上海市地质调查研究院 200072
摘要：水准测量是确定地面高程最基本的一种测量方法，一、二等水准测量在研究控制上海市地面沉降方面发挥了积极作用。随着上海城市建设发展规模的扩大，地下空间的开发，以及对地下水的限量开采和高层建筑物的日益增多，工程建设的地面沉降效应逐渐凸显，工程性地面沉降已成为上海市地面沉降的主要影响因素。
关键词：地面沉降；测量误差；误差分析；精度控制
1 前言
目前我们所进行的一、二等精密水准测量，主要是为研究和控制上海市地面沉降工作，以及上海市城市重点工程而开展的。上海地处长江三角洲前缘，地势低平，第四纪地层深厚，地质环境相对脆弱。自上世纪初发现地面沉降现象以来，地面沉降问题日渐突出，给城市正常生活造成了严重危害。
半个世纪以来，一、二等水准测量在研究控制上海市地面沉降方面发挥了积极作用。随着上海城市建设发展规模的扩大，地下空间的开发，以及对地下水的限量开采和高层建筑物的日益增多，工程建设的地面沉降效应逐渐凸显，工程性地面沉降已成为上海市地面沉降的主要影响因素。
2 水准测量误差分类
在上海这一特大城市地区进行一、二等水准测量，面对纷繁复杂的测量环境时，我们要树立正确的唯物主义思想观。在尊重客观事实的基础上，对测量中的某些误差因素，要以科学的态度避虚求实，认真分析研究，总结出测量过程中各个环节的规律性，发现问题及时采取措施。
以下对我们在一、二等水准测量过程中存在的一些问题展开讨论；
一、二等精密水准测量是一个很严密的系统，在这个系统中，测量环境、人员、以及仪器设备等，任何一个环节误差的产生都将影响整个系统。按照观测误差的性质和特征，分为系统误差和偶然误差两种。
2.1 系统误差：
在相同的观测条件下，作一系列的观测，其误差常保持同一数值，同一符号，其误差遵循着一定的规律变化，凡具有这种性质的误差称为系统误差。这种误差是由于仪器构造的某些缺陷或检查校正不严格而产生的，误差的变化具有规律性，采用正确的观测方法可以消除。
例如：一、二等精密水准测量时，采用前后视距离相等，就可以消除照准轴不平行于水准轴所引起的标尺读数误差对高差的影响；经纬仪测角采用正倒镜观测，就可以消除照准轴不平行于水平轴所产生的误差对水平角的影响；
2.2 偶然误差：
如果观测误差在大小（绝对值）和符号（正负）上均不表示出一致性，不能按观测顺序得出一定的规律，这种性质的误差称为偶然误差。其产生原因很多，如自然条件变化，仪器构造不精确及校正不能达到理论上的条件，人的感觉器官所不能避免的误差，甚至观测者操作的熟练程度和工作情绪好坏（国家一、二等水准测量规范——观测员情绪不稳定应停测）等，都会影响观测结果而产生偶然误差。这些影响可能是个别的或同时的出现，偶然误差也可能在不同程度上相互抵消。
2.3 仪器误差
随着科学技术的进步，测绘仪器也进入了一个快速发展的过程。由低级向高级、由机械结构向电子结构的过程发展，水准仪也经历了这一个发展过程。同时，测绘仪器的技术发展又进一步提高了测量的精度。但是，任何测绘仪器除了构造上的某些缺陷和适用范围外，都会产生一定的误差。主要是以下两种误差：
2.3.1 i角的误差
比如；水准仪在一定温度下经过了i角的校正，基本消除了照准轴不平行于水准轴所引起的标尺读数误差。仍会存在残余误差，当i角校正时间的温度与测量时间的温度有较大变化时，仪器的照准轴不平行于水准轴所引起的标尺读数误差也同时变化。这种误差与视距长度成正比。设后视和前视的i角分别为i1和i2 视线长度分别为D1和D2，如图1，则有：
δ1=（i″1/ρ″）* D1
δ2=（i″2/ρ″）* D2
a′=a+δ1
b′=b+δ2
由观测值算得h为：
h= a′- b′=（a-b）+ （i″1/ρ″）* D1-（i″2/ρ″）* D2
一般情况下，基本上则为：
h=（a-b）+ （ D1- D2）* i /ρ″
所以，为了i角误差尽可能小一些，D1-D2应尽量小。即前后视距尽量相等。以减小i角影响。
2.3.2 标尺误差
标尺误差主要表现在三个方面：
a) 标尺尺面弯曲或标尺尺面与铅垂线方向不一致
如果标尺尺面弯曲或标尺尺面与铅垂线方向不一致，在水准测量过程中观测的读数比真实读数偏大，所产生的读数误差为Δa=a(1-cosy)。其误差的值与视线高成正比。
地铁区间的水准路线测量，以及地铁车站与地面之间的水准路线测量，因前后视视线高的差距极大所产生的系统误差尤其明显。其误差在测段内无法消除，以至造成环线精度降低或超限，对于这些误差我们在精密水准测量中很容易忽视。
解决方法：
选择一对零点不等差及基辅分划读数差较小的水准标尺，检查标尺尺面是否平直，校验标尺圆汽泡，其标尺与铅垂线方向一致时圆汽泡居中。测量过程中应经常检查标尺圆汽泡，使其圆汽泡处于正确状态。
b)标尺底部水平不一致
标尺底部水平不一致，是指标尺底部前后、左右边缘与中心部位之间的误差。在本测站内观测容易产生基辅差和高差之差，转点后的观测又容易产生转点误差。这些误差中有系统误差和偶然误差，尤其是系统误差对测量精度影响最大。
解决方法：
