水准测量毕业论文 浅谈水准测量的误差来源及控制方法.docx

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水准测量毕业论文浅谈水准测量的误差来源及控制方法

分类号密级：

冀中职业学院

毕业论文

题目：

浅谈水准测量的误差来源及控制方法

姓名黄艳博

学号

系别

专业工程测量

指导教师

论文提交日期年月

浅谈水准测量的误差来源及控制方法

摘要

水准测量是确定公路工程地面点高程的方法之一，是高程测量中精度较高且常用的方法。

实施过程中，需要几个人合作才能完成，误差允许范围内的精度由于仪器和人为的影响而不容易控制，而且易出现隐蔽性错误，如果不能及早发现，基础资料是错误的，从而水准点高程不正确，直接影响路线纵断面设计和施工。

关键词：

水准测量；水准仪；高程；误差

目　录

第一章绪论1

1.1论文的背景和意义1

1.2论文的主要方法1

1.3论文的主要内容1

第2章水准测量的基本原理和方法2

2.1水准测量的基本原理2

2.1.1高差法........................................................2

2.1.2仪高法........................................................2

2.2水准测量方法与水准路线3

第3章勘察设计过程中水准测量的问题及控制方法4

3.1水准测量中出现的问题4

3.2仪器误差（系统误差）及控制方法6

3.2.1视准轴不平行水准管轴产生的误差及控制方法6

3.2.2水准尺误差及控制方法7

3.3观测误差（偶然误差）和控制方法8

3.3.1符合水准管气泡居中误差及控制方法8

3.3.2调焦误差和视差的影响及控制方法8

3.3.3水准尺的倾斜误差及控制方法8

3.4外界条件（偶然误差）影响和控制方法9

3.4.1地球球气差和日照风力引起的误差及控制方法9

3.4.2仪器升降和水准尺下沉的影响10

第4章结论12

参考文献13

致谢14

第1章绪论

1.1论文的背景和意义

公路、桥梁、隧道等建筑工程中，水准测量有着广泛的应用，随着测量事故的增多，测量误差逐渐成为工程安全、质量和成本的头号公敌。

如何减小水准测量的误差，也成为当前测量人面临的最大难题。

在这里，廊泊一级公路BM4至BM5水准点外业测量结果为例，我们初次测量时的成果显示，其高差允许值都超出了规范要求，不能符合工程建设需要。

最后经过认真检查发现，在现场作业时没有按精密水准测量规范操作，一个水准点段测完后没有立即进行检查、复核，为误差的积累创造了条件。

最后我们又从新复测了该段的高程，从仪器到测量人员做了全面的分析，从而发现了前期误差来源的主要问题。

今天来写这个题目，就是来探讨水准测量在工程建设应用当中产生的一些问题和解决方法。

只要我们在作业时按照其规范来要求测量人员，会在很大程度上提高我们的作业速度、效率和质量，把水准测量的误差限制最小，做到精益求精，以更好地为工程的顺利进行服务。

1.2论文的主要方法

水准测量在工程应用中的使用方法很多，这里主要论述的是在工程应用种最常用的有中间法（前后视距相等）、摇尺法（读数时尺底置于点上，尺的上部在视线方向前后慢慢移动，读取最小读数）和距离补偿法（前视距离和等于后视距离总和）来消除在测量当中产生的误差

