觀測條件對電子水準儀讀數的影響

熊 威，汪 洋，許明元

（1.中國地震局第一監測中心，天津 300180）

觀測條件對電子水準儀讀數的影響

熊 威1，汪 洋1，許明元1

（1.中國地震局第一監測中心，天津 300180）

運用控制變量法對溫度和光照強度對電子水準儀讀數的影響進行了定量分析。結果表明，電子水準儀讀數受光照強度影響較小，但受溫度影響較大，其中大氣折光和i角是影響電子水準儀讀數精度的兩個主要方面；并根據實驗結果，為如何減小觀測誤差、提高觀測精度提供了參考意見。

電子水準儀；精密水準；大氣折光；光照強度；系統誤差

隨著地殼形變監測手段的不斷提高以及電子設備的更新換代，傳統的蔡司Ni004、Ni002、Ni002A等光學水準儀已不能滿足高效率、低成本的大地垂直形變監測的需要，越來越多的地殼形變監測單位選擇更加輕便實用的電子水準儀來進行日常的精密水準測量。DiNi12是蔡司公司在DiNi10、DiNi11的基礎上推出的第三代電子水準儀，因其良好的穩定性和精度而被廣泛地應用于地殼垂直形變監測中[1]。

無論是探索中、長期地震預報的長線水準測量，還是進行短期地震預報的聯系斷層兩側的短線水準測量，地面升降變化的數量往往很小，因此在進行水準測量時，必須盡可能地消除或減弱各種誤差的影響[2]。在實際測量中電子水準儀讀數的誤差來源主要有水準標尺真長誤差、調焦誤差、環境震動、垂直位移、標尺傾斜、電磁場影響、i角影響、大氣折光和光照強度變化 ，其中水準標尺真長誤差可通過儀器檢校來測定并改正，調焦誤差、環境震動、垂直位移、標尺傾斜和電磁場影響可通過嚴格規范儀器操作行為、合理選擇測量線路來減弱或消除，只有i角影響、大氣折光和光照強度變化不可控制，且i角變化和大氣折光主要受外界溫度影響[2-6]。本文通過深入研究光照強度、溫度與DiNi12型電子水準儀讀數精度之間的關系，為日常精密水準測量中如何規避各種不利影響因素提供建設性意見，為電子水準測量技術的完善提供可靠依據，為加深測量人員對電子水準儀的認識提供必要幫助。

1 實驗方法

1.1 實驗準備

在實驗前為了最大限度地減小偶然誤差和系統誤差對實驗數據的影響，有必要同時使用兩臺電子水準儀進行一致性檢驗[4]。考慮到一等水準測量的視距長度不得超過30 m，故用兩臺處于同一觀測環境中的DiNi12型電子水準儀對相距約為30 m的單根條碼式因瓦水準標尺（經一測中心計量檢定合格）同時進行觀測，分析在以上情況下兩臺儀器的讀數變化是否一致性，若讀數變化基本一致則說明儀器狀況良好可以使用，若讀數變化不一致則分析原因、調整直到一致為止。實驗中應在每次開測前對儀器i角進行測定[5]，由于對單根標尺進行測量無法自動抵消i角對讀數的影響，故應對當天記錄的數據進行i角影響剔除。

表1為用于實驗的兩臺DiNi12型電子水準儀的主要技術參數，經中國地震局第一監測中心計量檢定站檢定合格。圖1、2為儀器i角經過檢校后當天將儀器置于陰涼處的觀測值隨溫度的變化曲線，其中儀器702811校正后的i角為-0．5"，儀器702822校正后的i角為-0．3"，觀測頻率為從10點開始每隔1 h記錄一次溫度和觀測值。圖3、4為將儀器暴露在陽光下的觀測值隨溫度的變化曲線，其中儀器702811的初始i角為-1．27"，儀器702822的初始i角為-1．89"，觀測頻率同圖1、2。圖 1～4中觀測值的中誤差分別為±0．057 mm、±0．072 mm、±0．08 mm和±0．075 mm，均遠小于DiNi12型電子水準儀的標稱精度±0．3 mm，故觀測數據質量較高。圖5、6反映了兩臺儀器在同一觀測條件下的觀測值之差，最大差值為0．2 mm，小于儀器的標稱精度；說明當外界觀測條件變化時，兩臺儀器的觀測值變化趨勢基本一致，所選儀器符合實驗要求。

表1 兩臺DiNi12型電子水準儀的技術參數

圖1 儀器702811觀測值-溫度變化曲線（陰涼處）

圖2 儀器702822觀測值-溫度變化曲線（陰涼處）

圖3 儀器702811觀測值-溫度變化曲線（陽光下）

圖4 儀器702822觀測值-溫度變化曲線（陽光下）

圖5 儀器702811與702822 觀測值之差（陰涼處）

圖6 儀器702811與702822 觀測值之差（陽光下）

1.2 實驗過程

1.2.1 溫度對i角的影響

i角誤差是數字水準儀系統誤差的重要組成部分，分析溫度、光照對數字水準儀讀數的影響都不能將i角的影響置之度外[6]，先測定和分析i角隨溫度的變化，如圖7所示。

圖7 儀器702811i角-溫度變化曲線

由于對儀器702811測得的i角均為負值，為了在圖中顯示得更為直觀，將其乘以-1后在圖上顯示。從圖7可以看出，該儀器的i角在20～32℃的觀測環境中的變化范圍為-0．5～-4．5"，且i角的絕對值會隨溫度的升高而不斷變大。

