水平角觀測中的主要誤差和操作的基本規(guī)則精

1、§3.5 水平角觀測中的主要誤差和操作的基本規(guī)則觀測工作是在野外復(fù)雜條件下進(jìn)行的， 由于觀測人員和儀器的局限性以及外界因素的影響，觀測中會有誤差。為使觀測結(jié)果達(dá)到一定的精度，需要找出誤差的規(guī)律，研究和采取消 除或減弱誤差影響的措施，制定出觀測操作中應(yīng)遵守的基本規(guī)則，以保證觀測成果的精度。水平角觀測誤差主要來源于三個方面： 一是觀測過程中引起的人差； 二是外界條件引起 的誤差；三是儀器誤差。儀器誤差又包含儀器本身的誤差和操作過程中產(chǎn)生的誤差。對于人差，主要是通過提高觀測技能加以減弱，這里不進(jìn)行討論。3.5.1 外界條件對觀測精度的影響外界條件主要是指觀測時大氣的溫度、 濕度、 密度、太

2、陽照射方位及地形、 地物等因素。 它對測角精度的影響， 主要表現(xiàn)在觀測目標(biāo)成像的質(zhì)量， 觀測視線的彎曲， 覘標(biāo)或腳架的扭 轉(zhuǎn)等方面。1目標(biāo)成像質(zhì)量觀測目標(biāo)是測角的照準(zhǔn)標(biāo)的，它的成像好壞， 直接影響著照準(zhǔn)精度。如果成像清晰、穩(wěn) 定，照準(zhǔn)精度就高；成像模糊、跳動，照準(zhǔn)精度就低。我們知道， 目標(biāo)影像是目標(biāo)的光線在大氣中傳播一定距離后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡而形成的。 假如 大氣層保持靜止，大氣中沒有水氣和灰塵，目標(biāo)成像一定是清晰、 穩(wěn)定的。 但實際的大氣層 不可能是靜止的，也不可能沒有水氣和灰塵。日出以后，由于陽光的照射，使地面受熱，近 地面處的空氣受熱膨脹不斷上升， 而遠(yuǎn)離地面的冷空氣下降， 形成近地面處空氣的

3、上下對流。 當(dāng)視線通過時， 使其方向、路徑不斷變化，從而引起目標(biāo)影像上下跳動。由于地面的起伏及 土質(zhì)、植被的不同，各處的受熱程度也不同。因此，空氣不僅有上下對流，還會產(chǎn)生水平方 向上的對流，當(dāng)視線通過時，目標(biāo)影像就左右擺動。另外， 隨著空氣的對流， 地面灰塵、 水氣也隨之上升， 使空氣中的灰塵、 水氣越來越多； 光線通過時其亮度的損失也愈大，目標(biāo)成像就愈不清晰。由上可知， 目標(biāo)成像跳動或擺動的原因是空氣的對流； 目標(biāo)成像是否清晰， 主要取決于 空氣中灰塵和水氣的多少。為了保證目標(biāo)成像的質(zhì)量，應(yīng)采取如下措施。（1）保證足夠的視線高度 因為愈靠近地面，空氣愈不穩(wěn)定，灰塵和水氣也愈多，成像質(zhì)量愈差；

4、 反之視線愈遠(yuǎn)離 地面，成像質(zhì)量愈好。 在選點時， 一定要按規(guī)范 要求，確保視線有一定高度， 在觀測時， 必要時也可采取適當(dāng)措施，提高視線高度。（ 2）選擇有利的觀測時間如果僅考慮目標(biāo)成像的質(zhì)量， 只要符合下列要求， 就是有利的觀測時間： 不論觀測水平 角還是垂直角， 均要求目標(biāo)成像盡可能清晰； 觀測水平角時， 成像應(yīng)無左右擺動； 觀測垂直 角時應(yīng)無上下跳動。但是， 選擇觀測時間的時候， 不僅要考慮到目標(biāo)的成像質(zhì)量， 還要考慮到其他因素對測 角精度的影響，如折光的影響等，不可顧此失彼。2水平折光大家知道， 光線通過密度不均勻的介質(zhì)時， 會發(fā)生折射， 使光線的行程不是一條直線而 是曲線。由于越近

