王懷念

(河南省地質(zhì)測繪總院，河南 鄭州 450006)

四等水準測量的質(zhì)量控制*

王懷念

(河南省地質(zhì)測繪總院，河南 鄭州 450006)

四等水準測量一般采用單程觀測的方式，因此利用路線和環(huán)線閉合差難以全面發(fā)現(xiàn)其中存在的錯誤。而采取其他輔助手段，則可有效地解決這一問題，所增加的工作量也是有限的。為此，通過對某測區(qū)不同精度高程成果的對比分析，闡述了四等水準測量發(fā)生錯誤的幾種原因，并提出了具體的解決方案。另外，通過分析水準測量誤差產(chǎn)生的3大因素，提出了減少誤差的各種有效措施，認為只有通過消除粗差和減小誤差，才能有效控制四等水準測量的作業(yè)質(zhì)量。

四等水準測量;誤差;粗差;質(zhì)量控制

0 引言

四等水準測量是應用比較廣泛的一種水準測量方式，常用來作為測區(qū)的首級高程控制。但是，由于四等水準測量往往采用單程觀測，測段之間缺少往返高差的檢核，因此盡管路線或者環(huán)線閉合差不超限，但也不能保證所有水準點的高程正確無誤。例如，當路線中存在兩個絕對值相等卻“一正一負”超限的高差時，就會使至少兩個水準點的高程出現(xiàn)錯誤。盡管這種出錯的概率較小，但是在一些規(guī)模大、工期緊的測區(qū)還是極有可能出現(xiàn)，要設法避免。另外，由于受到儀器、人員和外界環(huán)境的影響，水準測量還存在不宜忽視的各種誤差，分析這些誤差產(chǎn)生的原因，防止誤差超限引起不必要的返工，就能節(jié)約時間，提高效益，保質(zhì)保量按期完成任務。

1 錯誤產(chǎn)生的原因和解決辦法

1.1 錯誤情況介紹

2012年1月以來，某市擬在四環(huán)以內(nèi)570多km2區(qū)域開展地下管線探測工作。該項目地面控制測量任務委托河南省地質(zhì)測繪總院完成。3月底，地面控制測量任務完成。該項目共布設控制點2 100多個，高程測量主要采用四等水準測量方式，其中施測四等水準路線1 100多km。共組成四等水準網(wǎng)8個，各水準網(wǎng)的路線和環(huán)線閉合差均能滿足規(guī)范要求，平差計算方法正確。但是，在自檢中還是發(fā)現(xiàn)若干處四等水準點高程錯誤的情況，不能不引起重視。

此次四等水準測量使用水準儀包括電子水準儀和光學水準儀兩種，電子水準儀記錄方式為水準儀自動記錄，光學水準儀采用“手機+自開發(fā)記錄程序”人工輸入方式。

1.2 錯誤發(fā)現(xiàn)的過程

若水準測量路線或環(huán)線閉合差不超限，一般很難發(fā)現(xiàn)其中1個或幾個高程值不正確，除非開展大規(guī)模檢查。由于外業(yè)檢查一般按照一定比例抽查，當錯誤概率較小時，真正錯誤的地方很難被抽查到，抽查往往僅能用來統(tǒng)計測量精度，并不能發(fā)現(xiàn)可能存在的所有問題。例如，本項目經(jīng)自檢后曾采用同精度水準測量方法開展了專檢、監(jiān)理和驗收等多個環(huán)節(jié)檢查，共檢測130多個測段，累計長度達71.2 km，抽查比例達6.5%。但是，出現(xiàn)錯誤的幾個測段均沒有被隨機抽檢到。

在全部水準測量點中，對1 750多個點同時開展了四等和一級GPS測量，共組成GPS網(wǎng)15個。為了方便開展四等水準測量工作，在測區(qū)外圍、測區(qū)中央東西方向和南北方向布設了二等水準網(wǎng)，聯(lián)測上述GPS點若干個。以二等水準點和部分四等水準點作為已知點，對全部15個GPS網(wǎng)進行高程擬合，將擬合高程與作業(yè)小組計算的四等水準高程進行對比，兩者差值在一定區(qū)間的水準點個數(shù)及比率，見表1。

表1 四等水準高程與GPS擬合高程差值對比Tab.1 Difference value in height comparison between the fourth order leveling height andGPS fitting height

