淺談水準(zhǔn)測(cè)量及誤差分析

田開(kāi)龍

摘 要：水準(zhǔn)測(cè)量是用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺測(cè)定地面上兩點(diǎn)間高差的方法。只有了解了誤差來(lái)源才能采取有效的措施減少誤差影響，另外在實(shí)地作業(yè)中要結(jié)合實(shí)際情況，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范，從而提高測(cè)量精度。本文通過(guò)具體實(shí)例分析了水準(zhǔn)測(cè)量的誤差來(lái)源及其影響。

關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)測(cè)量；水準(zhǔn)高程引測(cè)；標(biāo)高控制

1 水準(zhǔn)測(cè)量

1.1 水準(zhǔn)測(cè)量原理

水準(zhǔn)測(cè)量是在地面兩點(diǎn)間安置水準(zhǔn)儀，利用一條水平視線觀測(cè)豎立在兩點(diǎn)上的水準(zhǔn)標(biāo)尺，按尺上讀數(shù)推算兩點(diǎn)間的高差。通常由水準(zhǔn)原點(diǎn)或任一已知高程點(diǎn)出發(fā)，沿選定的水準(zhǔn)路線逐站測(cè)定各點(diǎn)的高差，從而由已知點(diǎn)的高程推算出未知點(diǎn)的高程。

1.2 儀器和工具

水準(zhǔn)測(cè)量所使用的儀器為水準(zhǔn)儀，工具為水準(zhǔn)尺和尺墊。水準(zhǔn)儀按其精度可分為DS05、DSl、DS3和DSl0等四個(gè)等級(jí)。建筑工程測(cè)量廣泛使用DS3級(jí)水準(zhǔn)儀。

1.3 水準(zhǔn)儀的使用

水準(zhǔn)儀的使用包括儀器的安置、粗略整平、瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺、精平和讀數(shù)等操作步驟。

1.4 水準(zhǔn)測(cè)量的外業(yè)工作

1.4.1 水準(zhǔn)點(diǎn)

為了統(tǒng)一全國(guó)的高程系統(tǒng)和滿(mǎn)足各種測(cè)量的需要，測(cè)繪部門(mén)在全國(guó)各地埋設(shè)并測(cè)定了很多高程點(diǎn)，這些點(diǎn)稱(chēng)為水準(zhǔn)點(diǎn)（Bench Mark），簡(jiǎn)記為BM。水準(zhǔn)測(cè)量通常是從水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)其它點(diǎn)的高程。水準(zhǔn)點(diǎn)有永久性和臨時(shí)性?xún)煞N。

1.4.2 水準(zhǔn)路線布設(shè)形式

根據(jù)測(cè)區(qū)的情況和要求，導(dǎo)線可以布設(shè)成以下幾種常用形式：

（1）閉合導(dǎo)線：由某一高級(jí)控制點(diǎn)出發(fā)最后又回到該點(diǎn)，組成-個(gè)閉合多邊形，這種導(dǎo)線布設(shè)形式叫閉合導(dǎo)線。它適用于面積較寬闊的獨(dú)立地區(qū)作測(cè)圖控制。

（2）附合導(dǎo)線：自某一高級(jí)控制點(diǎn)出發(fā)最后附合到另一高級(jí)控制點(diǎn)上的導(dǎo)線，叫附合導(dǎo)線。它適用于帶狀地區(qū)的測(cè)圖控制，此外也廣泛用于公路、鐵路、管道、河道等工程的勘測(cè)與施工控制點(diǎn)的建立。

（3）支導(dǎo)線：從一控制點(diǎn)出發(fā)，既不閉合也不附合于另一控制點(diǎn)上的單一導(dǎo)線，叫支導(dǎo)線。這種導(dǎo)線沒(méi)有已知點(diǎn)進(jìn)行校核，錯(cuò)誤不易發(fā)現(xiàn)，所以導(dǎo)線的點(diǎn)數(shù)不得超過(guò)2-3個(gè)。

1.4.3 水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施

在松花江某樞紐水利工程建設(shè)中，在兩岸山上布設(shè)五個(gè)永久性控制未知點(diǎn)（1-5），A為該測(cè)區(qū)內(nèi)已知高程點(diǎn)，滿(mǎn)足了壩體建設(shè)及建后大壩變形觀測(cè)的需要。要求通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量推算出1-5號(hào)點(diǎn)的高程。由于江面較寬夏季，難以進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，所以在冬季冰凍期在江面上進(jìn)行逐點(diǎn)網(wǎng)狀施測(cè)。此次測(cè)量，為了滿(mǎn)足平差需要，水準(zhǔn)路線呈網(wǎng)狀分布，如圖所示：

當(dāng)欲測(cè)的高程點(diǎn)距水準(zhǔn)點(diǎn)較遠(yuǎn)或高差很大時(shí)，就需要連續(xù)多次安置儀器以測(cè)出兩點(diǎn)的高差。在線路上增加若干水準(zhǔn)測(cè)站。每一測(cè)站僅起傳遞高程的作用，稱(chēng)為轉(zhuǎn)點(diǎn)。轉(zhuǎn)點(diǎn)無(wú)固定標(biāo)志，無(wú)需算出高程，但要進(jìn)行高差累積。

