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    本书在编写内容和要求上，以全面介绍土木工程测量为主，以现行有关规章、国家标准、行业标准为依据，按照“理论少而精，充分联系实际”的原则，及时将测量技术的发展和测量方法的更新纳入其中，力求体现出科学性、系统性，以便更加符合现代化、管理科学化和培养应用型人才的要求。通过本课程的课堂理论教学，再结合校内实训和现场生产实习，使学生熟悉测量设备，掌握测量的各种基本技能，学会运用规范处理测量工作中的有关问题。
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    本书的编写，参考了国内有关教材及规范，并得到了西南石油大学、天津铁道职业技术学院及成都纺织高等专科学校等院校的支持，在此表示感谢。
    由于编者水平有限，书中疏漏之处难免，恳请广大读者批评指正。


    编  者
    2015年5月
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  1. 第2章  高程测量
    本章重点：水准测量的原理；望远镜成像的原理；水准器的作用；水准仪的技术操作与检验；水准测量的施测程序；测站检核、成果检核、高差闭合差的分配；测量误差的削弱；三、四等水准测量方法。
    2.1  概  述
    高程是确定地面点位置的一个基本要素，所以高程测量是基本测量工作之一。高程测量根据所使用的仪器和测量方法的不同，可以分为水准测量、三角高程测量和气压高程测量等。
    水准测量指利用水平视线来测量两点间的高差。由于水准测量的精度较高，所以是高程测量中最主要的方法。
    三角高程测量是测量两点间的水平距离或斜距和竖直角（即倾斜角），然后利用三角函数公式计算出两点间的高差。三角高程测量一般精度较低，只在适当的条件下才被采用。
    另外，还有利用大气压力的变化测量高差的气压高程测量、利用液体的物理性质测量高差的液体静力高程测量以及利用摄影测量的测高等方法，但这些方法较少采用。
    为了建立一个全国统一的高程系统，必须确定一个统一的高程基准面，通常采用大地水准面即平均海水面作为高程基准面。新中国成立后，我国采用青岛验潮站1950—1956年观测结果求得的黄海平均海水面作为高程基准面，并建立了一个与验潮站相联系的水准原点。根据这个基准面得出的高程称为“1956黄海高程系”，水准原点高程为72.289m。从1988年起，国家采用青岛验潮站1952—1979年的观测资料计算得出的平均海水面作为新的高程基准面，称为“1985国家高程基准”，青岛水准原点的高程变为72.260m。
     
    图2.1  水准点（单位：cm）
    高程测量也是按照“从整体到局部”的原则来进行。就是先在测区内设立一些高程控制点，并精确测出它们的高程；然后根据这些高程控制点测量附近其他点的高程。这些高程控制点被称为水准点BM（Bench Mark），水准点分为永久性水准点和临时性水准点。其中，永久性水准点一般用混凝土或石料制成标石，顶部嵌有金属或瓷质的标志（见图2.1）。标石应埋在冰冻线以下0.5cm左右的坚硬土基中，埋设地点应选在地质稳定、便于使用和保存的地方；也可以把金属标志嵌在墙上的“墙脚水准点”上。临时性水准点则可用更简便的方法来设置，如用刻凿在岩石上的或用红油漆标记在建筑物上的简易标志。
    2.2  水准测量的原理
    水准测量利用水平视线来求得两点的高差。如图2.2中，为了求出A、B两点的高差 ，先在两个点上分别竖立带有分划的标尺──水准尺，再在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后视读数a和前视读数b，则A、B两点的高差等于两个标尺读数之差，即
                                                       （2.1）
    如果A为已知高程的点，B为待求高程的点，则B点的高程为
                                                    （2.2）
    读数a是在已知高程点上的水准尺读数，称为“后视读数”；b是在待求高程点上的水准尺读数，称为“前视读数”。高差必须是后视读数减去前视读数。利用高差计算高程的方法，称为高差法。高差 可能为正，也可能为负，正值表示待求点B高于已知点A，负值表示待求点B低于已知点A。此外，高差的正负号还与测量进行的方向有关，如图2.2中测量由A向B进行，高差用 表示，其值为正；反之由B向A进行，则高差用 表示，其值为负。所以说明高差时必须标明高差的正负号，同时要说明测量进行的方向。
     
