河北省水利水电勘测设计研究院 河北石家庄 050081
摘要：水准测量因其操作简便、精度较高等优点，被广泛应用于工程建设、楼体监测、地表形变沉降等诸多方面，利用水准仪观测断层两侧高程变化是地震形变监测的重要手段之一，但水准测量过程中，其数据精度质量与水准尺的竖直程度密切相关。本文以水准尺常用地圆水准器检测为例，探究水准尺的倾斜对水准高程测量结果的影响，并提出减少误差影响的相关建议，提高观测精度，获得准确的形变信息。
关键词：水准尺倾斜；圆水准器；测量精度
引言
在测绘技术日益成熟的今天，测量高程已经有了GPS高程、三角高程测量、摄影测量与遥感等诸多方法，但目前还不能够完全取代水准测量，水准测量仍是获取未知点高程的主要方法。在水准测量过程中，水准尺的竖直是水准测量精度的保证。然而在水准尺的存放、运输和使用过程中，由于不可避免的磕碰、震动等因素，指示水准尺竖直的圆水准器的稳定状态必然会发生变化。久而久之，圆水准器将无法正确指示水准尺的竖直，导致水准尺倾斜，为水准测量引入系统误差。此外，由于客观因素，特别是当水准尺为较为沉重的铟钢尺或玻璃钢尺时，扶尺人员也不能将水准尺完全立直，其间必然存在一定的倾斜。水准尺的倾斜表现为2个方向的倾斜：沿尺面方向的倾斜（在这里称为“横向倾斜”）和垂直于尺面方向的倾斜（在这里称为“纵向倾斜”）。本文将介绍一种检校水准尺圆水准器的方法，探讨这2种倾斜间的联系，分析它们对水准测量精度的影响程度，并提出削弱这种误差的措施。
1检校圆水准器的方法
如图1所示，在相距50m左右的2点分别架设水准仪，安置水准尺，并使水准尺的中线或边缘与目镜中的竖丝完全重合。如果水准气泡在OA方向偏离，则用改正针调节圆水准气泡，使其完全居中；如果水准气泡仅在OA′方向偏离，则无需调节。将水准尺转动90°，使水准尺侧面朝向水准仪。如果水准尺气泡偏离，则继续调整。如此重复检校，直到水准尺气泡完全居中。另外，也可以使用全站仪代替水准仪检校，2点间的距离也可以相应地大幅缩短。检校过程中，先将全站仪置平，拨动全站仪的水平制动螺旋，固定水平度盘，仅使照准部能在竖直平面内转动。同样使用目镜中的竖丝来指示水准尺的竖直。当目镜中不能显示水准尺的全部时，仅需上下转动照准部即可。
图1圆水准器检校示意图
2水准尺倾斜带来的影响
2.1水准尺倾斜方向对测量精度的影响
水准尺在发生倾斜中有两种情况，一种是平行于刻度面的横向倾斜；另一个是垂直于刻度面的纵向倾斜。在平行于刻度面的横向斜中，水准仪照的位置是水准尺的A点上，这个时候的读数是OA的距离，代表的是视线的高。但是在实际的距离中视线高应该是OB的距离，这个时候产生的差，形成的原因是水准尺的倾斜造成。把造成这种误差记录为Δ。垂直于刻度面的纵向倾斜中，水准仪的读数为OA，但是这个视线高也不是正确的，实际的视线高应该是OB之间距离。当水准尺长度固定时，由于水准尺的倾斜造成的测量视线产生的误差，仅与水平尺偏离竖直方向的读数和距离有关系，得出的结论是和水准尺的倾斜方向没有关系，即在倾斜的角度和读数一定时，水准尺无论朝向如何，其因倾斜造成的测量视线高差都是相等的。
2.2水准尺倾斜对单个测量站测量视线高的影响
根据国家的《国家一、二等水准测量规范》中，要求二等水准测量中，测量的视线高不低于0.3m，且小于2.8m，因此按照普通尺长为2m和3m，偏离距离是1cm、2cm和4cm，根据这些数据来计算，就可根据上面的关系式得出Δ的数值。在《国家一、二等水准测量规范》中规定，二等水准测量单位测量单个测量站中基辅划分度数的误差不能超过0.4mm。因此根据这个规定，由于水准尺倾斜造成的视线高误差不能超过0.4mm。只有在严格的控制住水准尺的倾斜程度，使其偏离的值尽量缩小，最好是小于2cm，控制读数的最大值，就可有效减少这样的误差。
2.3水准尺倾斜对水准测量结果的影响
如图3所示为一段水准路线，hAB′＝a′－b′＝HB－HA.其中，hAB′为由此算出的高程，a′为后视读数，b′为前视读数。A点读数a′＝a＋Δa.a为A点真实视线高，Δa为水准尺倾斜造成的测量视线高的误差。B点读数b1′＝b1＋Δb1，b2′＝b2＋Δb2（b1为前一测站B点真实视线高，b2为后一测站B点真实视线高，其他字符含义同前）。C点读数c1′＝c1＋Δc2.于是，hAB′＝（a＋Δa）－（b1＋Δb1），hBC′＝（b2＋Δb2）－（c1＋Δc2）.hAC′＝hAB′＋hBC′＝（a－b1＋b2－c）＋（Δa－Δc1）＋（Δb2－Δb1）＝hAC＋（Δa－Δc1）＋（Δb2－Δb1）.（2）从前一测站至后一测站，后尺从A点移至C点作为下一测站的前尺。由于立尺时使用圆水准器来指示水准尺的竖直，所以A，C2点水准尺倾斜程度（ls）大致相等。在地势较为平坦的情况下，A，C2点读数也大致相同，由式（1）可知，Δa与Δc1）大致相等。又因为Δb1与Δb2大致相等，所以（Δa－Δc1）与（Δb2－Δb1）接近于0.由式（2）可知，hAC′便极大程度接近真实高差hAC.从以上对2个测站间的高差的分析可知，偶数站有效减少了水准尺倾斜对测量结果的影响。需要注意的是，当地势起伏较明显时，Δa与Δc1，Δb1与Δb2可能相差较大，（Δa－Δc1）与（Δb2－Δb1）不一定非常接近于0，设置偶数个测站虽不能完全消除水准尺倾斜对水准测量成果的影响，但仍是减弱其影响的一个有效方法。
图3水准路线示意图
结语
综上所述，在水准仪测量中水准尺的倾斜带来的影响主要包含两方面，即为水准尺倾斜方向对测量精度的影响、水准尺倾斜对单个测量站测量视线高的影响。同时对影响水准测量精度原因分析中，针对仪器下沉、温度影响，仪器自身系统误差等因素提出了解决办法。根据水准测量的原理，有效规避上述误差影响因子，降低对水准观测高程的影响权重，有助于提升地形变沉降测量的数据质量，提高数据资料质量。
参考文献：
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[3]肖腾飞，熊志强.水准尺倾斜对水准测量精度的影响[J].科技与创新，2017（11）.
论文作者:董晓倩
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第6期
论文发表时间:2019/10/15
标签：水准论文; 测量论文; 读数论文; 水准器论文; 误差论文; 高程论文; 视线论文; 《建筑细部》2019年第6期论文;