水準(zhǔn)測(cè)量試驗(yàn)實(shí)例剖析

荊大威

(黑龍江省大興安嶺水文局，黑龍江加格達(dá)奇 165000)

0 引言

水準(zhǔn)測(cè)量是測(cè)量水準(zhǔn)點(diǎn)或某位置點(diǎn)海拔高程的一項(xiàng)測(cè)量工作，且應(yīng)用范圍也十分廣泛?！端疁?zhǔn)測(cè)量規(guī)范》規(guī)定不同等級(jí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不同，但是一些指標(biāo)要求苛刻。

例如三等水準(zhǔn)測(cè)量，其中主要幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn):儀器使用S3或其以上精度系列的水準(zhǔn)儀。要求視距單站最大視距不得超過75 m，單站前、后視距差≤2 m，累積各站視距差≤5 m。測(cè)段總高差等等[1]。

本文就其中單站前、后視距差≤2 m，累積各站視距差≤5 m這項(xiàng)指標(biāo)，看能否通過改正方法使成果達(dá)到與規(guī)范規(guī)定測(cè)得成果精度一樣。

在實(shí)際水準(zhǔn)測(cè)量中，如果其中某站視距差算錯(cuò)并隨之導(dǎo)致相應(yīng)累積視距差也出現(xiàn)錯(cuò)誤值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時(shí)這段必須進(jìn)行返工測(cè)量。

一般來(lái)講，發(fā)現(xiàn)時(shí)這一段水準(zhǔn)測(cè)量可能已經(jīng)完成，所以就產(chǎn)生能否不返工測(cè)量并能利用這段資料進(jìn)行訂正計(jì)算，使成果同樣達(dá)到同等精度值，這是第一個(gè)想法[2－3]。

不按等視距進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量(相對(duì)于等視距或正中水準(zhǔn)測(cè)量就是指完全按照三等水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行的)，即視距差或累積視距差超出三等水準(zhǔn)測(cè)量要求范圍，但是視距長(zhǎng)度要保證≤75 m范圍，這樣做是為了滿足估讀末位數(shù)需要，或者說(shuō)在測(cè)量過程中等視距就等視距測(cè)，不能等視距就不等視距測(cè)，也可稱為自由式水準(zhǔn)測(cè)量方法，這給野外測(cè)量簡(jiǎn)化了很多，方便很多。但需要增加內(nèi)業(yè)計(jì)算，而使用計(jì)算機(jī)計(jì)算也很簡(jiǎn)便。

能否成為可能實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)，即達(dá)到等視距水準(zhǔn)測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)，這是第二個(gè)想法[4－6]。

1 試驗(yàn)操作

已知某水位站的兩個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)BM4和BM2—1高程分別是178.942 m、176.161 m，兩水準(zhǔn)點(diǎn)距離約650 m。

用8站進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，其中每站測(cè)量3次，3次具體是這樣進(jìn)行的:先把水準(zhǔn)儀放在偏中靠向后視尺的適當(dāng)位置上實(shí)施前后視測(cè)量(如右圖的i－1站)，測(cè)完后，接著把水準(zhǔn)儀放到正中(等視距)位置上，進(jìn)行下一輪前后視測(cè)量(如右圖的i－2站)，測(cè)完后，再接著把水準(zhǔn)儀放到偏中靠向前視尺的適當(dāng)位置上繼續(xù)測(cè)量(如右圖的i－3站)，也就是在一站需要測(cè)3組數(shù)據(jù)，每站測(cè)完這3組數(shù)據(jù)接著進(jìn)行下站3組數(shù)據(jù)測(cè)量，以此類推，直到最終完成從水準(zhǔn)點(diǎn)BM4～BM2—1水準(zhǔn)測(cè)量的全過程。

如圖1所示，編號(hào)i－1、i－2、i－3分別代表第i儀器偏中靠近后視尺站所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)、第i等視距正中儀器站所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)、第i站偏中靠近前視尺儀器站所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)。如i－1、i－2、i－3的i代表站，－1代表靠近后視尺位置1組，－2代表等視距位置1組，－3代表靠近前視尺位置1組。

圖1 儀器布設(shè)圖

2 求改正系數(shù)

