濮陽(yáng)市地面沉降觀測(cè)誤差分析

姜 川，吳遜來(lái)

(1.河南省地礦局水文一隊(duì)，河南 鄭州 450045;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450045)

濮陽(yáng)市地面沉降觀測(cè)誤差分析

姜 川1，吳遜來(lái)2

(1.河南省地礦局水文一隊(duì)，河南 鄭州 450045;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450045)

從精密水準(zhǔn)測(cè)量所采用的儀器、作業(yè)過(guò)程、外界條件等幾個(gè)方面，分析了這次濮陽(yáng)市地面沉降測(cè)量中各種誤差對(duì)觀測(cè)成果精度的影響，并在此基礎(chǔ)上，提出了如何減弱這種影響的相應(yīng)措施。

沉降觀測(cè);系統(tǒng)誤差;改進(jìn)措施

為了查清濮陽(yáng)市規(guī)劃區(qū)因大量采用地下水而導(dǎo)致城市地面沉降幅度的大小，我院依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》GB50026－2007，組織并完成了本次城市地面沉降觀測(cè)，測(cè)區(qū)位于濮陽(yáng)市城區(qū)，根據(jù)實(shí)際情況，水準(zhǔn)路線為一閉合環(huán)，路線總長(zhǎng)度約45 km。

在實(shí)際操作過(guò)程中，存在即測(cè)量?jī)x器誤差、觀測(cè)者受身理?xiàng)l件限制而造成的人為誤差以及外界條件的影響，按其對(duì)觀測(cè)成果影響的性質(zhì)來(lái)考慮，測(cè)量誤差又分為偶然誤差與系統(tǒng)誤差兩類(lèi)，隨著高精度電子水準(zhǔn)儀的問(wèn)世，使得精密水準(zhǔn)測(cè)量工作的自動(dòng)化程度大大提高，同時(shí)基本上克服了過(guò)去水準(zhǔn)觀測(cè)過(guò)程中所存在的人為誤差，使水準(zhǔn)測(cè)量的精度有了明顯提高，偶然誤差對(duì)測(cè)量成果的影響與系統(tǒng)誤差相比，已處于次要地位。因此，從誤差理論的角度來(lái)看，要進(jìn)一步提高地面高程點(diǎn)的精度，就需要對(duì)精密水準(zhǔn)測(cè)量中存在的各項(xiàng)系統(tǒng)誤差進(jìn)行研究分析，根據(jù)其對(duì)觀測(cè)成果的影響規(guī)律，提出減弱或消除系統(tǒng)誤差影響的措施。

1 本次地面沉降中的系統(tǒng)誤差

在本次水準(zhǔn)測(cè)量中存在的系統(tǒng)誤差很多，現(xiàn)就幾種主要的系統(tǒng)誤差加以探討分析。

1.1 水準(zhǔn)面曲率及大氣折光的影響

用水平面代替水準(zhǔn)面對(duì)高程的影響，可以用公式Δh=D2/(2R)表示，地球半徑 R=6 371 Km，當(dāng) D=75 m時(shí)，Δh=0.44 cm;當(dāng) D=100 m 時(shí)，Δh=0.08 cm;當(dāng) D=500 m 時(shí)，Δh=2 cm;當(dāng) D=1 Km 時(shí)，Δh=8 cm;當(dāng) D=2 Km 時(shí)，Δh=31 cm;顯然，以水平面代替水準(zhǔn)面時(shí)高程所產(chǎn)生的誤差要遠(yuǎn)大于測(cè)量高程的誤差。所以，對(duì)于高程而言，即使距離很短，也不能將水準(zhǔn)面當(dāng)作水平面，一定要考慮地球曲率對(duì)高程的影響，其影響結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 水準(zhǔn)面曲率對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響

接近地面的空氣溫度不均勻，所以空氣的密度也不均勻。光線在密度不勻的介質(zhì)中沿曲線傳布。這稱(chēng)為“大氣折光”。由于大氣折光，視線并非是水平，而是一條曲線，曲線的曲率半徑為地球半徑的7倍。總體上說(shuō)，白天近地面的空氣溫度高，密度低，彎曲的光線凹面向上;晚上近地面的空氣溫度低，密度高，彎曲的光線凹面向下。接近地面的溫度梯度大大氣折光的曲率大，由于空氣的溫度不同時(shí)刻不同的地方一直處于變動(dòng)之中。所以很難描述折光的規(guī)律。

1.2 儀器、標(biāo)尺點(diǎn)沉降的影響

儀器和尺樁的垂直升降影響，是精密水準(zhǔn)測(cè)量中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的重要因素.如果儀器隨時(shí)間下沉。當(dāng)讀完后視再轉(zhuǎn)向前視時(shí)，由于儀器下沉而使前視讀數(shù)偏小;如果尺隨時(shí)間下沉，將使下一站的后視讀數(shù)偏大，這兩種情況對(duì)高差的影響都是正值，因此是可以消除的。

