水电站大坝安全监测管理与操作实务摘要()

1、|。 安全监测工作现场观测中的安全监测工作现场观测中的“四无”是指 无缺测、无漏测、无不符合精度要求、无 违时；“五随”是指随观测、随记录、随 计算、随校核、随整理；“四固定四固定”是指 固定人员、固定仪器、固定测次、固定时 间。 水工建筑物的现场安全监测主要分为：水工建筑物的现场安全监测主要分为： 巡视检查、环境量监测（水文、气象 等）、变形监测、渗流监测、应力应 变及温度监测等。 巡视检查 大坝的监测仪器仅能布设在大坝的局部部位,进行的监测的也只是定期 的,这就造成了空间和时间上的不连续。而大坝的缺陷并非都发生在仪 器监测的部位,也不一定发生在定期监测的时间内,所以只有把仪器监测 和巡视检

2、查两者加以密切配合,才能确保大坝安全监测工作的实效。实 践表明水工建筑物的许多缺陷都是通过有经验的工作者在巡视检查中发 现的。 大坝安全检查分为日常巡查、年度巡查、定期检查和特种检查四种。 日常巡查是由水电厂有经验的现场专业人员对大坝进行的经常性巡视和 检查。 年度巡查由水电厂组织专业技术人员对大坝进行详细检查。 定期检查是每隔一定时间由主管单位组织运行、设计、施工、科研等有 关单位高级专业人员对大坝进行的全面检查和评价。其内容包括按照现 行规范复查原设计数据、方法及安全度；审议施工方法、质量和施工中 出现的特殊情况及其影响；复核洪水、库容、泄洪能力；全面了解和审 查大坝运行记录和观测资料分析

3、成果；现场检查(包括水下检查)；评定 大坝的结构性态和安全状况，提出大坝安全定期检查报告。检查频次一 般为每五年一次。对没有潜在危险、结构完整、运行性态良好的大坝， 由主管单位报部大坝安全监察中心，经会商后可以减少检查频次，但间 隔时间不得超过十年。 特种检查是在特殊情况下对大坝重大安全问题的检查。 环境量及水力学监测 环境量监测包括水位、库水温、气温、降水量、冰压 力、坝前淤积和下游冲刷及风向风速等监测。环境量 又称为原因量、因素或自变量，与之相应的称为效应 量、物理量、变量等。任何效应量均是对一定环境量 作用下的反应，作为安全监测工作，只有准确掌握各 环境量的变化情况才能正确分析评判相应效

4、应量的变 化情况，据以判断建筑物的运行性态。同时根据各环 境量的变化，妥善地采取相应措施开展水工建筑物的 安全管理工作。 为了解水工建筑物上、下游水流对水工建筑物的影响 及消能设施工作效能，以便改善调整运用方式，正确 地运用水工建筑物，避免发生不利的水流情况，保证 建筑物安全运行，应进行水力学监测。 测量误差测量误差 测量误差的分类测量误差的分类 根据对观测成果影响的不同，测量误差可分为系根据对观测成果影响的不同，测量误差可分为系 统误差和偶然误差两种。统误差和偶然误差两种。 （1）系统误差）系统误差 在相同的观测条件下，即用同样的仪器、同样的方法、在同样的自然条件下，在相同的观测条件下，即用

5、同样的仪器、同样的方法、在同样的自然条件下， 对某一定量进行多次观测，如果所产生的误差在大小和符号上是一定的，或对某一定量进行多次观测，如果所产生的误差在大小和符号上是一定的，或 者按一定的规律变化或保持常数，则这种误差称为系统误差。者按一定的规律变化或保持常数，则这种误差称为系统误差。 （2）偶然误差）偶然误差 在相同的观测条件下，对某一量进行了多次观测，其误差在大小和符号上都在相同的观测条件下，对某一量进行了多次观测，其误差在大小和符号上都 不相同，也就是从表面上来看，它们的大小不等，符号不同，没有明显的规不相同，也就是从表面上来看，它们的大小不等，符号不同，没有明显的规 律，这种误差称为

6、偶然误差。律，这种误差称为偶然误差。 偶然误差的特性偶然误差的特性 在测量工作中，偶然误差是无法消除的，因此观测 成果的精度与偶然误差有密切的关系。偶然误差的 特性如下： 1、在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值不会 超过一定的限值； 2、绝对值较小的误差比绝对值大的误差出现的机 会多； 3、绝对值相等的正误差和负误差出现的机会几乎 相等； 4、当观测次数无限增加时，偶然误差的算术平均 值趋向于零。 数字凑整规则数字凑整规则 1）加和减中的合理取位）加和减中的合理取位 加或减的凑整规则是：在各数中，以小数最少的数为标准， 其余各数均凑整成比该数多一位。 2）乘和除中的合理取位）乘和除中的合理取

7、位 乘和除的凑整规则是：在各因素中，以“数字”个数最少的 为准，其余各因素及乘积（商）均凑整成比该因数多一个 “数字”，而与小数点的位置无关。 3）乘方与开方中的合理取位）乘方与开方中的合理取位 乘方的凑整规则是：凑整到与底数同样字位数的有效数字。 4）对数计算：凑整到比近似数有效数字位数多一位的对数）对数计算：凑整到比近似数有效数字位数多一位的对数 值。值。 5）三角函数：当角度凑整到）三角函数：当角度凑整到1”，应采用六位函数表；当角，应采用六位函数表；当角 度凑整到度凑整到0.1 ” ，应采用七位函数表；当角度凑整到，应采用七位函数表；当角度凑整到0.01 ” ， 应采用八位函数表应采用

