不同环境条件对精密水准测量的影响研Word文档格式.docx

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关键词：

水准测量；

大气折射光；

气温；

气压

一、水准测量

1.1水准测量及其原理

“几何水准测量”，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。

在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。

通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。

由于不同高程的水准面不平行，沿不同路线测得的两点间高差将有差异，所以在整理国家水准测量成果时，须按所采用的正常高系统加以必要的改正，以求得正确的高程。

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高差，由此由已知点的高程推算出未知点的高程。

1.2水准测量的误差

1.2.1仪器误差

1．仪器校正后的残余误差

在水准实验前虽然仪器经过了严格的检验校正，但仍然存在残余的角残差。

理论上水准管轴应与视准轴平行，若两者不平等，虽经校正但仍然残存误差。

即两轴线不平行形成角，这种误差的影响与仪器至水准尺的距离成正比，属于系统误差。

可以在测量中采取一定的方法加以减弱或消除。

若观测时使前、后视距相等，可消除或减弱此项误差的影响。

2．水准尺误差

由于水准尺刻划不准确、尺长发生变化、尺身弯曲等原因，会对水准测量造成影响，因此水准尺在使用之前必须进行检验。

此外，由于水准尺长期使用导致尺底端零点磨损，或者是水准尺的底端粘上泥土改变了水准尺的零点位置，则可以在一水准测段中把两支水准尺交替作为前后视读数，或者测量偶数站来消除。

1.2.2观测误差

1．水准管气泡居中误差

设水准管分划值为τ″，居中误差一般为±

0.15τ″，采用符合式水准器时，气泡居中精度可提高一倍。

2．读数误差

在水准尺上估读毫米数的误差，与人眼的分辨能力、望远镜的放大倍率以及视线长度有关。

3．视差影响

当视差存在时，十字丝平面与水准尺影像不重合，若眼睛观察的位置不同，便读出不同的读数，因而也会产生读数误差。

4．水准尺倾斜影响

水准尺倾斜将使尺上读数增大。

1.2.3外界环境影响

1．仪器下沉

由于仪器下沉，使视线降低，从而引起高差误差。

采用“后、前、前、后”的观测程序，可减弱其影响。

2．尺垫下沉

如果在转点发生尺垫下沉，将使下一站后视读数增大。

采用往返观测，取平均值的方法可以减弱其影响。

1.2.3大气折光影响

本论文着重讲大气折射光对精密水准测量的影响。

二、大气垂直折射光对精密水准测量的影响

2.1、大气折射光

大气垂直折光的影响，近地面大气层的密度分布一般随离开地面的高度而变化，也就是说，近地面大气层的密度存在着梯度。

因此，光线通过在不断按梯度变化的大气层时，会引起折射系数的不断变化，导致视线成为一条各点具有不同曲率的曲线，在垂直方向产生弯曲，并且弯向密度较大的一方，这种现象叫做大气垂直折光。

2.2、折射光产生的影响

如果在地势较为平坦的地区进行水准测量时，前后视距相等，则折光影响相同，使视线弯曲的程度也相同，因此，在观测高差中就可以消除这种误差影响。

但是，由于越接近地面的大气层，密度的梯度越大，前后视线离地面的高度不同，视线所通过大气层的密度也不同，折光影响也就不同，所以前后视线在垂直面内的弯曲程度也不同。

水准测量通过一个较长的坡度时，由于前视视线离地面的高度总是大于（或小于）后视视线离地面的高度，当上坡时前视所受的折光影响比后视要大，视线弯曲凸向下方，这时，垂直折光对高差将产生系统性质误差影响。

为了减弱垂直折光对观测高差的影响，应使前后视距尽量相等，并使视线离地面有足够的高度，在坡度较大的水准路线上进行作业时应适当缩短视距。

2.3、影响折射因素

折射还受大气密度的影响，大气密度的变化还受到温度等因素的影响。

为了减弱垂直折光对观测高差的影响，水准规范还规定每一测段的往测和返测应分别在上午或下午，这样在往返测观测高差的平均值中可以减弱垂直折光的影响。

折光影响是精密水准测量一项主要的误差来源，它的影响与观测所处的气象条件，水准路线所处的地理位置和自然环境、观测时间、视线长度、测站高差以及视线离地面的高度等诸多因素有关。