1.3 前后視標(biāo)尺受熱不均的影響

外業(yè)觀測(cè)中，須兩根水準(zhǔn)標(biāo)尺交替前進(jìn)，每根標(biāo)尺受太陽(yáng)照射的方向不同，前后標(biāo)尺錮瓦帶的溫度也不同;由于前后視標(biāo)尺錮瓦帶受熱不均，使其所產(chǎn)生的長(zhǎng)度變形不一致，因而導(dǎo)致前后視讀數(shù)誤差不等，影響高差觀測(cè)成果的質(zhì)量。

2 減弱系統(tǒng)誤差的相應(yīng)措施

在精密水準(zhǔn)測(cè)量中，影響觀測(cè)成果質(zhì)量的系統(tǒng)誤差來(lái)源很多。本文在著重對(duì)幾項(xiàng)主要誤差的來(lái)源及其影響進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，就如何消除或減弱系統(tǒng)誤差對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響提出以下看法。

(1)為了提高精密水準(zhǔn)測(cè)量成果的精度，要求在外業(yè)觀測(cè)過(guò)程中避免用接近地面的視線工作，盡量抬高視線，做到前后視距相等。這樣可以消除水準(zhǔn)面曲率和大氣折光對(duì)觀測(cè)成果的影響。

(2)在一測(cè)站的觀測(cè)過(guò)程中，須采取后 前 前 后的觀測(cè)順序;對(duì)于整條水準(zhǔn)線路來(lái)說(shuō)，進(jìn)行往返觀測(cè)，并取往測(cè)高差與返測(cè)高差的中數(shù)作為一條線路的最后觀測(cè)高差。同時(shí)前后尺應(yīng)該使用尺墊，這樣做的目的是使得在觀測(cè)過(guò)程中由儀器與標(biāo)尺點(diǎn)下沉所引起的觀測(cè)高差誤差大部分得到消除。

(3)把標(biāo)尺上的圓氣泡在前、后、左、右四個(gè)方向上校正好，并用尺桿固定尺身，讀取標(biāo)尺讀數(shù)時(shí)，使氣泡嚴(yán)格居中。

(4)外業(yè)觀測(cè)成果必須施加標(biāo)尺溫度改正，以減弱前后視標(biāo)尺錮瓦帶受熱不勻?qū)τ^測(cè)成果帶來(lái)的影響。

水準(zhǔn)標(biāo)尺溫度改正

一測(cè)段高差改正數(shù)由下式計(jì)算

式中:t為標(biāo)尺溫度，℃;t0為標(biāo)尺長(zhǎng)度檢定溫度，t0=20℃;a為標(biāo)尺因瓦帶膨脹系數(shù)，a=18.5×10－3(m·℃);h為測(cè)溫時(shí)段中的測(cè)站高差m。

3 結(jié)論

在本次沉降觀測(cè)中，主要精度指標(biāo)每公里高差中誤差為0.967 3 mm，小于 1 mm，路線閉合差 16.5 mm，允許閉合差為26.8 mm，各測(cè)段最大往返不符值為5.20 mm允許閉合差為8.1 mm，，最小為0.0 mm，且其它各項(xiàng)限差也均在《國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》限差范圍之內(nèi)，因此，本次水準(zhǔn)測(cè)量達(dá)到Ⅱ等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。

因此，在實(shí)際作業(yè)中還會(huì)有其它情況出現(xiàn)，只要對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的儀器、工具及作業(yè)方法、外界條件等進(jìn)行研究，分析產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因，制訂出相應(yīng)的措施，則有可能避免或削弱這種誤差的影響。當(dāng)然，影響地面點(diǎn)高程精度的因素還很多，尚待進(jìn)一步深入的探討。

［1］李青岳，陳永奇.工程測(cè)量學(xué)［M］.北京:測(cè)繪出版社，1995.

［2］顧孝烈.測(cè)量學(xué)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.

［3］梁振英，董鴻聞，等.精密水準(zhǔn)測(cè)量的理論和實(shí)踐［M］.北京:測(cè)繪出版社，2004.

［4］呂慧，張國(guó)鵬.精密水準(zhǔn)測(cè)量中的系統(tǒng)誤差分析［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001.

P642.26

B

1004－1184(2012)01－0131－01

2011－06－28

姜 川(1983－)，男，河南鄭州人，助理工程師，長(zhǎng)期從事地質(zhì)測(cè)繪、工程測(cè)繪等測(cè)繪工作。