8、八位函数表 变形监测 变形监测是反映大坝安全状态的三大物理量之一。大坝的异常变形可导致 裂缝、渗流、滑坡、倾覆等破坏现象，往往是大坝破坏事故的先兆。由于变 形监测能较直观地反映大坝性态的运行情况，常常被视为大坝安全监测的重 点监测项目。变形监测工作在及早发现问题，防止大坝失事，减轻灾害损失 方面已经取得了十分显著的成效。 作为水工建筑物的安全监控量，变形监测量比应力应变监测量更有效。 一是变形监测是反映建筑物的宏观量、整体量，而应力应变反映的则是微观 量、局部量。如坝顶变形反映的是大坝自基础、坝体直至坝顶所有变形量的 综合情况。而坝体应力应变反映的是测点部位的情况，其与测点部位的荷载 及坝体本

9、身材料有关，并不能代表坝的整体。变形可以得到绝对量，而应力 应变一般代表测点两端的相对变化。如整个坝体发生位移的时候，坝体测点 的应力应变不一定得到反映；而应力应变测点应力超限产生裂缝不一定代表 整个大坝出现大的变形或出现异常。当然很多情况下建筑物的变形是由非荷 载因素的温度引起的弹性变形，这种弹性变形有时会很大但对建筑物并不构 成危害，温度引起的弹性变形掩盖了荷载、时效等因素引起的变形，影响了 变形量用作建筑物安全监控的直观性。二是变形反映的是终极量、较直观， 而应力应变则是中间量、较抽象。变形量是一个反映大坝运行的最终成果， 其物理意义很明确，用作大坝安全监控很直观，容易操作。而坝体应力应

10、变 量是一个中间过程，坝体的应力需经过一系列繁杂的计算，最终成果会包含 一系列的计算及设定误差，用以监控大坝安全指标难以认定。三是变形监测 点容易修建，而应力应变监测点损坏后难以修复。一般大坝等内部埋设仪器 由于所处的工作环境均较差，使用寿命较短，且随着大坝的运行会不断损坏 而难以修复。 变形监测包括坝体及坝基表面水平及垂 直位移、内部水平及垂直位移、近坝库 岸边坡变形、倾斜、接缝及裂缝变位等 监测。 工程建筑物的变形监测能否达到预定目 的，要受很多因素的影响。其中，最基 本的因素是观测点的布置、观测的精度 与频次，以及每次观测所进行的时间。 变形监测一般规定变形监测一般规定 水工建筑物各位移

11、量的测量中误差不应大于下表的规定，表中位移量水工建筑物各位移量的测量中误差不应大于下表的规定，表中位移量 中误差是指两次观测值之差的偶然误差和系统误差的综合值。中误差是指两次观测值之差的偶然误差和系统误差的综合值。 监测物理量正负号按以下规定执行： （1）水平位移：径向或上下游向（y向）向圆心方向或下 游为正；切向或左右岸向（x向）向左岸为正。反之为负。 （2）垂直位移：下沉为正，上升为负。 （3）接缝和裂缝变位：缝开合（x向）张开为正；缝剪切 （y向）左侧块相对于右侧块向下游为正（据工程具体情况 而有所差异）；缝沉陷（z向）左侧块相对于右侧块向下沉 为正（据工程具体情况而有所差异）。反之为负

12、。 对于面板坝周边缝变位：接缝开合（x向）张开为正；接缝 剪切（y向）面板相对于趾板向坡下为正；接缝沉陷（z向） 面板相对于趾板向下沉为正。反之为负。 （4）基岩变位：向岩体外部为正，向岩体内部为负。 （5）钢筋、混凝土应力应变：拉伸为正，压缩为负。 （6）土压力、渗流压力等：压应力为正，拉应力为负。 水准仪等级分类水准仪等级分类 水准仪按每公里往返测高差中数的中误差这 一精度指标为依据，划分为四个等级，分 别为s05（每公里往返测高差中数中误差 0.5mm）级、s1级、s3级、s10级。 其中s05 级水准仪如dna03、na3003、 na2+gpm3、ni002 。 数字水准测量系统的组

13、成及工作原理数字水准测量系统的组成及工作原理 一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、光学望远镜、 补偿器、ccd传感器以及微处理控制器和相关的图像处理软 件等组成。 虽然各厂家生产的数字水准仪采用的结构不完全相同，但是 其基本工作原理相似：即标尺上的条码图案经过光反射，一 部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视观测，另一部 分光束通过分光镜被转折到线阵ccd传感器的像平面上；经 光电转换、整形后再经过模数转换，输出的数字信号被送到 微处理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码（参 考信号）按一定方式进行比较，即可获得高度和水平距离读 数。在数字水准测量系统中，作为高程标准其使用的数字水

14、 准标尺的编码方式、读数原理对系统测量精度的影响是显而 易见的。 数字水准仪的特点数字水准仪的特点 与传统仪器相比数字水准仪有以下共同特点： 1）读数客观。不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。 2）精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得 出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平 均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测 量。 3）速度快。由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数 量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。 4）效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度；视距还能自 动

15、记录，检核。给定测量限差值，仪器可自动判断测量现差，超限时提示重 测，能自动计算线路闭合差等。测量数据与电子计算机通讯进行后处理，可 实线内外业一体化；有倒置标尺功能，适合于天花板、地下水准测量；即可 以进行自动测量（用条码标尺），又可以进行人工读数（普通标尺）。 5）在野外可方便地进行i角检验及校正。 6）在黑暗中可采用手电筒或聚光灯照亮竖立标尺的测量区。对于精密测量， 视场中心区（如1视场角范围内）应无任何遮挡。视场内应有的编码长度与 仪器到标尺的距离有关，如leica dna03水准仪，距离为10m以内，在视场 内的标尺长度不允许有遮挡；距离为1050m，在视场内的标尺长度允许有 20%