    图2.2  水准测量原理
    令 ， 称为仪器视线高程，简称视线高，此时有
                                                     （2.3）
    利用视线高计算高程的方法，称为视线高法。此方法用于在一个测站上需要观测多个前视读数时，较为方便。
    由此可见，水准测量的基本原理是利用水准仪提供的一条水平视线，借助前后两把水准尺测得两点的高差，进而由已知点的高程推算未知点的高程。
    2.3  水准测量的仪器和工具
    水准测量中使用的仪器是水准仪，另外配合使用的工具还有水准尺和尺垫。
    2.3.1  水准仪的基本构造
    水准仪是进行水准测量的主要仪器，它可以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：利用水准管来获得水平视线的“微倾式水准仪”；利用补偿器来获得水平视线的“自动安平水准仪”。此外，还有一种新型水准仪──电子水准仪，它配合条纹编码尺，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。
    我国的水准仪系列标准分为DS05、DS1、DS3和DS10四个等级。其中，“D”、“S”分别是“大地”、“水准仪”的汉语拼音的首字母；下标数字表示仪器每千米水准测量的精度，以mm计。一般，DS05和DS1用于精密水准测量，DS3用于普通水准测量，DS10则用于简易水准测量。本节主要介绍DS3级微倾式水准仪的基本构造。
    它由三个主要部分组成：
    望远镜：可以提供视线，并可读出远处水准尺上的读数。
    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，主要支承仪器的上部重量并能使仪器的上部在水平方向转动。
    水准仪各部分的名称见图2.3。基座上有3个脚螺旋，调节脚螺旋可使圆水准器的气泡移至中央，仪器粗略整平。望远镜和管水准器与仪器的竖轴联结成一体，竖轴插入基座的轴套内，可使望远镜和管水准器在基座上绕竖轴旋转。制动螺旋和微动螺旋用以控制望远镜在水平方向的转动。制动螺旋松开时，望远镜能自由旋转；旋紧时，望远镜则固定不动。旋转微动螺旋可使望远镜在水平方向作缓慢的转动，但只有在制动螺旋旋紧时，微动螺旋才能起作用。旋转微倾螺旋可使望远镜连同管水准器作微量的俯仰倾斜，从而使视线精确整平。
     

    （a） （b）
    图2.3  DS3级微倾式水准仪基本构造
    1—物镜；2—目镜；3—物镜调焦螺旋；4—管水准器；5—圆水准器；6—脚螺旋；
    7—制动螺旋；8—微动螺旋；9—微倾螺旋；10—基座
    1. 望远镜
    望远镜具有成像和扩大视角的功能，其作用是看清不同远近距离的目标和提供照准目标的视线。望远镜由物镜、调焦透镜、十字丝分划板、目镜等组成。物镜、调焦透镜、目镜为复合透镜组，分别安装在镜筒的前、中、后三个部位，三者与光轴组成一个等效光学系统。转动调焦螺旋，调焦透镜沿光轴前后移动，从而改变等效焦距，以看清远近不同的目标。物镜的作用是使物体在物镜的另一侧构成一个倒立的实像；目镜的作用是使这一实像在同一侧形成一个放大的虚像（见图2.4）。为了使物像清晰并消除单透镜的一些缺陷，物镜和目镜都用两种不同材料的透镜组合而成，见图2.5。
     
