控制测量学水平角观测中的主要误差和操作的基本规则

水平角观测中的主要误差和操作的基本规则

观测工作是在野外复杂条件下进行的，由于观测人员和仪器的局限性以及外界因素的影响，观测中会有误差。为使观测结果达到一定的精度，需要找出误差的规律，研究和采取消除或减弱误差影响的措施，制定出观测操作中应遵守的基本规则，以保证观测成果的精度。

水平角观测误差主要来源于三个方面：一是观测过程中引起的人差；二是外界条件引起的误差；三是仪器误差。仪器误差又包含仪器本身的误差和操作过程中产生的误差。

对于人差，主要是通过提高观测技能加以减弱，这里不进行讨论。

3.5.1 外界条件对观测精度的影响

外界条件主要是指观测时大气的温度、湿度、密度、太阳照射方位及地形、地物等因素。它对测角精度的影响，主要表现在观测目标成像的质量，观测视线的弯曲，觇标或脚架的扭转等方面。

1．目标成像质量

观测目标是测角的照准标的，它的成像好坏，直接影响着照准精度。如果成像清晰、稳定，照准精度就高；成像模糊、跳动，照准精度就低。

我们知道，目标影像是目标的光线在大气中传播一定距离后进入望远镜而形成的。假如大气层保持静止，大气中没有水气和灰尘，目标成像一定是清晰、稳定的。但实际的大气层不可能是静止的，也不可能没有水气和灰尘。日出以后，由于阳光的照射，使地面受热，近地面处的空气受热膨胀不断上升，而远离地面的冷空气下降，形成近地面处空气的上下对流。当视线通过时，使其方向、路径不断变化，从而引起目标影像上下跳动。由于地面的起伏及土质、植被的不同，各处的受热程度也不同。因此，空气不仅有上下对流，还会产生水平方向上的对流，当视线通过时，目标影像就左右摆动。

另外，随着空气的对流，地面灰尘、水气也随之上升，使空气中的灰尘、水气越来越多；光线通过时其亮度的损失也愈大，目标成像就愈不清晰。

由上可知，目标成像跳动或摆动的原因是空气的对流；目标成像是否清晰，主要取决于空气中灰尘和水气的多少。为了保证目标成像的质量，应采取如下措施。

（1）保证足够的视线高度

因为愈靠近地面，空气愈不稳定，灰尘和水气也愈多，成像质量愈差；反之视线愈远离地面，成像质量愈好。在选点时，一定要按《规范》要求，确保视线有一定高度，在观测时，必要时也可采取适当措施，提高视线高度。

（2）选择有利的观测时间

如果仅考虑目标成像的质量，只要符合下列要求，就是有利的观测时间：不论观测水平角还是垂直角，均要求目标成像尽可能清晰；观测水平角时，成像应无左右摆动；观测垂直角时应无上下跳动。

但是，选择观测时间的时候，不仅要考虑到目标的成像质量，还要考虑到其他因素对测角精度的影响，如折光的影响等，不可顾此失彼。

2．水平折光

大家知道，光线通过密度不均匀的介质时，会发生折射，使光线的行程不是一条直线而是曲线。由于越近地面空气的密度越大，使得垂直方向大气密度呈上疏下密的垂直密度梯度，而使光线产生垂直方向的折光，称为垂直折光。空气在水平方向上密度也是不均匀的，形成水平密度梯度，而产生水平方向的折光，称为水平折光。下面对水平折光加以讨论，垂直折

光将在“三角高程”中加以讨论。

光线通过密度不均匀的空气介质时，经连

续折射形成一条曲线，并向密度大的一侧弯

曲。如图3-35，来自目标B 的光线进入望远镜

时，望远镜所照准的方向是曲线BdA 的切线

Ab 。这个方向显然与正确方向AB 不一致，有

一个微小的夹角δ，称为微分折光。微分折光

δ在水平面上的投影分量B ’Ab ” (即水平分量)

称为水平折光；微分折光δ在铅垂面上的投影

分量'BAb ∠ (即垂直分量)称为垂直折光。产生

水平折光的原因是，大气在水平方向上的不均匀分布；产生垂直折光的原因是，大气在垂直

方向上的不均匀分布。水平折光影响水平方向观测，垂直折光影响垂直角观测。

（1）产生水平折光的原因

当相邻两地的地形和地面覆盖物不同时，在阳光照射下，会出现两地靠近地面处空气密度的差异，而产生水平对流现象。如图3-36，一部分为沙石地，另一部分是湖泊。沙石地面辐射强，气温上升快，大气密度较小；湖泊上方气

温上升慢，大气密度较大，在温度升高时空气就由右

向左连续对流，经过一段时间，对流逐渐缓慢，成像

也较稳定，但在地类分界面附近，大气密度必然由密

到稀，形成稳定的水平方向的密度差异。当观测视线

从分界面附近通过密度不同的空气层时，成为弯向一

侧的曲线，产生水平折光，视线两侧的空气密度差别愈大，则水平折光影响就愈大。

可见，产生水平折光的根本原因就在于视线通过的大气层的水平方向的密度不同。

（2）水平折光影响的规律

一般情况下，除视线远离地面，或视线两侧的地形和地面覆盖物完全相同外，都会在不同程度上存在水平折光影响。由于视线很长，它所通过的大气层的情况非常复杂，因此无法用一个算式来汁算出水平折光的数值，只能根据水平折光产生的原因、条件以及光线传播的物理特性和实践经验，找出水平折光对水平角观测影响的一般规律：

1）由于白天和夜间大气温度变化的情况相反，因而水平折光对方向值的影响，白天与夜问的数值大小趋近相等，符号相反。如图3-37，在A 点设站观测B 点。在白天，由于日光的照射，使沙土地的温度高于水的温度，则沙土地上空的空气密度比水面上空的空气密度小。当视线通过时，成为一凹向湖泊的曲线，使AB 方向的方向观测值偏小；在夜问，沙土地面的温度比水的温度低，视线成为凹向沙土地的曲线，使AB 方向的方向观测值偏大。

2）视线越靠近对热量吸收和辐射快的地形、地物，水平折光影响就越大。

3）视线通过形成水平折光的地形、地物的距离越长，影响就越大。

4）引起空气密度分布不均匀的地形、地物越靠近测站，水平折光影响就越大。如图3-38所示，12δδ>。

5）视线两侧空气密度悬殊越大，水平折光的影响就越大。

6）视线方向与水平密度梯度方向越垂直，水平折光影响越大。

图3-35 水平折光

图3-36 产生水平折光的原因