水平角觀測中的主要誤差和操作的基本規(guī)則

1、§3.5 水平角觀測中的主要誤差和操作的基本規(guī)則 觀測工作是在野外復雜條件下進行的，由于觀測人員和儀器的局限性以及外界因素的影響，觀測中會有誤差。為使觀測結果達到一定的精度，需要找出誤差的規(guī)律，研究和采取消除或減弱誤差影響的措施，制定出觀測操作中應遵守的基本規(guī)則，以保證觀測成果的精度。 水平角觀測誤差主要來源于三個方面：一是觀測過程中引起的人差；二是外界條件引起的誤差；三是儀器誤差。儀器誤差又包含儀器本身的誤差和操作過程中產(chǎn)生的誤差。對于人差，主要是通過提高觀測技能加以減弱，這里不進行討論。 外界條件對觀測精度的影響 外界條件主要是指觀測時大氣的溫度、濕度、密度、太陽照射方位及地形、

2、地物等因素。它對測角精度的影響，主要表現(xiàn)在觀測目標成像的質(zhì)量，觀測視線的彎曲，覘標或腳架的扭轉(zhuǎn)等方面。 1目標成像質(zhì)量 觀測目標是測角的照準標的，它的成像好壞，直接影響著照準精度。如果成像清晰、穩(wěn)定，照準精度就高；成像模糊、跳動，照準精度就低。 我們知道，目標影像是目標的光線在大氣中傳播一定距離后進入望遠鏡而形成的。假如大氣層保持靜止，大氣中沒有水氣和灰塵，目標成像一定是清晰、穩(wěn)定的。但實際的大氣層不可能是靜止的，也不可能沒有水氣和灰塵。日出以后，由于陽光的照射，使地面受熱，近地面處的空氣受熱膨脹不斷上升，而遠離地面的冷空氣下降，形成近地面處空氣的上下對流。當視線通過時，使其方向、路徑不斷變化

3、，從而引起目標影像上下跳動。由于地面的起伏及土質(zhì)、植被的不同，各處的受熱程度也不同。因此，空氣不僅有上下對流，還會產(chǎn)生水平方向上的對流，當視線通過時，目標影像就左右擺動。 另外，隨著空氣的對流，地面灰塵、水氣也隨之上升，使空氣中的灰塵、水氣越來越多；光線通過時其亮度的損失也愈大，目標成像就愈不清晰。 由上可知，目標成像跳動或擺動的原因是空氣的對流；目標成像是否清晰，主要取決于空氣中灰塵和水氣的多少。為了保證目標成像的質(zhì)量，應采取如下措施。 （1）保證足夠的視線高度 因為愈靠近地面，空氣愈不穩(wěn)定，灰塵和水氣也愈多，成像質(zhì)量愈差；反之視線愈遠離地面，成像質(zhì)量愈好。在選點時，一定要按規(guī)范要求，確保視

4、線有一定高度，在觀測時，必要時也可采取適當措施，提高視線高度。 （2）選擇有利的觀測時間 如果僅考慮目標成像的質(zhì)量，只要符合下列要求，就是有利的觀測時間：不論觀測水平角還是垂直角，均要求目標成像盡可能清晰；觀測水平角時，成像應無左右擺動；觀測垂直角時應無上下跳動。 但是，選擇觀測時間的時候，不僅要考慮到目標的成像質(zhì)量，還要考慮到其他因素對測角精度的影響，如折光的影響等，不可顧此失彼。 2水平折光 大家知道，光線通過密度不均勻的介質(zhì)時，會發(fā)生折射，使光線的行程不是一條直線而是曲線。由于越近地面空氣的密度越大，使得垂直方向大氣密度呈上疏下密的垂直密度梯度，而使光線產(chǎn)生垂直方向的折光，稱為垂直折光。