5、地面空氣的密度越大， 使得垂直方向大氣密度呈上疏下密的垂直密度梯度， 而使光線產(chǎn)生垂直方向的折光， 稱為垂直折光。 空氣在水平方向上密度也是不均勻的， 形成 水平密度梯度， 而產(chǎn)生水平方向的折光， 稱為水平折光。 下面對水平折光加以討論，垂直折光將在“三角高程”中加以討論。光線通過密度不均勻的空氣介質(zhì)時，經(jīng)連圖3-35 水平折光續(xù)折射形成一條曲線，并向密度大的一側(cè)彎 曲。如圖3-35，來自目標(biāo)B的光線進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡 時，望遠(yuǎn)鏡所照準(zhǔn)的方向是曲線BdA的切線Ab。這個方向顯然與正確方向AB不一致，有一個微小的夾角-，稱為微分折光。微分折光 :在水平面上的投影分量 B 'Ab” （即水平分量）

6、 稱為水平折光；微分折光在鉛垂面上的投影 分量/BAb'（即垂直分量）稱為垂直折光。產(chǎn)生 水平折光的原因是，大氣在水平方向上的不均 勻分布；產(chǎn)生垂直折光的原因是，大氣在垂直 方向上的不均勻分布。水平折光影響水平方向觀測，垂直折光影響垂直角觀測。（1）產(chǎn)生水平折光的原因當(dāng)相鄰兩地的地形和地面覆蓋物不同時，在陽光照射下，會出現(xiàn)兩地靠近地面處空氣密度的差異，而產(chǎn)生水平對流現(xiàn)象。如圖3-36，一部分為沙石地，另一部分是湖泊。沙石地圖 3-36湖泊蘭二面輻射強(qiáng)，氣溫上升快，大氣密度較??；湖泊上方氣 溫上升慢，大氣密度較大，在溫度升高時空氣就由右 向左連續(xù)對流，經(jīng)過一段時間，對流逐漸緩慢，成像 也

7、較穩(wěn)定，但在地類分界面附近，大氣密度必然由密 到稀，形成穩(wěn)定的水平方向的密度差異。當(dāng)觀測視線 從分界面附近通過密度不同的空氣層時，成為彎向一 側(cè)的曲線，產(chǎn)生水平折光，視線兩側(cè)的空氣密度差別 愈大，則水平折光影響就愈大?？梢?，產(chǎn)生水平折光的根本原因就在于視線通過的大氣層的水平方向的密度不同。（2）水平折光影響的規(guī)律一般情況下，除視線遠(yuǎn)離地面，或視線兩側(cè)的地形和地面覆蓋物完全相同外，都會在不同程度上存在水平折光影響。由于視線很長，它所通過的大氣層的情況非常復(fù)雜，因此無法用一個算式來汁算出水平折光的數(shù)值，只能根據(jù)水平折光產(chǎn)生的原因、條件以及光線傳播的物理特性和實踐經(jīng)驗，找出水平折光對水平角觀測影響的

8、一般規(guī)律：1）由于白天和夜間大氣溫度變化的情況相反，因而水平折光對方向值的影響，白天與夜問的數(shù)值大小趨近相等，符號相反。如圖3-37，在A點設(shè)站觀測B點。在白天，由于日光的照射，使沙土地的溫度高于水的溫度，則沙土地上空的空氣密度比水面上空的空氣密度小。當(dāng)視線通過時，成為一凹向湖泊的曲線，使AB方向的方向觀測值偏?。辉谝箚?，沙土地面的溫度比水的溫度低，視線成為凹向沙土地的曲線，使AB方向的方向觀測值偏大。2）視線越靠近對熱量吸收和輻射快的地形、地物，水平折光影響就越大。3）視線通過形成水平折光的地形、地物的距離越長，影響就越大。4） 引起空氣密度分布不均勻的地形、地物越靠近測站，水平折光影響就越