3 技术规范及作业精度指标
严格按照国家一、二等精密水准测量各项技术要求执行，依据的技术规范和标准有：
《国家一、二等水准测量规范》 GB/T 12897—2006
《地面沉降水准测量规范》 DZ/T015—95
《工程测量规范》 GB500026—2007
3.1 水准测量的精度
测量精度估算的目的在于：一是对水准测量精度作出评定，二是给水准网平差提供确定路线权的参考数据。因此，在水准测量中进行必要的精度估算是不可缺少的
我们知道影响水准测量精度的因素很多，且其性质和变化规律又是复杂的。其中一个难题是成果的分群现象：往返测之差大大超限，经多次重测还是不合，且有往测与往测，返侧与返侧十分接近的现象，这种现象客观存在，但不能用目前对误差来源的认知加以解释。因此，我们的臆测必定存在与自已所知误差来源无关的一种或多种物理现象，严重地干扰水准测量成果。
同时，影响水准测量中大部分偶然误差都能反映在短距离的往返不符值里，即使是系统误差，在长距离中也不可能总是保持同一符号和大小，即也有其偶然性一面。可以认为水准测量误差的系统性是相对的，偶然性则是绝对的、普遍的。因此利用测段的往返测不符值推求水准测量每公里的全中误差（即偶然误差和系统误差的综合影响），又在一定程度上可以反映水准测量误差的实际情况。
每公里水准测量的偶然中误差 和每公里水准测量的全中误差 一般不得超过表1规定的数值。
在沉降点上转点。
2.4 距离误差
一、二等水准测量的精度是建立在前后视距离相等的基础上。由于水准仪客观上存在一定的照准轴不平行于水准轴所引起的标尺读数误差，即使水准仪的i角已经校正到很小也会产生微小误差。同时，测量过程中的水准仪i角是随温度的变化会产生读数的变化，变化产生的测量误差是与前后视距离累计差成正比，其误差为系统误差，误差主要影响高差的变化。此外，因测站前后视距离不等而改变调焦透镜的运行距离也会产生i角的变化。
解决方法：
测量前，对水准仪i角进行校正，以消除照准轴不平行于水准轴所引起的标尺读数误差。测量时，水准仪的两脚架置测站的前后视连线上，量取测站的中心，移动左右脚架使仪器基本整平，距离路口及转弯处仪器与尺垫应置放在标志中心。前后视观测时严禁改变调焦透镜。临近水准点时，量距人员应提前两个测站，从水准点倒量距离至直线上。过河时的观测，如环境限制造成本测站前后视距不等，可以在下一个测站或若干个测站间消除前后视距不等的误差，确保测段结束时前后视距累计相等。水准线路内的沉降点测量，沉降点应在测站水准路线的前后视范围内完成，决不能贪图方便，无限制的观测超出测站以外的沉降点。分层标测量应固定测站，后视点与各观测点之间尽可能保持相等，如条件所限各观测点距离与后视点距离应控制在2倍以内。
F——环线长度, km;
R——检测测段长度, km。
每完成一条水准路线的测量,须进行往返测高差不符值及每公里水准测量的偶然中误差MΔ的计算(小于100km或测段数不足20个的路线,可纳入相邻路线一并计算)。
每公里水准测量的偶然中误差MΔ按以下公式计算:
MΔ =±
式中:Δ——测段往返测高差不符值,mm ；
R——测段长度,km
N——测段数。
每完成一条附合路线或闭合环线的测量,须对观测高差应加入下列改正。
a.水准标尺长度误差改正；
b.水准标尺温度改正；
c.正常水准面不平行的改正;
d.重力异常改正；
e.日月引力改正;
f.环线闭合差的改正。
然后计算附合路线或环线的闭合差,当构成水准网的水准环超过20个时,还需按环线闭合差W计算每公里水准测量的全中误差Mw。
每公里水准测量的全中误差Mw按以下公式计算:
MW=士
式中:W——经过各项改正后的水准环闭合差,mm;
F——水准环线周长,km；
N——水准环数。
必须指出，用上述两个公式估算水准测量每公里偶然中误差和全中误差，由于环线闭合差还有重力异常的影响和水准标尺一米真长误差的影响，所以估算结果总是偏大。
4 结语
综上所述：在精密水准测量过程中，存在着各种误差，这些误差经常绞织在一起。系统误差中存在着偶然误差，偶然误差中包含着系统误差。在这个系统中，除了仪器设备外，人的因素是决定作用。在外业测量中，仪器操作员在测量过程中应严格执行国家测量规范，要对测量环境的各种变化情况和每个环节作出正确的判断。对测量数据要有一个客观的态度进行科学分析，不能凭主观臆断。发现问题时要找出问题的规律性，在尊重客观事实的基础上，采取正确的措施和方法。解决测量中的主要矛盾，才能提高测量精度。
参考文献:
[1] 《国家一、二等水准测量规范》 GB/T 12897-2006[S].
[2] 《地面沉降水准测量规范》DZ/T015—95
[3] 《工程测量规范》GB500026—2007
[4] ZD A75001《测绘技术设计规定》
论文作者:王远
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/25
标签：误差论文; 测量论文; 水准论文; 标尺论文; 读数论文; 视距论文; 地面论文; 《基层建设》2017年4期论文;