2.1 公式

等視距測(cè)量這組數(shù)據(jù)不考慮，只對(duì)1－1、1－3，2－1、2－3，……，8－1、8－3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，先分出兩路線，一條是1－1，2 －1，……，8 －1;另一是1 －3，2－3，……，8－3。也就是選靠近后視尺和靠近前視尺兩條線路分別計(jì)算，包括各自線路逐站計(jì)算視距差、累積視距差，視距和、累積視距和，高差、累積高差[7－8]。

如同求水準(zhǔn)儀的視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸之間夾角一樣，取1－1和1－3，2－1和2－3，……，8－1和8－3對(duì)應(yīng)站逐級(jí)計(jì)算，根據(jù)儀器布設(shè)圖，A點(diǎn)是后視尺位置、B 點(diǎn)是前視尺位置 ai－1、ai－1分別是儀器站位于i－1時(shí)兩尺讀數(shù)。圖中兩條虛線是真正的水平線，由于水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸之間夾角通常很小，前后視距通?？山普J(rèn)為是水平距離，所以導(dǎo)出公式為:

式中:μi為改正系數(shù);hi－3、hi－1為第 i站第三組和第一組的兩個(gè)高差值，m;di－3、di－1為第 i站第三組和第一組的兩個(gè)視距差，m;Li－3、Li－1為第 i站第三組和第一組的兩個(gè)視距和，m。

改正系數(shù)計(jì)算見表1。

表1 改正系數(shù)計(jì)算表

2.2 求改正系數(shù)

表1中各項(xiàng)說(shuō)明:(1)～(9)列是第一線路;而(10)～(16)列是第二線路。

這些數(shù)據(jù)是利用公式(1)、(2)、(3)由原始資料計(jì)算得到的。(17)列改正系數(shù)是利用公式(4)計(jì)算而得。

通過逐站計(jì)算改正系數(shù)發(fā)現(xiàn)，一站兩站計(jì)算差距較大，而隨著站數(shù)逐漸增加改正系數(shù)趨于穩(wěn)定，也就是說(shuō)改正系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，這就為計(jì)算改正量提供可能[9－11]。

值得一提的改正系數(shù)，它是水準(zhǔn)儀i角的一個(gè)相對(duì)表示法，只不過角度值的分母用占視距和相對(duì)值表示，即進(jìn)行歸一化處理而已，這一點(diǎn)由儀器布設(shè)圖可以直觀得到說(shuō)明。

另外還隱含一個(gè)水平面代替水準(zhǔn)面由于前后視距不等而帶來(lái)的影響因素，但只要達(dá)到等視距就可消除影響。水準(zhǔn)儀近或遠(yuǎn)后尺實(shí)測(cè)成果見表2。

表2 水準(zhǔn)儀近或遠(yuǎn)后尺實(shí)測(cè)成果表

3 高差計(jì)算

3.1 線路

線路就是水準(zhǔn)測(cè)量的路線。

當(dāng)改正系數(shù)確定以后，就要把試驗(yàn)資料分成幾種可能線路進(jìn)行計(jì)算，這里分為4條線路:

1)第1線路是1－1，2－1，……，8－1，即每一水準(zhǔn)儀站點(diǎn)位置都偏于后視尺。

2)第2線路是1－3，2－3，……，8－3，即每一水準(zhǔn)儀站點(diǎn)位置都偏于前視尺。

3)第3線路是1－1，2－3，3－1，4－3，5－1，6－3，7－1，8－3，即一站水準(zhǔn)儀偏于后尺而下一站偏于前尺交替進(jìn)行，或者一站水準(zhǔn)儀偏于前尺而下一站偏于后尺交替進(jìn)行。

4)第4線路是選前面幾個(gè)站在后面再選幾個(gè)站使得終點(diǎn)累積視距差為0或不超出三等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范圍。

4條線路各自特點(diǎn):

1)第一條視距差及累積視距差是負(fù)值，其累積視距差絕對(duì)值隨著站數(shù)增加逐漸增大。

2)第二條視距差及累積視距差是正值，其累積視距差值隨著站數(shù)增加逐漸增大。

3)第三、四線路累積視距差時(shí)大時(shí)小不確定。

4)而第四線路最終累積視距差為0或不超出三等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范圍。

3.2 線路計(jì)算

計(jì)算采用通過前三站算得的改正系數(shù)成果μ=0.0171，因?yàn)橐慌_(tái)水準(zhǔn)儀器改正系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，不同水準(zhǔn)儀，改正系數(shù)也不同，所以測(cè)量前要測(cè)出該儀器這一參數(shù)，為滿足以后水準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算時(shí)需要。四條線路計(jì)算見表2，表中主要環(huán)節(jié)是計(jì)算改正值，公式為:

