如何提高高程测量精确度的探讨

张逢春
摘要：测量高程通常采用的方法有：水准测量、三角高程测量和气压高程测量。为了高精度测定地面点的高程，精密水准测量仍然是目前最佳的传统观测方法。本文主要对影响精密水准测量误差的一些因素，进行了简单的分析。
关键词：水准测量、误差、影响
Abstract: the measurement method of the elevation usually have: level measurement, triangulated height surveying and pneumatic elevation measurement. In order to determine the ground point height of high accuracy, precision level measurement is still the best current traditional observation method. This paper mainly to affect precision level measurement error of some factors, and make a simple analysis.
Keywords: level measurement, error, influence

中图分类号：P204 文献标识码：A 文章编号：

一、前言
水准测量是确定两点间高差的主要方法，也是最精密的方法，主要用于国家水准网的建立。除了国家等级的水准测量之外，还有普通水准测量。它采用精度较低的仪器，测算手续也比较简单，广泛用于国家等级的水准网内的加密，或独立地建立测图和一般工程施工的高程控制网，以及用于线路水准和面水准的测量工作。
当跨越江河或山谷等天然障碍进行水准测量时，视线长度一般都超过规定的限度。在这种情况下进行的特殊水准测量，称为跨河水准测量。跨越地点应选在水准路线附近的江河或山谷的最狭处，视线避免通过草丛、干丘或沙滩的上方；两岸情况尽量相似，两岸仪器的水平视线距水面或谷底的高度应尽可能相等；观测图形一般布设成平行四边形。根据天然障碍的宽度和仪器设备等情况，可选用倾斜螺旋法、经纬仪倾角法或光学测微法进行观测。观测时，在对岸远尺上安装一块或二块特制的觇板，作为照准目标。跨越宽的天然障碍时，应从障碍两侧同时观测。
过去由于受到仪器制造技术的限制，精密水准测量的精度受偶然误差的影响较大，因此对测量误差的分析多为对偶然误差的分析。随着科学技术的发展，对地面点高程的精度要求也在不断提高。高精度电子水准仪的问世，使得精密水准测量的工作的自动化程度大大提高。但在精密水准测量过程中，同样存在着各式各样的误差。因此，关于精密水准测量误差的分析，对克服误差的影响有着重要的意义。
二、精密水准测量中的误差分析
与常规的测量工作一样，精密水准测量的误差来源有三个：一是测量仪器误差；二是观测误差；三是外界条件误差。在主要误差来源中，一、二项误差的影响基本上具有系统误差的性质，而第三项造成的测量误差为偶然误差。在此就不一一介绍，下文就其中一些主要误差，进行简单的阐述。
1、水准仪i 角的误差
水准仪的视准轴与水准轴相互不平行，在垂直面上投影的交角称i 角，它对水准测量产生单向性的影响，其产生的误差与视距长短成正比。在i 角保持不变的情况下，一个测站上的前后视距相等，可以消除i 角的误差影响。实际作业中，前后视距相等是困难的，一、二等水准测量测站的前后视距差应小于0.5 m、1.0 m; 为使i 角误差不累积，一、二等水准测量的任一测站前后视距累计差应小于1.5 m、3.0 m。
2、标尺不竖直的影响
