孫景榮，李 軍

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶 163000)

野外水準(zhǔn)測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因及消減方法

孫景榮，李 軍

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶 163000)

測(cè)量觀測(cè)值都包含誤差，水準(zhǔn)測(cè)量也是一樣。為了便于進(jìn)行工程建設(shè)中的測(cè)量工作，盡量的減小和消除在實(shí)際工作中的誤差，結(jié)合所學(xué)的水利工程測(cè)量知識(shí)，闡述了在實(shí)際的野外水準(zhǔn)測(cè)量中誤差產(chǎn)生的原因及消減方法。

野外;水準(zhǔn)測(cè)量;觀測(cè)誤差;原因;消減方法

0 引言

水準(zhǔn)儀是在17—18世紀(jì)發(fā)明制造了望遠(yuǎn)鏡和水準(zhǔn)器之后出現(xiàn)的。在20世紀(jì)初，科技工作者在內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡和符合水準(zhǔn)器的基礎(chǔ)上制造出微傾水準(zhǔn)儀。在50年代出現(xiàn)了自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀。在60年代研制出激光水準(zhǔn)儀，隨著科技的不斷進(jìn)步，在90年代研制出了數(shù)字化水準(zhǔn)儀(電子水準(zhǔn)儀)。數(shù)字化水準(zhǔn)儀是以自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測(cè)器(CCD)，并采用條碼標(biāo)尺和圖像處理電子系統(tǒng)二構(gòu)成的光機(jī)電測(cè)一體化的高科技產(chǎn)品。采用普通標(biāo)尺時(shí)，又可象一般自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀一樣使用。具有讀數(shù)客觀、精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，但價(jià)格較高，在一般的工程項(xiàng)目三、四等水準(zhǔn)測(cè)量中應(yīng)用較少。

隨著尼爾基水利樞紐工程配套項(xiàng)目即引嫩擴(kuò)建骨干一期工程的陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)，對(duì)于一些例如渠底、堤頂、壩頂超平工作經(jīng)常會(huì)用到水準(zhǔn)儀，在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中也經(jīng)常遇到一些比較棘手的技術(shù)誤差問(wèn)題，為了得到更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，在工作中也不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，減小誤差，提高工程質(zhì)量。因此，根據(jù)工程測(cè)量的精度要求，選取三等水準(zhǔn)測(cè)量DS3型水準(zhǔn)儀，分析誤差來(lái)源，尋求減小誤差的方法，對(duì)提高水準(zhǔn)測(cè)量成果的精度具有積極意義。筆者通過(guò)參加測(cè)站考證水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)踐，結(jié)合理論知識(shí)，針對(duì)誤差產(chǎn)生的原因以及消減誤差的方法進(jìn)行了探討，談一點(diǎn)體會(huì)，供大家參考。

1 誤差產(chǎn)生機(jī)理

1.1 儀器誤差

1.1.1 儀器校正誤差

在工作開(kāi)始前，儀器雖經(jīng)校正，但還會(huì)存在一些殘余誤差，我們稱(chēng)為i角誤差檢校后的殘余值，這主要是水準(zhǔn)管軸不平行于視準(zhǔn)軸所導(dǎo)致的誤差。在實(shí)際的觀測(cè)過(guò)程中，同一測(cè)站要注意使前、后視距相等，便可以消除或減弱這方面的影響。

1.1.2 對(duì)光誤差

這一點(diǎn)和儀器的加工工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)系。由于儀器制造加工不夠完善，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)光螺旋調(diào)焦時(shí)，對(duì)光透鏡產(chǎn)生非直線移動(dòng)而改變視線位置，產(chǎn)生對(duì)光誤差，即調(diào)查焦誤差。這項(xiàng)誤差，儀器安置于中距前、后視尺等距離處，后視完畢轉(zhuǎn)向前視，不必重新對(duì)光，就可得到消除。

1.1.3 水準(zhǔn)尺誤差

隨著水準(zhǔn)尺使用年限的延長(zhǎng)，水準(zhǔn)尺就會(huì)彎曲變形，產(chǎn)生尺面刻劃不準(zhǔn)和尺底零點(diǎn)不準(zhǔn)等誤差。因此，在水準(zhǔn)測(cè)量前應(yīng)對(duì)水準(zhǔn)尺進(jìn)行檢驗(yàn)。水準(zhǔn)尺的零點(diǎn)誤差，使儀器站數(shù)為偶數(shù)時(shí)即可消除。