5、空氣在水平方向上密度也是不均勻的，形成水平密度梯度，而產(chǎn)生水平方向的折光，稱為水平折光。下面對水平折光加以討論，垂直折光將在“三角高程”中加以討論。圖3-35 水平折光 光線通過密度不均勻的空氣介質(zhì)時，經(jīng)連續(xù)折射形成一條曲線，并向密度大的一側彎曲。如圖3-35，來自目標B的光線進入望遠鏡時，望遠鏡所照準的方向是曲線BdA的切線Ab。這個方向顯然與正確方向AB不一致，有一個微小的夾角，稱為微分折光。微分折光在水平面上的投影分量BAb” (即水平分量)稱為水平折光；微分折光在鉛垂面上的投影分量 (即垂直分量)稱為垂直折光。產(chǎn)生水平折光的原因是，大氣在水平方向上的不均勻分布；產(chǎn)生垂直折光的原因是，大

6、氣在垂直方向上的不均勻分布。水平折光影響水平方向觀測，垂直折光影響垂直角觀測。 （1）產(chǎn)生水平折光的原因 圖3-36 產(chǎn)生水平折光的原因 當相鄰兩地的地形和地面覆蓋物不同時，在陽光照射下，會出現(xiàn)兩地靠近地面處空氣密度的差異，而產(chǎn)生水平對流現(xiàn)象。如圖3-36，一部分為沙石地，另一部分是湖泊。沙石地面輻射強，氣溫上升快，大氣密度較??；湖泊上方氣溫上升慢，大氣密度較大，在溫度升高時空氣就由右向左連續(xù)對流，經(jīng)過一段時間，對流逐漸緩慢，成像也較穩(wěn)定，但在地類分界面附近，大氣密度必然由密到稀，形成穩(wěn)定的水平方向的密度差異。當觀測視線從分界面附近通過密度不同的空氣層時，成為彎向一側的曲線，產(chǎn)生水平折光，視線

7、兩側的空氣密度差別愈大，則水平折光影響就愈大。 可見，產(chǎn)生水平折光的根本原因就在于視線通過的大氣層的水平方向的密度不同。 （2）水平折光影響的規(guī)律 一般情況下，除視線遠離地面，或視線兩側的地形和地面覆蓋物完全相同外，都會在不同程度上存在水平折光影響。由于視線很長，它所通過的大氣層的情況非常復雜，因此無法用一個算式來汁算出水平折光的數(shù)值，只能根據(jù)水平折光產(chǎn)生的原因、條件以及光線傳播的物理特性和實踐經(jīng)驗，找出水平折光對水平角觀測影響的一般規(guī)律： 1）由于白天和夜間大氣溫度變化的情況相反，因而水平折光對方向值的影響，白天與夜問的數(shù)值大小趨近相等，符號相反。如圖3-37，在A點設站觀測B點。在白天，由

8、于日光的照射，使沙土地的溫度高于水的溫度，則沙土地上空的空氣密度比水面上空的空氣密度小。當視線通過時，成為一凹向湖泊的曲線，使AB方向的方向觀測值偏小；在夜問，沙土地面的溫度比水的溫度低，視線成為凹向沙土地的曲線，使AB方向的方向觀測值偏大。 2）視線越靠近對熱量吸收和輻射快的地形、地物，水平折光影響就越大。 3）視線通過形成水平折光的地形、地物的距離越長，影響就越大。 4）引起空氣密度分布不均勻的地形、地物越靠近測站，水平折光影響就越大。如圖3-38所示，。 5）視線兩側空氣密度懸殊越大，水平折光的影響就越大。6）視線方向與水平密度梯度方向越垂直，水平折光影響越大。圖3-37 白天和夜間的水

9、平折光 圖3-38 折光影響的不對稱現(xiàn)象 從上述的規(guī)律不難看出，水平折光影響的性質(zhì)是：就一測站的某一方向而言，在相同的一觀測時間和類似的氣象條件下，水平折光總是偏向某一側，對觀測方向值產(chǎn)生系統(tǒng)性影響。但是，在大面積三角鎖網(wǎng)中，每一條視線所受的影響各不相同，對鎖網(wǎng)中所有方向來講，具有偶然特性。如果鎖網(wǎng)中有大的山脈、河流等，則沿它們邊沿的一系列視線就會含有同符號的系統(tǒng)影響。 （3）減弱水平折光影響的措施 根據(jù)作業(yè)實踐證明，水平折光是影響測角精度比較嚴重、數(shù)值較大的誤差，應該采取有力的措施減弱其影響。作業(yè)中常用的措施有：1）選點時，要保證視線超越或旁離障礙物一定的距離。視線應盡量避免從斜坡、大的河流