從表1可以看出，四等水準測量高程與GPS擬合高程絕大多數(shù)差值在±0.15 m以內(nèi)。隨著差值的增大，點數(shù)和比率迅速遞減。但是差值在±0.20 m以上的點數(shù)和比率卻偏高，不符合整體遞減的趨勢?？紤]到±0.15 m～±0.20 m之間的點數(shù)也不多，固將差值在±0.15 m以上的24個點全部作為可疑點進行檢測，利用河南省地質(zhì)信息連續(xù)采集運行系統(tǒng)(HNGICS)進行高程實地檢測。HNGICS是由河南省地質(zhì)測繪總院承建的GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，覆蓋整個河南省。其高程測量精度優(yōu)于±0.08 m，若以兩倍中誤差為限差，則差值超過±0.16 m可作為可疑點，與上述可疑點的差值下限±0.15 m基本吻合。經(jīng)檢測，介于±0.15 m～±0.20 m區(qū)間的點的 CORS檢測結(jié)果、擬合高程值與小組計算的四等水準值3種成果均保持一致。區(qū)間在±0.20 m以上可疑點的3種成果的比較，見表2。

表2 可疑點的3種測量成果比較Tab.2 Three kinds of measuring result comparative statement of suspicious points

續(xù)表

從表2可以看出，前9個點的CORS檢測結(jié)果與擬合高程相一致，且均明顯不同于相應的四等水準成果，差值在0.3～1.3 m不等，說明這些點的水準成果可能存在嚴重問題。其它6個點的CORS檢測結(jié)果與四等水準成果相一致，差值基本上在0.15 m以內(nèi)，雖然與擬合高程相差較大，但是對于1 750多個擬合高程來說，個別擬合高程不準確也是正常的，這與高程擬合時已知點的分布或者GPS測量時儀器高的量取等因素有關?？傮w來說，GPS擬合高程不啻為檢驗水準高程正確與否的重要指標，因為通過高程擬合可以發(fā)現(xiàn)問題所在，而通過CORS檢測則可進一步縮小問題的范圍。

在緊隨本測區(qū)之后開展的另一個測區(qū)，共布設GPS控制點598個，高程測量同樣采用四等水準測量方式。通過GPS擬合高程與水準高程對比，差值在±0.10 m以內(nèi)的有593個，占總點數(shù)的99.2%;差值在 ±0.15 m以內(nèi)的有 4個，占總點數(shù)的0.6%;只有1點差值超過0.20 m。采用CORS和其他手段檢測，水準成果均正確無誤?？梢姡瑪M合高程能夠間接反映水準測量的正確程度。

1.3 錯誤產(chǎn)生的原因

在生產(chǎn)作業(yè)過程中，出現(xiàn)問題在所難免，尤其是當工期緊、任務量大時，會更容易出錯。當出現(xiàn)問題時，要認真分析問題產(chǎn)生的原因，以便歸納總結(jié)，使自檢工作更加具有針對性，減少盲目性，同時也為今后類似的工作提供借鑒。通過前文的分析得出，錯誤原因主要有3種。

1.3.1 上錯點

本測區(qū)控制點大都布設在瀝青路面上，為現(xiàn)場鉆孔鑲嵌標志。標志是統(tǒng)一定做的不銹鋼標志，上面刻有字跡。由于工期緊，在一級GPS點“C440”埋設完畢后，發(fā)現(xiàn)其距離北部的四等GPS點“GX159”只有270多m，故又在向南230多m處另行埋設了新點。GPS觀測時，儀器置于“老點”上;四等水準觀測時，測量的點卻是“新點”。于是，出現(xiàn)了“上錯點”現(xiàn)象?！癎X159—C440”之間的坐標反算邊長和水準記錄統(tǒng)計邊長明顯不一致。該段水準測量所用的儀器為電子水準儀。經(jīng)過重測新舊兩個點位的高程，最終找到了問題產(chǎn)生的根源。

回顧以往測區(qū)，測量標志沒有統(tǒng)一要求，有時甚至借用道路上曾經(jīng)布設的其他標志，就更容易出現(xiàn)“上錯點”的問題。本測區(qū)布設的控制點比較醒目，如果不是“一點兩布”，基本不可能出現(xiàn)“上錯點”的現(xiàn)象。本測區(qū)由于“上錯點”而出現(xiàn)高程錯誤，僅有“C440”這一個點。

1.3.2 點號添錯位置

本測區(qū)四等水準測量使用較多的儀器還是光學水準儀，水準記錄采用“手機+自開發(fā)記錄程序”人工輸入。只要按照手機記錄程序提示進行輸入操作，就能保證測站的各種限差滿足規(guī)范要求，從而保證水準測量的正確性。然而，實際作業(yè)時，由于記錄人員往往位于前后兩根水準標尺的中間，對前尺所立點是屬于過渡點還是控制點不能十分確定，從而導致“點號添錯位置”。根據(jù)程序設置，如果是過渡點應直接回車，是控制點則應輸入控制點號。有時記錄員會將控制點誤認為是過渡點，當出現(xiàn)這種情況時，可在內(nèi)業(yè)傳輸數(shù)據(jù)時再把點號添加上去。但是，有些粗心的記錄員會把點號位置添錯，致使本屬過渡點的高程變?yōu)榭刂泣c的高程，而控制點的高程誤為另一過渡點的高程，同時造成一個“路線閉合差依舊”的假象。這樣的錯誤更隱蔽。