2 水準(zhǔn)測(cè)量的誤差

2.1 儀器誤差

2.1.1 i角的誤差影響

即使經(jīng)過(guò)i角的檢驗(yàn)校正，但要使兩軸完全保持平行是困難的。因此，當(dāng)水準(zhǔn)氣泡居中時(shí)，視準(zhǔn)軸仍不能保持水平，使水準(zhǔn)尺上的讀書(shū)產(chǎn)生誤差，并且與視距成正比。在i角保持不變的情況下，一個(gè)測(cè)站上的前后視距相等或一個(gè)測(cè)段的前后視距總和相等，則在觀測(cè)高差中由于i角的誤差影響

可以得到消除。

為了顧及觀測(cè)時(shí)各種外界因素的影響，此次水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)工程中，前后視距差（S后-S前）始終小于1m。為了使各種誤差不致累積起來(lái)，由測(cè)段第一個(gè)測(cè)站開(kāi)始至每一測(cè)站前后視距累積差

Σ（S后-S前）小于等于3m。

2.1.2 兩水準(zhǔn)標(biāo)尺零點(diǎn)差的影響

兩水準(zhǔn)標(biāo)尺的零點(diǎn)誤差不等，設(shè)α，b水準(zhǔn)標(biāo)尺的零點(diǎn)誤差分別為Δα和Δb，它們都會(huì)在水準(zhǔn)標(biāo)尺上產(chǎn)生誤差。盡管兩水準(zhǔn)標(biāo)尺的零點(diǎn)誤差Δα≠Δb，但在兩相鄰測(cè)站的觀測(cè)高差之和中，抵消了這種誤差的影響。所以在此次水準(zhǔn)測(cè)量工作中，各測(cè)段的測(cè)站數(shù)目均為偶數(shù)，并且在相鄰測(cè)站上使兩水準(zhǔn)尺輪流作為前視尺和后視尺。

2.2 外界因素引起的誤差

2.2.1 風(fēng)力影響

在實(shí)地外業(yè)測(cè)量過(guò)程中，山區(qū)作業(yè)風(fēng)是不可避免的。風(fēng)力如果超過(guò)了四級(jí)，就會(huì)產(chǎn)生扶尺不穩(wěn)、水準(zhǔn)儀十字絲晃動(dòng)等現(xiàn)象，讀數(shù)不準(zhǔn)從而直接影響觀測(cè)精度。所以，在進(jìn)行水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)一定要避免風(fēng)天作業(yè)。同時(shí)在觀測(cè)過(guò)程中，上絲讀數(shù)要小于2.8m，下線讀數(shù)應(yīng)大于0.3m。

2.2.2 水準(zhǔn)標(biāo)尺（尺墊）的垂直位移影響

水準(zhǔn)標(biāo)尺（尺墊）的垂直位移主要發(fā)生在遷站的過(guò)程中。由原來(lái)的前視尺轉(zhuǎn)為后視尺而產(chǎn)生下沉，于是總使后視讀數(shù)偏大，使各測(cè)站的觀測(cè)高差都偏大，成為系統(tǒng)性的誤差來(lái)源。這種誤差影響在往返測(cè)高差的平均值中可以得到有效的抵償，所以水準(zhǔn)測(cè)量必須進(jìn)行往返測(cè)。有時(shí)儀器腳架和水準(zhǔn)尺墊也會(huì)發(fā)生上升現(xiàn)象，當(dāng)腳架或水準(zhǔn)尺墊壓入地下，我們不再用力的情況下，土壤的反作用力有時(shí)會(huì)使腳架或尺墊逐漸上升。所以在實(shí)際作業(yè)中，我們要盡量設(shè)法減少儀器腳架或水準(zhǔn)標(biāo)尺的垂直位移，如將儀器架置處和立尺處的冰雪清除干凈，用力踩緊；水準(zhǔn)標(biāo)尺立于尺墊后半分鐘再進(jìn)行觀測(cè)。盡量減少其垂直位移量，從而減少其誤差影響。

2.2.3 大氣折光影響

當(dāng)視線通過(guò)地面大氣層，由于近地面大氣層的密度分布一般是隨離地面的高度而變化，水準(zhǔn)視線會(huì)發(fā)生折射，這種現(xiàn)象叫做大氣垂直折光。在實(shí)地測(cè)量過(guò)程中，由于各測(cè)段高差較大，前后視線離地面的高度總是大于（小于）后視視線離地面的高度，為了減弱垂直折光對(duì)觀測(cè)高差的影響，要使前后視距盡量相等，并視線離地面有足夠的高度（下絲讀數(shù)大于0.3m）。另外在坡度較大的水準(zhǔn)路線進(jìn)行作業(yè)時(shí)適當(dāng)縮短視距。

事實(shí)證明，只有了解了誤差來(lái)源才能采取有效的措施較少誤差影響，另外在實(shí)地作業(yè)中要結(jié)合實(shí)際情況，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范，從而提高測(cè)量精度。■

參考文獻(xiàn)

[1]建筑施工手冊(cè)編寫(xiě)組.建筑施工手冊(cè).第4版[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范，2013-1-1.

[3]合肥工業(yè)大學(xué)等合編.測(cè)量學(xué).第3版[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.

[4]周建鄭.工程測(cè)量[M].鄭州：黃河水利出版社，2006.8.