    图2.4  望远镜成像原理
     
    图2.5  望远镜构造
     
    （a）            （b）
    图2.6  十字丝类型
    测量仪器上的望远镜还必须有一个十字丝分划板，它是刻在平板玻璃片上的一组十字丝，被安装在望远镜筒内靠近目镜的一端。它中间一条横丝称为中横丝或中丝；上、下对称平行中丝的短线称为上丝和下丝，统称为视距丝，用来测量距离；竖向的线称为竖丝或纵丝。水准仪上的十字丝如图2.6所示，水准测量中用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，用C—C表示，为望远镜照准线。视准轴是水准仪的主要轴线之一。
    为了能准确地照准目标或读数，望远镜内必须同时能看到清晰的物像和十字丝，为此必须使物像落在十字丝分划板平面上。为了使与仪器成不同距离的目标能成像于十字丝分划板平面上，望远镜内还必须安装一个调焦透镜，见图2.5。观测不同距离处的目标时，可旋转调焦螺旋改变调焦透镜的位置，从而在望远镜内清晰地看到十字丝和所要观测的目标。现代水准仪在调焦透镜后装有一个正像棱镜（如阿贝棱镜、施莱特棱镜等），通过棱镜反射，看到的目标影像为正像，故这类望远镜称为正像望远镜。
    望远镜的性能由以下几个方面来衡量：
    （1）放大率。指通过望远镜所看到物像的视角 与肉眼直接看物体的视角 之比，它近似地等于物镜焦距与目镜焦距之比，或等于物镜的有效孔径D与目镜的有效孔径d之比。即放大率为
                                                  （2.4）
    （2）分辨率。指望远镜能分辨出两个相邻物点的能力，用光线通过物镜后的最小视角来表示。当小于这最小视角时，在望远镜内就不能分辨出两个物点。分辨率可用下式表示：
                                                       （2.5）
    式中，D为物镜的有效孔径，以mm计。
    （3）视场角。指望远镜内所能看到的视野范围。这个范围的几何形状是一个圆锥体，所以视场角用圆锥体的顶角来表示。视场角与放大率成反比。
    （4）亮度。指通过望远镜所看到物体的明亮程度。它与物镜有效孔径的平方成正比，与放大率的平方成反比。
    由上述可以看出，望远镜的各项性能是相互制约的。例如：增大放大率的同时也就增强了分辨率，可提高观测精度，但减小了视场角和亮度，不利于观测。所以测量仪器上望远镜的放大率有一定的限度，一般为20～45倍。
    2. 水准器
    水准器是用来衡量视准轴C—C是否水平、仪器旋转轴（竖轴）是否铅垂的装置，是置平仪器的重要部件，分为管水准器和圆水准器两种。
    （1）管水准器。又称水准管，是一个封闭的玻璃管，管的内壁在纵向磨成圆弧形，其半径可为0.2～100m。管内盛酒精或乙醚或两者混合的液体，并留有一气泡，见图2.7。管面上刻有间隔为2mm的分划线，分划的中点称水准管的零点。过零点与管内壁在纵向相切的直线称水准管轴。当气泡的中心点与零点重合时，称气泡居中，气泡居中时水准管轴位于水平位置。
     
     

    图2.7  水准管 图2.8  水准管分划
    水准管上一格（2mm）所对应的圆心角称为水准管的分划值。由其几何关系可以看出，分划值也是气泡移动一格水准管轴所变动的角值，见图2.8。水准仪上水准管的分划值为10～20，水准管的分划值越小，视线置平的精度越高。但水准管的置平精度还与水准管的研磨质量、液体的性质和气泡的长度有关。在这些因素的综合影响下，气泡移动0.1格时水准管轴所变动的角值称水准管的灵敏度。能够被气泡的移动反映出水准管轴变动的角值越小，水准管的灵敏度就越高。
    为了提高气泡居中的精度，在水准管的上面安装一套棱镜组（见图2.9），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。
              
