水準(zhǔn)測量誤差分析與控制

1、摘要：水準(zhǔn)測量的實(shí)際工作出發(fā)，分析了水準(zhǔn)測量中誤差產(chǎn)生的原因及控制方法，在提高工作實(shí)效方面具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)測量；儀器誤差；檢驗(yàn)校正；觀測誤差；外界條件水準(zhǔn)測量的路線包括閉合水準(zhǔn)路線, 附合水準(zhǔn)路線和支水準(zhǔn)路線三種路線。對一條水準(zhǔn)路線來說，在測量的過程中，由于水準(zhǔn)儀本身的儀器誤差、人為的觀測誤差以及外界條件的影響，有一些誤差在一個測站上反映不出來，但隨著測站數(shù)的增加，使誤差積累，致使最后成果達(dá)不到精度要求。下面就水準(zhǔn)測量誤差產(chǎn)生的原因及解決辦法作如下分析。儀器誤差是由于儀器使用時間過長或受到震動后，使各軸線之間的關(guān)系發(fā)生變化，若不及時檢驗(yàn)校正，將會影響測量成果的質(zhì)量。所以，水準(zhǔn)測量作業(yè)

2、前，應(yīng)對水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢驗(yàn)，如不滿足要求，應(yīng)及時對儀器加以校正。水準(zhǔn)儀主要軸線有視準(zhǔn)軸、水準(zhǔn)管軸、儀器豎軸和圓水準(zhǔn)器軸，以及十字絲橫絲。根據(jù)水準(zhǔn)測量原理，水準(zhǔn)儀必須提供一條水平視線，才能正確的測出兩點(diǎn)間的高差。為此，水準(zhǔn)儀各軸線間應(yīng)滿足圓水準(zhǔn)器軸平行儀器豎軸，十字絲的橫絲垂直儀器豎軸和水準(zhǔn)管軸平行視準(zhǔn)軸。對于圓水準(zhǔn)器軸平行儀器豎軸的檢驗(yàn)校正，在安置儀器后，用腳螺旋調(diào)節(jié)圓水準(zhǔn)器氣泡居中，然后將望遠(yuǎn)鏡繞豎軸旋轉(zhuǎn)180°，如氣泡仍居中，表示此項(xiàng)條件滿足要求（圓水準(zhǔn)器軸與豎軸平行）；若氣泡不居中，則應(yīng)進(jìn)行校正。校正時，用腳螺旋使氣泡向零點(diǎn)方向移動偏離長度的一半，這時豎軸處于鉛垂位置，然后再用校正

3、針調(diào)整圓水準(zhǔn)器下面的三個校正螺釘，使氣泡居中。這時，圓水準(zhǔn)器軸便平行于儀器豎軸。對于十字絲橫絲垂直儀器豎軸的檢驗(yàn)與校正，在安置水準(zhǔn)儀并整平后，先用十字絲橫絲的一端對準(zhǔn)一個目標(biāo)點(diǎn)，然后擰緊制動螺旋，緩緩轉(zhuǎn)動微動螺旋。目標(biāo)點(diǎn)始終在橫絲上移動，若目標(biāo)點(diǎn)移動的軌跡離開了橫絲，則需要校正。校正方法因十字絲分劃板座安置的形式不同而異。其中一種十字絲分劃板的安置是將其固定在目鏡筒內(nèi)，目鏡筒插人物鏡筒后，再由三個固定螺釘與物鏡筒連接。校正時，用螺絲刀放松三個固定螺釘，然后轉(zhuǎn)動目鏡筒，使橫絲水平，最后將三個固定螺釘擰緊。對于水準(zhǔn)管軸平行視準(zhǔn)軸的檢驗(yàn)與校正，可在高差不大的地面上選擇相距80m 左右的A 、B 兩點(diǎn)

4、，打入木樁或安放尺墊。將水準(zhǔn)儀安置在A 、B 兩點(diǎn)的中點(diǎn)處，用變儀器高法(或雙面尺法 測出A 、B 兩點(diǎn)高差，兩次高差之差小于3mm 時，取其平均值h 作為最后結(jié)果。然后將儀器搬至距A 點(diǎn)23m 處（處），精平后，分別讀取A 尺和B 尺的中絲讀數(shù)a 和b 。因儀器距A 很近，水準(zhǔn)管軸不平行視準(zhǔn)軸引起的讀數(shù)誤差可忽略不計(jì)，則可計(jì)算出儀器在處時，B 點(diǎn)尺上水平視線的正確讀數(shù)為b=a+h ，實(shí)際測出的b 如果與計(jì)算得到的b 值相等，則表明水準(zhǔn)管軸平行視準(zhǔn)軸；否則應(yīng)對水準(zhǔn)儀進(jìn)行校正。校正時將儀器仍安置在處，調(diào)節(jié)微傾螺旋，使中絲在B 尺上的中絲讀數(shù)移到b 值，這時視準(zhǔn)軸處于水平位置，但水準(zhǔn)管氣泡不居中(

