刍议影响水准测量的因素及解决措施

摘要：本文对影响水准测量的各种因素进行分析研究，例如，仪器误差、外界因素引起的误差、观测误差。结合多年的工作经验，提出几点解决措施。

关键词：水文；水准测量；精度；措施

前言

目前，水准测量在水文、水利工程及其他基本建设工程中应用十分广泛。它是建立测区基本高程控制系统的主要手段 ，水准测量实际就是求得两点间高差值。影响水准测量的因素主要包括仪器误差、外界条件和观测误差。

1仪器误差

1.1 角误差的影响

要使水准仪的视准轴和水准轴严格平行是很困难的，两轴在竖直平面内投影的夹角称为 角。 角的存在会给水准测量带来一定的影响。

如图1所示，S前、S后为前后视距，假设 角不变的情况下，在前后水准尺上的读数误差为 和 ，对高差的影响为：

设 ，要求对高差的影响小到可以忽略不计的程度，如 ，那么二等水准前后视距之差的允许值可计算得：

当 时，视距累计差对高差的影响如表1。

表1 视距累计差对高差的影响表

累计视距差/m 0.5 1 1.5 2 2.5 3 5 6 8 10

影响高差/mm 0.04 0.07 0.11 0.15 0.18 0.22 0.36 0.44 0.58 0.73

由此可见，在 角不变的情况下，一个测站上前后视距相等或一个测段的前后视距总和相等，则在观测中可消除 角的影响，但是在实际作业中要达到完全相等是相当困难的。

1.2角的影响

由于仪器竖轴的不严格垂直，与视准轴正交方向倾斜一个角度，这样视准轴两端产生倾斜，从而使水准气泡偏离居中位置。当重新调整水准气泡居中进行观测时，视准轴就会偏离水平位置而产生倾斜，显然会影响水准尺上的读数。为了减少该误差对高差的影响，应对水准仪的圆水准器进行检验与校正。

1.3两水准标尺零点误差的影响

两水准尺的零点误差不等，设a，b水准尺的零点误差分别为a和b，它们都会在水准尺上产生误差。

如图2所示，在测站I上考虑到两水准尺零点误差对前后视水准尺上的读数 和 。的影响，则测站I的观测高差为：

在测站Ⅱ上同样考虑到零点误差对读数的影响，则测站Ⅱ的高差为：

则1，3的高差为：

由此可见，尽管零点误差 ，但是两相邻测站观测高差之和抵消了该误差的影响，故在测量水准作业中各测段的测站数目应尽量是偶数站，且在相邻测站上是两水准尺轮流作为前视尺和后视尺。

2 外界因素引起的误差

2.1 温度变化对 角的影响

随着温度的变化，仪器的 角也将随着改变。仪器受热的部位不同，对 角的影响也显著不同，温度的变化对 角的影响是及其复杂的，实验结果表明，仪器周围温度均匀变化1º时， 角将平均变化0.5" ，有时能达到1"~2"。

减弱这种误差影响最有效的办法是减少仪器受辐射热的影响，如观测时打伞可避免日光直射仪器，以此来减小 角的变化。同时，在观测前一段时间从箱中取出仪器，使仪器与周围空气温度趋于一致。

2.2 温度对水准气泡的影响

水准器内灌注的液体为乙醇、乙醚或者两者的结合体，它们都是冰点低而挥发性大的液体，对温度的变化非常敏感。当温度升高时，液体和气体均将膨胀，因为液体难于压缩，而液体的可缩性和转化性强，因此气泡的体积将变小，长度变短，灵敏度也随之降低。对格值不同的水准器进行实际测定，气泡变化如表2：

表2 格值不同的水准器气泡随温度的变化表

水准管格值/" 5 10 15 20 30

温度变化1º时气泡的变化量/mm 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4

又如，格值为16"的水准器，当温度由0~+30º时，气泡长度由25格缩短为17格，缩短了8格，16 mm，置中误差增大了约50% o

因此，为减少温度的影响，在野外作业中要尽可能地避开环境温度变化的不良影响，在强光照射下要打伞，否则气泡会缩短，气泡向热的一段移动，直接影响测量成果。

2.3 仪器和水准标尺垂直位移的影响

仪器和水准标尺随着观测时间在垂直方向的下沉是精密水准测量中系统误差的重要来源。仪器的脚架随时间而逐渐下沉时，读完后视基本分划转向前视基本分划的时间内，由于仪器的下沉，视线将有所下沉，而使前视基本分划偏小。同理辅助分划读数的变化与基本相反，则采用“前后后前、前后后前”的观测顺序可将此类误差消除。

水准尺垂直位移，主要发生在迁站过程中，由原来的前视尺转化为后视尺而产生下沉，于是总是后视读数偏大，使各测站的观测高差都偏大。这种误差影响在往返测高差的平均值中可以得到抵偿。

2.4 大气垂直折光的影响

由于接近地面的大气层，密度的梯度越大，前后视线离地面的高度不同，视线所通过的大气层的密度也不同，折光影响也就不同。大气密度的变化还受温度等因素的影响。上午由于地面吸热，使得地面上的大气层离地面越高温度越低；中午以后，由于地面逐渐散热，地面温度开始低于其上大气的温度。垂直折光的影响还与一天内的不同时间有关，在日出后半小时和日落前半小时左右，地面的大气密度和折光差变化迅速而无规律，不宜进行观测。

设通过仪器中心水准面的半径为 ，仪器至水准尺的弧长为 ，大气折光系数为 ，大气折光对水准尺读数的影响为 ：

折光系数的变化是复杂的，不仅因为地区和方位的不同而不同，而且还因自然条件的不同而有所差异，我国大部分地区的折光系数通常取0.11，当 =100 m， =6 371 km，则 =0.086 mm，当前后视距相等时可适当抵偿。

因此，为了减弱大气折光对高差的影响，水准测量规范中规定每一测段的往返测应分别在上午和下午(避开日出、日落、中午)，往返测取均值可适当减弱。另外还规定了相应等级的视准线下丝读数(如二等要求不小于0.3 m )。

3 观测误差

观测误差主要包括水准器居中误差，照准水准尺上的分划误差和读数误差，这些误差与观测者的观测习惯及其他因素有关，属于偶然误差。试验结果表明，这些误差在每测站上由基辅分划所得观测高差平均值的影响不到0.1 mm。

4 水准测量改进措施

根据各种误差的性质及其影响规律，水准测量中应采取相应的措施来尽可能地减弱或消除各种误差对观测成果的影响。

1) 观测前30 min，应将仪器取出置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致。

2) 仪器前后视距差、前后视距累计差小于规定的限值。

3) 每一测段均应安排偶数站测量。

4) 在相邻测站上应按奇、偶数测站的观测程序进行观测。

5) 在连续各测站上安置水准仪时，应使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，而第只脚螺旋轮换置于路线方向的左侧或右侧。

6) 每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准标尺应互换位置，并重新整平仪器。

7) 每一测段的水准测量路线的往测和返测应在不同的气象条件下进行，分别在上午和下午观测。

8) 在同一测站上观测时，不得2次调焦，转动仪器的倾斜螺旋为旋紧方向。

参考文献

[1] .孔祥元，郭际明，刘宗泉.大地测量学基础[M] .武汉：武汉大学出版社.

[2] .潘正风，杨正尧，程效军，等.数字测土原理与方法[M].武汉：武汉大学出版社.

[3] .周丙申，蒋芷华，孙鹤群.光电大地测量仪器学[M].北京：中国矿业大学出版社.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。