由于這樣的原因造成了本測區(qū)4條水準路線上的4個水準點A564、C333、C334、D102的高程出現(xiàn)錯誤。比較這些水準點對應的測段視距累計值與坐標反算邊長，即可以間接驗證其錯誤所在。更加直觀的錯誤是，這4個控制點點號添加的位置全部屬于奇數(shù)站位置。由于四等水準點必須位于偶數(shù)站位置，同時手機記錄程序也已經(jīng)設置了奇數(shù)站不準輸入點號的功能，由此可以看出，奇數(shù)站出現(xiàn)點號的情況只可能發(fā)生在內(nèi)業(yè)。這種錯誤大多是由于作業(yè)員經(jīng)驗不足而造成的，經(jīng)過核查，發(fā)現(xiàn)錯誤控制點的高程就是原來被推至緊挨其后的“過渡點”位置的高程。

這類錯誤容易發(fā)生在控制點比較密集的測區(qū)，如本測區(qū)每平方公里約3.9個點，另一測區(qū)才約0.8個點。這類錯誤也是等外水準測量需要高度關注的問題。

1.3.3 其他原因

水準測量發(fā)生錯誤的原因還有很多，如水準儀i角超限、忘記整平、碰動腳架或尺墊、前后觀測順序顛倒、標尺倒置、讀錯十字絲、正反面同時讀錯或記錯等。如，表2中出現(xiàn)錯誤的其他4個點 C149、C147、C128、C129，可能就是由多重原因并存所造成的。

這4個點不僅位于同一水準路線上順序相連，而且正確與錯誤的高程差值也完全相同，即－0.3 m左右，另外該區(qū)段路線閉合差也符合限差要求。說明該4點之間的高差沒有問題，錯誤一定發(fā)生在這4點之外。由于該區(qū)段沒有與其他水準路線組成閉合環(huán)，缺少了更多的自查條件。經(jīng)過重測，共發(fā)現(xiàn)本區(qū)段4條測段高差測量錯誤，而且兩兩相互抵消。除上述4點外，又新發(fā)現(xiàn)3點高程錯誤。該3點正確與錯誤高程之差均在±0.15 m以內(nèi)，因此通過GPS高程擬合沒能檢查出來。

1.4 減少錯誤的方法

要減少或避免四等水準測量錯誤的發(fā)生，就要對水準測量過程的每一個環(huán)節(jié)嚴格把關:工作開展之前，應進行技術培訓;選擇細心、經(jīng)驗豐富的作業(yè)人員擔當重任;選點、埋石時，要注意控制點實地與編號的對照關系;儀器一定要鑒定合格方能使用;水準線路要盡可能多的布設成閉合環(huán)線;檢查時盡量不要沿原來的測段重復測量，而要使檢查路線與原路線構(gòu)成新的閉合環(huán);開展平面控制測量時，要留意其附屬的高程測量功能，如GPS測量后的高程擬合、導線測量過程中的三角高程測量，所增加的工作量很有限，但卻能間接衡量水準測量的精度、全面避免水準測量中的粗差。

2 誤差產(chǎn)生的原因和解決辦法

四等水準測量誤差來源主要包括:儀器誤差、觀測誤差、外界因素引起的誤差3大類。通常情況下，只要按照規(guī)范要求作業(yè)，絕大多數(shù)誤差會自動消除或者大大減弱，不至于引起閉合差的超限。但是需要注意的是儀器誤差中的i角誤差，對i角誤差的不重視是造成四等水準測量返工的首要原因。

2.1 有效消除誤差的幾個措施

四等水準測量是國家等級水準測量中等級最低的水準測量，技術規(guī)范中要求的作業(yè)方式很容易被測量人員所接受，因此對應的誤差能夠自動消除或者大大減弱。

2.1.1 保持前后視距相等

保持前后視距相等或在規(guī)定范圍內(nèi)，可以有效消除或減弱i角誤差、地球曲率半徑的影響誤差，在地面較平、高差不大的時候還可以減弱大氣折光的影響。

2.1.2 保持各測段的測站數(shù)為偶數(shù)

測站數(shù)為偶數(shù)，可以消除一對標尺的零點差，作業(yè)時，在相鄰測站上使兩副水準尺輪流作為前視尺和后視尺。

2.1.3 采用自動安平水準儀

在光學水準儀當中，自動安平水準儀可以自動調(diào)整管水準氣泡至居中位置，避免手動時上下微調(diào)的不確定因素和眼睛觀察是否居中存在的誤差。如果使用更加先進的電子水準儀，則能更好地消除管水準氣泡居中誤差。即便是采用普通光學水準儀，也要盡可能采用符合式水準器，氣泡居中精度可提高一倍。