1.3论文的主要内容

这里主要论述水准测量在工程测量中的基本原理，以及在勘察设计过程中水准测量的问题及控制方法。

其分为：

1．仪器误差（系统误差）及控制方法；

2．观测误差（偶然误差）及控制方法；

3．外界条件（偶然误差）影响和控制方法。

第2章水准测量的基本原理和方法

2.1水准测量的基本原理

水准测量是利用一条水平视线，并借助水准尺，来测定地面两点间的高差，这样就可以由已知点的高程推算出来未知点的高程。

测定待测点高程的有高差法和仪高法两种。

2.1.1高差法

如图2-1所示，若已知A点的高程HA,欲测定B点的高程HB.在A；B两点上竖立两根尺子，并在A；B两点之间安置一架可以得到水平视线的仪器。

假设水准仪的水平视线在尺子上的位置读书分别为A尺（后视）读书为a,B尺（前视）读书为b，则a,b两点之间的高程差为：

HAB=a-b（2-1）

于是B点的高程HB为：

HB=HA+hAB（2-2）

HB=HA+hAB=HA+a-b（2-3）

这种利用高差计算待测点高程的方法，称高差法。

这种尺子称为水准尺，所用的仪器称水准仪

图2—1水准原理

2.1.2仪高法

由式2-3可以写为HB=（HA+a）-b（2-4）

如图2-2所示，即HB=Hi-b（2-5）

上式中Hi是仪器水平视线的高程，即为视线高程。

仪高法是，计算第一次仪高，就可以测算出前视点的高程。

即放置一次仪器，就可以测出数个前视点的高程。

2.2水准测量方法与水准路线

当地面上两点间的距离较长或高差较大时,仅安置一次仪器不能直接测得两点间的高差,则进行连续的分段测量,将所得各段高差相加、即可求得两点间的高差。

如某一点的高程通过转1、转2、转3、转n等点传递到另一点,这些用来传递高程的点,称为转点。

任意转点位置的变动,都会直接影响到某一点的高程,因此,转点位置应选在坚实的地面上,在其上放置尺垫并踩实。

水准路线是水准测量进行的路线。

根据测区的具体情况,可选用不同的水准路线,水准路线分为附合水准路线、闭合水准路线、支水准路线等三种。

1）附合水准路线：

当测区附近有高级水准点时,可由一高级水准点开始,沿着待测各高程的水准点1、2、作水准测量,最后附合到另一高级水准点叫附合水准路线。

2）闭合水准路线：

当测区附近有一高级水准点时,可从该点出发,沿着待测的水准点进行水准测量,最后仍回到起始点,形成一个闭合的路线。

3）支水准路线：

从某一水准点出发,进行水准测量到另一个点,即不符合到另一点,也不形成闭合的水准路线。

第3章勘察设计过程中水准测量的问题及控制方法

3.1水准测量中出现的问题

水准测量是采用几何原理，利用水平视线测定两点间高差。

仪器使用DS3型水准仪，工具是3m的双面木质水准标尺和尺垫。

渠道工程测量一般使用DS3型微倾式自动安平水准仪，每公里能达到的精度是3mm，水准仪在一个测站使用的基本程序是安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。

我们在实际勘测过程中按这个顺序施行，在每一水准点段测完后复核结果。

在一个测区内所有的工程采用同一个高程系统，现在应用三等水准点观测方法采取往返测量，并且按照双面水准标尺和中丝测高法并且每站按照“后—前—前—后”的观测程序进行观测读数，最终成果整理要求高差闭合差fh容（fh容=Σh往+Σh返）达到平原微丘区三等水准测量的精度不大于±12·L（1/2）。

平原微丘地区影响水准测量精度的主要因素是水准路线的长度，长度越长，精度越低。

山区，则是测站，测站越多，精度越低。

一个水准点段测完后应立即进行检核，在每一测站，没有检查、复核，为误差的积累创造了条件，容易返工，耽误时间、浪费人力。

通过工程实践证明，这一方法经常出现错误，节选五个水准点连续错误中的一个测段结果如表1.1和1.2所示：

表1.1经过成果整理，读数差Δh=Σ后视-Σ前视，Δh小于2mm满足规范要求。

但是施工过程中，施工单位提出问题，经过表1.2复核补充测量成果证实，外业测量的结果不正确，因此，有必要分析水准测量的误差，找出控制纠正的方法，避免错误的出现，保证项目的顺利施工。

2.    0水准测量的现状

现在应用水准点与中桩分开观测的方法，水准点观测采取往返测量，成果整理要求高差闭合差fh容（fh容=Σh往+Σh返）达到平原微丘区三等水准测量的精度不大于±20·L（1/2）。