    图2.9  水准管符合棱镜
     
    图2.10  圆水准器
    （2）圆水准器是一个封闭的圆形玻璃容器，顶盖的内表面为一球面，半径可为0.12～0.86m，容器内装有乙醚类液体，留有一小圆气泡，见图2.10。容器顶盖中央刻有一小圈，小圈的中心是圆水准器的零点。通过零点的球面法线是圆水准器的轴，当圆水准器的气泡居中时，圆水准器的轴位于铅垂位置。圆水准器的分划值是顶盖球面上2mm弧长所对应的圆心角值，水准仪上圆水准器的角值为8～10。
    3. 基  座
    基座呈三角形，主要由轴座、脚螺旋和连接板组成。仪器上部结构通过竖轴插入轴座中，由轴座支承通过三个脚螺旋与连接板连接。整个仪器用中心连接螺固定在三脚架上，作用是支撑仪器的上部结构。脚螺旋用于调节圆水准器，使气泡居中。底板通过连接螺旋与下部三脚架连接。
    2.3.2  水准尺和尺垫
    水准尺用优质木材或铝合金制成，又称标尺，分为直尺和塔尺两种（见图2.11），长度有3m和5m两种。直尺一般用不易变形的干燥优质木材制成；塔尺一般用玻璃钢、铝合金或优质木材制成。
    塔尺携带方便，但接合处容易产生误差，相对来说直尺比较坚固可靠。水准尺尺面绘有1cm或5mm黑白相间的分格，m和dm处标注有数字（为了便于倒像望远镜读数，标注的数字常倒写）。双面水准尺是一面为黑白相间，称为黑面，另一面为红白相间的红面，每两根为一对。一对双面尺的黑面尺底都以零开始，而红面的尺底从常数K开始，称为零点常数，分别为4.687m和4.787m配合使用。这样有利于检核读数，供红、黑面高差检核之用。
    尺垫是用于转点上的一种工具，用钢板或铸铁制成（见图2.12），呈三角形，下方有三个尖脚，上方中央有一突出半球体。使用时将三个尖脚踩入土中，把水准尺立在突出的圆顶上。尺垫放置于转点上，可使转点稳固、防止水准尺下沉。
     

     

       （a）   （b）
    图2.11  水准尺（直尺与塔尺） 图2.12  尺垫
    2.3.3  微倾式水准仪的使用
    使用水准仪时，应做到迅速、准确地在水准尺上读取读数。在适当位置安置水准仪，整平视线后读取水准尺上的读数。微倾式水准仪的操作应按下列步骤和方法进行：
    1. 安置水准仪
    旋松脚架腿上的三个伸缩固定螺旋，抽出活动腿至适当高度（大致与肩平齐），拧紧固定螺旋；张开架腿使脚尖呈等边三角形，摆动一架腿（圆周运动）使架头大致水平，固定脚架；然后将仪器用中心连接螺旋固定在脚架上，并使基座连接板三边与架头三边对齐。在斜坡上安置仪器时，可调节位于上坡的那条架腿的长短来安置脚架。首先打开三脚架，根据观测者的身高调节架腿长度，架头大致水平并牢固稳妥（在山坡上架设时应使三脚架的两条架腿在坡下位置，一条架腿在坡上位置）；然后打开仪器箱，取出水准仪并用连接螺旋连接到三脚架上。从仪器箱中取出水准仪时，必须握住仪器的坚固部位，在确认将其牢固地连接在三脚架上后方可松手。
    2. 仪器的粗略整平
    仪器的粗略整平，是指旋转脚螺旋使圆水准器的气泡居中。先同时旋转任意两个脚螺旋使气泡移到通过圆水准器零点并垂直于这两个脚螺旋连线的方向上，如图2.13中气泡自a移到b，如此可使仪器在这两个脚螺旋连线的方向处于水平位置；然后单独旋转第三个脚螺旋使气泡居中。如此就使得原两个脚螺旋连线的垂线方向也处于水平位置，从而使整个仪器置平。如仍有偏差，可按上述步骤反复进行操作，直至仪器转至任一方向气泡均居中为止。操作时必须记住以下三条技术要领：
    （1）先旋转两个脚螺旋，然后旋转第三个脚螺旋。
    （2）旋转两个脚螺旋时必须同时相对或相反地转动。
    （3）气泡移动的方向始终和左手大拇指移动的方向一致，因此称此规律为左手定则。
     