5、符合氣泡不吻合 。用校正針撥動水準(zhǔn)管一端的上、下兩個校正螺釘，先松一個，再緊另一個，將水準(zhǔn)管一端升高或降低，使符合氣泡吻合。觀測誤差主要是儀器操作不規(guī)范造成的。氣泡沒有嚴(yán)格居中引起的整平誤差，采用符合水準(zhǔn)器時，氣泡居中精度可提高一倍。微傾式水準(zhǔn)儀在每次讀數(shù)都要精平，在一站測設(shè)過程中，不可動腳螺旋再整平。前、后視距相差過大時，雖然經(jīng)過水準(zhǔn)儀的水準(zhǔn)管軸與視準(zhǔn)軸不平行校正，但仍然殘存少量誤差，因而使讀數(shù)產(chǎn)生誤差。這項(xiàng)誤差與儀器至立尺點(diǎn)的距離成正比。只要在測量中，使前、后視距離相等，在高差計(jì)算中就可消除或減少該項(xiàng)誤差的影響。如果水準(zhǔn)尺刻劃不準(zhǔn)確或尺長變化、彎曲等影響，都會影響水準(zhǔn)測量的精度。因此，水準(zhǔn)

6、尺須經(jīng)過檢驗(yàn)才能使用。至于水準(zhǔn)尺的零點(diǎn)誤差在成對使用水準(zhǔn)尺時，可采取設(shè)置偶數(shù)測站的方法來消除，也可在前、后視中使用同一根水準(zhǔn)尺來消除。在讀數(shù)時，毫米讀數(shù)需要估讀，它與十字絲的粗細(xì)，望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)和視線長度有關(guān)，若望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)較小或視線較長，尺子成像小，并顯得不夠清晰，照準(zhǔn)誤差和估讀誤差都將增大。故對各等級的水準(zhǔn)測量，規(guī)定了儀器應(yīng)該具有的放大鏡倍率及視線的極限長度。 為保證估讀數(shù)精度，估讀毫米數(shù)要精確，視距線不能太長（三、四等水準(zhǔn)測量視距分別小于等于 75、 100米）。當(dāng)存在視差時， 由于水準(zhǔn)尺影像與十字絲分劃板平面不重合， 若眼睛觀察的位置不同， 便讀出不同的讀數(shù)， 因而會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。操

7、作中應(yīng)仔轉(zhuǎn)動目鏡螺旋，使十字絲清晰，并不隨視線晃動，避免出現(xiàn)視差。另外，水準(zhǔn)尺傾斜將使尺上讀數(shù)增大，其誤差大小與尺傾斜的角度和在尺上的讀數(shù)大小有關(guān)。因此，測量過程中，要認(rèn)真扶尺，盡可能保持尺上水準(zhǔn)氣泡居中，將尺立直。外界條件影響在測量過程中不能忽視，儀器安置在土質(zhì)松軟的地方，可能引起儀器上升或下沉，使視線降低，從而產(chǎn)生誤差。故應(yīng)選擇堅(jiān)實(shí)的地面作測站，并將腳架踏實(shí)，并提高觀測速度, 消弱其影響。儀器搬站時，如果在轉(zhuǎn)點(diǎn)處尺墊下沉，會使下一站后視讀數(shù)增大，這將引起高差誤差。所以轉(zhuǎn)點(diǎn)也應(yīng)選在堅(jiān)實(shí)地面并將尺墊踏實(shí)，采用往返觀測取平均值的方法來減小尺墊下沉的影響。由于地球曲率的緣故, 在同一水準(zhǔn)面上的兩個

8、點(diǎn)其高差并不為零，如果將儀器置于前后視尺中間大致等距離處, 利用等距等影響的原則, 使測站高差計(jì)算中自動消除曲率對前后視讀數(shù)的影響。對于大氣折光影響, 亦可用前、后視距相等的方法來加以消弱。但是, 在地面坡度較大, 前視或后視一端視線接近地面時, 視線將發(fā)生向上彎曲, 使尺上讀數(shù)增大, 而且隨著地面覆蓋物的性質(zhì)不同而變化。因此不能采用前、后視距相等方法來消弱, 只能縮短視線的長度, 增加視線的高度（一般規(guī)定視線高度不要低于0.3 m）, 選擇良好的觀測時間（一般認(rèn)為在日出后或日落前兩個小時為好）等方法來減小大氣折光的影響。夏天中午一般不做水準(zhǔn)測量。在沙地，水泥地等湍流強(qiáng)的地區(qū)，一般只在上午10點(diǎn)之前作水準(zhǔn)測量。高精度的水準(zhǔn)測量也只在上午10點(diǎn)之前進(jìn)行。此外，溫度的變化不僅會引起大氣折光變化，造成水準(zhǔn)尺影像在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)十字絲面內(nèi)上、下跳動，難以讀數(shù)。當(dāng)烈日直曬儀器時引起儀器的部件漲縮，從而可能引起視準(zhǔn)軸的構(gòu)件（物鏡，十字絲和調(diào)焦鏡）相對位置的變化，或者引起視準(zhǔn)軸相對與水準(zhǔn)管軸位置的變化。由于光學(xué)測量儀器是精密儀器，不大的位移量造成測量誤差。因此水準(zhǔn)測量時，應(yīng)撐傘保護(hù)儀器，避免陽光直接照射。發(fā)現(xiàn)觀測誤差及時消除或減弱其影響是一個綜合性問題，水準(zhǔn)測量成果的精確與否, 直接影響