平原微丘地区影响水准测量精度的主要因素是水准路线的长度，长度越长，精度越低。

山区，则是测站，测站越多，精度越低。

水准测量误差有仪器误差、观测误差和外界条件的影响。

3.2仪器误差（系统误差）及控制方法

3.2.1视准轴不平行水准管轴产生的误差及控制方法

仪器虽在测量前经过校正，仍会存在残余误差。

一方面是制造误差，即仪器在制造过程中就存在制造缺陷误差，这项误差是无法消除的；另一方面是检验和校正后的残余误差。

在这些误差中，影响最大、表现突出的就是照准轴和水准管轴不平行的误差，即i角误差。

设A、B分别为同一测站的后视点和前视点，SA、SB分别为后视和前视的距离，XA、XB为由于视准轴与水准管轴不平行而引起的读数误差。

如果不考虑地球曲率和大气折光的影响，B点对A点的高差为：

hab=（a–XA）–（b–XB）=（a–b）–（XA–XB）（3-1）

因

x=Stani（3-2）

故

hab=（a–b）–（SA–SB）tani=（a–b）–（SA–SB）1/ρ"（3-3）

对于一测段有

∑h=∑（a–b）–1/ρ"×∑（SA–SB）（3-4）

通过分析，i角误差的影响与仪器至前后视标尺的视距差及视距积累有关。

因此造成水准管气泡居中，水准管轴居于水平位置而望远镜视准轴却发生倾斜，致使读数误差。

要消除i角误差的影响，在实际作业中只要做到前后视距相等即可，这种误差与视距长度成正比。

观测时可通过中间法（前后视距相等）和距离补偿法（前视距离和等于后视距离总和）消除。

针对中间法在实际过程中的控制，立尺人是关键，通过应用普通皮尺测距离，之后立尺，简单易行。

而距离补偿法不仅繁琐，并且不容易掌握。

残余i角也不是固定不变的，即使在同一测站上，后视和前视的i角往往由于太阳光照射的不同而不一样。

为了避免这种误差的产生，在阳光下进行观测必须用测伞遮住仪器。

在照准同一测站的前、后视尺时，尽量避免调焦。

3.2.2水准尺误差及控制方法

主要包含尺长误差（尺子长度不准确）、刻划误差（尺上的分划不均匀）和零点差（尺的零刻划位置不准确），对于较精密的水准测量，一般应选用尺长误差和刻划误差小的标尺。

对于尺长误差较大水准尺，使用时应在最后的高差加上水准尺每1m的尺长改正。

水准尺的底面与标尺第一个分格的起始线（黑面为零、红面为4687或4787）应当是一致的。

但由于使用磨损等原因，有时不能完全一致，这个差数是标尺的零点差（包括黑红面零点差及一对标尺零点差）。

标尺零点差的影响对于测站数为偶数的水准路线是可以自行抵消的。

当测站数为奇数时，高差中含有这种误差的影响。

所以，在水准测量中，每测段的测站数应取偶数为好，这样就消除标尺的零点差对高程的影响；或者标尺的零误差的影响，控制方法可以通过在一个水准测段内，两根水准尺交替轮换使用（在本测站用作后视尺，下测站则用为前视尺），并把测段站数目布设成偶数，即在高差中相互抵消。

同时可以减弱刻划误差和尺长误差的影响。

3.3观测误差（偶然误差）和控制方法

3.3.1符合水准管气泡居中误差及控制方法

水准测量的主要条件是视线必须水平。

假设当水准仪不存在i角误差的情况下，我们用微倾螺旋使管水准气泡居中，此时一般认为管水准轴就水平了因而望远镜照准轴水平了。

其实不然，在观察到气泡居中的一瞬间，还不能认为水准轴是水平的。

由于符合水准气泡未能做到严格居中，造成望远镜视准轴倾斜，产生读数误差。

读数误差的大小与水准管的灵敏度有关，主要是水准管分划值τ的大小。

此外，读数误差与视线长度成正比。

水准管居中误差一般认为是0.1·τ，根据公式m居=0.1·τ″·S/2ρ″，DS3级水准仪水准管的分划值一般为20″，视线长度S为75m，ρ=206265″，那么，m居=0.4mm。