16、边缘遮挡。 水准测量误差来源水准测量误差来源 o一、仪器误差一、仪器误差 o（1）水准仪的交叉误差（自动安平水准仪的补偿误差）水准仪的交叉误差（自动安平水准仪的补偿误差） o（2）水准仪的）水准仪的 角误差角误差 o（3）平行玻璃板测微器的误差）平行玻璃板测微器的误差 o（4）水准尺的尺长误差）水准尺的尺长误差 o（5）两水准标尺的零点误差）两水准标尺的零点误差 o二、观测误差二、观测误差 o三、外界因素导致的误差三、外界因素导致的误差 o（1）温度变化对仪器的影响）温度变化对仪器的影响 o（2）仪器脚架升沉的影响）仪器脚架升沉的影响 o（3）尺台升沉的影响）尺台升沉的影响 o（4）大气折光的

17、影响）大气折光的影响 i 大坝沉陷观测 国家一、二等水准测量测站观测顺序：后前前后 ；前后 后前。 （1）大坝垂直位移观测中，对于各转点为稳定的水准点、硬质路面 水准线路，通视情况良好，观测线路不长时间较短的情况，精密水准测 量亦可采用，往测时奇数测站后后前前；偶数测站前前后 后的观测顺序，以提高观测速度。返测时两支标尺必须互换位置，各测 站观测以始终先照准往测时先照准的某支标尺为原则，即当该水准线路 的测站数为偶数的，返测时，奇、偶测站照准标尺的顺序分别与往测偶、 奇测站相同；当该水准线路的测站数为奇数的，返测时，奇、偶测站照 准标尺的顺序分别与往测奇、偶测站相同。 （2）各测站仪器安置时，

18、始终（往返测均同样）将水准仪物镜朝向 某支固定的水准标尺进行整平。 （3）两水准标尺的零点误差不等称为一对标尺零点不等差，其对一 测站往返测不符值的影响较为明显。 三角高程测量三角高程测量 精密水准法测定测点的高程虽然精度高，但工作量大、速度较 慢，且必须要具备通行条件良好的水准线路，在起伏变化较大 的山区，精密水准就很难得以实施。这时便可采用三角测量的 方法测点高程。三角高程测量的基本思想是根据由测站向照准 点所观测的垂直角（或天顶距）和它们之间的水平距离，计算 测站点与照准点之间的高差。这种方法简便灵活，受地形条件 的限制较少，故适用于测定三角点的高程。在大地测量中，三 角点的高程主要是作

19、为各种比例尺测图的高程控制的一部分， 一般都是在一定密度的水准网控制下，用三角高程测量的方法 测定三角点的高程。传统的三角高程测量的边长一般是由三角 网的已知边通过三角测量推算而得，随着光电测距技术的快速 推广应用，三角高程测量的边长可直接由光电测距仪测定，从 而大大提高了三角测量的精度，这就是edm（electronic distance measurement，电子距离测量）三角高程测量。近几 年在工程测量中edm三角高程测量技术不断发展，观测精度已 得到了很大的提高，部分工程已替代了二等水准的测量。 图1-38 三角高程测量 单向观测计算高差的基本公式单向观测计算高差的基本公式 令式中

20、c，c一般称为球气差系数。 三角高程测量计算高差严密公式参见教材 （5-88）。 2 2 01 2 02102, 1 22 1 vs r k is r tgsh ， 21 2 0210 2 1 vis r k tgs ， r k 2 1 （1）观测方法）观测方法 （2）计算方法）计算方法 累计沉陷量h 首次hp本次hp 首次h 本次h 间隔沉陷量h 上次hp本次hp （3）垂直角观测要求）垂直角观测要求 每一方向采用“双照准法”观测。各测次横丝照准目 标的部位应固定不变，且在手簿上注记或绘草图说明； 所用的钢尺应无零点差且保持不变。 图1-41 三角高程观测 精密测角的一般原则精密测角的一般原

21、则 为了最大限度地减弱或消除各种误差的影响，在精密测角时应遵循下列原则： 1）观测应在目标成象清晰、稳定的有利于观测的时间进行，以提高照准精度和减 小旁折光的影响； 2）观测前应认真调好焦距，消除视差。在一测回的观测过程中不得重新调焦，以 免引起视准轴的变动； 3）各测回起始方向应均匀地分配在水平度盘和测微分划尺的不同位置上，以消除 或减弱度盘分划线和测微分划尺的分划误差的影响； 4）在上、下半测回之间倒转望远镜，以消除和减弱视准轴误差、水平轴倾斜误差 等的影响。同时由盘左、盘右读数之差求得两倍视准轴误差（2c），以检核观测 质量； 5）上、下半测回照准目标的次序应相反，并使观测每一目标的操作

22、时间大致相同， 即在一测回的观测过程中，应按与时间对称排列的观测程序，其目的在于消除或 减弱与时间成比例均匀变化的误差影响，如觇标内架或三脚架的扭转等； 6）为了克服或减弱在操作仪器的过程中带动仪器基座位移及弹性扭曲导致水平度 盘位移的误差，每半测回开始观测前，照准部按规定的旋转方向先转动约一周； 7）用望远镜垂直丝精确照准目标时，应将目标置于水平丝附近，照准各方向目标 时应在同样位置。照准目标尽量不要使用垂直制动和微动螺旋。使用照准部微动 螺旋和测微螺旋时，其最后旋转方向均应为旋进； 8）为减弱垂直轴倾斜误差的影响，观测过程中应保持照准部水准器气泡居中。当 使用j1和j2型经纬仪时，若气泡偏

23、离水准器中心一格时。应在测回间重新整平仪 器。这样做可以使观测过程中垂直轴的倾斜方向和倾斜角的大小具有偶然性，以 便在各测回观测结果的平均值中可以指望减弱其影响。 方向观测法测站平差方向观测法测站平差 一测回方向观测中误差 式中n为包括零方向在内的方向个数， 随着测回数m的不同而变化，可以预先算好，如m 9，k0.147；m12，k0.109等。 m测回方向值中数的中误差为 n v k mmn v 1 253.1 1 253. 1 mm k m m 电磁波测距基本原理电磁波测距基本原理 电磁波测距是通过测定电磁波束在待测距离上往返传播的时间t2d来 计算待测距离d的，其基本公式为 上式中c是电