9、大。 如圖3-38 所示，：.2 r。5）視線兩側(cè)空氣密度懸殊越大，水平折光的影響就越大。6）視線方向與水平密度梯度方向越垂直，水平折光影響越大。湖泊圖3-37白天和夜間的水平折光圖3-38折光影響的不對稱現(xiàn)象從上述的規(guī)律不難看出，水平折光影響的性質(zhì)是：就一測站的某一方向而言，在相同的 一觀測時間和類似的氣象條件下，水平折光總是偏向某一側(cè)，對觀測方向值產(chǎn)生系統(tǒng)性影響。但是，在大面積三角鎖網(wǎng)中，每一條視線所受的影響各不相同，對鎖網(wǎng)中所有方向來講，具 有偶然特性。如果鎖網(wǎng)中有大的山脈、 河流等，則沿它們邊沿的一系列視線就會含有同符號 的系統(tǒng)影響。（3）減弱水平折光影響的措施根據(jù)作業(yè)實踐證明，水平折

10、光是影響測角精度比較嚴(yán)重、數(shù)值較大的誤差，應(yīng)該采取有力的措施減弱其影響。作業(yè)中常用的措施有：1）選點時，要保證視線超越或旁離障礙物一定的距離。視線應(yīng)盡量避免從斜坡、大的河流、較大的城鎮(zhèn)及工礦區(qū)的邊沿通過。若無法避開時，應(yīng)采取適當(dāng)措施，如增加視線高度。2） 造標(biāo)時，應(yīng)使視線至覘標(biāo)各部位保持一定的距離，如一、二等應(yīng)不小于20 cm，三、 四等應(yīng)不小于10 cm。3） 等水平角觀測，一份成果的全部測回應(yīng)在三個以上時間段完成（上午、下午、夜間 各為一個時間段）。每一角度的各測回應(yīng)盡可能在不同條件下觀測，至少應(yīng)分配在兩個不同的時問段，同一角度不得連續(xù)觀測。 二等點上的觀測，一般應(yīng)在兩個以上不同時間段內(nèi)完

11、成。 每個角度的全部測回，分配在上、下午觀測。4）選擇有利的觀測時間。穩(wěn)定的大氣層，盡管目標(biāo)成像穩(wěn)定，但不能說明沒有水平折光的影響。與此相反，在成像微有跳動的情況下，正是大氣層相互對流的時候，對減弱水平折光是有利的。因此，在選擇觀測時間時，不但要考慮到目標(biāo)成像清晰、穩(wěn)定，還要照顧到 對減弱水平折光影響有利。在日出前后、日落前后、大雨前后，雖然目標(biāo)成像是理想的，但 這時水平折光影響也最大，應(yīng)停止觀測。5）在水平折光嚴(yán)重的地理條件下，應(yīng)適當(dāng)縮短邊長或盡量避開之。3.覘標(biāo)內(nèi)架或儀器腳架扭轉(zhuǎn)的影響覘標(biāo)上觀測時，儀器安置在覘標(biāo)內(nèi)架上； 在地面觀測時，通常把儀器安置在腳架上，當(dāng) 覘標(biāo)內(nèi)架或腳架發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，

12、就會使儀器基座 （包括水平度盤）也隨之發(fā)生變動，給觀測結(jié)果 帶來誤差影響。產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的原因，木標(biāo)或腳架與鋼標(biāo)不同。 引起木標(biāo)或腳架扭轉(zhuǎn)的主要原因是：外界濕度的變化，使木標(biāo)或腳架的各部件發(fā)生不均勻漲縮，引起扭轉(zhuǎn)。一定的風(fēng)力影響使木標(biāo)產(chǎn)生彈性變形。引起鋼標(biāo)扭轉(zhuǎn)的主要原因是： 溫度的變化，使鋼標(biāo)各部件受熱不均勻而引起扭轉(zhuǎn)。 白天各個時刻的太陽照射方向不同，鋼標(biāo)各部件受熱不均，產(chǎn)生不均勻的膨脹，造成扭轉(zhuǎn)。木標(biāo)或腳架扭轉(zhuǎn)的特征是：整個白天或整個夜間扭轉(zhuǎn)的方向固定不變，但白天與夜間的扭轉(zhuǎn)方向相反，扭轉(zhuǎn)的角度整個白天與整個夜間近于相等，其變化的轉(zhuǎn)折點在日出和日落前后。鋼標(biāo)扭轉(zhuǎn)的特征是：白天扭轉(zhuǎn)劇烈且不均勻；

