高等级水准的测量方法及精度控制_水利论文发表

高等级水准的测量方法及精度控制

周海涛

摘要：随着经济发展速度的不断加快，普通的三四等水准测量已经满足不了高精度的施工放线、变形监测等项目的要求，越来越多的建设项目需要高等级的高程控制。水准测量实施过程中，需要几个人合作才能完成，误差允许范围内的精度由于仪器和人为的影响而不容易控制，而且易出现隐蔽性错误，如果不能及早发现，基础资料是错误的，从而水准点高程不正确，直接影响下道工序的进展。本文以二等水准为例，初步探讨高等级水准的测量方法及其精度控制。

关键词：高等级水准 测量方法 误差 精度控制

1. 二等水准的测量方法

1.1 测量方法

使用数码或电子水准仪进行几何水准测量,测量模式应采用多次（至少两次）测量模式，计算值取用均值。水准网布设采用闭合环路线；水准线路要往返测量，其往返较差、闭合差不得大于4㎜ （L以公里计，不足一公里按一公里计）。安置水准仪的测站至前、后视立尺点的距离，应该量距使其相等，其观测次序如下： 往测奇数站的观测程序：后前前后； 往测偶数站的观测程序：前后后前； 返测奇数站的观测程序：前后后前； 返测偶数站的观测程序：后前前后；一组往返测宜安排在不同的时间段进行；由往测转向返测时，应互换前后尺再进行观测；晴天观测时应给仪器打伞，避免阳光直射；扶尺时应借助尺撑，使标尺上的气泡居中，标尺垂直。在每区段内，先连续进行所有测往测随后再连续进行该区段的返测；同一测段的往测和返测应在上下午进行，在日间气变化不大的阴天和观测条件较好时，若干里程的往返测可同在上午或下午进行。水准仪i角校正要小于15″，每天出测前必须进行，连续7天至i角稳定，i角检校要记录在手簿中。

1.2水准观测技术要求

㈠．水准观测视距不得大于50m；视距差不得大于1m；累计视距差不得大于3m；视线高不小于0.3m。

㈡．水准观测的条件，在日出后和日落前30分钟内；太阳中天前后约2小时；风力影响仪器和标尺不稳的情况下不应观测。

㈢. 水准观测方式：水准路线往返测量，要沿同一条道路进行；同一测段的往返测量。

1.3 水准高差外业改正计算

㈠．水准标尺长度误差改正。若出测前后水准标尺每名义米长的变化不大于30μｍ,则取平均值进行改正。

一测段高差改正数δ按下式计算：

δ＝f*h

式中f为标尺改正系数。

h为往测或返测高差值。

㈡．正常水准面不平行改正

一测段高差改正数ε按下式计算：

ε=-（γi+1-γi）*Hm/γm

式中γm为两水准点正常重力平均值，mm/s2,按γm=（γi -γi+1）/2-0.1543 Hm式计算。

γi、γi+1分别为i点、i+1点在椭球面上的正常重力值，mm/s2,按γ=978030（1+0.005302sin2ф-0.000007 sin3ф）式计算。

Hm为两水准点概略高程平均值。

ф为水准点纬度。

㈢．重力异常改正

一测段高差改正数λ按下式计算：

λ=（g-γ）m*h/γm

式中（g-γ）m为两水准点空间重力异常平均值。

h为测段高差。

㈣每千米水准测量的高差偶然中误差不得大于1㎜，其计算公式

 

1.4内业计算 内业计算包括水准测量的概算与平差计算。其概算包括水准尺每米长度误差改正；正常水准面不平行改正；重力异常改正（一般不作要求）；水准路线闭合差计算与闭合差分配；计算各水准点的概略高程。最后平差计算。

2. 误差来源

二等水准测量中的误差主要来自：水准仪本身的仪器误差、人为的观测误差以及外界条件的影响。

3. 精度控制

3.1 仪器误差

仪器误差是由于仪器使用时间过长或受到震动后，使各轴线之间的关系发生变化，若不及时检验校正，将会影响测量成果的质量。所以，水准测量作业前，应对水准仪进行检验，如不满足要求，应及时对仪器加以校正。水准仪主要轴线有视准轴、水准管轴、仪器竖轴和圆水准器轴，以及十字丝横丝。根据水准测量原理，水准仪必须提供一条水平视线，才能正确的测出两点间的高差。为此，水准仪各轴线间应满足圆水准器轴平行仪器竖轴，十字丝的横丝垂直仪器竖轴和水准管轴平行视准轴。对于圆水准器轴平行仪器竖轴的检验校正，在安置仪器后，用脚螺旋调节圆水准器气泡居中，然后将望远镜绕竖轴旋转180°，如气泡仍居中，表示此项条件满足要求（圆水准器轴与竖轴平行）；若气泡不居中，则应进行校正。