    图2.13  圆水准气泡调节
    3. 照准目标
    首先利用望远镜上的瞄准器从外部瞄准目标，水平制动望远镜；然后进行目镜和物镜调焦，使十字丝和尺像清晰，并落在十字丝平面上；最后用微动螺旋使十字丝竖丝照准水准尺。为了便于读数，也可使尺像稍偏离竖丝一些。当照准不同距离处的水准尺时，需重新调节调焦螺旋才能使尺像清晰，但十字丝可不必再调。
    照准目标后，若读数时发现当眼睛上下移动，尺像与十字丝有相对移动的现象，即读数有改变，这种现象称为视差。其原因是水准尺的影像与十字丝影像不共面，两者的影像不能同时看清[见图2.14（a）、（b）]。存在视差时不可能得出准确的读数，因此必须消除视差。消除视差的方法是反复、仔细地进行目镜、物镜对光，直到不再出现尺像和十字丝有相对移动为止，即尺像与十字丝分划板在同一平面上[见图2.14（c）]。视差对瞄准、读数均有影响，务必加以消除。
     
     
     

    （a） （b） （c）
    图2.14  视差形成原理
    4. 精确整平
    为了得到精确的水平视线，在每次读数前还必须调节微倾螺旋使水准管气泡符合，视线精确整平。由于旋转微倾螺旋时，往往会改变望远镜与竖轴的关系，当望远镜由一个方向转变到另一个方向时，水准管气泡一般不再符合。所以望远镜每次变动方向后，也就是在每次读数前，都需要调节微倾螺旋重新使气泡符合。
    5. 读  数
    利用望远镜十字丝的中横丝读取水准尺的读数。从尺上可直接读出m、dm和cm位，并估读出mm位，每个读数必须保留4位。如果某一位数是零，也必须读出并记录，不可省略，如1.402m、0.037m、1.500m等。读数时，水准尺的影像无论是倒字还是正字，一律按照从小数往大数在望远镜内读数，读足4位，不要漏0，见图2.15。读数前应先认清水准尺的分划特点，特别应注意与注字相对应的dm分划线的位置。为了保证得出正确的水平视线读数，在读数前后都应该检查气泡是否符合。另外，精平后应马上读数，速度要快，以降低气泡移动引起的读数误差。
     
     

    （a） （b）
    图2.15  望远镜视场与水准尺读数
    6. 扶  尺
    水准尺左右倾斜容易在望远镜中发现，可及时纠正。但当水准尺前后倾斜时，观测员难以发现，导致读数偏大。所以扶尺员应站在尺后，双手握住把手，两臂紧贴身躯，借助尺上水准器将尺铅直立在测点上。使用尺垫时，应事先将尺垫踏紧，将尺立在半球顶端。使用塔尺时，要防止尺段下滑而造成读数错误。
    7. 迁  站
    迁站时，先检查仪器中心连接螺旋是否可靠，将脚螺旋调至等高，然后收拢架腿，一手扶着基座，一手斜抱着架腿并夹在腋下，安全迁站。如果地形复杂，应将仪器装箱迁站。严禁将仪器扛在肩上迁站，以防止发生仪器事故。
    2.4  水准测量的方法
    2.4.1  水准路线的形式
    在水准点间进行水准测量所经过的路线，称为水准路线。根据测区已知高程水准点分布情况和实际需要，拟定水准路线。水准路线有以下几种形式：
    1. 闭合水准路线
    指水准测量时，从一已知水准点出发，经过一系列高程待测点的测量，最后闭合到起始点上的水准路线。这种形式的水准路线称为闭合水准路线，可以使测量成果得到检核，见图2.16（a）。
    2. 附合水准路线
    指水准测量时，从一已知水准点出发，经过一系列高程待测点的测量，结束于另一水准点的水准路线。这种形式的水准路线称为附合水准路线，可使测量成果得到可靠检核，见图2.16（b）。
    3. 支水准路线
    又称水准支线，是由一已知水准点出发，最后既不附合也不闭合到已知水准点上的一种水准路线。这种形式的水准路线由于不能对测量成果自行检核，因此必须进行往测和返测或用两组仪器进行并测，由此进行检核，见图2.16（c）。
    4. 水准网
    当几条附合水准路线或闭合水准路线连接在一起时，就形成了水准网，见图2.16（d）。水准网可使检核成果的条件增多而提高成果的精度，多用于面积较大的测区。
     