10、、較大的城鎮(zhèn)及工礦區(qū)的邊沿通過。若無法避開時，應采取適當措施，如增加視線高度。2）造標時，應使視線至覘標各部位保持一定的距離，如一、二等應不小于20 cm，三、四等應不小于10 cm。 3）一等水平角觀測，一份成果的全部測回應在三個以上時間段完成(上午、下午、夜間各為一個時間段)。每一角度的各測回應盡可能在不同條件下觀測，至少應分配在兩個不同的時問段，同一角度不得連續(xù)觀測。二等點上的觀測，一般應在兩個以上不同時間段內(nèi)完成。每個角度的全部測回，分配在上、下午觀測。 4）選擇有利的觀測時間。穩(wěn)定的大氣層，盡管目標成像穩(wěn)定，但不能說明沒有水平折光的影響。與此相反，在成像微有跳動的情況下，正是大氣層相

11、互對流的時候，對減弱水平折光是有利的。因此，在選擇觀測時間時，不但要考慮到目標成像清晰、穩(wěn)定，還要照顧到對減弱水平折光影響有利。在日出前后、日落前后、大雨前后，雖然目標成像是理想的，但這時水平折光影響也最大，應停止觀測。5）在水平折光嚴重的地理條件下，應適當縮短邊長或盡量避開之。 3覘標內(nèi)架或儀器腳架扭轉(zhuǎn)的影響 覘標上觀測時，儀器安置在覘標內(nèi)架上；在地面觀測時，通常把儀器安置在腳架上，當覘標內(nèi)架或腳架發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，就會使儀器基座(包括水平度盤)也隨之發(fā)生變動，給觀測結果帶來誤差影響。 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的原因，木標或腳架與鋼標不同。引起木標或腳架扭轉(zhuǎn)的主要原因是：外界濕度的變化，使木標或腳架的各部件發(fā)生不

12、均勻漲縮，引起扭轉(zhuǎn)。一定的風力影響使木標產(chǎn)生彈性變形。引起鋼標扭轉(zhuǎn)的主要原因是：溫度的變化，使鋼標各部件受熱不均勻而引起扭轉(zhuǎn)。白天各個時刻的太陽照射方向不同，鋼標各部件受熱不均，產(chǎn)生不均勻的膨脹，造成扭轉(zhuǎn)。木標或腳架扭轉(zhuǎn)的特征是：整個白天或整個夜間扭轉(zhuǎn)的方向固定不變，但白天與夜間的扭轉(zhuǎn)方向相反，扭轉(zhuǎn)的角度整個白天與整個夜間近于相等，其變化的轉(zhuǎn)折點在日出和日落前后。 鋼標扭轉(zhuǎn)的特征是：白天扭轉(zhuǎn)劇烈且不均勻；而整個夜間幾乎不扭轉(zhuǎn)；單位時間內(nèi)扭轉(zhuǎn)量的變化，比木標更不規(guī)則。 減弱覘標內(nèi)架或腳架扭轉(zhuǎn)影響的措施： 1）在日出、日落前后及溫度、濕度有顯著變化的時間內(nèi)不宜觀測。 2）觀測時，上、下半測回照準目

13、標的順序相反，同時，盡可能地縮短一測回的觀測時間。 3）將儀器腳架存放在陰涼、干燥的地方，避免受潮或雨淋。觀測時不要讓日光直接照射腳架。 4照準目標的相位差在二、三、四等水平角觀測中，照準目標是覘標的圓筒。理想的情況是，應照準圓筒的中心軸線。但由于日光的照射，圓筒上會出現(xiàn)明亮和陰暗兩部分，如圖3-39所示。如果背景是陰暗的，往往照準其較明亮的部分；如果背景是明亮的，會照準其較暗的部分。這樣，照準的實際位置就不是圓筒的中心軸線，從而給方向觀測帶來誤差影響，這種誤差叫做相位差。圖3-39 照準目標相位差 相位差的影響不僅隨日光照射方向變化，也隨目標的顏色、大小、形狀、視線方位及背景的不同而變化。在

