水准测量的误差来源及控制方法探析

水准测量的误差来源及控制方法探析摘要：水准测量是获得点高程的常用测量手段，也是高程测量精度最高的一种方法。

实施过程中，由于仪器构造不可能十分完善、观测者感官鉴别力的局限，以及观测时外界条件等多方面的原因影响而产生测量误差，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，结果水准点高程不正确，直接影响工程设计和施工。

本文以公路勘察设计实例，对水准测量的误差来源及控制方法进行探析。

abstract： leveling is used to obtain the point elevation，also is the elevation measurement method with the highest precision. in implementation process， because the instrument structure is not very perfect， and the limitation of observers， external conditions when observation， they all influences measurement and causes error， error concealment is easy to appear. if not detected early， basic information is wrong， the bench mark elevation is not correct， directly affect the engineering design and construction. based on highway survey and design examples， the error sources and control method of leveling are analyzed.关键词：水准测量；误差来源；控制方法key words： leveling measurement；error sources；control method中图分类号：p207+.1 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）23-0102-021 水准测量的原理及实施方法由测绘部门按照国家规范埋设和测定的已知高程的固定点，这些点称为水准点（bark mark），简记为bm。

水准测量通常是从水准点引测其它点的高程。

水准测量的原理，利用水准仪所提供的水平视线，读取竖立在两点上水准尺的读数，测定两点间的高差，从而由已知点高程推求未知点高程。

水准测量使用的仪器为水准仪，工具主要有水准尺和尺垫，公路勘察设计和施工一般使用ds3型微倾式自动安平水准仪，该仪器每公里往返观测高差精度为±3mm。

水准仪技术操作程序是安置脚架、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平、消除视差和读数。

为了便于观测和计算各点的高程，检查和发现测量中可能产生的错误，必须将各点组织成一条适当的施测路线，即水准路线。

水准路线可以布设成闭合水准路线、符合水准路线、支水准路线、水准网。

同一工程采用同一个高程系，测量形式是两台水准仪同向观测、一台仪器变高同向观测、一台仪器往返观测三种形式。

2 公路勘察设计水准测量的实际现状作者曾在沪蓉西联络线进行路线水准测量时，在高级水准点bm17与bm18之间设置了多个临时水准点，在测量时出现误差传递，导致返工，致使耽误时间、浪费人力。

另在bm6与bm7之间，由于测设人员工作不严谨，临时水准点1至2高差多测出1m，临时水准点2至3高差少测出1m，通过计算，bm6与bm7之间的临时水准点高程测量成果符合误差符合规范要求，但这个成果存在严重的错误，这一错误导致在进行这两段路线中平测量时所测高差与基平高差符合不上，使中平测量返工多次（对基平复测后发现上述错误），影响工程进度。

在公路勘察设计中，出现采取基平与中平同时测量的方式，两台水准仪同向同时观测一个水准尺，在两个水准点段间测完后，经过成果整理，计算读数差δh=σ后视-σ前视，δh小于2mm即满足规范要求。

实际上这种方式在每一测站，没有检查、复核，为误差的积累创造了条件，实践中就出现过按上述操作进行测量、计算，成果表面上满足要求，但是施工过程中，施工单位发现外业结果有差错，后经过复核补充测量成果证实，外业测量的结果不正确。

在工作中经常为了赶工程进度，不考虑气候条件，气温很高、风力较大的时候也坚持进行测量；仪器检校不按规定时间要求进行；嫌弃尺垫麻烦，不按规范使用尺垫，致使在测量过程中导致误差的出现。

3 水准测量的误差分析及控制方法在上述水准测量实施过程中，出现了较明显的误差或隐蔽性错误，直接影响了工程设计和施工。

为了保证应有的观测精度，有必要分析水准测量的误差，对测量误差产生的原因、性质及防止措施进行了解，以便将误差控制在最小程度。

下面就水准测量仪器误差、观测误差和外界条件的影响产生的误差原因与防范措施进行探析。

3.1 严谨做事、规范操作在水准测量工作中，应保持认真、严谨的工作作风，严格按操作规程观测，选用精密仪器，最好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法，成果整理精度要求按《工程测量规范》（gb50026-93）执行：三等水准测量，平地fh容=±12■mm、山地fh容=±4■mm；四等水准测量：平地fh容=±20■mm、山地fh容=±6■mm；图根水准测量：平地fh容=±40■mm、山地fh容=±12■mm。