24、磁波在大气中的传播速度，它取决于电磁波的 波长和观测时测线上的气象条件。 电磁波在测线上的住返传播时间t2d，可以直接测定，也可以间接测 定。直接测量电磁波传播时间是用一种脉冲波，它是由仪器的发送设 备发射出去，被目标反射回来，再由仪器接收器接收，最后由仪器的 显示系统显示出脉冲在测线上往返传播的时间t2d或直接显示出测线 的斜距，这种测距仪器称为脉冲式测距仪。它操作比较方便，但由于 脉冲宽度和计数器时间分辨能力的限制，直接测量时间只能达到10- 8s，其相应的测距精度约12m。为了进一步提高测距精度人们采用 间接测定的办法。间接测定电磁波传播时间是采用一种连续调制波， 它由仪器发射出去，被反

25、射回来后进入仪器接收器，通过发射信号与 返回信号的相位比较，即可测定调制波往返于测线的迟后相位差中小 于2的尾数。用几个不同调制波的测相结果便可间接推算出传播时间 t2d，并计算（或直接显示）出测线的倾斜距离。这种测距仪器叫做 相位式测距仪。目前这种仪器的计时精确度达10-10 s以上，从而使测 距精度提高到1cm左右，可基本满足精密测距的要求。现今用于精密 测距的激光测距仪和微波测距仪属于这种相位式测距仪。 d ctd 2 2 1 相位式测距仪的基本公式相位式测距仪的基本公式 相位式测距仪（图1-69中的a）发射出一种作为载波的光（或微波）的连续调制波。 调制波通过测线到达反射器（图1-69

26、中的b），经反射后被仪器接收器接收。测距 信号在经过往返距离2d后，相位延迟。为便于叙述起见，将往程与返程的信号 波形图摊平，如图1-70所示。 图1-70 调制波往返测线 nnun f c d 22 f c u 2 2 n上式中是半波长；n为整周数，而 是不足一周的尾数。 棱镜反射器棱镜反射器 出射光与入射光在不同的投影面上都保持平行，那么它们在空间也必然是相互平行出射光与入射光在不同的投影面上都保持平行，那么它们在空间也必然是相互平行 的。正因为棱镜具有此项特点，故观测斜距时棱镜只须粗略对准测线方向就可以了。的。正因为棱镜具有此项特点，故观测斜距时棱镜只须粗略对准测线方向就可以了。 电磁波

27、测距观测结果的化算电磁波测距观测结果的化算 电磁波测距的现场观测结果，即距离初步值d0， 必须加上各项改正之后，才能化算为两标石中心 投影在参考椭球面（或测区某指定高程面）上的 正确距离。这些改正大致可分三类：第一类是由 仪器本身所造成的改正，有仪器的加常数改正k、 置平改正d（适用于测距仪）、频率改正 df和周期误差d改正；第二类是因大气折 射而引起的改正，有气象改正dn和波道弯曲 改正d（徕卡全站仪观测到的距离已加入了此 向改正）；第三类是属于归算方面的改正，即归 心改正de、倾斜改正和投影到椭球面（或测 区某指定高程面）上的改正ds。 （4）气象改正）气象改正 n d 1）倾斜改正）倾斜

28、改正 2）光电测距倾斜改正（平距化算）严密公式）光电测距倾斜改正（平距化算）严密公式 3）测线长度投影到椭球面上的改正）测线长度投影到椭球面上的改正 铟瓦基线尺丈量所得的经倾斜改正后的测线长度是沿铟瓦基线尺丈量所得的经倾斜改正后的测线长度是沿 测线平均高程面上的水平长度测线平均高程面上的水平长度d；徕卡全站仪观测到的平；徕卡全站仪观测到的平 距已化算成测站高程面上的弦长；日本品牌的全站仪观测距已化算成测站高程面上的弦长；日本品牌的全站仪观测 到的平距已化算成测站与镜站平均高程面上的弦长；光电到的平距已化算成测站与镜站平均高程面上的弦长；光电 测距所测的斜距可化算成某高程面上的弦长。这些长度投测

29、距所测的斜距可化算成某高程面上的弦长。这些长度投 影到参考椭球面（或测区某指定高程面）上还需进行投影影到参考椭球面（或测区某指定高程面）上还需进行投影 改正。改正。 （5）倾斜改正和投影到椭球面上的改正）倾斜改正和投影到椭球面上的改正 s d 图1-74表示沿测线方向的剖面，ra表示沿测线方向的 参考椭球面曲率半径；是大地水准面超出参考球面上 的高度，表示测线平均高程。由图1-74知 图1-74 测线长度投影 mma a hhr r d d 1 （6）参考椭球面上水平距离的计）参考椭球面上水平距离的计 算算 设参考椭球面上的水平距离以s表示，则 （1-89）)()()( 0sfne ddddd

30、ddkds 应当指出，以上各项改正并非项项都要计算，根据仪应当指出，以上各项改正并非项项都要计算，根据仪 器情况，边的长短和测边的精度要求，有些项实际不器情况，边的长短和测边的精度要求，有些项实际不 存在（如采用全站仪时一般不存在置平改正、一般情存在（如采用全站仪时一般不存在置平改正、一般情 况下没有归心改正、而波道弯曲改正在全站仪观测中况下没有归心改正、而波道弯曲改正在全站仪观测中 已经考虑了）或本身过小时，也就无需计算；属于各已经考虑了）或本身过小时，也就无需计算；属于各 测回不同的改正计算（如），则必须在各测回内分别测回不同的改正计算（如），则必须在各测回内分别 计算，而其余的改正数各测