14、一個觀測時間段內(nèi)，對某一方向的影響基本相同，呈系統(tǒng)性影響。但上午與下午的觀測結果中會出現(xiàn)系統(tǒng)差異。在二、三、四等水平角觀測中，其影響不容忽視。減弱相位差影響的措施是：一個點上最好在上午和下午各觀測半數(shù)測回；要求觀測者仔細辨別圓筒的實際輪廓進行照準；或根據(jù)背景情況將圓筒涂成黑色或白色；亦可使用反射光線較小的圓筒(如微相位差圓筒)。此外，如果可能，對個別相位差影響較大的方向，可照準回光進行觀測。 儀器操作中的誤差對測角精度的影響 影響觀測精度的因素除上述外界條件之外，還有儀器誤差，如視準軸誤差：水平軸傾斜誤差、垂直軸傾斜誤差、測微器行差、照準部及水平度盤偏心差、度盤和測微器分劃誤差等。下面進一步討

15、論的是，在觀測過程中儀器轉(zhuǎn)動時，可能產(chǎn)生的一些誤差。 1照準部轉(zhuǎn)動時的彈性帶動誤差 圖3-40 當照準部轉(zhuǎn)動時，垂直軸與軸套間的摩擦力使儀器的基座部分產(chǎn)生彈性扭轉(zhuǎn)，與基座相連的水平度盤也被帶動而發(fā)生微小的方位變動。這種帶動主要發(fā)生在照準部開始轉(zhuǎn)動時，因為必須克服軸與軸套間互相密接的慣力，而照準部在轉(zhuǎn)動過程中，只需克服較小的摩擦力，故當照準部向右轉(zhuǎn)動時，水平度盤也隨之向右?guī)右粋€微小的角度，使讀數(shù)偏小；向左轉(zhuǎn)動照準部時，使讀數(shù)偏大，這就給觀測結果帶來系統(tǒng)性影響。 消除其影響的方法是：在半測回中，照準部旋轉(zhuǎn)方向保持不變。這樣就使照準各個目標所產(chǎn)生的誤差影響的符號相同，大小基本相等，則由各方向組成的

16、角度值中可基本消除之。在一、二等三角觀測中規(guī)定，一測回中照準部旋轉(zhuǎn)方向保持不變。如圖3-40，在測站上要觀測A、B目標之間的夾角，上半測回 先照準目標A，按順時針(或逆時針)方向轉(zhuǎn)動照準部照準目標B。下半測回先照準目標B，然后按順時針(或逆時針)方向旋轉(zhuǎn)照準部照準目標A。就是說，上半測回測角，下半測回測(360°-)角。由于上、下半測回中照準旋轉(zhuǎn)方向一致，所受的這種誤差影響基本相同。那么，若上半測回測得的角偏小，下半測回測得的(360°-)角也偏小，由此所得的角值就偏大。這樣取上、下半測回的角度值的中數(shù)，就可以基本上消除此種誤差影響。 2腳螺旋的空隙帶動 由于儀器腳螺旋與螺

17、孔之間存在微小空隙，當轉(zhuǎn)動照準部時，就帶動基座使腳螺旋桿靠近螺孔壁的一側，直到空隙完全消失為止。這樣在觀測過程中，基座連同水平度盤就產(chǎn)生微小的方位移動，使觀測結果受到誤差影響。這種微小的方位移動就叫做腳螺旋空隙帶動。 顯然，這種誤差對在改變照準部旋轉(zhuǎn)方向后照準的第一個目標影響最大，若保持照準部旋轉(zhuǎn)方向不變，對以后各方向的觀測結果的影響逐漸減小。減弱這種誤差影響的方法是：在開始照準目標之前，先將照準部按預定旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動12周，再照準目標進行觀測，以后，在一測回或半測回中，照準旋轉(zhuǎn)方向始終不變。 3水平微動螺旋的隙動差 當水平微動螺旋彈簧的減弱或受油膩影響，旋退水平微動螺旋照準目標時，螺旋桿端就出