虽然当前已有一些试图计算折光改正数的公式，但精确的改正值还是难以测算。

因此，在精密水准测量作业时必须严格遵守水准规范中的有关规定。

2.4、具体观测检测方法

由于大气垂直折光的作用引起视线弯曲使读数产生误差。

在平坦地区测量若前、后视距相等，则大气垂直折光对前、后视读数的影响其符号和数值都是一样的；

但如果沿着一条下降（或上升）的坡度路线测水准，则每一站的后视视线较前视视线距地面为近（这时若为上升坡度情况就相反），这时，前、后视距离即使相等，大气垂直折光对前、后视读数的影响也不尽相同，高差中就会有一种系统性误差。

减弱大气折光影响的办法是：

选择有利的观测时间，日出和日落前半个小时内。

太阳光强的中午前、后各约2个小时内不得进行精密水准测量，视线距地面应有一定高度（0.3-0.5米），），外界因素的影响是多方面的。

三、不同温度下对精密水准测量的影响

3.1、温度对水准测量产生影响的原因

接近地面的空气温度不均匀，所以空气的密度也不均匀。

光线在密度不均匀的介质中沿着曲线传播，这称为“大气折光”。

总体上，白天近地面的空气温度高，密度较低，弯曲的光线凹面向上，晚上近地面的空气温度低，密度高，弯曲的光线凹面向下。

接近地面的温度梯度大，大气折光的曲率大，由于空气的温度在不同时刻不同的地方一直处于变动，所以很难描述折光的规律。

除了规律性的大气折光以外，还有不规律的部分：

白天近地面的空气受热膨胀而上升，较冷的空气下降补充。

因此，这里的空气处于频繁的运动之中，形成不规则的湍流。

湍流会使视线抖动，从而增加读数的误差。

上午由于地面吸热，使得地面上的大气层离地面越高温度越低；

中午以后，由于地面逐渐散热，地面温度开始低于大气的温度。

因此，垂直折光的影响，还与一天内的不同时间有关，在日出后半小时左右和日落前半小时左右这两段时间内，由于地表面的吸热和散热，使近地面的大气密度和折光差变化迅速而无规律，故不宜进行观测；

在中午一段时间内，由于太阳强烈照射，使空气对流剧烈，致使目标成像不稳定。

3.2、温度对仪器的影响

温度的变化不仅引起大气折光的变化，也会对仪器的观测值产生影响。

温度还会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件相对位置的变化，或者引起视准轴相对与水准管轴位置的变化。

由于光学测量仪器是精密仪器，不大的位移量可能使轴线产生几秒偏差，从而使测量结果的误差增大。

不均匀的温度对仪器的性能影响尤其大。

例如从前方或后方日光照射水准管，就能使气泡趋向太阳，从而使水准管轴的零位置改变了。

温度的变化不仅引起大气折光的变化，而且当烈日照射水准管时，由于水准管本身和管内液体温度升高，气泡向着温度高的方向移动，影响仪器水平，产生气泡居中误差。

3.3、减小温度对测量影响

减小温度对测量影响的对策是避免用接近地面的视线工作，尽量抬高视线，用前后视等距的方法进行水准测量。

在时间上进行把握，夏天中午一般不做水准测量。

在沙地，水泥地等湍流强的地区，一般只在上午10点之前作水准测量。

高精度的水准测量也只在上午10点之前进行。

当温度变化1℃时ｉ角的平均变化为０．５秒，ｉ角变化所引起的误差是系统性的，难以用变换观测程序的办法消除。

减弱ｉ角变化的主要措施是使仪器和外界温度相对稳定。

因此，在观测前要把仪器架设在空气中约４５分钟以上以恒定温度，作业过程中要用白伞遮住阳光，保持温度的一定。

阳光过强时迁站须用宽大的白布套住仪器，操作时尽量使手少接触仪器。

四、气压对水准测量的影响

4.1、气压

根据大气压力随高程而变化的规律，用气压计进行高程测量的一种方法。

在气压高程测量中，大气压力从前常以水银柱高度（毫米）表示。

温度为0℃时,在纬度45°

处的平均海面上大气平均压力约为760毫米水银柱（1mmHg=133.322Pa）,每升高约11米大气压力减少1毫米水银柱。

一般气压计读数精度可达0.1毫米水银柱,约相当1米的高差。

所以不同气压下对水准测量的影响是比较大的，在次需要进行多组实验得出数据进行检验。

4.2、具体观测方法

1、在不同天气情况对比下观测测得数据，如阴天、晴天、多云、有风的天气情况下其气压值是不同的。

再选取相同的测验地点，用相同的仪器在不同气压下进行观测，记录下不同数据进行对比分析。

2、在相同的天气情况下，选取环境条件大体相同的地方，但是高程有所不同。

比如操场和有一定海拔的山坡上进行观测，记录数据进行对比分析。

五、结论

不同环境条件下折射对精密水准测量的影响是一定存在并且可以实验得出的，如大气折射光、气压、气温、风力等。

在测绘日常工作中，必须严谨对待手中的测量工作；

对测量工作者来说，要熟悉各种不同情况下对水准测量误差影响的大小，选择合适情况进行勘测，测量过程中应采取相应的措施纠正其不良影响，并对误差进行合理评定，确保工程能准确、无误进行。

参考文献：

[1]杨俊志，李恩宝，温殿忠，《数字水准测量》，上海科学技术出版社，2009-06-1.