31、回都有是一样的，则可在计算，而其余的改正数各测回都有是一样的，则可在 最后一次计算。最后一次计算。 电磁波测距误差来源及其影响电磁波测距误差来源及其影响 （1）比例误差）比例误差 1）光速值）光速值c0的误差的误差 2）调制频率）调制频率f的误差的误差 3）大气折射率）大气折射率n的误差的误差 大气折射率n的误差是由于确定测线上平均气象元素（p，t，e）的不正确而引起， 这里包括测定误差及气象元素代表性误差（即测站与镜站上测定值之平均，经过 前述的气象元素代表性改正后，依旧存在的代表性误差）。各气象元素对n值的影 响，可按（1-96）式分别求微分，并取中等大气条件下的数值（p760mmhg，t

32、 20，e10mmhg）代入后，得 （1-97） 由此可见，激光测距中温度误差对折射系数的影响最大。当dt1时，dnt 0.9510-6，由此引起的测距误差约一百万分之一。其次是气压误差的影响，当 dp2.5mmhg时，dnp0.9310-6，这也使测距误差达一百万分之一。影响 最小的是湿度误差。 对于微波测距来说，它的大气折射系数公式为 （1-98） 同样，上式分别对p，t，e求微分，并取中等大气条件下的数值（p760mmhg， t20， e10mmhg）代入后，得 （1-99） dedn dpdn dtdn l p i 6 6 6 1005. 0 1037. 0 1095. 0 e tt

33、ep t n 2 .273 5748 1 2 .278 26.96 2 .273 49.103 101 6 dedn dpdn dtdn l p i 6 6 6 106 . 0 1035. 0 104 . 1 将（1-93）式与（1-91）式作一比较，可以看出：温度、气压的误差 对激光测距和微波测距的影响不相上下，但水汽压对二者的误差影响 则相差十分悬殊，即对激光测距的影响可忽略不计，而对微波测距的 影响相当显著。设想干湿球温差（tt）的测定误差为1，则算得 水汽压误差de0.50mmhg，由此引起大气折射系数的误差dn1 6.110-60.503.010-6，从而产生测距相对误 差 ，显然，

34、这是一个相当可观的误差影响。 从以上的误差分析来看，正确地测定测站和镜站上的气象元素，并使 算得的大气折射系数与传播路径上的实际数值十分接近，从而大大地 减少大气折射的误差影响，这对精密中、远程测距乃是十分重要的。 因此，在实际作业中必须注意以下几点。 a. 气象仪表必须经过检验，以保证仪表本身的正确性。读定气象元素 前，应使气象仪表反映的气象状态与实地大气的气象状态充分一致。 温度应读至0.2，其误差应小于0.5，气压读至0.5mmhg（或 0.5hpa），其误差应小于1mmhg（或1hpa）。 尤其是气压表，由于零点误差或振动的影响，可能会引起较大尤其是气压表，由于零点误差或振动的影响，可

35、能会引起较大 （十几个毫巴甚至更大）的仪表误差，所以一定要购买质量可靠的气（十几个毫巴甚至更大）的仪表误差，所以一定要购买质量可靠的气 象仪器，并且定期送当地气象检定部门进行检定。有条件时配备一个象仪器，并且定期送当地气象检定部门进行检定。有条件时配备一个 标准气压表或多备几个气压表，施测期间将标准的仪表一律放在驻地，标准气压表或多备几个气压表，施测期间将标准的仪表一律放在驻地， 以免受到震动，野外所用气压表在每期业务前后均与标准气压表进行以免受到震动，野外所用气压表在每期业务前后均与标准气压表进行 比较修正。比较修正。 6 103 d dd b. 气象代表性的误差影响较为复杂，它受到气象代表

36、性的误差影响较为复杂，它受到 测线周围的地形、地物和地表情况以及气象条测线周围的地形、地物和地表情况以及气象条 件诸因素的影响。为了消弱这方面的误差影响，件诸因素的影响。为了消弱这方面的误差影响， 选点时，应注意地形条件，尽量避免测线两端选点时，应注意地形条件，尽量避免测线两端 高差过大的情况，避免视线擦过水域；观测时，高差过大的情况，避免视线擦过水域；观测时， 应选择在空气能充分调和的有风之天或温度比应选择在空气能充分调和的有风之天或温度比 较均匀的阴天。必要时，可加设中间点测定温较均匀的阴天。必要时，可加设中间点测定温 度。度。 c. 气象代表性的误差影响，在不同的时间（如气象代表性的误差

37、影响，在不同的时间（如 白天与黑夜），不同的天气（如阴天和晴天），白天与黑夜），不同的天气（如阴天和晴天）， 具有一定偶然性，有相互抵消的作用。因此，具有一定偶然性，有相互抵消的作用。因此， 采取不同气象条件下的多次观测，也能进一步采取不同气象条件下的多次观测，也能进一步 地削弱气象代表性的误差影响。地削弱气象代表性的误差影响。 （2）固定误差）固定误差 1）归心或对中误差）归心或对中误差m l 2）仪器加常数误差）仪器加常数误差m k 3）测相误差）测相误差m 精密光电测距 1）测距作业）测距作业 在测站上安置测距仪（全站仪），镜站安置配套棱镜（镜面对向仪 器）。观测开始（及结束）时，测定气

38、象元素，并根据需要对仪器的 气象改正进行设定。 将仪器瞄准棱镜中心（平距观测时，应使仪器横丝精确照准棱镜中 心），开始测距。观测平距时必须采用盘左、盘右分别进行，以消除 垂直角观测中的仪器竖盘指标差等（参见垂直角观测垂直角观测）。斜距与垂直 角分开观测时测距作业可只进行仪器单面观测 精密距离测量采用往返观测，往返各观测二至四个测回，一测回为照 准目标一次，读数四次。观测平距时每次读数应使仪器横丝精确照准 棱镜中心。 2）观测成果的重测和取舍）观测成果的重测和取舍 凡超出限差的观测成果，均要进行重新观测。 当一测回中读数较差超限时，可重测2个读数，然后去掉一大一小取 平均。重测超限时，整测回应重