13、而整個夜間幾乎不扭轉(zhuǎn)； 單位時間內(nèi)扭轉(zhuǎn) 量的變化，比木標(biāo)更不規(guī)則。減弱覘標(biāo)內(nèi)架或腳架扭轉(zhuǎn)影響的措施：1）在日出、日落前后及溫度、濕度有顯著變化的時間內(nèi)不宜觀測。2）觀測時，上、下半測回照準(zhǔn)目標(biāo)的順序相反，同時，盡可能地縮短一測回的觀測時 間。3）將儀器腳架存放在陰涼、干燥的地方，避免受潮或雨淋。觀測時不要讓日光直接照 射腳架。4照準(zhǔn)目標(biāo)的相位差在二、三、四等水平角觀測中，照準(zhǔn)目標(biāo)是覘標(biāo)的圓筒。理想的情況是，應(yīng)照準(zhǔn)圓筒的中心軸線。但由于日光的照射，圓筒上會出現(xiàn)明亮和陰暗兩部分，如圖3-39所示。如果背景是陰暗的，往往照準(zhǔn)其較明亮的部分； 如果背景是明亮的，會照準(zhǔn)其較暗的部分。 這樣, 照準(zhǔn)的實際

14、位置就不是圓筒的中心軸線， 從而給方向觀測帶來誤差影響， 這種誤差叫做相位 差。I|岡輸?shù)闹行木€戸；乂 1I實際的照準(zhǔn)線I岡筒的中心線圖3-39照準(zhǔn)目標(biāo)相位差相位差的影響不僅隨日光照射方向變化， 也隨目標(biāo)的顏色、大小、形狀、視線方位及背 景的不同而變化。在一個觀測時間段內(nèi)， 對某一方向的影響基本相同， 呈系統(tǒng)性影響。但上 午與下午的觀測結(jié)果中會出現(xiàn)系統(tǒng)差異。在二、三、四等水平角觀測中，其影響不容忽視。減弱相位差影響的措施是：一個點上最好在上午和下午各觀測半數(shù)測回；要求觀測者仔細(xì)辨別圓筒的實際輪廓進(jìn)行照準(zhǔn)；或根據(jù)背景情況將圓筒涂成黑色或白色；亦可使用反射光線較小的圓筒（如微相位差圓筒）。此外，如

15、果可能，對個別相位差影響較大的方向，可照準(zhǔn) 回光進(jìn)行觀測。3.5.2儀器操作中的誤差對測角精度的影響影響觀測精度的因素除上述外界條件之外，還有儀器誤差，如視準(zhǔn)軸誤差：水平軸傾斜誤差、垂直軸傾斜誤差、測微器行差、照準(zhǔn)部及水平度盤偏心差、度盤和測微器分劃誤差等。 下面進(jìn)一步討論的是，在觀測過程中儀器轉(zhuǎn)動時，可能產(chǎn)生的一些誤差。1 照準(zhǔn)部轉(zhuǎn)動時的彈性帶動誤差圖 3-403-40，在測站上要觀當(dāng)照準(zhǔn)部轉(zhuǎn)動時，垂直軸與軸套間的摩擦力使儀器的基座 部分產(chǎn)生彈性扭轉(zhuǎn)，與基座相連的水平度盤也被帶動而發(fā)生微 小的方位變動。這種帶動主要發(fā)生在照準(zhǔn)部開始轉(zhuǎn)動時，因為 必須克服軸與軸套間互相密接的慣力，而照準(zhǔn)部在轉(zhuǎn)動

