浅谈水准测量技术在工程中的应用

张保勋 王昆仑

摘要：随着先进的科学技术的进步，测绘新技术及测量仪器开始变得越来越精密。在测准地面点的高程上的方法开始被 GPS 的水准代替，实践中，在确定绝大多数高等级地面控制的高程依然使用着精密的水准测量。为了能够有效地提高实践中精密水准的测量精度。为了提高精密水准测量的精度，本文结合案例，对水准测量的技术方法进行探讨。

关键词：水准测量；精度分析；应用

中图分类号：TU74 文献标识码：A

随着我国经济的高速发展，国家及民间企业开始加大对基础设施的投入，这将加大了对测绘技术的运用。随着先进的科学技术的进步，测绘新技术及测量仪器开始变得越来越精密。现今，在测准地面点的高程上的方法开始被 GPS 的水准代替，实践中，在确定绝大多数高等级地面控制的高程依然使用着精密的水准测量。为了能够有效地提高实践中精密水准的测量精度。

1 水准测量的原理

水准测量一般运用水准仪所供应的水平视线，在借助带有分划的水准尺，按照实践步骤，直接地测出地面上的两点之间的高度差，而后根据已经知道的点高程和测得到的高度差，这样就能够推算出另外一个未知点的高程。如图 1，在一个崎岖的地面点选区 A、B 两点，而后竖立一个水准尺，运用水准仪所提供的水平的视线，在选取尺上的读书a、b，这样就可以得到 A、B 两点间的高度差 hAB为：a-b

图1 水准测量原理

2 水准测量中的关键事项

（1）水准仪在投入作业前一定要按规定项目进行检验，尤其是视准轴与水准轴相互关系的检验，即i 角的检验。i 角不大于20 秒且较稳定的水准仪满足三，四等水准测量的要求，水准标尺按相应等级水准测量配置，木质水准尺要求平直，没有变形，尺长改正小于每米0.5 毫米，标尺上的圆气泡经校正完好，能保证标尺垂直竖立，水准尺能否竖直对水准测量非常重要。

（2）严格掌握观测时间，在气象条件允许的情况下作业。读数时成像清晰稳定，没有视差。大气折光对光线的影响会引起视线弯曲，从而导致读数误差，这种误差一般不易察觉。为避免折光误差，晴天日出，日落前后半小时，中午1.5 小时内不宜作业，有时因任务紧急，可适当缩短视距，保证读数清楚，准确。

（3）水准测量需集体配合，观测员与记录员、立尺员三者缺一不可，立尺员立尺时要注意水准尺上的气泡居中，用眼睛的余光注意观测员的手势，随时准备调换红黑尺面，熟练的观测者准确读数需几秒。前后尺视距尽量保持相等，由于地形起伏，不好做到视距相等时，记录员应适时告诉立尺员调整前后视距，在上点前，前后视距累积差趋于0。需根据不同测量等级来分析。

3 工程概况

某工程项目测区全长120 km，全线共布设CPⅠ控制点30个，CPⅡ控制点220个，水准点62个，其中水准点和CPⅠ、CPⅡ控制点共桩，点位选设均匀，点间距为1～2 km，联测4个高等级水准点，按照四等水准测量的技术要求施测，其中高程控制点布设示意图如图2所示。

图2 高程控制点布设示意

测区大部分位于丘陵地带，地形起伏较大，且沿线果园、树木众多，正值夏季，树叶茂密，道路也崎岖复杂，这些都给水准测量工作带来了较大的影响，因此必须对全线水准测量进行精度控制，以确保测量成果的质量满足后续施工、运营、监测要求。

4 影响水准测量精度的因素

4.1仪器误差

仪器误差主要有水准仪i角误差，水准尺变形和水准尺底零点不准引起的误差。其中视距累计差对i角的影响而引起的高差变化较大。

i角对高差的误差影响会随着一个测站上前后视距差或者测段前后视距累计差增大而增大。因此，实际作业过程中，应该使用校核合格的仪器，同时要控制好一个测站上前后视距差和测段的前后视距累计差。