由此看来，只要观测时符合水准管气泡能够认真仔细进行居中，且对视线长度加以限制，与中间法一致，此误差可以消除。

3.3.2调焦误差和视差的影响及控制方法

在观测时，若在照准后、前尺时均调焦，必然使在前、后尺读数时i角高度不一致，从而引起读数误差。

前后视距相等时可避免在一站中重复调焦。

当存在视差时，尺像不与十字丝平面重合，观测时眼睛所在的位置不同，读出的数也不同，因此，产生读数误差。

所以在每次读数前，控制方法就是要仔细进行物镜对光，消除视差。

普通水准测量中水准尺以厘米刻划，考虑仪器的基本性能，影响估读精度的因素主要与十字丝的粗细、望远镜放大倍率及视线长度等因素有关。

其中视线长度影响较大，有关规范对不同等级水准测量时的视线均作了规定，作业时应认真执行。

3.3.3水准尺的倾斜误差及控制方法

水准尺如果是向视线的左右倾斜，观测时通过望远镜十字丝很容易察觉而纠正。

但是，如果水准尺的倾斜方向与视线方向一致，则不易察觉。

尺子倾斜总是使尺上读数增大。

它对读数的影响与尺的倾斜角和尺上读数的大小（即视线距地面的高度）有关。

尺的倾斜角越大，对读数的影响就越大；尺上读数越大，对读数的影响就越大。

如图2所示。

当水准尺的倾斜角为γ时，其尺上读数为a1，则由图2可知

a=a1*cosγ（3-5）

△a=a1－a=a1*（1－cosγ）（3-6）

图2水准尺倾斜对读数影响

即△a得大小取决于水准尺倾斜角γ和标尺上读数a1的大小。

所产生的读数误差为Δa=a（1-cosγ）。

当γ=3o，a=1.5m时，Δa=2mm，由此可以看出，此项影响是不可忽视的，通常我们立镜高度是1.7m,则Δa=2.33mm，。

因此，在水准测量中，立尺是一项十分重要的工作，一定要认真立尺，使尺处于铅垂位置。

尺上有圆水准的应使气泡居中。

必要时可用摇尺法，即读数时尺底置于点上，尺的上部在视线方向前后慢慢摇动，读取最小的读数。

当地面坡度较大时，尤其应注意将尺子扶直，并应限制尺的最大读数。

最重要的是在转点位置。

3.4外界条件（偶然误差）影响和控制方

3.4.1地球球气差和日照风力引起的误差及控制方法

如上图3所示，A、B为地面上两点，大地水准面是一个曲面，如果水准仪的视线a′b′平行于大地水准面，则A、B两点的正确高差为：

hab=a′－b′（3-7）

但是，水平视线在水准尺上的读数分别为a″、b″。

a′、a″之差与b′、b″之差，就是地球曲率对读数的影响，用c表示。

即：

C=D2/2R（3-8）

式中D——水准仪到水准尺的距离（km）；

R——地球的平均半径，R=6371km。

由于大气折光的影响，视线是一条曲线，在水准尺上的读数分别为a、b；a、a″之差与b、b″之差，就是大气折光对读数的影响，用r表示。

在稳定的气象条件下，r约为c的1/7，即

r=1/7（C）=0.07（D2/2R）（3-9）

地球曲率和大气折光的共同影响为：

f=c-r=0.43（D2/2R）（3-10）

由于地球曲率的缘故，在同一水准面上的两个点其高差并不为零。

由此产生用水平面代替水准面对高程的影响，可以用公式C=D2/（2R）表示，地球半径R=6371Km，当D=1Km时，C=8cm；显然，以水平面代替水准面时高程所产生的误差要远大于测量高程的误差。