18、現(xiàn)微小的空隙，在讀數(shù)過程，彈簧才逐漸伸張而消除空隙，使視準軸離開目標，給讀數(shù)帶來誤差，這就是水平微動螺旋的隙動差。 減弱其影響的方法是：照準每一目標，均需向“旋進”方向轉(zhuǎn)動水平微動螺旋。所謂旋進方向就是壓緊彈簧的方向。對于光學經(jīng)緯儀來說，當水平微動螺旋旋進時，望遠鏡所指方向?qū)⑾蜃笠苿?，所以，在概略轉(zhuǎn)動照準時，無論順旋或逆旋，都要使目標在望遠鏡縱絲的左側少許，在望遠鏡中觀看，由于所見的是倒像，故目標應在縱絲的右側少許，然后用水平微動螺旋旋進照準目標。另外，要盡量使用水平微動螺旋的中間部分。為做到這一點，每一測回開始前，應將微動螺旋旋到中間部位。 通過以上分析可以看出，雖然點上的觀測工作是在外界復

19、雜條件下進行的，存在著較多的誤差影響，但它們都有一定的規(guī)律，只要善于掌握這些規(guī)律，通過必要的措施，誤差影響的絕大部分是可以消除的?，F(xiàn)將水平角觀測的主要誤差及其產(chǎn)生原因、影響性質(zhì)、消除或減弱措施列表，如表3-7。 水平角觀測操作的基本規(guī)則 水平角觀測操作的基本規(guī)則，是根據(jù)各種誤差對測角的影響規(guī)律制定出來的，實踐證明，它對消除或減弱各種誤差影響是行之有效的，應當自覺遵守。 （1）一測回中不得變動望遠鏡焦距。觀測前要認真調(diào)整望遠鏡焦距，消除視差，一測回中不得變動焦距。轉(zhuǎn)動望遠鏡時，不要握住調(diào)焦環(huán)，以免碰動焦距。 其作用在于，避免因調(diào)焦透鏡移動不正確而引起視準軸變化。 （2）在各測回中，應將起始方向的

20、讀數(shù)均勻分配在度盤和測微盤上。這是為了消除或減弱度盤、測微盤分劃誤差的影響。表3-7水平角觀測中各種主要誤差的產(chǎn)生原因，影響性質(zhì)，消除或減弱措施。（3）上、下半測回間縱轉(zhuǎn)望遠鏡，使一測回的觀測在盤左和盤右進行。 一般上半測回在盤左位置進行，下半測回在盤右位置進行。作用在于消除視準軸誤差及水平軸傾斜誤差的影響，并可獲得二倍照準差的數(shù)值，借以判斷觀測質(zhì)量。（4）下半測回與上半測回照準目標的順序相反，并保持對每一觀測目標的操作時間大致相等。 其作用在于減弱覘標內(nèi)架或腳架扭轉(zhuǎn)的影響以及視準軸隨時間、溫度變化的影響等，就是說，在一測回觀測中要連續(xù)均勻，不要由于某一目標成像不佳或其他原因而停留過久，在高標

21、上觀測更應注意此問題。 （5）半測回中照準部的旋轉(zhuǎn)方向應保持不變。這樣可以減弱度盤帶動和空隙帶動的誤差影響。若照準部已轉(zhuǎn)過所照準的目標，就應按轉(zhuǎn)動方向再轉(zhuǎn)一周，重新照準，不得反向轉(zhuǎn)動照準部。因此，在上、下半測回觀測之前，照準部要按將要轉(zhuǎn)動的方向先轉(zhuǎn)12周。 （6）測微螺旋、微動螺旋的最后操作應一律“旋進”，并使用其中間部位，以消除或減弱螺旋的隙動差影響。（7）觀測中，照準部水準器的氣泡偏離中央不得超過規(guī)范規(guī)定的格數(shù)。其作用在于減弱垂直軸傾斜誤差的影響。在測回與測回之間應查看氣泡的位置是否超出規(guī)定，若超出，應立即重新整平儀器。若一測回中發(fā)現(xiàn)氣泡偏離超出規(guī)定，應將該測回作廢，待整平后，再重新觀測該測回。表3-7 項目 產(chǎn)生原因 影響性質(zhì) 消除和減弱措施 外 界 條 件 引 起 的 主 要 誤 差 目標成像 質(zhì)量不佳 (1)地面對陽光熱量的