都是大地高，比如三角高程、全站仪测高等。大地高的基准面是参考椭球面，参考椭球面与大地水准面（似大地水准面）间的差距是波动的（这种差距称为高程异常，只有准确获得高程异常、大地高才能转化为正常高）。在一些特殊的场合，如地下采矿、地下施工、建筑工程、桥梁工程等为满足某些需要人们也采用相对高程，地面点沿铅垂线方向到设定水准面的距离称为该点相对于该水准面的相对高程，记为（“×”代表点名、“+”代表设定水准面），土木工程中的“±0”系统就是典型的相对高程系统，土木工程中的“±0=19.566m”是指一层地坪（“±0”位置）的正常高（国家高程系统）为19.566m。

两个点的高低比较是用“高差”来衡量的，所谓高差就是两点相对于同一基准面的同名高程之差，记为h_+×，“+”“×”为2个点的名称，高差计算公式为

　　（2-1）

h_AB的含义是由A到B高程增加多少。同样，可有

　　（2-2）

h_AB与h_BA互称正反高差，两者互为相反数（即大小相等、符号相反）。

2.1.2　水准仪的测高原理

利用水准仪获得高程的方法称为水准测量，水准测量是利用能提供水平视线的仪器（水准仪）测定地面点间的高差，进而推算高程的一种方法。见图2-2中，为求出A、B两点高差h_AB，在A、B两点上竖立带有分划的标尺（水准尺），在A、B两点之间安置可提供水平视线的仪器（水准仪）。当视线水平时，在A、B两个点的标尺上分别读得读数a和b。则

　　（2-3）

式（2-3）中，η_a为地球弯曲对A点标尺读数的影响量；η_b为地球弯曲对B点标尺读数的影响量。

从图2-2不难看出，当水准仪到A、B两点标尺的距离相等（D_A=D_B）时η_a=η_b，此时，式（2-3）即变为实用公式

　　（2-4）

可见，只有当水准仪到A、B两点标尺水平距离相等时才会有水准测量原理的实用公式［式（2-4）］，也就是说，水准测量时水准仪到前后标尺的水平距离相等是确保测量高差准确性的关键。只要水准仪位于2个标尺所在铅垂线的中分铅垂面上，水准仪到前后标尺的水平距离就相等。由于要达到这么严格的条件不易做到，因此，国家水准测量规范中规定水准仪到A、B标尺的距离应大致相等并规定了其不等差的范围，因而使得地球弯曲对标尺读数的影响程度得到了极大的削弱，为实用公式的普遍推广应用奠定了坚实的基础保障。

2.1.3　光学水准仪的结构及特点

水准仪是进行水准测量的主要仪器，它可提供水准测量所必需的水平视线。目前通用的水准仪从构造上可分为3类，一类是利用水准管来获得水平视线的水准管水准仪，称“微倾式水准仪”；第二类是利用补偿器来获得水平视线的“自动安平水准仪”；第三类是电子水准仪，电子水准仪配合条纹编码尺，利用数字化图像处理的方法，可自动显示高程和距离，使水准测量实现自动化。水准仪的精度可表达为τmm/km（即每千米往返测量高差偶然中误差不超过τmm），目前电子水准仪的最高精度为0.3mm/km。

水准仪主要由照准部和基座两部分组成，照准部上固定有望远镜（提供视线并可读出远处水准尺上的读数）和水准器（用于指示仪器或视线是否处于水平位置）；基座用于置平仪器，它支承仪器的上部并能使仪器的上部在水平方向转动。图2-3为国产S3型微倾水准仪。仪器可通过基座底板上的中心螺孔与三脚架连接，支承在三脚架上。基座上有三个脚螺旋，调节脚螺旋可使圆水准器的气泡移至中央，使仪器粗略整平。望远镜和圆水准器与仪器的竖轴联结成一体，竖轴插入基座的轴套内，可使望远镜和圆水准器在基座上绕竖轴旋转。水平制动螺旋和水平微动螺旋用来控制照准部（连带望远镜）在水平方向的转动。水平制动螺旋松开时，照准部能自由旋转；旋紧时照准部则固定不动。旋转水平微动螺旋可使照准部在水平方向作缓慢的转动，但只有在水平制动螺旋旋紧时，水平微动螺旋才能起作用。望远镜旁装有一个管水准器，转动望远镜微倾螺旋，可使望远镜连同管水准器作俯仰（微量的倾斜），从而可使视线精确整平，当管水准器中气泡居中，此时望远镜视线水平。