39、新观测。 当测回间较差超限时，可重测2个测回，然后去掉一大一小取平均， 当重测后测回差仍超限时，重测该测距边的所有测回。 往、返（或不同时段）较差超限时，应分析原因后，重测单方向的距 离，若重测还是超限，重测往、返两方向的距离。 3）气象元素的测定）气象元素的测定 测距作业前，应预先打开温度表和气压表。温度表必须悬 挂在离地面1.5m左右或与测距仪近似高、不受阳光直射、 受辐射影响小和通风良好的地方（操作者及仪器周围障碍 物应远离温度表球部至少半米）。在使用通风干湿温度表 时，须经过1530min后方能开始观测，观测时将通风器 的发条上紧，等通风器转动24分钟（应按其使用说明上 所定的通风时间

40、，此时通风速度不得小于2.5m/s）以后， 进行温度表的读数精确到小数一位，并将读数进行修正 （按相应有效检定证书所列的修正值）。 温度表读数时，观测者应站在下风方，读数要迅速准确。 在野外使用时如风速大于3m/s应在通风干湿度表通风器的 迎风面上套上一个风挡，以防止大风对于通风速度的不良 影响。 气压表测读时必须水平放置，要防止指针搁滞。读数前用 手指轻轻扣敲仪器外壳或表面玻璃，以消除传动机构中的 摩擦。观测时指针与镜面指针像重叠，此时读数精确到小 数一位。读取气压表上的温度值以进行温度订正。 气压值的求算应经过温度、示度、补充等项的订正（按相 应有效检定证书所列的修正值）。 变形观测手簿的

41、记录和计算要求变形观测手簿的记录和计算要求 1）手簿中的原始数据和记事项目，必须在现场用铅笔或钢笔记录，记录者必须对观测 者的读数进行复诵，严禁凭记忆补记。手簿的计算和检查必须在离点前做完。 2）一切数字、文字记载均应正确、清楚、整齐、美观。凡需更正错误，均应将错字整 齐划去，并在其上方填写正确文字或数字，严禁随手涂擦。对超限的成果须注明原因 和重测结果所在页数，对重测记录，则需加注“重测”字样。书写的文字、符号和单 位均应符合国家颁布的有关标准。 3）对原始记录的秒值（毫米数）不得做任何涂改，原始记录的度、分（米、分米）确 属读错、记错，可在现场更正，但同一方向（测站）内不能有两个相关的数字

42、连续划 改。 4）外业手簿中，每点的手页，应记载测站名称、等级、觇标类型等。每一观测时间段 的首末页上端各项，均须记载齐全。 5）精密三角测量和精密导线测量记录和计算的小数位：采用tc（a） 2003/1201/1800、tm30（ts30）全站仪观测水平及垂直角读数到0.1/0.1/1、计算 到0.01，采用t3/j2型仪器观测水平及垂直角读数到0.1/1、计算到0.01；精密水准 测量记录和计算的小数位：读数到0.1mm、计算到0.01mm；最后计算的平面坐标、高 程及变形量等成果取至0.1mm。 6）精密距离测量中，每测回要记全数一次，厘米和厘米以下的数字不得更改；边长读 数至0.1mm

43、，计算至0.01mm；温度读至0.1，气压读至0.1hpa（毫巴）；仪器高和 镜高，读至0.1mm。 7）有条件时应首先考虑采用电子记录，电子记录时必须按照有关电子记录基本规定执 行。有关的测站、测点名称应进行必要的注记。记录在记录器中的原始数据必须及时 录入到计算机中并进行资料的计算整理。 采用电子记录时，必须建立各项目记录模板，每次记录时打开相应项目记录模板（可 选择“文件”菜单的“新建”命令，单击“本机上的模板”，选择所要的记录模板） 进行记录。在没有原有记录文档备份文件时，严禁打开原有的记录文档进行编辑记录。 全站仪及其特性全站仪及其特性 全站仪又称全站型电子速测仪、电子全站仪，是一种

44、兼有 电子测距、电子测角、计算和数据自动记录及传输功能的 自动化、数字化的三维坐标测量与定位系统。 全站仪精度指标全站仪精度指标 在所有全站仪测距部分标称精度指标的表达式中，均使用（abd） 的形式，如徕卡tc2003系列为（1mm1ppmd）。显然，该精 度表达形式由以下两部分组成： a，代表固定误差，单位为mm。它主要由仪器加常数的测定误差、 对中误差、测相误差等引起。固定误差与测量的距离无关，即不管实 际测量距离多长，全站仪将存在不大于该值的固定误差。全站仪的这 部分误差一般在1mm5mm之间； bd，代表比例误差。它主要由仪器频率误差、大气折射率误差引起。 其中b的单位为ppm（par

45、tspermillion），是百万分之（几）的意思， 它广泛地出现在国内外有关技术资料上。它不是我国法定计量单位， 而仅仅是人们对这一数学现象的习惯叫法。全站仪b的值由生产厂家 在用户手册里给定，用来表征比例误差中比例的大小，是个固定值， 一般在1ppm5ppm之间；d的单位为“km”，即1106mm，它是一 个变化值，根据用户实际测量的距离确定，它同时又是一个通用值， 对任何全站仪都一样。由于d是通用值，所以比例误差中真正重要的 是“ppm”，通常人们看比例部分的精度也就是看它的大小。 b和d的乘积形成比例误差。一俟距离确定，则比例误差部分就会确 定。显然，当b为1ppm，被测距离d为1km