4.2 外界条件的影响

主要有温度变化对i角及水准气泡的影响、仪器和水准标尺垂直位移的影响、风速对水准仪器和水准尺的影响、大气垂直折光的影响。

其中三脚架和尺垫沉降随着观测时间在垂直方向的下沉是精密水准测量中系统误差的重要来源，采用 “前后后前、后后前前”的观测顺序可将此类误差消除。水准尺垂直位移，主要发生在迁站过程中，由原来的前视尺转化为后视尺而产生下沉，总是后视读数偏大，使各测站的观测高差都偏大。这种误差影响在往返测高差的平均值中可以得到抵偿。

大气垂直折光的影响: 接近地面的大气层，密度的梯度越大，前后视线离地面的高度不同，视线所通过大气层的密度也不同，折光影响也就不同。大气密度的变化还受温度等因素的影响，测量规范中规定每一测段的往返测应分别在上午和下午( 避开日出、日落、中午) ，往返测取均值可适当减弱其影响。

4.3 观测误差和人为因素的影响

观测误差和人为因素主要有读数、记录误差，外业测量人员水准尺扶不直而造成的误差和照准水准尺上的分划误差，其中因为外业测量人员水准尺扶不直而造成的误差对观测成果的精度影响比较大，人为因素主要指在数据处理过程中平差方案的选择和平差参数的设置等。

5 水准测量具体实施和精度控制办法

该项目水准测量采用天宝和徕卡的S03电子水准仪及配套的3m 条码尺，分四个小组同时进行作业。为了控制好水准测量精度，按时完成测量任务，在实施过程中采取了以下措施。

5.1制定详细方案

根据水准测量人员的技术水平、新仪器的使用方法，进行有针对性的培训。根据各种误差的性质及其影响规律，在测量中采取相应的措施来尽可能地减弱或消除各种误差对观测成果的影响，如观测前30 min，应将仪器取出置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致; 每一测段均应安排偶数站测量; 每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准标尺应互换位置，并重新整平仪器。

根据需要联测的已知水准点位置和待测水准点的位置、自然地理条件、沿途的交通情况等，制定详细的观测方案。方案主要包括设计外业观测的水准路线，具体测量人员安排，统一待测点、转点、间歇点的命名规则，对外业测量的技术指标进行落实等，外业测量的技术指标见表1。

表1 水准观测主要技术要求

5.2 强调水准尺的扶直

在实施外业测量时，作业人员相互之间利用对讲机做好联系和沟通，尤其是要避免出现后视转点提前移动的情况; 操作仪器时，使用木质三角架，要避免观测顺序的错误而产生的粗差。

扶尺者要选择坚实的地方放尺垫，并且要踩实尺垫，尤其在下雨过后，更应将尺垫踩实，在扶尺时集中精力，用好尺撑，使尺子能稳定的竖直。在因风大尺子不稳的情况下，应通知照准者暂停观测。

5.3 数据平差

根据天宝电子水准仪的原始数据特点，将测站和测段数据从原始观测文件中提取出来，并按照统一命名规则来整理和存档; 安排具体人员对数据进行检查，剔除粗差，然后合并测站，得出测段数据; 制定数据初步统计表格，将检查无误的测段数据统计到表中，统计表格样式如表2 所示。

表2 数据初步统计

在往返测高差不符值及附合水准路线闭合差均不超限的前提下，将经过预处理的数据导入到COSA 平差软件中，采用“沉降监测和等级水准测量观测数据处理软件”进行数据后处理。最后得到的结果如表3所示。

表3 平差成果

6 结论

对影响水准测量精度的原因进行了深入的分析，在该铁路项目高程控制测量具体实施过程中，采取相应的对策，降低系统误差，减少偶然误差的影响，消除了粗差，控制好了测量精度，最后得到合格的测量成果。

参考文献

[1]张莉，齐维君，方爱平，数字水准仪误差源及检定方法初探[J].测绘通报，2005(9).

[2]王建华.精密水准测量中的重力异常改正[J].大地测量与地球动力学,2009(11).

［3］薛志宏.数字水准仪的原理、检定及应用研究［D］.郑州: 信息工程大学， 2002．

［4］GB /T12898—2009 国家三、四等水准测量规范［S］