3.2 人为观测误差

3.2.1 水准管气泡居中误差

　　设水准管分划值为τ″，居中误差一般为±0.15τ″，采用符合式水准器时，气泡居中精度可提高一倍。

3.2.2 读数误差

　　在水准尺上估读毫米数的误差，与人眼的分辨能力、望远镜的放大倍率以及视线长度有关。

3.2.3 视差影响

当视差存在时，十字丝平面与水准尺影像不重合，若眼睛观察的位置不同，便读出不同的读数，因而也会产生读数误差。

3.3 水准尺倾斜误差

水准尺如果是向视线的左右倾斜，观测时通过望远镜十字丝很容易察觉而纠正。但是，如果水准尺的倾斜方向与视线方向一致，则不易察觉。尺子倾斜总是使尺上读数增大。它对读数的影响与尺的倾斜角和尺上读数的大小（即视线距地面的高度）有关。尺的倾斜角越大，对读数的影响就越大；尺上读数越大，对读数的影响就越大。因此，在水准测量中，立尺是一项十分重要的工作，一定要认真立尺，使尺处于铅垂位置。尺上有圆水准的应使气泡居中。必要时可用摇尺法，即读数时尺底置于点上，尺的上部在视线方向前后慢慢摇动，读取最小的读数。当地面坡度较大时，尤其应注意将尺子扶直，并应限制尺的最大读数。

3.4地球曲率及大气折光影响

　　由于大气折光，视线并非是水平，而是一条曲线，曲线的曲率半径为地球半径的7倍。

　　如果前视水准尺和后视水准尺到测站的距离相等，则在前视读数和后视读数中含有相同的 。这样在高差中就没有这误差的影响了。因此，放测站时要争取“前后视相等”

　　接近地面的空气温度不均匀，所以空气的密度也不均匀。光线在密度不匀的介质中沿曲线传布。这称为“大气折光”。总体上说，白天近地面的空气温度高，密度低，弯曲的光线凹面向上；晚上近地面的空气温度低，密度高，弯曲的光线凹面向下。接近地面的温度梯度大大气折光的曲率大，由于空气的温度不同时刻不同的地方一直处于变动之中。所以很难描述折光的规律。对策是避免用接近地面的视线工作，尽量抬高视线，用前后视等距的方法进行水准测量

　　除了规律性的大气折光以外，还有不规律的部分：白天近地面的空气受热膨胀而上升，较冷的空气下降补充。因此，这里的空气处于频繁的运动之中，形成不规则的湍流。湍流会使视线抖动，从而增加读数误差。对策是夏天中午一般不做水准测量。在沙地，水泥地……湍流强的地区，一般只在上午10点之前作水准测量。高精度的水准测量也只在上午10点之前进行。

3.5 温度对仪器的影响

　　温度会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件（物镜，十字丝和调焦镜）相对位置的变化，或者引起视准轴相对与水准管轴位置的变化。由于光学测量仪器是精密仪器，不大的位移量可能使轴线产生几秒偏差，从而使测量结果的误差增大。

　　不均匀的温度对仪器的性能影响尤其大。例如从前方或后方日光照射水准管，就能使气泡“趋向太阳”——水准管轴的零位置改变了。

温度的变化不仅引起大气折光的变化，而且当烈日照射水准管时，由于水准管本身和管内液体温度升高，气泡向着温度高的方向移动，影响仪器水平，产生气泡居中误差，观测时应注意撑伞遮阳。

结语：发现观测误差及时消除或减弱其影响是一个综合性问题，水准测量成果的精确与否,直接影响到工程的质量。在测量中操作熟练，才能提高观测的速度，采取规范的办法，严格执行正确步骤，观测与立尺互相配合，才能得到正确结果。

参考文献：

孔祥元，郭际明，刘宗泉 大地测量学基础（第二版）武汉大学出版社 2010

张正禄 工程测量学 武汉大学出版社 2005

孔祥元，郭际明 控制测量学 2006