1.2 觀測(cè)誤差

1.2.1 整平誤差

整平誤差一般也稱(chēng)為氣泡居中誤差，而且整平誤差與水準(zhǔn)管分劃值及視線長(zhǎng)度成正比。我們以DS3型水準(zhǔn)儀(τ〞=20〞/2 mm)為例，進(jìn)行等外水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，若視線長(zhǎng)D=100 m時(shí)，m平=0.72 mm。因此，在觀測(cè)時(shí)必須認(rèn)真校正氣泡是否居中，并且視線不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，先后視然后轉(zhuǎn)向前視，要注意重新轉(zhuǎn)動(dòng)微傾螺旋令氣泡居中才能讀數(shù)，但不能轉(zhuǎn)動(dòng)腳螺旋，否則將改變儀器高產(chǎn)生錯(cuò)差。

1.2.2 讀數(shù)誤差

讀數(shù)誤差是估讀水準(zhǔn)尺上的毫米產(chǎn)生的誤差。它與十字絲的粗細(xì)、望遠(yuǎn)鏡放大倍率和視線長(zhǎng)度有關(guān)。在一般水準(zhǔn)測(cè)量中，當(dāng)視線長(zhǎng)度為100 m時(shí)，估讀誤差約為±1.5 mm。人眼的分辨力，通常當(dāng)視角＜1/10，就不能分辨水準(zhǔn)尺上的兩點(diǎn);當(dāng)望遠(yuǎn)鏡放大倍率為30倍，視線長(zhǎng)度為100 m時(shí)，照準(zhǔn)誤差約為±0.97 mm。若望遠(yuǎn)鏡放大倍率較小或視線過(guò)長(zhǎng)，尺子成像小，顯得不夠清晰，照準(zhǔn)誤差和估讀誤差都將增大。故對(duì)各等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量，規(guī)定了儀器應(yīng)具有的望遠(yuǎn)鏡放大倍率及視線的最大長(zhǎng)度。

1.2.3 水準(zhǔn)尺豎立不直的誤差

如果水準(zhǔn)尺不垂直于地面時(shí)，其讀數(shù)比水準(zhǔn)尺豎直時(shí)的讀數(shù)要大，而且視線越高，誤差越大。因此測(cè)量時(shí)一定要將水準(zhǔn)尺豎直，并且水準(zhǔn)尺讀數(shù)不能太大，一般應(yīng)≤2.7 m。

1.3 外界條件的影響

1.3.1 儀器升降的誤差

由于土壤的彈性及儀器的自重，可能引起儀器上升或下沉，從而產(chǎn)生誤差。若后視完畢轉(zhuǎn)向前視時(shí)，儀器下沉了Δ1，使前視讀數(shù)b1小了Δ1，即測(cè)得的高差h1=a1-b1，大了Δ1。設(shè)在一測(cè)站上進(jìn)行兩次測(cè)量，第二次先前視再后視，若從前視轉(zhuǎn)向后視過(guò)程中儀器下沉了Δ2則第二次測(cè)得的高差h2=a2-b2，小了 Δ2，如果儀器隨時(shí)間均勻下沉，即 Δ1≈Δ2，取兩次所測(cè)高差的平均值，這項(xiàng)誤差就可以得到有效地削弱。因此，在國(guó)家三等水準(zhǔn)測(cè)量中，應(yīng)按后、前、前、后的順序觀測(cè)。

1.3.2 尺墊升降的誤差

與儀器升沉情況相類(lèi)似。如轉(zhuǎn)站時(shí)尺墊下沉，使所測(cè)高差增大，如上升則使高差減小。故對(duì)一條水準(zhǔn)路線采用往返觀測(cè)取平均值，這項(xiàng)誤差可以得到削弱。

