20.2　地形测量仪器

20.2　地形测量仪器

18世纪的土地勘测技术，原则上与我们已经知道的情况并无多大差别，但由于英格兰和法国的工匠引进的标准仪器有了重大改良，从而使勘测工作可以更加精确和快速地进行。尽管英格兰的勘测作业在某些方面不同于欧洲大陆，但是欧洲市场的科研仪器装备大多由英格兰制造商提供，那里有先进的机器制造业的支持，并有丰富的金属和光学玻璃等材料供应。

距离的测量　距离测量常用各种直接方法。例如，对地产或园林等的地籍丈量，英国的土地丈量员使用一种长度为4杆（22码）的冈特测链——“土地测量人员最重要的工具”，欧洲大陆的土地丈量员则采用一种2—5米长的木制测杆。在测绘大面积地区或测量道路时，土地丈量员大多采用轮式测程器或计距器，后经多次改良成为配有刻度盘的伞形蜗轮传动装置（图版23B）。对于地域性地图，18世纪与16世纪时一样，通常仍然是利用照准仪对道路测量导线进行交叉定位，也就是在测量路径之外的若干点上，用平板仪或测量罗盘来测绘。在采用较为精确的技术进行间接距离测量方面，私人土地丈量员行动比较迟缓。18世纪下半叶，英格兰每一个郡的地图的测绘比例尺都是1英寸比1英里或更大，这些地图中仅有6幅配有三角测量法的附图。

一些传统的仪器较容易发生长度变化，尤其在温度和湿度改变的条件下，它们在连接起来时连接构件也容易错位。对于诸如在三角测量时作为基线的延伸线段的精确测量方面，这类缺陷是无法容忍的，因为所形成的角度误差在整个测量过程中会不断累积。意大利和法国的土地丈量员采用紫铜或黄铜包头的木制测杆进行基线测量，在相邻测杆之间用长臂圆规测量留开一定间距，以减少接触误差。他们采用膨胀系数低的材料，同时测定和降低基线每一段的平均温度，以减少和校正温度误差。卡西尼·德·蒂里（Cassini de Thury，1714—1784）在1733—1740年间进行三角测量时，采用的是铁皮包头的24英尺长的木制测杆和15英尺长的铁棒。威廉·罗伊（William Roy，1726—1790）1784年在英格兰东南部取长达5英里以上的基线进行了三角测量，最初是用100英尺的钢链作的测量，后来发现搭接的里加松木制的测杆，会随着湿度的变化发生长度变化，所以最后就采用了玻璃管。但是，罗伊在1787年是用钢制测链来测量其校验基线的，当时在钟表业中已普遍知晓的补偿原理的各种用途都被用于制造供基线测量的器械。法国科学家博尔达（J.C.de Borda，1733—1799）在1792年采用两种具有不同膨胀系数的金属（铜和铂）制成的测杆，更精确地测量了温度变化对基线不同分段的影响。贝塞尔（F.W.Bessel，1784—1846）在1836年对东普鲁士进行的三角测量中，采用了铁和锌制成的结构类似的补偿性测杆。约在1825年，英国地形测量局局长托马斯·科尔比（Thomas Colby，1784—1852）发明了一种器械，其中平行放置的两条黄铜和铁制杆棒在其中心部位牢固连接，其端部用绕枢轴旋转的金属榫舌连接，在每个榫舌的端点标记了补偿校准点，可在不同温度下使其与杆棒的中心点保持恒定的距离（图327）。1827—1828年间，科尔比的这种补偿校准测杆在爱尔兰对一等三角测量的基线进行测量的过程中得到了应用。1849年，该测杆在英格兰也曾用于同样目的，测量的平均速度为每小时6杆，或每天461英尺，爱尔兰基线的误差约为1∶200000。斯特鲁韦（F.G.W.von Struve，1793—1864）在俄罗斯使用一等三角测量法时（1817—1855年），设计了一种基线测量仪，使用的弹簧接触杠杆可以精确估测出温度产生的影响。据称，其平均可几误差为1∶1240000。

视距测量法（tacheometry）是在现代中等尺度勘测中用于间接距离测量的基本方法，早在17世纪就已采用，并且出现在格林（William Green，1725—1811）1778年在伦敦出版的一本小册子上，第一次引起了土地丈量员的注意［1］。格林描述的这种“测（视）距仪”（stadiometer）与现代的视距测距仪很相似，可用于测量从该仪器光学中心到标杆上已知间隔的两个点的光线所张的角度，从而计算出与该标杆的距离，以及与该标杆同一垂直平面上远处诸点的距离。通过波罗（Ignazio Porro，1801—1878）在1823年发明的移动距点透镜，观察者能直接读取所张的角度值（即从仪器的垂直轴上读取），而不必考虑物镜的焦距。这种视距测距仪作为一种组合式测距仪器和水准仪，在19世纪早期就被从事河道（第18章）和铁路（第Ⅴ卷，第15章）快速勘测的工程技术人员普遍采用。