46、时，比例误差bd就是 1mm。随着被测距离的变化，全站仪的这部分误差将随之按比例进行 变化，例如当b仍为1ppm，被测距离等于2km时，则比例误差为2mm。 固定误差与比例误差绝对值之和，再冠以偶然误差号，即构成全站 仪测距精度。如徕卡tps1100系列全站仪测距精度为2mm 2ppmd。当被测距离为1km时，仪器测距精度为4mm。换句话说， 全站仪最大测距误差不大于4mm；当被测距离为2km时，仪器测距精 度则为6mm，最大测距误差不大于6mm。 特别需要指出的是，全站仪的标称精度指标是一种误差限差的概念， 也就是说每台全站仪测距误差不得超过生产厂家提供的标称精度指标。 所谓不得超过，可能出

47、现的情况是，有的仪器实际误差接近于这个限 差，也可能有的小于或远小于这个限差，因此决不能把某台仪器的标 称精度当作该仪器的实际精度。没有误差的全站仪是不存在的，但标 称精度一样的全站仪其实际精度，即存在的实际误差却不同，有的相 差还很大。据资料统计表明，相当多的徕卡全站仪的实测精度高于标 称精度一倍以上。 目前的tc（a）2003/1800、tm30（ts30）等全站仪使用初期其实 测及检定测距精度与其标称精度相比一般均在0.7倍以下，许多仪器 仅0.5倍以下。随着使用期的延长，其精度会略微有所下降。 国家计量检定规程（jjg1002003）将全站 仪及电子经纬仪的准确度划分为4个等级，见 表

48、1-29。 全站仪测距气象改正全站仪测距气象改正 全站仪在测距作业中必须进行气象改正，即通过测量作业现场的温度t （temperature）和气压p（pressure）以及湿度h（humidity，该项仅在高 精度测量时使用），按照一定的气象改正公式，求出气象改正数ppm以及距 离改正数d。 不同厂家的全站仪，其气象改正公式也不同。 全站仪的气象改正是在标准气象条件的基础上进行的。为了便于用户的使用， 厂家选定更接近作业现场的气象条件作为仪器标准气象条件。在标准气象条 件下，全站仪的气象改正ppm值为零。如徕卡全站仪选t12，p 1013.25mbar（760mmhg），h60作为标准气象条件

49、，此时的气象改正 值ppm0。也有的厂家温度t选15（如拓普康）或20（如捷创力），但 气压p一般都选1013.25mbar。实际测量时，现场的气象条件一般会与标准气 象条件有所不同，因此通常所说的气象改正就是指对相对标准气象条件变化 的改正。 1013.25mbar约相当于0m高程的气压值，在02000m范围内，高程每升高 810m，气压一般减小约1mbar；在20004000m范围内，高程每升高 1013m，气压一般减小约1mbar。但即使同一高程，随着气象条件的变化， 其气压值一般会变化2060mbar。 全站仪的三轴补偿全站仪的三轴补偿 细心的全站仪用户常常提出这样一个问题：在固定照准

50、部的情况下，当转动 望远镜上下俯仰的时候，发现水平角的读数在不断地变化。这个变化，有的 仪器几秒，也有的仪器可达十几秒甚至几十秒。他们纳闷，俯仰望镜时，由 于仪器在水平方向没有转动，引起读数变化的应该是垂直角，可是为什么水 平方向也跟着变呢？他们怀疑是不是仪器出了毛病，因此不敢相信显示数据 的准确性。 长期以来，人们使用的电子经纬仪和全站仪，如徕卡的t2000s，tc2000等， 在上述情况下，水平方向都不会发生什么变化。可是全站仪技术发展到今天， 全站仪性能大大提高，然而其水平方向反而不稳定了，这到底是怎么一回事？ 其实这正是当今全站仪性能提高的一个表现。补偿器是用来补偿由于经纬仪 垂直轴倾

51、斜而引起的读数误差的。老式的单轴补偿器，仅仅能补偿垂直方向 的读数误差，尔后出现自动双轴补偿器，则可以同时补偿垂直方向和水平方 向的读数误差。但这都是对垂直轴倾斜的补偿。1989年徕卡推出的t3000以 及其后的徕卡全站仪（低精度的除外），则不仅能补偿经纬仪垂直轴倾斜引 起的垂直度盘和水平度盘读数误差，而且还能补偿由于水平轴倾斜误差和视 准轴误差引起的水平度盘读数影响以及竖盘指标差引起的竖盘读数影响 。通 常称为“三轴补偿”。这也使改善水平方向读数因素或者说望远镜转动时水 平读数变化的因素增加到三个。下面简要解释这三种因素的原理。 双轴补偿将垂直轴倾斜量分解成视准轴方向和水平轴方向两个分量。

52、视准轴方向的分量影响垂直度盘读数，水平轴方向的分量 影响水平 度盘读数，其影响为 ，其中 为目标点 的垂直角。从式中可以 看出，这种影响主要表现在望远镜偏离水平面时，如前所述，当望远 镜水平瞄准时，横向倾斜实际上对水平度盘没有影响。但倾斜瞄准时， 该影响就明显增加（如望远镜倾斜45时，1 横向倾斜引起1 的水平 方向误差）。因此如果补偿器设置成双轴补偿，当望远镜转动时，即 使照准部不动，仪器也会自动补偿垂直轴倾斜而引起的水平度盘读数 误差，水平方向读数会不断地变化。 1）双轴补偿）双轴补偿 2）水平轴倾斜误差）水平轴倾斜误差 水平轴倾斜误差又称横轴误差或倾斜轴误差（tiltingaxis er

53、ror）。其 引起的主要原因是由于安装或调整不完善致使支承水平轴的二支架不 等高。水平轴两端的直径不等也是一个原因。由于仪器存在着水平轴 误差，当整平仪器时，垂直轴垂直，而水平轴不水平，这就会对水平 方向引起观测误差。若i为水平轴倾斜误差对水平方向观测读数的影 响，则有 i 显然，i 的大小不仅与 i 角的大小成正比，而且与目标点的垂直角 有关。 tgi tgst t s 3）视准轴误差）视准轴误差 视准轴误差又称照准误差，也就是人们常说的“c”角。它 产生的原因是由于安装和调整不当，望远镜的十字丝中心 偏离了正确的位置，结果是视准轴与水平轴不正交，引起 了测量误差，它是一个固定值；外界温度的