所以，对于高程而言，即使距离很短，也不能将水准面当作水平面，一定要考虑地球曲率对高程的影响。

实测中采用中间法可自动消除曲率对前后视读数的影响。

大气折光使视线成为一条曲率约为地球半径7倍的曲线，使读数减小，可以用公式Δh=D2/（2x7R）表示，视线离地面越近，折射越大，因此，视线距离地面的高度不应小于0.3m，并且其影响也可用中间法消除或减弱。

此外，应选择有利的时间，一日之中，上午10时至下午4时这段时间大气比较稳定，便于消除大气折光的影响，但在中午前后观测时，尺像会有跳动，影响读数，应避开这段时间，阴天、有微风的天气可全天观测。

日照及风力引起的误差影响是综合的，比较复杂。

如果光照会造成仪器各部分受热不均使轴线关系发生改变、风大时会使仪器抖动、不易精平等会引起误差。

处选择好的天气测量外，给仪器打伞遮光等都是消除和减弱其影响的好办法。

3.4.2仪器升降和水准尺下沉的影响

仪器下沉是指在一测站上读的后视读数和前视读数之间仪器发生下沉，使得前视读数减小，算得的高差增大。

为减弱其影响，当采用双面尺法或变更仪器高法时，第一次是读后视读数再读前视读数，而第二次则先读前视读数再读后视读数。

即“后、前、前、后”的观测程序。

这样的两次高差的平均值即可消除或减弱仪器下沉的影响。

水准尺下沉的误差是指仪器在迁过程中，转点发生下沉，使迁站后的后视读数增大，算得的高差也增大。

如果采取往返测，往测高差增大，返测高差减小，所以取往返高差的平均值，可以减弱水准尺下沉的影响。

最有效的方法是应用尺垫，在转点的地方必须放置尺垫，并将其踩实，以防止水准尺在观测过程中下沉。

根据误差来源分析表1.1，应用偶然中误差MΔ=±（[Δ·Δ]/[4·n·R]）（1/2）计算合格，附合路线闭合差公式计算同样合格。

那么，这个比较隐蔽的错误主要来源是立尺方向出现倾斜和转点位置下沉或移动，中间法距离控制不好。

解决的方法是首先改变水准测量的模式，基平与中平分开。

其次在每一个测站检核，在同一测站上以不同的仪器高度（或称视线高度）观测两次，两次所测高差之差不超过规定的容许值2.0mm，取其算术平均值作为本测站的观测结果。

严格执行上述控制误差的方法。

就能够有效的把误差控制在精度要求内。

第4章结论

减小和消除误差的方法都是以增加时间或采取更多的步骤为代价。

在测量中操作熟练，才能提高观测的速度，采取规范的办法，严格执行正确步骤，司仪与立尺互相配合，才能得到正确结果。

通过实践证明，将控制方法应用到实际工作中后，没有出现过错误，达到了“多干事、动作快、效率好、省时间”的目的。

参考文献

1.《工程测量规范》.GB50026-2007.

2.《城市测量规范》.CJJ8-99.

3.《国家三、四等水准测量规范》.GB12897-91.

4.赵文亮.《地形测量》黄河水利出版社，2005.8.

5．高井祥，张书毕，于胜文等.测量学.徐州：

中国矿业大学出版社，2007.

6.武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础.武汉：

武汉大学出版社，2006.

7.杨俊志，刘宗全.数字水准仪的测量原理及其鉴定.北京：

测绘出版社，2005.

8.宁津生等.测绘学概论.武汉：

武汉大学出版社，2004.

9．武汉测绘科技大学《测量学》编写组.测量学（第三版）.北京：

测绘出版社，1991.

致谢

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，我要感谢我的老师、同事、朋友给了我很大的帮助和支持，在这里请接受我诚挚的谢意！

今天，我以最真诚的心情感谢老师，在百忙之中来修改和点评我的论文，我相信我的论文在老师的精心的指导下能够顺利完成。

在此，向老师表示衷心的感谢！