水准标尺的竖立，当利用圆水准器用手支撑时，其倾斜误差可达25′。标尺无论向那个方向倾斜，都使标尺上的读数增大，其误差的大小与标尺读数的位置有关。对于单根标尺的读数而言，标尺倾斜误差的影响具有系统误差的特性。但对于某条水准线路来说，标尺不竖直误差对各测站观测高差的影响，由于前后视标尺倾斜程度及读数位置不一而表现出偶然性。风向与水准施测路线同向时，前后视尺的倾斜角近似相同，风向与观测中线同方向，前后标尺均发生同样的倾斜时的现象与规律：在往返测的闭合差中几乎没有显示；对往返测的高差中数影响较大，它随高差的增加而增大，对观测成果产生系统性的影响。当前后标尺竖直误差不等时，也可出现与上述相同的现象及规律。消除其影响的方法是把标尺上的圆气泡在前、后、左、右四个方向上校正好，并用尺杆固定尺身，读取标尺读数时，使气泡严格居中。
3、仪器、标尺点沉降的影响
水准仪和水准标尺的自重对地面施加了一定的荷载，使得在一个测站的水准观测过程中，仪器和标尺随安置时间的延长而产生连续的沉降。当后视尺读数与前视尺读数之间仪器发生下沉，其结果是前视读数比应有读数小，使所测得的高差大于两点间的实际高差。对于某条水准线路而言，仪器下沉的影响具有系统性，结果是单程观测成果大于理论值。因此，在一测站的观测过程中，须采取后- 前- 前- 后的观测顺序。对于整条水准线路来说，应进往返观测，并取往测高差与返测高差的中数作为一条线路的最后观测高差，这样做的目的是使得在观测过程中由仪器与标尺点下沉所引起的观测高差误差大部分得到消除。
4、前后视标尺受热不均的影响
外业观测中，须两根水准标尺交替进行，每根标尺受太阳照射的方向不同，前后标尺的温度也不同，锢瓦带温度差别最大可达11℃；外业受地形起伏的影响，每站的前后视读数不可能同在标尺的中部，而标尺受地面热辐射的影响，上、中、下不同部位的温度也不同，温差最大可达1.5℃。由于前后视标尺锢瓦带受热不均，使其所产生的长度变形不一致，因而导致前后视读数误差不等，影响高差观测成果的质量。所以外业尽量使用随温度变化较小的木质标尺。
5、大气折光的影响
大气折光是由地面大气密度不均匀而引起的，它使观测时的水平视线产生垂直方向的弯曲，致使观测高差含有误差，其影响形势极为复杂，往往使得水准测量中前后视的折光影响也不一致。例如，视线离地面高度不同时，折光影响也不相同。在平坦地区进行水准观测时, 前后视距相等，垂直折光影响基本相同，视线的弯曲程度也基本相同，在高差中可以基本消除这种误差的影响。在大斜坡上进行水准观测时，前后视线离地面的高度不同，视线通过大气的密度、温度的梯度也不同，垂直折光也就不同。这时垂直折光对高差将产生系统性的影响。为了减弱折光对观测高差的影响，应选择好施测线路，最好沿坡度较缓的地带施测；要注意避免通过湖泊、沼泽、树林等折光影响严重的地区；设站时，应使前后视距尽量相等，视线离地面应有足够的高度；在坡度较大的测段作业时，应适当缩短视距，在有条件的情况下，可以考虑阴天观测。
6、水准面曲率的影响
水准测量是通过水准仪提供的水平视线在前后标尺上所截取的读数之差，求得地面上两点的高差。在这里，高差是指分别通过两地面点的水平面之间的垂直距离。然而，从理论上来讲，两点间的高差是指分别通过这两点的水准面之间的铅垂距离，因此，在水平测量中，用水平面代替水准面将对高差测定产生影响。水准仪的水平视线在A、B 标尺上的读数为a、b，水准仪的水平视线代替通过水准仪中心的水准面在A、B 标尺上的读数差分别为，仪器中心至标尺A、B 的距离分别为Sa 和Sb，那么：

式中：R 为地球半径，hAB 为A、B 两点间高差。由此可知用水准测量的方法测定的两点间高差与实际高差之差为：

因此，为了提高精密水准测量成果的精度，要求在外业观测过程中做到前后视距相等。这样可以消除水准面曲率对观测成果的影响。
三、结语
水准测量是确定地面点高程的最基本的一种测量方法，为了高精度测定地面点的高程，精密水准测量仍然是目前最佳的传统观测方法。虽然，影响精密水准测量精度的因素很多，但是，只要我们深入研究、认真分析其产生误差的原因，采取合理的有效措施，还是能最大限度避免或减弱误差所带来的影响。