16、過程中, 只需克服較小的摩擦力，故當(dāng)照準(zhǔn)部向右轉(zhuǎn)動時，水平度盤也 隨之向右?guī)右粋€微小的角度，使讀數(shù)偏??；向左轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部 時，使讀數(shù)偏大，這就給觀測結(jié)果帶來系統(tǒng)性影響。消除其影響的方法是：在半測回中，照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)方向保持 不變。這樣就使照準(zhǔn)各個目標(biāo)所產(chǎn)生的誤差影響的符號相同， 大小基本相等，則由各方向組成的角度值中可基本消除之。在、二等三角觀測中規(guī)定，一測回中照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)方向保持不變。如圖測A、B目標(biāo)之間的夾角，上半測回先照準(zhǔn)目標(biāo) A，按順時針（或逆時針）方向轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部照準(zhǔn)目標(biāo)B。下半測回先照準(zhǔn)目標(biāo) B，然后按順時針（或逆時針）方向旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)部照準(zhǔn)目標(biāo) Ao就是說，上半測回測角，下半測回測（360&

17、#176; -'）角。由于上、下半測回中照準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)方向一致，所受的這種誤差影響基本相同。那么，若上半測回測得的角偏小，下半測回測得的（360° -'-）角也偏小，由此所得的一：角值就偏大。這樣取上、下半測回的角度值的中數(shù),就可以基本上消除此種誤差影響。2. 腳螺旋的空隙帶動由于儀器腳螺旋與螺孔之間存在微小空隙， 當(dāng)轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部時，就帶動基座使腳螺旋桿靠 近螺孔壁的一側(cè)，直到空隙完全消失為止。 這樣在觀測過程中， 基座連同水平度盤就產(chǎn)生微 小的方位移動，使觀測結(jié)果受到誤差影響。這種微小的方位移動就叫做腳螺旋空隙帶動。顯然，這種誤差對在改變照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)方向后照準(zhǔn)的第一個目標(biāo)影響

18、最大，若保持照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)方向不變，對以后各方向的觀測結(jié)果的影響逐漸減小。減弱這種誤差影響的方法是：在開始照準(zhǔn)目標(biāo)之前， 先將照準(zhǔn)部按預(yù)定旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動12周，再照準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行觀測， 以后，在一測回或半測回中，照準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)方向始終不變。3. 水平微動螺旋的隙動差當(dāng)水平微動螺旋彈簧的減弱或受油膩影響， 旋退水平微動螺旋照準(zhǔn)目標(biāo)時， 螺旋桿端就 出現(xiàn)微小的空隙，在讀數(shù)過程， 彈簧才逐漸伸張而消除空隙， 使視準(zhǔn)軸離開目標(biāo)， 給讀數(shù)帶 來誤差，這就是水平微動螺旋的隙動差。減弱其影響的方法是：照準(zhǔn)每一目標(biāo)，均需向“旋進(jìn)”方向轉(zhuǎn)動水平微動螺旋。所謂旋 進(jìn)方向就是壓緊彈簧的方向。 對于光學(xué)經(jīng)緯儀來說， 當(dāng)水平微動螺旋旋

19、進(jìn)時， 望遠(yuǎn)鏡所指方 向?qū)⑾蜃笠苿?，所以，在概略轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)時，無論順旋或逆旋，都要使目標(biāo)在望遠(yuǎn)鏡縱絲的左側(cè)少許，在望遠(yuǎn)鏡中觀看，由于所見的是倒像，故目標(biāo)應(yīng)在縱絲的右側(cè)少許，然后用水平微 動螺旋旋進(jìn)照準(zhǔn)目標(biāo)。另外，要盡量使用水平微動螺旋的中間部分。為做到這一點，每一測 回開始前，應(yīng)將微動螺旋旋到中間部位。通過以上分析可以看出， 雖然點上的觀測工作是在外界復(fù)雜條件下進(jìn)行的，存在著較多的誤差影響，但它們都有一定的規(guī)律，只要善于掌握這些規(guī)律，通過必要的措施，誤差影響的絕大部分是可以消除的?，F(xiàn)將水平角觀測的主要誤差及其產(chǎn)生原因、影響性質(zhì)、消除或減弱措施列表，如表3-7o3.5.3水平角觀測操作的基本規(guī)則水