1.3.3 地球曲率影響

地球是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢圓球體。在普通測(cè)量中，當(dāng)測(cè)區(qū)面積不大時(shí)，可以把球面視為平面，即以水平面代替水準(zhǔn)面。但是地球曲率對(duì)高程測(cè)量的影響是不能忽略的，當(dāng)視距為100 m時(shí)，在高程方面的誤差就接近1 mm，其影響是很大的。由于水準(zhǔn)儀提供的是水平視線，因此后視讀數(shù)和前視讀數(shù)中都含有地球曲率誤差，但只要將儀器安置于距前、后視尺等距離處，就可消除地球曲率的影響。

1.3.4 大氣折光的影響

地面上空氣存在密度梯度，光線通過(guò)不同密度的媒質(zhì)時(shí)，將會(huì)發(fā)生折射，而且總是由疏媒質(zhì)折向密媒質(zhì)，因而水準(zhǔn)儀的視線往往不是一條理想的水平線。一般情況下，大氣層的空氣密度上疏下密，視線通過(guò)大氣層時(shí)成一條向下彎折的曲線，使尺上讀數(shù)減小，它與水平線的差值即為折光差。在晴天，靠近地面的溫度較高，致使下面的空氣密度比上面稀，這時(shí)視線成為一條向上彎折的曲線，使尺上讀數(shù)增大。視線離地面越近，折射也越大，因此一般規(guī)定視線必須高出地面一定高度，如高出地面0.3 m，就是為了減少這種影響。若在平坦地面，地面覆蓋物基本相同，而且前后視距相等，這時(shí)前后視讀數(shù)的折光差方向相同，大小基本相等，折光差的影響即可大部分得到抵消或削弱。當(dāng)在山地連續(xù)上坡或下坡時(shí)，前后視視線離地面高度相差較大，折光差的影響將增大，而且?guī)в幸欢ǖ南到y(tǒng)性，這時(shí)應(yīng)盡量縮短視線長(zhǎng)度，提高視線高度，以減小大氣折光的影響。

2 結(jié)語(yǔ)

以上對(duì)各種誤差進(jìn)行了逐項(xiàng)分析，實(shí)際上由于誤差產(chǎn)生的隨機(jī)性，其綜合影響在實(shí)際測(cè)量中將會(huì)相互抵消一部分。在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)該注意以下5點(diǎn)，可以減小各項(xiàng)誤差的影響，確保測(cè)量成果的精確度。

1)盡量做到前視距離與后視距離相等，前后視距離累積差不宜太大，三等水準(zhǔn)測(cè)量≤5 m，四等水準(zhǔn)測(cè)量≤10 m，這樣就可以減小多項(xiàng)誤差的影響。

2)視線長(zhǎng)度要符合規(guī)范的要求：三等水準(zhǔn)測(cè)量≤75 m，四等水準(zhǔn)測(cè)量≤100 m，在不平坦地區(qū)應(yīng)縮短視線長(zhǎng)度，這樣就可以減小整平誤差、估讀誤差和照準(zhǔn)誤差的影響。

3)視線離地面高度應(yīng)保持一定的數(shù)值，不宜太高，也不宜太低，一般在0.3～2.7 m，這樣就可以減小水準(zhǔn)尺豎立不直的誤差和大氣折光的影響。

4)每一測(cè)段的往測(cè)和返測(cè)，儀器站數(shù)應(yīng)為偶數(shù)，由往測(cè)轉(zhuǎn)向返測(cè)時(shí)，兩水準(zhǔn)尺必須互換位置。

5)在每一測(cè)站都應(yīng)立即計(jì)算出后距、前距、前后視距差、前后視距離累積差、黑紅面讀數(shù)差、黑紅面所測(cè)高差之差，并按后、前、前、后的順序進(jìn)行觀測(cè)。如果有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)前功盡棄，事倍功半。

［1］葉澤榮，張慕良.水利工程測(cè)量［M］.北京：水利電力出版社，1994.

［2］何大海.水準(zhǔn)測(cè)量的誤差來(lái)源及控制方法［J］.交通世界，2005(12)：224-225.

［3］肖輝.水準(zhǔn)高程測(cè)量校核讀數(shù)新方法［J］.水利天地，2003(12)：38-39.

P224.1

B

1007-7596(2011)06-0106-02

2011-06-16;

2011-11-04

孫景榮(1977-)，男，黑龍江訥河人，助理工程師;李軍(1981-)，男，黑龍江訥河人，助理工程師。