[2]梁振英.《根据实测温度改正对水准测量影响》，化学工业出版社，1990-04-01.

[3]高文强.《对水准测量的实测改正》，长江出版社，2001-01-04.

[4]陈琳.《现代测量技术》，武汉大学出版社，2007-03-01.

[5]王军德.《工程测量》，中国矿业大学出版社，2010-12-01.

[6]张剑锋.《测量学》，上海科学技术出版社，2009-01-01.

[7]曲建光.《测量学专业英语》，天津人民出版社，1996-10-01.

[8]李树刚.《安全监测与监控》，中国矿业大学出版社，2011-12-21.

[9]徐至均.《深基坑与边坡支护工程设计施工经验录》中国水利水电出版社,2009-01-04.

[10]赵锡宏.《大型超深基坑土程实践与理论》.人民交通出版社,.2010.12-20.

水准测量

水准测量又名“几何水准测量”，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。

水准测量原理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，这样就可由已知点的高程推算出未知点的高程。

水准测量所使用的仪器为水准仪，工具为水准尺和尺垫。

根据水准测量的原理，水准仪的主要作用是提供一条水平视线，并能照准水准尺进行读数。

因此，水准仪构成主要有望远镜、水准器及基座三部分。

水准仪望远镜主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板所组成。

物镜和目镜多采用复合透镜组，十字丝划板上刻有两条互相垂直的长线，竖直的一条称竖丝，横的一条称为中丝，是为了瞄准目标和谈取读数用的。

在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测定距离的，称为视距丝。

十字丝分划板是由平板玻璃圆片制成的，平板玻璃片装在分划板座上，分划板座固定在望远镜筒上。

　　十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴或视线。

水准测量是在视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。

对光凹透镜可使不同距离的目标均能成像在十字丝乎面上。

再通过目镜，便可看清同时放大了的十字丝和目标影像。

从望远镜内所看到的目标影像的视角与肉眼直接观察该目标的视角之比，称为望远镜的放大率。

水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。

有管水准器和圆水准器两种。

管水准器用来指示视准轴是否水平；

圆水准器用来指示竖轴是否竖直。

水准尺是水准测量时使用的标尺。

其质量好坏直接影响水准测量的精度。

因此，准尺需用不易变形且干燥的优质木材制成；

要求尺长稳定，分划准确。

常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。

塔尺多用于等外水准测量，其长度有2m和5m两种，用两节或三节套接在一起。

尺的底部为零点，尺上黑白格相间，每格宽度为1cm，有的为0.5cm，每一米和分米处均有注记。

双面水准尺多用于三、四等水准测量。

其长度有2m和3m两种，且两根尺为一对。

尺的两面均有刻划，一面为红白相间称红面尺；

另—面为黑白相间，称黑面尺，两面的刻划均为1cm，并在分米处注字。

两根尺的黑面均由零开始；

而红面，一根尺由4.687m开始至6.687m或7.687m，另一根由4.787m开始至6.787m或7.787m。

尺垫是在转点放置水准尺用的，它用生铁铸成，一般为三角形，中央有一突起的半球体，下方有三个支脚。

用时将支脚牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。

水准仪的使用包括仪器的安置、粗略整平、瞄准水准尺、精平和读数等操作步骤。

打开三脚架并使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架腿是否安置稳固，脚架伸缩螺旋是否拧紧，然后打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固连在三脚架头上。

粗平是借助圆水准器的气泡居中，使仪器竖轴大致铅垂，从而视准轴粗略水平。

在整平的过程中，气泡的移动方向与左手大拇指运动的方向—致。

首先进行目镜对光，即把望远镜对着明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰。

再松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上的照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋。