3.2 仪器误差3.2.1 水准仪的望远镜视准轴不平行于水准管轴所产生的误差仪器虽在测量前经过校正，但仪器受震或使用日久，仍会存在残余误差。

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，这种误差与视距长度成正比。

观测时可采用前后视距相等（即“中间法”）观测可以消除其影响。

或者当某原因某一测站的前视（或后视）距离较大，那么就在下一测站上使后视（或前视）距离较大，使误差得到补偿。

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

3.2.2 水准尺误差本项误差包括尺长误差、分划误差和零点误差，直接影响读数和高差精度。

尺长误差较大的尺，对于精度要求较高的水准测量，应对读数进行尺长误差改正。

零点误差是由于尺底不同程度磨损而造成的，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3.3.1 符合水准管气泡居中的误差由于水准管内壁的粘滞作用和观测者眼睛分辨能力局限，使气泡未严格居中产生误差。

实践证明，水准管气泡居中的误差与水准管分划值τ有关，一般为±0.15τ，并与视线长d成正比。

由此看来，只要水准测量读数前，能够认真仔细将符合水准管气泡严格居中，且对视线长度加以限制，此误差便可以消除。

3.3.2 视差当存在视差时，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，避免在成像不清晰时进行观测（观测者上下移动自己的眼睛，读数不变即可），以之消除视差。

3.3.3 水准尺的倾斜误差水准尺倾斜会产生倾斜误差，水准尺左右倾斜，在望远镜中容易发现，可及时纠正。

但是，如果水准尺的倾斜方向与视线方向一致，则不容易察觉。

尺子倾斜会使尺上读数增大，其误差大小与尺的倾斜角和尺上读数的大小有关。

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。

读数误差为δ=h（1-cos？琢）。

当尺倾斜度？琢=3°，尺上读数h=2.0m时，δ=2.7mm，由此可以看出，此项影响是不可忽视的。

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。

最好使用尺上有圆水准器的尺子，使气泡居中。

尺子没有水准器时可采用摇尺法，即读数时尺底置于点上，尺的上端在视线方向前后来回摆动，当视线水平时，观测到的最小读数即为尺子扶直时的读数。

当地面坡度较大时，特别是在转点位置，尤其应注意将尺子扶直，并应限制尺的最大读数。

3.4 外界条件的影响导致的误差3.4.1 地球曲率和大气折光的影响地球曲率和大气折光的综合影响f，可以用公式f=（1-k）d2/2r表示，式中d为视线长，r为地球半径，k为大气折光系数，一般取k=0.14。

当d=100m时，f=0.7mm，说明在水准测量中，即使距离很短，也要考虑地球曲率和大气折光对读数的影响。

地球曲率和大气折光的影响可用“中间法”消除或削弱。

由于f值与距离的平方成正比，限制实现长度可以大大减少这种误差。

另外，要控制视线高度，视线离地面越近，折射越大，因此，视线距离地面不应小于0.3m。

精度要求较高的水准测量还应选择良好的观测时间，一般为日出后或日落前2小时（大气比较稳定），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。

3.4.2 大气温度和风力的影响大气温度的变化会引起大气折光的变化，以及水准管气泡居中的不稳定。

尤其是当强阳光照射仪器时，会使仪器各部件因温度的急剧变化而发生变形，水准管气泡会因烈日照射而缩短，从而产生气泡居中误差。

另外，大风可使水准尺竖直不稳，水准仪难以置平。

因此，在水准测量时，应随时注意撑伞，以遮挡强烈阳光的照射，并避免在大风天气观测。

3.4.3 仪器或水准尺下沉产生误差在观测过程中，如果仪器或尺垫安置在土质松软的地方，由于仪器的自重，随时会下沉或由于土壤的弹性会使仪器上升，使得读数减小或增大。

在松软的土地上，每一测站都可能产生这种误差。

如果往测上坡使高差增大？驻，则返测下坡使高差减小？驻，取往返高差平均数，可削弱其影响。

对于精度要求较高的测量，按“后、前、前、后”或“前、后、后、前”的观测程序，取高差平均值，也能削弱其影响。

因此，观测时选择坚实的地面作测站和转点，踏实脚架和尺垫，缩短测站观测时间，采取往返观测等，即可消除或减小此项影响。

4 结语水准测量是一项精确的工作，是由多人分工协作完成。

由于仪器构造不可能十分完善，观测者感官鉴别力的局限，以及观测时外界条件的影响等多方面的影响，测量成果中不可避免都带有误差。

要想减小测量误差，有效地把误差控制在精度要求内，必须做到在仪器选择上要选择精度较高的合适仪器并经常校检仪器；发挥好团队协作精神，配合默契，求真务实；提高测量员的工程测量水平，掌握正确的方法，规范操作，降低误差水平。