数字水准测量受外界环境影响分析及对策

数字水准测量受外界环境影响分析及对策

【摘要】简要叙述了数字水准仪的发展，原理，以及其在测量中的应用，主要论述了数字水准仪在观测过程中测量成果受环境的影响及其部分解决方法，以削弱误差，从而使得测量成果更加精确，以满足相关工程的需要。

【关键词】数字水准仪，高程，精度，水准测量

1.引言

随着工程建设技术的发展，对于测量的精度要求越来越高，特别是对于现在的大型或者特大型工程，要求更加严格。随着电子科学技术的发展，电子水准仪得到了迅速发展及应用，本文着重对电子水准仪测量受外界环境的影响进行分析，提出解决方案，以减弱其对测量成果的影响，并为以后的测量工作积累经验。

2.电子水准仪工作原理

虽然各厂家的仪器结构和条形码的编码方式不完全相同，但其基本测量原理相似：即采用编码标尺，仪器内装置图像识别器和图像数据处理系统，标尺用不同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置，人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（CCD）上，随后转换成电信号，经整形后进入模数转化系统（A/D），从而输出数字信号送入微处理器进行处理和存储，并将其与内存的标准码（参考信号）按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的读数。

3.水准测量受外界环境的主要影响因素

水准测量受外界影响的因素很多，主要归纳起来可以分为：温度的影响，大气垂直折光的影响，电磁场的影响等。

1）温度的影响

温度的变化对角的影响是极其复杂的，实验结果表明，当仪器周围的温度均匀地每变化1℃时，角将平均变化约为0.5″，有时甚至更大些，可达到1～2″。其变化情况详见图1：

图1 角随温度的变化情况

由于角受温度变化的影响很复杂，因而对观测高差的影响是难以用改变观测程序的办法来完全消除，而且，这种误差影响在往返测不符值中也不能完全被发现，这就使高差中数受到系统性的误差影响。

因此，减弱这种误差影响最有效的办法是减少仪器受辐射热的影响。观测时要打伞，避免日光直接照射仪器，以减小角的复杂变化；同时，在观测开始前应将仪器预先从箱中取出，使仪器充分地与周围空气温度一致。

2）大气垂直折光的影响

近地面大气层的密度一般随离开地面的高度而变化，也就是说，近地面大气层密度呈梯度变化。因此，光线在通过不断按梯度变化的大气层时，会引起折光系数的不断变化，导致视线成为一条各点具有不同曲率的曲线，在垂直方向上产生弯曲，并且弯向密度较大的一方，这种现象叫大气垂直折光。其示意图如图2所示

图2 大气垂直折光示意图

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，使视线弯曲的程度相同，因此，在观测高差中就可以消除这种误差的影响。但是由于接近地面的大气层，密度的梯度越大，前后视距离地面的高度不同，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。如水准测量通过一个较长的坡度时，由于前视线离地面的高度总是大于（或小于）后视线离地面的高度，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，折光将对高差产生系统性影响。为了减弱垂直折光对高差的影响，应使前后视距尽量相等，并且使视线离低迷那有足够的高度，在坡度较大的水准路线上进行作业时应适当缩短视距。

另外大气密度的变化还受温度等因素的影响，折光影响是精密水准测量的一项重要误差来源，它的影响处决于气象条件，水准路线所处的地理位置和自然环境，观测时间，视线长度，观测高差以及视线离地面的高度等诸多因素有关。

3）电磁场对水准测量的影响

在国民经济建设中敷设大功率、超高压输电线，为的是使电能通过空中电线或地下电缆向远距离输送。根据研究发现输电线经过的地带所产生的电磁场，对广西，其中包括对水准测量视准线位置的正确性有系统性的影响，并与电流强度有关。输电线所形成的电磁场对平行于电磁场和正交于电磁场的视准线将由不同影响，因此，在设计高程控制网布设水准路线时，必须考虑到通过大功率、超高压输电线附近的视线直线性所发生的重大变形。

电磁场对水准测量的影响图表说明

近几年来初步研究的结果表明，为了避免这种系统性的影响，在布设与输电线平行的水准路线时，必须使水准路线远离输电线50m以外，如果水准路线与输电线相交，则其交角应为直角，并且应将水准仪严格地安置在输电线下方，标尺点与输电线成对称布置，这样，照准后视和前视水准标尺的视准线直线性的变形可以相互抵消。

4.实例分析

高铁沉降观测是高铁测量任务中的一项重要任务，通过测量量水准点之间的高差与前期的高差相比，然后对比分析以确定高程控制点是否发生显著沉降，对后期施工是否会有影响。其测量精度要达到二等水准的精度。作业过程按照二等水准测量要求进行。其精度要求如表1所示：

表1 二等水准测量精度要求（单位：mm）

二等水准测量测站作业过程中视线长度、前后是视距差、视线高度等按表2规定执行。

表2测站视线长度(仪器至标尺距离)、前后视距差、视线高度规定

表3为某高铁项目部沉降观测的部分测量成果：在测量过程中采用高精度数字水准仪进行观测，自动记录观测数据，采用往返观测的方式，每观测2km 左右与二等水准点进行联测一次。其测量方法按二等水准要求进行：晴天观测时应给仪器打伞，避免阳光直射；扶尺时借助尺撑，使标尺上的气泡居中，标尺垂直。每次作业前，先把仪器箱打开二十分钟，使仪器和环境温度一致；观测时，按后一前一前一后，前一后一后一前的顺序进行，每一测段均为偶数测站。各种限差要求按国家二等水准测量规范执行。各种测量参数设置严格按照表2中二等水准参数进行。

表3 部分测量成果表

由于本次测量周边没有高压电线和电缆，故其对数字水准仪的影响不能体现在此也不再具体实验。在消弱大气垂直折光影响的后，将表3中10月20日观测的数据与10月23日观测的数据对比明显可以看出对于测量成果影响因素主要是温度的影响。对于其他一些影响因素可以通过一定的方法进行消弱，在此不进行讨论。

5.结论

对水准测量精度的影响因素很多，只要对产生误差的原因进行分析，对作业过程中可能的影响因素进行分析、研究，并采取一定的方法加以控制，以削弱这种误差的影响。在测量过程中一定要严格执行规范，各测量人员应该要相互配合好。由于水准测量影响因素很多，在此不再一一论述。

【参考文献】

[1]国家一、二等水准测量规范：GB 12897—91.

[2]王佩贤、张国卿等.大地测量学基础[M] .北京：煤炭工业出版社，2007.

[3]胡振琪、余学祥等.应用工程测量学[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。