然后从望远镜中观察；

转动物镜对光螺旋进行对光，使目标清晰，再转动微动螺旋，使竖丝对准水准尺。

当眼睛在目镜端上下微微移动时，若发现十字丝与目标影像有相对运动，这种现象称为视差。

产生视差的原因是目标成像的平面和十字丝平面不重合。

由于视差的存在会影响到读数的正确性，必须加以消除。

消除的方法是重新仔细地进行物镜对光，直到眼睛上下移动，读数不变为止。

此时，从目镜端见到十字丝与目标的像都十分清晰。

眼睛通过位于目镜左方的符合气泡观察窗看水准管气泡，右手转动微倾螺旋，使气泡两端的像吻合，即表示水准仪的视准轴已精确水平。

这时，即可用十字丝的中丝在尺上读数。

现在的水准仪多采用倒像望远镜，因此读数时应从小往大，即从上往下读。

先估读毫米数，然后报出全部读数。

精平和读数虽是两项不同的操作步骤，但在水准测量的实施过程中，却把两项操作视为一个整体；

即精平后再读数，读数后还要检查管水准气泡是否完全符合。

只有这样，才能取得准确的读数。

水准测量的误差主要有仪器误差、观测误差、外界条件的影响造成的误差等。

由于大气折光，视线并非是水平，而是一条曲线，曲线的曲率半径为地球半径的7倍。

如果前视水准尺和后视水准尺到测站的距离相等，则在前视读数和后视读数中含有相同的，这样在高差中就没有这误差的影响了。

放测站时要争取前后视相等。

光线在密度不匀的介质中沿曲线传布。

这称为“大气折光”。

总体上说，白天近地面的空气温度高，密度低，弯曲的光线凹面向上；

晚上近地面的空气温度低，密度高，弯曲的光线凹面向下。

接近地面的温度梯度大大气折光的曲率大，由于空气的温度不同时刻不同的地方一直处于变动之中。

所以很难描述折光的规律。

对策是避免用接近地面的视线工作，尽量抬高视线，用前后视等距的方法进行水准测量。

湍流会使视线抖动，从而增加读数误差。

对策是夏天中午一般不做水准测量。

温度会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件相对位置的变化，或者引起视准轴相对与水准管轴位置的变化。

　不均匀的温度对仪器的性能影响尤其大。

例如从前方或后方日光照射水准管，就能使气泡“趋向太阳”——水准管轴的零位置改变了。

温度的变化不仅引起大气折光的变化，而且当烈日照射水准管时，由于水准管本身和管内液体温度升高，气泡向着温度高的方向移动，影响仪器水平，产生气泡居中误差，观测时应注意撑伞遮阳。

Leveling

Leveling,alsoknownas"

geometrylevelingfeet,withthewaterlevelandthelevelofdeterminationoftheheightdifferencebetweentwopointsontheground.Level,placedonthegroundbetweentwopointsandtheobservationthelevelingstafferectedtwopoints,pressreadingsprojectionheightdifferencebetweentwopointsonthefeet.Usuallybythethelevelingoriginoranyknownelevationpointofdeparture,thestandardroutealongtheselectedstationbystationtodeterminetheelevationofpoints.Notparalleldifferentelevationgeoidheightdifferencebetweenthetwopoints,measuredalongdifferentrouteswillbenecessarytocorrectcollatenationallevelingresults,subjecttothenormalhighsystem,inordertoobtainthecorrectelevation.

Levelmeasuringprincipleistheuseofahorizontallineofsight,andwiththelevelrulertomeasuretheheightdifferencebetweentwopointsofthegroundbyaknownpointofelevation,soyoucancalculatetheunknownpointofelevation.Levelingtheinstrumentasaspiritlevel,toolsforlevelingrodandfootpad.

Accordingtotheprincipleofleveling,thewaterlevelofthemainroleistoprovidealevelofsightandsightinglevelrulerreadings.Therefore,levelconstitutesamajorpartofthetelescope,standardsandbase.

Leveltelescopemainlybytheobjectivelensandeyepieceopticallensandcrosshairreticle.Multi-objectivelensandeyepiecethecompoundlensgroup,thecrosshairreticleengravedwithtwomutuallyperpendiculartothelong-term,theverticalonecalledverticalwire,crosstheonecalledinsilk,totargetingpeacetalkstakingreadingswith.Upanddowninthewirealsosymmetricalengravedtwoparalleldashwithwire,isusedtomeasureadistance,calledtheline-of-sightsilk.Thecrosshairreticlemade​​byflatglasswaferflatsheetsmountedontheseatofthereticle,reticlefixedonthetelescopetube.

Connectionofthecrosshairintersectionoftheobjectivelensoftheopticalcenter,calledthecollimationaxisorlineofsight.Levelingcollimationlevel,readinglevelrulercrosshairswireinterception.

Imagingopticalconcavelenscanmakethedifferentdistancesofthetargetcansurfacealmostinthecrosshairs.Throughtheeyepiece,youcanseethecrosshairsandtargetimageenlarged.Viewwiththenakedeyeofthetargeti