论水准测量误差的来源及控制
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摘要：水准测量是采用几何原理，利用水平视线测定两点间高差，工程测量过程中会出现各种各样的误差。本文首先概括了水准测量的工作原理，紧接着分析了水准测量误差的来源因素，并提出了一些控制方法。
关键词：水准测量、工作原理、误差、来源、控制
一、引言
20世纪80年代以来出现许多先进的地面测量仪器，为工程测量提供了先进的技术工具和手段。先进的技术工具和手段的出现，改变了传统的工程控制网布网、地形测量、道路测量和施工测量等的作业方法，为工程测量向现代化、自动化、数字化方向发展创造了有利的条件。高程测量是测量任务中的一部分。其中，水准测量是高程测量中精度最高、用途最广、一种普遍采用的测量方法。
二、水准测量工作原理
水准测量的原理是利用水准仪提供的一条水平视线，测出两地面点之间的高差，然后根据已知点的高程和高差，推算出另一个点的高程。已知地面上A点的高程为HA，欲测定B点的高程HB，需要先测出A、B两点问的高差HAB，为此在A、B之间安置一台水准仪，再在A、B两点上各竖立一根水准尺。根据仪器的水平视线，分别读取A、B尺上的读数a和b，则B点对于A点的高差为：HAB=a-b。如果水准测量是由A到B进行的，则A点尺上的读数称为后视读数，记为a；B点为待定高程点，B点尺上的读数称为前视读数记为b；两点问的高差等于后视读数减去前视读数，即HAB=a-b。若a大于b，则高差为正，B点高于A点；反之高差为负，则B点低于A点。因为水准仪提供的水平视线可认为与大地水准面平行，水准测量是采用几何原理，利用水平视线测定两点问高差。
三、水准测量误差的来源及控制
1、仪器误差
1）视准轴与水准管轴不平行的误差
仪器虽在测量前经过校正，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。
2）水准尺的误差
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。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。
2、观测误差。
1）符合水准管气泡居中的误差
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面，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，根据人公式m=0.1•τ•S/ρ，因此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，此误差可消除。
2）视差的影响
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。
3）水准尺的倾斜误差
如果是向视线的在右倾斜，观测时通过望远镜十字丝很容易察觉。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(即视线距地面主高度)有关。尺的倾斜角越大，对读数的影响也越大；尺上读数越大，对读数的影响就越大。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、外界条件的影响
1）气差对观测的影响
大气折光差相对复杂，比较难以掌握，难以建立模型，难以定量计算，是影响三角高程误差的主要来源。三角高程测量中大气折光的影响，主要是因为空气密度不均匀造成的，我们从空气密度变化的三种可能情况进行讨论：一是理想状态下的空气密度均匀，观测视线不产生折射，对垂直角没有影响，也就是对三角高程测量的高差没有影响，这种理想状态几乎不存在。二是相对理想状态下空气密度均匀变化，观测视线产生的折射呈弧型变化，对向观测的垂直角，其中一个方向的数值偏大、另一个方向的数值偏小，理论上两个数值大小相等，符号相反，对向观测高差取中数后能够相互抵消，类似这类误差能够消除不少。三是空气密度变化不均匀时，观测视线产生折射。此时视线呈正弦变化，对向观测的垂直角都是向大或小变化，取中数也不能消除折光的影响。类似这种情况也较多，特别是上坡或下坡，是高差测量中对高差影响最大和最主要的因素，怎样处理这种情况是提高三角高程测量精度的关键。为了保证观测的精度，对向观测高差较差不应大于±40Dram。因为地面附近空气密度变化较大，视线离地面越近，影响越大，应尽可能提高视线高度，选择有微风的天气观测，并尽可能在9点至15点之间观测，以便减弱大气折光影响。对向观测时，如果发现对向观测的高差较差的l／2与理论计算的大气折光差差别较大时，应选择合适的时间再次观测。如果对向观测的地形是上下坡时，出现第三种情况的可能性较大，重测不会有多大变化，应尽量在上下坡时缩短测距边，根据实际经验测距边不应超过600米。经过多次实践证明，按上述要求对向观测后，距离在l000米以内时，大气折光精度能够达到4毫米以下。
2）温度对仪器的影响
温度会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件（物镜，十字丝和调焦镜）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。
3）仪器下沉的影响
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、后、前、前”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。
四、结束语
总之，水准测量是测量中的一个需要频繁操作的工作。在测量中操作熟练，认真细心，反复校核，才能提高观测的速度，将测量误差会减小到最低。水准测量成果的精确与否，直接影响到工程的质量。所以，我们要熟练掌握技术，把水准测量的误差降到最小，做到精益求精，以更好地为工程服务。
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