2.1.4 目鏡和物鏡的調(diào)焦

觀測前，如果存在目鏡視差，則是由于對光工作沒有做好，像平面與十字絲分劃板平面不重合，這時候人眼會很不舒服，所以一定要調(diào)整好目鏡焦距。觀測時，由于前后視距基本一致，物鏡調(diào)焦完畢開始讀數(shù)后，注意不要再變換焦距。

2.2 容易被忽視而帶來誤差的幾個現(xiàn)象

2.2.1 水準尺傾斜

水準尺左右傾斜，讀數(shù)時容易察覺并糾正，前后傾斜則不然。標尺姿態(tài)誤差對高差影響大且具有系統(tǒng)性，隨著測段高差的增大呈正比增長[1]。假設讀數(shù)為1.5 m，尺子傾斜度為3°，則讀數(shù)誤差為2 mm，可見影響還是比較大的[2]。如果往測一直是上坡，則總高差誤差值將增大;而在返測一直是下坡時，返測總高差誤差的絕對值也將增大。因此，往返測結(jié)果不能抵消水準標尺傾斜誤差的影響。四等水準測量一般是單程觀測，故在此類地區(qū)作業(yè)時，應使用裝有圓水準器的標尺，以減小標尺傾斜誤差的影響。

2.2.2 日光照射

中午前后觀測，尺像會跳動，會造成估讀誤差，因此應避開這個時段，尤其是注意視線距離地面的高度不應小于0.3 m，以避免大氣折光的影響。溫度的變化不僅引起大氣折光的變化，而且當烈日照射水準管時，由于水準管自身和管內(nèi)液體溫度的升高，氣泡會向著溫度高的方向移動而影響儀器水平，產(chǎn)生氣泡居中誤差。因此，觀測時應注意撐傘遮陽。

2.2.3 水準儀和標尺下沉

儀器下沉是指在一測站上讀取后視讀數(shù)和前視讀數(shù)間隔時儀器發(fā)生下沉，按照“后、前、前、后”的觀測程序，可消除或減弱儀器下沉的影響。但是四等水準測量是按照“后、后、前、前”的順序觀測。

水準尺下沉的誤差是指在遷站過程中，轉(zhuǎn)點發(fā)生下沉，使遷站后的后視讀數(shù)增大，求得的高差也增大。如果采取往返測，往測高差增大，返測高差減小，那么在往返測的平均值中這種誤差的影響將會得到減弱[3]。但是，四等水準一般是單程觀測，要消除儀器下沉和水準尺下沉引起的誤差最有效的方法是在安置儀器時將螺旋擰緊、腳架踩實，在轉(zhuǎn)點處必須放置尺墊，并將其踩實，以防止下沉。

3 結(jié)束語

盡管測量誤差是不可避免的，但是只要掌握了誤差產(chǎn)生的規(guī)律，采取相應的措施，嚴格按照規(guī)范規(guī)定作業(yè)，就可將其消減到允許范圍內(nèi)。另外，由于四等水準測量采用單程觀測方法，檢核條件不足，難以完全檢核粗差的存在，這就要求作業(yè)人員充分利用其它輔助手段，變換檢查思路，以便將錯誤消滅在自檢工作中。

[1]徐萬祥，柴本紅，陳軍.水準測量中標尺傾斜誤差分析與改正[J].地礦測繪，2010，26(2):16 －18.

[2]于春娟.水準測量誤差分析及注意事項[J].內(nèi)江科技，2009(1):46－51.

[3]陸國勝，蔣維恒，章書壽，等.測量學[M].第3版.北京:測繪出版社，1994:85－87.

Quality Control of the Fourth Order Leveling

WANG Huai-nian
(Henan General Institute of Surveying and Mapping of Geology，Zhengzhou Henan 450006，China)

Because the way of single range observation is adopted generally for fourth order leveling，it is difficult to discover completely existence of mistakes by making use of leveling route error of closure and loop error of closure.But this problem can be resolved availably through other assistance means without more workload increased.This text analyze and elaborate a few reasons of occurrence mistakes about fourth order leveling in the survey area by contrastive analysis of some height achievement of different accuracy，and put forward the specific resolving scheme.The text put forward various effective measures of decreasing the error margin by analyzing the three kinds of factors of the leveling error.The text pointed out if you want to control quality of fourth order leveling effectively，then must be passed to get rid of gross error and error reduction only.

fourth order leveling;error;gross error;quality control

P 207

B

1007－9394(2012)03－0037－03

2012－05－28

王懷念(1968～)，男，河南漯河人，正高級工程師，碩士，現(xiàn)主要從事工程測量、地形測量等方面的工作。