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        水準(zhǔn)標(biāo)尺偏斜誤差研究

        2013-09-28 07:42:34王芳潔
        地理空間信息 2013年4期
        關(guān)鍵詞:分劃水準(zhǔn)測量標(biāo)尺

        王芳潔,李 平

        (1.宜昌市測繪大隊,湖北 宜昌443000)

        迄今為止,對儀器的i角誤差、調(diào)焦誤差、地球曲率等觀測條件引起的誤差的研究比較廣泛和深入[1],也有許多學(xué)者針對不同的誤差類型提出了一些減弱或消除誤差的方法和措施[2,3]。理論上,進(jìn)行水準(zhǔn)測量時,水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃中心零點應(yīng)嚴(yán)格置于測點上,否則就屬于標(biāo)尺偏心測量。長期以來,大家默認(rèn)將標(biāo)尺底面幾何中心置于測點上,疏忽了實際測量過程中標(biāo)尺底面幾何中心與分劃中心零點不一致這一重要的基本事實。嚴(yán)格地說,實際的測量過程也存在著偏心。水準(zhǔn)測量中單純的研究偏心測量是沒有意義的,但水準(zhǔn)標(biāo)尺存在傾斜時如果底面幾何中心與分劃中心零點不一致,就會增大傾斜誤差的影響。因此,筆者認(rèn)為考慮偏心在水準(zhǔn)測量中的影響以及削弱此類影響是必要的。

        標(biāo)尺偏心的現(xiàn)象在礦山、隧道及其他地下工程中十分普遍。例如礦山巷道,通常都以埋設(shè)在兩邊的金屬棒作為水準(zhǔn)點,為了不妨礙礦車和人員通行,水準(zhǔn)點的外露部分一般只有2~3 cm,而釘在木支架上的水準(zhǔn)標(biāo)志外露部分也只有3~5 cm。由于巷道一般都是梯形或拱形斷面,水準(zhǔn)測量時為了豎直標(biāo)尺,測量人員只能盡量將其底面向墻外挪,有時甚至只能勉強將標(biāo)尺底面的一個尖角支在測點上。

        水準(zhǔn)標(biāo)尺傾斜也是水準(zhǔn)測量誤差的重要來源之一,若標(biāo)尺偏心的同時又發(fā)生了傾斜,就會產(chǎn)生偏斜誤差,此時水準(zhǔn)測量就稱為偏斜測量。過去關(guān)于水準(zhǔn)尺傾斜誤差的討論較多[4-6],但標(biāo)尺偏斜誤差卻很少提及。本文依據(jù)實際測量過程中標(biāo)尺分劃中心點與底面幾何中心不一致這一重要的基本事實,從實踐出發(fā),對標(biāo)尺分劃中心零點偏離測點與尺身傾斜共同引起的誤差進(jìn)行了研究,提出了水準(zhǔn)測量中的偏斜誤差數(shù)學(xué)模型,通過實例分析了偏斜誤差對水準(zhǔn)測量的影響。

        1 標(biāo)尺偏斜誤差的數(shù)學(xué)模型

        1.1 標(biāo)尺傾斜誤差數(shù)學(xué)模型

        如圖1所示,設(shè)P點為測點標(biāo)志中心,OB為水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃中心線,O為分劃中心零點。當(dāng)標(biāo)尺正確豎直時,O與P重合,OB鉛直,標(biāo)尺上的正確讀數(shù)為OC。若標(biāo)尺分劃中心零點O不動,OB傾斜至OB1,而水準(zhǔn)儀水平視線保持原位不變,測得此時標(biāo)尺上的讀數(shù)為OC1,它所含的誤差?h1可表示為:

        式中,α為標(biāo)尺傾角;?h1為標(biāo)尺傾斜誤差[6]。

        1.2 標(biāo)尺偏斜誤差數(shù)學(xué)模型

        在標(biāo)尺傾斜的同時,若標(biāo)尺分劃中心零點O偏離P點至O2,且標(biāo)尺分劃中心線OB向下偏斜至O2B2,而水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)線保持原位不變,則此時標(biāo)尺上的讀數(shù)為O2C2(見圖2),它所含的誤差?h2可表示為:

        若標(biāo)尺分劃中心零點O偏離P點至O3,且分劃中心線OB向上偏斜至O3B3,而水準(zhǔn)儀水平視線仍保持原位不變,測得此時標(biāo)尺上的讀數(shù)為O3C3(見圖3),它所含的誤差?h3可表示為:

        設(shè)標(biāo)尺讀數(shù)h,標(biāo)尺分劃中心零點O偏離測點的距離為d,標(biāo)尺向上翹起的傾角為正,標(biāo)尺向下傾角為負(fù),標(biāo)尺偏斜引起的讀數(shù)誤差為?h,則上述3式可綜合表示為:

        圖1 標(biāo)尺傾斜誤差分析圖

        圖2 標(biāo)尺向下偏心時偏斜誤差分析圖

        圖3 標(biāo)尺向上偏心時偏斜誤差分析圖

        2 標(biāo)尺偏斜誤差分析

        偏斜誤差通用公式即式(4)右邊第1項(1-cosα)×h與標(biāo)尺讀數(shù)及傾角大小有關(guān),第2項d×sinα則與標(biāo)尺偏心距離及傾角大小有關(guān)。因sinα為奇函數(shù),cosα為偶函數(shù),當(dāng)α為正值時,第1項為正,第2項為負(fù),兩者有相互抵消之趨勢;但當(dāng)α為負(fù)值時,第1、2項皆為正值,此時2項誤差相互疊加,影響最大。

        目前常用的水準(zhǔn)測量標(biāo)尺分劃面寬約為80 mm,側(cè)面寬約為30 mm,中間厚25~30 mm(見圖4)。也就是說,水準(zhǔn)測量時要是將標(biāo)尺底面的幾何中心立在測點上,標(biāo)尺分劃中心零點將偏離測點10 mm以上;要是不考慮標(biāo)尺對中而隨意立尺,標(biāo)尺分劃中心零點可能偏離測點0~45 mm。

        根據(jù)式(4)估算標(biāo)尺偏斜誤差,表1~表3為當(dāng)α為負(fù)值(-0.5°~-3.0°)、偏心距為0~45 mm時標(biāo)尺偏斜對不同標(biāo)尺讀數(shù)產(chǎn)生的誤差值統(tǒng)計表。

        圖4 常用水準(zhǔn)標(biāo)尺尺寸

        表1 水準(zhǔn)標(biāo)尺偏斜誤差統(tǒng)計分析表

        表2 水準(zhǔn)標(biāo)尺偏斜誤差統(tǒng)計分析表

        表3 水準(zhǔn)標(biāo)尺偏斜誤差統(tǒng)計分析表

        從表1可知,標(biāo)尺偏斜誤差比標(biāo)尺單純傾斜誤差(即d=0時的誤差)大得多;水準(zhǔn)尺傾斜度越大,偏斜誤差越大;標(biāo)尺偏心越大,偏斜誤差越大;標(biāo)尺讀數(shù)越小,偏心影響越明顯。例如,設(shè)α=-1.5°,當(dāng)標(biāo)尺讀數(shù)h=3 000 mm、標(biāo)尺偏心距為45 mm時的誤差(2.21 mm)僅約為單純傾斜誤差(1.03 mm)的2倍;而當(dāng)標(biāo)尺讀數(shù)h=1 000 mm、標(biāo)尺偏心距為45 mm時的誤差(1.52 mm)約為單純傾斜誤差(0.34 mm)的5倍。

        礦井、隧洞、地下室等地下工程的水準(zhǔn)測量中通常使用2 m的水準(zhǔn)標(biāo)尺,水準(zhǔn)測量時標(biāo)尺讀數(shù)范圍主要在0.5~1.5 m之間。因此,標(biāo)尺偏心誤差的影響在地下工程的水準(zhǔn)測量中表現(xiàn)得更加明顯。