20、平角觀測操作的基本規(guī)則， 是根據(jù)各種誤差對測角的影響規(guī)律制定出來的，實踐證明,它對消除或減弱各種誤差影響是行之有效的，應(yīng)當(dāng)自覺遵守。(1) 一測回中不得變動望遠(yuǎn)鏡焦距。觀測前要認(rèn)真調(diào)整望遠(yuǎn)鏡焦距，消除視差，一測 回中不得變動焦距。轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡時，不要握住調(diào)焦環(huán)，以免碰動焦距。其作用在于，避免因調(diào)焦透鏡移動不正確而引起視準(zhǔn)軸變化。(2) 在各測回中，應(yīng)將起始方向的讀數(shù)均勻分配在度盤和測微盤上。這是為了消除或 減弱度盤、測微盤分劃誤差的影響。表3-7水平角觀測中各種主要誤差的產(chǎn)生原因，影響性質(zhì)，消除或減弱措施。(3) 上、下半測回間縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，使一測回的觀測在盤左和盤右進(jìn)行。一般上半測回在盤左位置進(jìn)

21、行，下半測回在盤右位置進(jìn)行。作用在于消除視準(zhǔn)軸誤差及 水平軸傾斜誤差的影響，并可獲得二倍照準(zhǔn)差的數(shù)值，借以判斷觀測質(zhì)量。(4) 下半測回與上半測回照準(zhǔn)目標(biāo)的順序相反，并保持對每一觀測目標(biāo)的操作時間大 致相等。其作用在于減弱覘標(biāo)內(nèi)架或腳架扭轉(zhuǎn)的影響以及視準(zhǔn)軸隨時間、溫度變化的影響等， 就是說，在一測回觀測中要連續(xù)均勻， 不要由于某一目標(biāo)成像不佳或其他原因而停留過久，在高標(biāo)上觀測更應(yīng)注意此問題。(5) 半測回中照準(zhǔn)部的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)保持不變。這樣可以減弱度盤帶動和空隙帶動的誤差影響。若照準(zhǔn)部已轉(zhuǎn)過所照準(zhǔn)的目標(biāo)，就應(yīng)按轉(zhuǎn)動方向再轉(zhuǎn)一周，重新照準(zhǔn)，不得反向轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部。因此，在上、下半測回觀測之前，照準(zhǔn)部要

22、按將要轉(zhuǎn)動的方向先轉(zhuǎn)12周。(6) 測微螺旋、微動螺旋的最后操作應(yīng)一律“旋進(jìn)”，并使用其中間部位，以消除或減 弱螺旋的隙動差影響。(7) 觀測中，照準(zhǔn)部水準(zhǔn)器的氣泡偏離中央不得超過規(guī)范規(guī)定的格數(shù)。其作用在于減弱垂直軸傾斜誤差的影響。 在測回與測回之間應(yīng)查看氣泡的位置是否超出規(guī)定，若超出，應(yīng)立即重新整平儀器。若一測回中發(fā)現(xiàn)氣泡偏離超出規(guī)定，應(yīng)將該測回作廢，待整平后，再 重新觀測該測回。表3-7項目產(chǎn)生原因影響性質(zhì)消除和減弱措施目標(biāo)成像質(zhì)量不佳(1) 地面對陽光熱量的吸 收和輻射，使大氣產(chǎn)生對 流，引起目標(biāo)影像跳動；(2) 大氣中的水汽和塵埃 使空氣透明度不好，造成目 標(biāo)成像不夠清晰對成果精度的影響呈偶然性(1) 使視線有足夠的高度；(2) 選擇有利的觀測時問水平折光不同的地面對熱量的吸 收或輻射的能力不同，引起 大氣密度在水平方向上分 布不均勻，視線通過時產(chǎn)生 折射，使水平方向值蒙受誤 差影響對某一方向或某 一測站的方向值呈 系統(tǒng)性影響(1) 選點時盡量避開容易形 成水平折光的地形、地物；(2) 選擇有利的觀測時間；(3) 視線超越或旁離障礙物 一定的距離外 界 條 件 引 起 的 主 要 誤 差覘標(biāo)內(nèi)架