54、变化也会引起 视准轴位置的变化，这个变化则不是一个固定值。若令 c 为视准轴误差c 对水平方向观测读数的影响，则有： cc / cos 显然，视准轴误差对水平方向读数的影响不仅与视准轴误 差c 成正比，而且也与目标点的垂直角有关。当垂直角为 零度时，cc，即视准轴误差与它所引起的水平方向 读数误差是相同的。此时可通过盘左盘右的观测值之差来 求得，即： lr1802c 需要说明的是，有的资料为了解释的方便，并没有严格区 分c 和c，只是讲c 的变化依赖垂直角的变化，但这并 不妨碍对此问题的理解。 为了消除上述三种因素的影响，简化角度观测程序。将过去往往需正、倒镜 观测才能消除的一些误差自动进行修

55、正，提高单面观测的精度，除徕卡仪器 外，还有宾得的ptsv2以及捷创力的geodimeter 500600系列等仪器， 都使用了三轴补偿的方法。其采取的手段是用双轴补偿的方法来补偿垂直轴 倾斜引起的垂直和水平度盘的读数误差，用机内计算软件来改正因横轴误差 和视准轴误差引起的水平度盘读数误差。此改正通过下述参数进行计算: 已被确定和存储在仪器里的最新视准轴误差和水平轴（横轴）误差； 垂直轴倾斜、视准轴横向偏离的瞬间成份。 具有三轴补偿的经纬仪或全站仪用下述公式来显示角度值 hzt hz0c / cos （sti）tg 式中 hzt 显示的水平度盘读数； hz0 电子度盘传感器测得的值。 对于只能

56、对垂直角进行单轴补偿的老式电子经纬仪和全站仪来说，如t2000s 和tc2000，没有改正上述三种因素的功能，人们看到无论望远镜怎么转，它 们的水平方向读数都不变化，并不是因为这种仪器稳定可靠，其实是仪器没 有能力进行这方面改正的缘故。 对于仅有双轴补偿的仪器来说，只能改正垂直轴倾斜引起的垂直和水平读数 误差。当补偿器关闭以后，无论如何转动望远镜，水平读数也不会变化。 全站仪在工作时，其垂直角的改正，一是使用存储的指标差，二是使用垂直 轴在视准线方向的倾斜量。 4）全站仪的三轴补偿）全站仪的三轴补偿 全站仪的补偿改正是通过补偿器全站仪的补偿改正是通过补偿器自动测定垂直轴倾自动测定垂直轴倾 斜的

57、瞬时值补偿垂直轴倾斜引起的垂直、水平度盘斜的瞬时值补偿垂直轴倾斜引起的垂直、水平度盘 读数误差，读数误差，同时同时通过已被确定并存储在仪器里的最通过已被确定并存储在仪器里的最 新水平轴误差、视准轴误差以及竖盘指标差等新水平轴误差、视准轴误差以及竖盘指标差等用仪用仪 器内计算软件来器内计算软件来改正仪器轴系误差引起的水平及垂改正仪器轴系误差引起的水平及垂 直度盘读数误差的。故仪器补偿器本身的误差、仪直度盘读数误差的。故仪器补偿器本身的误差、仪 器轴系误差中的水平轴误差、视准轴误差器轴系误差中的水平轴误差、视准轴误差c及竖盘及竖盘 指标差等，应通过定期的检测指标差等，应通过定期的检测进行修正以使仪

58、器达进行修正以使仪器达 到最佳工作状态。尽管上述误差不能调整到零，但到最佳工作状态。尽管上述误差不能调整到零，但 通过盘左及盘右观测取均值的方法均能消除上述补通过盘左及盘右观测取均值的方法均能消除上述补 偿及各项轴系误差。偿及各项轴系误差。 atr自动目标识别及定位自动目标识别及定位 1）原理）原理 象测距仪那样，自动目标识别（atr）部件以同样的方法安装在tca系 列全站仪的望远镜上。红外光束通过光学部件被投影在望远镜上，从物镜口 发射出去。反射回来的光束，由内置的ccd相机接收，其位置以ccd相机的 中心作为参考点来精确地确定。假如ccd相机的中心与望远镜的光轴的调整 是正确的，则以atr

59、方式测得的水平方向和垂直角，可从ccd相机上光点的 位置直接计算出来。 采用采用atr时，视准线和时，视准线和ccd相机中心之间在水平和垂直方向上的偏差即相机中心之间在水平和垂直方向上的偏差即 为为atr准直差（照准差）。准直差（照准差）。atr照准差在盘左和盘右观测时等值同号，即始照准差在盘左和盘右观测时等值同号，即始 终偏向目标棱镜的同一侧，且不论距离的远近其偏离的角值是相等的，故不终偏向目标棱镜的同一侧，且不论距离的远近其偏离的角值是相等的，故不 能通过盘左及盘右观测取均值的方法得以消除，尤其在垂直角观测时能通过盘左及盘右观测取均值的方法得以消除，尤其在垂直角观测时atr照照 准差直接传

60、递到垂直角观测值中，而水平角计算时因各水平方向观测值相减准差直接传递到垂直角观测值中，而水平角计算时因各水平方向观测值相减 后能将后能将atr照准差基本消除。照准差基本消除。 atr照准差的校准是提高其测量精度的重要一环。常规的atr校准工作 允许检查和测定ccd相机的中心与望远镜光轴的重合度。测定atr的照准差， 必须人工将望远镜对准棱镜中心。视准线（十字丝）和ccd相机中心之间在 水平和垂直方向上的偏差由仪器计算出来。校准过程中的偏差改正被应用在 atr方式下的角度测量上。当度盘扫描系统进行测量时，这些改正数被用来 改正相对于视准线的值。 如果在测角中既用atr方式，又用人工方式，检查和测