        3 工程實例

        達(dá)萬鐵路青龍咀隧道位于重慶市萬州區(qū)境內(nèi),長約320 m,五心拱形斷面,單向分層施工,隧道出口處緊接菜地溝特大橋。隧道掘通后,為后續(xù)施工需要,用S3水準(zhǔn)儀和3 m紅黑面水準(zhǔn)標(biāo)尺檢測了隧道邊墻上原設(shè)的6個施工高程點。開始使用一般的3 m長的標(biāo)尺進(jìn)行測量,但是由于邊墻為拱形,3 m標(biāo)尺在墻面測點上很難完全立正和豎直。檢測結(jié)果精度偏低,導(dǎo)線單程長約350 m,往返較差達(dá)14 mm。

        對閉合差偏大的原因進(jìn)行分析后,改用2 m長的標(biāo)尺進(jìn)行了復(fù)測。復(fù)測過程中,嚴(yán)格要求標(biāo)尺分劃中心零點對中測點并保持鉛直。復(fù)測結(jié)果為往返較差3 mm。這一實踐有力說明,第1次檢測時往返較差偏大的原因是觀測墻上水準(zhǔn)點時標(biāo)尺的偏心和傾斜所造成的。

        4 結(jié) 語

        根據(jù)以上統(tǒng)計以及實例分析,對于水準(zhǔn)測量中的偏斜誤差,得出以下結(jié)論:

        1)水準(zhǔn)測量時,應(yīng)將標(biāo)尺分劃中心零點(而不是標(biāo)尺底板幾何中心)支在測點上,否則就會造成標(biāo)尺偏心。

        2)標(biāo)尺傾斜和偏斜(即標(biāo)尺在偏心的同時又不鉛直)都會產(chǎn)生誤差,但偏斜誤差比單純的傾斜誤差大得多。

        3)雖然輕微的標(biāo)尺傾斜難以避免,但由于標(biāo)尺對中狀態(tài)下的傾斜誤差永遠(yuǎn)為正(讀數(shù)總是偏大),具有一定的系統(tǒng)誤差性質(zhì),有時可采用適當(dāng)方法(如根據(jù)統(tǒng)計分析加入標(biāo)尺傾斜改正數(shù)或用搖尺法取多次測量的最小讀數(shù))減弱其影響;而標(biāo)尺偏斜誤差卻有正有負(fù),增添了誤差改正的難度。所以,觀測時應(yīng)嚴(yán)格將標(biāo)尺分劃中心零點對準(zhǔn)測點。

        4)實踐中若遇到無法以標(biāo)尺分劃中心零點支在測點上的情況,應(yīng)保持該測點前視觀測和后視觀測(或該點在不同周期觀測)時標(biāo)尺偏心距離、傾角及讀數(shù)大小基本不變,以消除或減弱標(biāo)尺偏心誤差的影響。例如,建筑物沉降觀測點一般都埋設(shè)在墻上或柱子上。有時由于施工原因?qū)е轮鎵γ姘纪共黄?,或受局部裝修影響使標(biāo)尺在測點上無法對中和鉛直。在這種特殊情況下進(jìn)行的標(biāo)尺偏心測量,應(yīng)保持每次觀測時標(biāo)尺偏心距傾角及標(biāo)尺讀數(shù)基本一致,以減少標(biāo)尺偏斜誤差的影響。

        [1]梁振英,董鴻聞,姖恒煉,等.精密水準(zhǔn)測量的理論和實踐[M].北京:測繪出版社,2004

        [2]潘正風(fēng).數(shù)字測圖原理與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004

        [3]藍(lán)志強.公路工程中水準(zhǔn)測量的誤差控制[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)論,2010(1):102-103

        [4]于春娟.水準(zhǔn)測量誤差分析及注意事項[J].內(nèi)江科技,2009,51:45-46

        [5]徐萬祥,柴本紅.水準(zhǔn)測量中標(biāo)尺傾斜誤差分析與改正[J].地礦測繪,2010, 26(2):16-18

        [6]張正祿,李廣云,潘國榮,等.工程測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005

        [7]武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003

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