角度的测量　对方位角进行观察，即对水平角度的测量，在18世纪一般仍然采用从磁罗盘发展而来的各种地形测量仪器，英格兰有圆周仪（circumferentor）或测量罗盘，法国有量角器（graphometer）或测量半圆计（surveying semicircle）。这类仪器配以罗盘和具有广阔视野的照准仪，可使测量员准确地读取瞄准线的方向，据称其偏移误差为2度或稍多一点。在英格兰各郡地图上，早期由英国地形测量局测量人员的检测表明，“在18英里距离内……误差将近3英里”。其他测量环具有固定和可动的成对瞄准器，可在瞄准器的两条瞄准线之间形成角度，其中包括荷兰环（或许是由航海用星盘发展而来）和一种被称为“普通经纬仪”的改良的圆周仪（图328）。在当时的欧洲大陆被广泛应用的测量象限仪或1/4圆周仪，同样具有固定和可动瞄准器。皮卡尔在1669年进行三角测量时，首先在其象限仪上安装了带有测微金属丝（micrometer-wires）的望远镜。据卡西尼·德·蒂里声称，那种18世纪在法国三角测量中使用的2英尺半径的小型象限仪，精确度可达8—10弧秒。他用装有望远镜的量角器进行了仔细测量，预计其可几误差最大为10弧分。

平板仪测量法（plane tabling）在当时得到了广泛应用，这种测量方法就是在现场把瞄准线直接标绘出来。17世纪和18世纪的英格兰作者认为，它的使用只能限制在“镇区和小型围场”，并建议对圆周仪或经纬仪“放弃大规模业务（就是说大面积测量）”［2］。平板测量仪是军事工程人员用于测量防御工事的标准地形测绘仪器。

在16世纪和17世纪时，人们曾开发过各种类型的地平经纬仪。到18世纪，伦敦的仪器制造商生产出了精良的地平经纬仪（altazimuth theodolite），成为当时三角测量中的基本工具。这一成果应归因于人们对各种角度测量仪器在设计和构造上进行的一系列改良，光学精确度、度盘和游标盘的机械准确性的提高，以及对刻度盘读数的精密划分。(https://www.daowen.com)

18世纪上半叶，托马斯·赖特（Thomas Wright，1711—1786）和乔纳森·西森（Jonathan Sisson，1694？—1749）以及其他后继的制造者，对普通经纬仪的开口槽式瞄准器进行了改装。他们把它换成了带有十字发丝的望远镜，装在一块带有刻度的弧形板上，以使它能垂直运动进行瞄准，在更有限的视场范围内对准目标，这样测量员就能够同时进行水平和垂直两种角度的观察。仍旧安装在仪器上的罗盘的功能，此时就成为辅助性的。经纬仪上装有各种气泡酒精水准器，使其水平度盘保持水平状态，而使垂直弧置于0度，刻度盘上的读数由游标显示。1758年由多朗德（John Dollond，1706—1761）引进的消色差透镜，使短折射望远镜的制造成为可能。伯德（John Bird，1709—1776）则拟定了一套方法，使天文象限仪的刻度划分更加精确。1766年和1775年，拉姆斯登（Jesse Ramsden，1735—1800，图版1）发明了几种圆刻线机（边码392）。

由罗伊发起并由军械部在英格兰开展的大地和地形测量，采用的是由拉姆斯登制造的经纬仪，设计和制造的水平可以使仪器平稳转动，不受“中心振动”的影响［3］。罗伊认为，他在1787年完成的这种直径3英尺的“大型仪器”，主要优点之一是对准中心的方式（参见图223）。这种经纬仪的中天望远镜能够围绕其水平轴进行全周旋转，配有一组正切夹箍和慢调旋钮，可使望远镜平稳而准确地对准目标，配备的3个显微镜可使读取的水平和垂直刻度达1弧秒——这是以前从未达到过的精确度。拉姆斯登的“大型仪器”在英格兰进行的一等三角测量中验证了其性能，能够在70英里的距离测量出2弧秒的角度，它是现代经纬仪的原型。

由第四位卡西尼［雅克·多米尼克（Jacques Dominique），1748—1845］继承的法国的三角测量，于1787年被带过多佛尔海峡，与罗伊的三角测量相结合。其中，地平经度的观察是采用博尔达于1775年研发、勒努瓦（Étienne Lenoir，1744—1832）制造的直径为33厘米的复测环仪（边码402，图329），方法是梅耶（Tobias Mayer，1723—1762）引入的用该仪器圆环上的不同弧段重复测量角度，从而以“求平均值”的方法来减少机械误差。此后，博尔达的反射环仪成为法国海洋测量人员的首选测量工具，它运用了哈德利的象限仪原理，可重复测量角度值（边码618）。

海拔高度的测量　海拔高度的测量，是用地平经纬仪测定垂直角度，从而确定相对高度。但是，对于首先用于工程项目、而后用于地形测量的水准测量操作，仍然需要一种直接的观察方法。1661年由泰弗诺（M.Thévenot，1620？—1692）描述过的酒精水准器（空气或气泡水准器），在18世纪初迅速替代了老式的铅锤和普通水准器，并促进了各种紧凑的水平测量仪器和倾斜计的制造，其中一种是由西森首先制造的Y形水准仪。

早期用于测量高度的气压计测定法，既未调整气温，又没有一致的气压和高度的相关性可依赖，因而所得结果差异悬殊。1772年以后，德吕克（J.A.Deluc，1727—1817）发表了汞气压计的制造和使用原则，提出了关于气压与高度相互关系的公式，和三角测量法相比，测量员能够用气压计更快速简便地测得高度。这类观测——特别是索绪尔（H.B.de Saussure，1740—1799）在阿尔卑斯山、1799—1803年洪堡（Alexander von Humboldt，1769—1859）在南美洲以及1802—1803年雷蒙德（L.Ramond，1755—1827）在比利牛斯山进行的观测，为地形测绘和实用制图术（用于记录自然现象的高度分布）提供了绝对高度测量数据（边码614）。德吕克对于水的沸点随着大气压的降低和海拔高度的增加而下降的情况进行的比较研究，为19世纪早期作为勘测的一种标准高度测量仪器的发展提供了理论基础。