    图2.16  水准路线布设形式
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  1. 第1章  绪  论 1
    1.1  工程测量学简介 1
    1.2  地面点位的表示方法 2
    1.3  地球曲率对测量工作的影响 8
    1.4  测量工作的原则 9
    第2章  高程测量 12
    2.1  概  述 12
    2.2  水准测量的原理 13
    2.3  水准测量的仪器和工具 14
    2.4  水准测量的方法 20
    2.5  三、四等水准测量 25
    2.6  微倾式水准仪的检验和校正 29
    2.7  水准测量的误差及其消减方法 33
    2.8  自动安平水准仪 35
    第3章  角度测量 40
    3.1  角度测量原理 40
    3.2  光学经纬仪 41
    3.3  光学经纬仪的安置和使用 45
    3.4  水平角测量 47
    3.5  竖直角测量 50
    3.6  经纬仪的检验和校正 54
    3.7  角度测量的误差分析 58
    3.8  电子经纬仪 62
    第4章  距离测量 68
    4.1  钢尺量距 68
    4.2  视距测量 73
    4.3  光电测距 76
    4.4  直线定向 81
    4.5  用罗盘仪测定直线的磁方位角 85
    第5章  测量误差基本理论 88
    5.1  概  述 88
    5.2  评定精度的指标 91
    5.3  误差传播定律 93
    5.4  算术平均值及其中误差 97
    5.5  加权平均值及其中误差 99
    第6章  全站仪 103
    6.1  概  述 103
    6.2  全站仪的基本操作与使用方法 106
    6.3  全站仪程序测量 110
    6.4  全站仪观测误差 113
    6.5  全站仪测距误差的检验 113
    6.6  全站仪使用的注意事项与维护 115
    第7章  小区域控制测量 117
    7.1  概  述 117
    7.2  导线测量 124
    7.3  控制点加密 130
    7.5  三角高程测量 134
    第8章  大比例尺地形图测绘 139
    8.1  地形图的基本知识 139
    8.2  大比例尺地形图解析测绘方法 148
    8.3  大比例尺数字化测图 163
    8.4  地籍测量简介 166
    第9章  地形图的应用 171
    9.1  地形图的基本应用 171
    9.2  地形图在工程上的应用 173
    第10章  施工测量的基本工作 179
    10.1  概  述 179
    10.2  施工控制测量 180
    10.3  施工测量的基本工作 181
    10.4  平面点位的测设方法 185
    10.5  已知坡度直线的测设 189
    第11章  工业与民用建筑施工测量 191
    11.1  概  述 191
    11.2  施工控制测量 191
    11.3  民用建筑施工测量 197
    11.4  工业厂房施工测量 203
    11.5  高层建筑施工测量 211
    11.6  建筑竣工总平面图的编绘 214
    第12章  道路工程测量 217
    12.1  概  述 217
    12.2  铁路勘测设计阶段的测量工作 217
    12.3  铁路线路施工测量 237
    12.4  铁路线路竣工测量 242
    12.5  公路工程测量 243
    第13章  桥梁与隧道工程测量 247
    13.1  概  述 247
    13.2  桥梁施工控制测量 247
    13.3  桥梁施工放样 252
    13.4  桥梁变形监测 257
    13.5  隧道施工控制测量 258
    13.6  隧道施工测量与竣工测量 270
    第14章  变形监测 274
    14.1  变形监测的内容、目的和意义 274
    14.2  变形监测的特点和方法 276
    14.3  建筑物的变形监测 280
    14.4  变形分析与成果整理 290
    参考文献 296
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