望远镜的作用，一方面是提供一条瞄准目标的视线，另一方面是将远处的目标放大、提高瞄准和读数精度。望远镜主要有物镜、目镜、调焦透镜和十字丝分划板（它是刻在玻璃片上的一组十字丝，被安装在望远镜筒内靠近目镜一端的焦平面位置）组成。水准仪上十字丝的图形见图2-4，过圆心上下贯通的长线称为竖丝、过圆心与竖丝垂直的长线（或半长线）称为横丝（或叫中丝）、横丝上下的2根短线分别称为上视距丝（简称上丝）和下视距丝（简称下丝），水准测量中用它中间的横丝或楔形丝读取水准尺上的读数。十字丝交点和物镜光心的连线称为视准轴（也就是用以瞄准和读数的视线），视准轴是水准仪主要轴线之一。

水准器是用以置平仪器的一种设备，是测量仪器上的重要部件。水准器分管水准器和圆水准器两种。水准仪上管水准器是用来指示望远镜视线是否水平的装置，圆水准器用来指示照准部竖轴是否铅垂的装置。管水准器又称水准管，见图2-5，为提高管水准器气泡居中的精度，在水准仪水准管的上面安装了一套棱镜组，使两端各有半个气泡的像被反射到一起，当气泡居中时两端气泡的像就能符合，故这种水准器称为符合水准器，是微倾式水准仪上普遍采用的水准器。圆水准器是用来指示水准仪照准部水平的装置，见图2-6。

2.1.4　水准测量的其他工具

水准测量的其他工具还有水准尺、尺垫、三脚架。

（1） 水准尺　水准尺是用优质木材或铝合金制成的，最常用的形状有杆式和箱式两种（见图2-7，长度分别为3m和5m），箱式尺能伸缩、携带方便，但接合处容易产生误差；杆式尺比较坚固可靠。水准尺尺面绘有1cm或5mm黑白相间的分格，米和分米处注有数字，尺底为零。为便于倒像望远镜读数，尺面数字常倒写。水准尺按尺面分为单面尺和双面尺两种；按尺形分为直式尺、折式尺、塔尺（见图2-8）三种。双面水准尺一面为黑色分划，分划黑白相间，称为主尺面或黑面（见图2-9），另一面为红色分划，分划红白相间，称为辅尺面或红面（见图2-10、图2-11），双面水准尺必须成对使用（每两根为一对），两根的黑面都以尺底为零而红面的尺底则分别为4687mm和4787mm（此两数称为尺常数）。利用双面尺可对读数进行检核。水准尺的关键是尺底的平面度和尺面的直线度，因此，尺底不能磕碰硬物，尺面应防止挠曲。

（2） 尺垫　尺垫的作用是在实地做一个临时性的点（称转点）用来竖立水准尺以传递高程，用钢板或铸铁制成（见图2-12），立尺前先将尺垫三个尖脚踩入土中踩实，然后竖立水准尺于半圆球体的顶上。转点位置应选在坚实的地面上。已知高程点和欲求高程点上立尺时是不可以放置尺垫的，其余点上立尺时均必须放置尺垫。

（3） 三脚架　三脚架是用来安置水准仪的，见图2-13。三脚架由架头及通过架头联结在一起的3个架腿构成，3个架腿可以以互成120°的夹角在90°的范围内自由开合。架腿有伸缩腿和带有伸缩腿止滑套的双支杆系统组成，伸缩腿可以在双支杆之间滑动从而改变架腿的长度，伸缩腿止滑套上带有伸缩腿止滑钮用来控制伸缩腿的滑动。在三脚架安装仪器前必须钮紧3个架腿的伸缩腿止滑钮，用手分别按一下3个架腿的双支杆确定3个架腿的伸缩腿均不滑动后方可在三脚架上安装仪器。三脚架架设时应用脚将3个架腿的伸缩腿腿尖踩入土中使之稳固不动，踩的方法是脚踏在伸缩腿腿尖踏脚板上，小腿贴近伸缩腿面沿伸缩腿的方向用力下踩（千万不能沿铅垂方向下踩，以免踩断架腿）。三脚架架设时应保证架头顶面水平。三脚架架头的中心孔是用来联结并固定仪器的，将中心连接螺旋从三脚架架头的下方穿过中心孔然后旋入仪器基座的中心螺孔即可将仪器固定在三脚架上。三脚架架设时3个架腿与地面的夹角应在60°～75°之间，三脚架架头到地面的铅直高度应保证连接仪器后与观测者的身高相适应（即观测者能够不躬腰、不踮脚、灵活方便地使用仪器）。