1.2.2 光照對讀數的影響

將儀器、標尺置于陰涼處，當外界溫度發生變化時，同時給予標尺照準部位一定強度的光線照射，觀測值的變化情況如表2所示。

表2 光照強度對觀測值的影響

由表2可知，當其他觀測條件不變，僅改變觀測環境的光照強度時，觀測值的改變量小于0．1 mm，對讀數基本不產生影響。

1.2.3 大氣折光對讀數的影響

大氣折光主要是由于距離地面不同高度的空氣溫度差異而造成的空氣對流現象對觀測視線產生的干擾，其本質是不同層面的空氣密度不同而導致的光線發生折射的現象[7]。為了定性分析大氣折光對DiNi12型電子水準儀讀數的影響，首先將標尺放置于斜坡上，在距標尺約30 m的坡下放置儀器，并保證最低視線高度滿足規范要求（≥0．65 m），在給儀器、標尺遮陽的情況下從8點開始每隔1 h記錄一次溫度和觀測值，觀測值隨溫度的變化曲線如圖8所示；然后將儀器、標尺放置于水平地面上，使儀器、標尺以及觀測視線都位于陰影中，在相應的溫度下記錄儀器讀數，觀測值隨溫度的變化曲線如圖9所示。將圖8中的觀測值加上一個常數0．782 33就能得到兩條曲線的對比圖（圖10）。

圖8 斜坡上的觀測值-溫度變化曲線圖

圖9 水平地面上的觀測值-溫度變化曲線

圖10 觀測值-溫度變化曲線對比圖

當觀測視線位于斜坡上時，由于光線發生折射，此時的視線為一條凹向上方的曲線，且彎曲程度隨空氣對流的強弱發生改變；當觀測視線處于陰影中時，視線周圍的空氣溫度變化慢，空氣對流不明顯，觀測視線受大氣折光的影響較弱[7]。從圖10可以看出，當環境溫度逐漸升高時，空氣對流逐漸加強，大氣折光對觀測值的影響逐漸增大；當環境溫度達到臨界值（最大值）時，觀測視線周圍空氣吸熱飽和，空氣對流迅速減弱，大氣折光對觀測值的影響發生突降；當環境溫度從最高點逐漸降低時，空氣對流逐漸減弱，大氣折光對觀測值的影響逐漸變小。

2 實驗結果分析

由于溫度對DiNi12電子水準儀讀數的影響主要體現在系統誤差（i角）和大氣折光兩方面[8]，根據計算可知i角每變化1"，相應的觀測值就會產生±0．15 mm的改變，通過對圖7的分析可知，溫度每變化1℃，儀器702811的i角變化值約為±0．35"。

將圖8中18℃時的觀測值作為基準，此時環境溫度適宜，i角穩定，空氣對流弱，觀測值受外界影響較小，那么在每一個溫度變化范圍內的影響結果見表3。

表3 溫度變化對觀測值的具體影響值

其他項為除去i角影響外的其他條件對觀測值的影響量，在本實驗中主要為大氣折光產生的影響。由表3可以看出，在正午前后溫度對觀測值的影響最大，此時空氣對流明顯，但溫度變化不大，主要是大氣折光對觀測值產生較大的影響；溫度逐漸下降對觀測值產生的影響遠小于溫度逐漸上升所帶來的影響，因為環境散熱的速率小于吸熱的速率，故散熱而產生的空氣對流對觀測值的影響小于吸熱時空氣對流對觀測值的影響。

3 結 語

通過對實驗結果的綜合分析可以得出如下結論：

1）部分電子水準儀由于使用年限較長，部分部件出現老化，即便在年檢中各項技術指標能達到規范要求，但若實際觀測中溫度變化劇烈就會出現讀數失真的情況，造成較大的誤差，所以有必要在使用前對其進行一致性檢驗。

2）可根據觀測環境適度調整中天前后禁止觀測的時間范圍，對于溫度變化不大的陰天可減少中天禁測時間，對于溫度變化較大的夏季可適當延長中天禁測時間，特別是在部分炎熱、濕度大的南方地區。

3）當外界溫度升高時，離地面越近溫度越高、空氣密度越小、空氣對流越強烈，且空氣密度始終處在一種變化的狀態，故觀測視線也會產生相應的不規則改變，所以在上下坡時，應使觀測視線盡量遠離對流強烈的地表層。

4）i角對溫度的變化比較敏感，對

單根標尺的讀數影響較大，通過前后視距相等可以很好地消除i角變化對讀數的影響，但必須盡可能地保證每一站觀測的連續性，切忌在每一站的觀測中停頓時間過長。

[1] 孟憲綱,高艷龍,占偉,等．DiNi12型數字水準儀在區域水準測量中的應用[J]．華北地震科學,2011,29(3):44-47

[2] 郭金運,徐泮林,曲國慶．數字水準儀的性能比較與分析[J]．測繪通報,2002(3):55-57

[3] 王世偉,陳旭東,沈煥鋒,等．電子水準儀的精度分析與研究[J]．地理空間信息,2005,3(6):52-54

[4] 王永尚,李以赫,肖學年,等．數字水準儀的試驗結果及其分析[J]．測繪通報,2002(4):58-61

[5] GB/T 12897-2006．國家一、二等水準測量規范[S]．

[6] 李輝,陳曉明,劉廣寬,等．溫度對DiNi12數字水準儀i角誤差的影響及應對措施[J]．華南地震,2009,29(2):49-53

[7] 陳健,陶本藻．大地形變測量學[M]．北京:地震出版社,1987

[8] 岳建平,秦茂芬．觀測條件對數字水準儀讀數的影響試驗[J]．測繪通報,2006(9):69-71

P224

B

1672-4623（2017）01-0087-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.027

熊威，工程師，主要從事地震監測預報等工作。

2015-10-30。

項目來源：一測中心科技創新主任基金資助項目（FMC2014010）；中國地震局震情跟蹤課題資助項目（2014020205）。