式中:△i為改正值，其他符號(hào)同前。

表2中各項(xiàng)的意義:

1)(1)、(2)項(xiàng)分別代表四條線路及每條線路共8站。

2)(3)～(6)和(9)、(10)項(xiàng)代表四條路線水準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算成果。

3)(12)、(13)兩項(xiàng)是完全滿足三等水準(zhǔn)要求的此次測(cè)量成果。

4)(7)項(xiàng)是采用的改正系數(shù)。

5)(8)項(xiàng)是利用公式(5)計(jì)算值。

6)(11)項(xiàng)等于對(duì)應(yīng)(10)項(xiàng)減去(8)項(xiàng)。

7)(14)項(xiàng)等于對(duì)應(yīng)(11)項(xiàng)減去(13)的結(jié)果。3.3 與允許限差比較

包括逐站累積高差比較和總高差比較兩方面(具體見表2的最后一項(xiàng))，可以看出第一站第一組數(shù)據(jù)誤差較大些，其余都很小。

三等水準(zhǔn)要求不足1 km按1 km計(jì)算允許誤差，即±12 mm誤差限。四條線路都沒有超限，所以符合三等水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)原水準(zhǔn)點(diǎn) BM4與 BM2—1間高差－2.781 m，此 次 標(biāo) 準(zhǔn) 成 果 是 －2.783 m，相差－2 mm。

而四條線路與原高差比相差分別是 －7 mm、－5 mm、－6 mm和－1 mm，同樣符合三等水準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

從實(shí)際問題招手，面對(duì)野外水準(zhǔn)測(cè)量過程中存在的一些實(shí)際條件和困難，簡(jiǎn)化野外測(cè)量工作方式，減小野外工作量，解決實(shí)際困難，這也是需要研究的課題。

盡管不同程度增加了計(jì)算量，可是有計(jì)算機(jī)的使用亦會(huì)十分方便。突破視距差的標(biāo)準(zhǔn)限制，對(duì)于轉(zhuǎn)變測(cè)量方式提高測(cè)量效率也算是一個(gè)進(jìn)步。該試驗(yàn)主要適用長(zhǎng)距離水準(zhǔn)測(cè)量。試驗(yàn)、分析、計(jì)算所得到的結(jié)果證明完全可以達(dá)到對(duì)應(yīng)等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

[1]中華人民共和國(guó)水利部.SL58—93水文普通測(cè)量規(guī)范[S].北京:水利電力出版社，1994.

[2]王建華，王雄，胡亞軒，梁偉鋒，蘇瑞，郝明.精密水準(zhǔn)測(cè)量中的重力異常改正[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009(02):61－64.

[3]穆子奎，刁錦通.精密水準(zhǔn)測(cè)量中的誤差[J].廣東科技，2008(14):37－38.

[4]張莉，齊維君，方愛平，李明，王三明.數(shù)字水準(zhǔn)儀誤差源及檢定方法初探[J].測(cè)繪通報(bào)，2005(09):59 －60，69.

[5]呂慧，張國(guó)鵬.精密水準(zhǔn)測(cè)量中的系統(tǒng)誤差分析[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(04):82 －84，89.

[6]林君強(qiáng).數(shù)字水準(zhǔn)儀在二等水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用的探討[J].閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(02):122－126.

[7]馬春艷，郭敏，鄒友峰.數(shù)字水準(zhǔn)儀與光學(xué)水準(zhǔn)儀的測(cè)量精度比較[J].測(cè)繪科學(xué)，2010(01):93－94.

[8]梁菲，曹智翔.數(shù)字水準(zhǔn)儀的一體化檢測(cè)[J].科技信息，2009(33):942－943.

[9]譚誠(chéng).淺談提高三角高程測(cè)量精度的方法[J].山西建筑，2011(07):214－215.

[10]張廣偉，尚小杰.水準(zhǔn)測(cè)量誤差分析與控制[J].科技信息，2011(05):310.

[11]張振林，白懷明，張玲霞.水準(zhǔn)測(cè)量精度影響因素及改進(jìn)措施[J].山東水利，2011(05):25 －26，29.