大气折射对精密水准测量的影响

大气折射对水准测量有影响吗？对于水准测量应该使用哪个折射系数？    

水准测量发生在靠近地面的地方，在0-2米之间的空气层中，热传递导致温度分布的强烈变化。一般来说，这一层空气的特点：夜间更稳定，只有很小的垂直运动，而白天较不稳定，暖空气上升，较冷的空气下降。这就导致与一天中的时间和季节相关的折射系数呈现出周期性。此外，还可能会遇到当前大气条件的周期性影响以及热交换产生的不稳定气流。

一天内的周期性变化如图所示

等温空气层的大气折射

地面空气层的简单模型将空气层设置为与地面平行，在地面层，水准尺会受到温度变化的影响，温度梯度随着离地面的距离增加而减小。如果测量现场是平坦的，大气折射对水准尺读数没有影响，因为线性视线平行于空气层（适用光学水准仪的读数）。然而，数字水准仪需要将水准尺的一部分区域投影在像素线上，而使得测量扇形与不同的空气层相交。由于在正常工作时间的照射类型，折射系数将会为负值，光线扇形随着距离向上变形，如下图所示。

对于后视和前视读数，当地面平坦且后视和前视的距离相同时，大气折射的影响是相同的。高差 dh = b-f 不受影响。

在斜坡上进行水准测量时大气折射

当在斜坡上进行水准测量时，大气折射的影响很大，因为一个读数靠近地面而另一个读数距离地面更远。靠近地面的层中的温度梯度比上层中的温度梯度更强，因此视线扇形在地面附近变形更大。此外，扇形的所有光线都有不同变形，这导致水准尺测量区域内的刻度误差和系统的高程误差。

沿着斜坡的测量，每个测站上仅受到大气折射很小的影响。但是，误差沿测量路线不断累加，会造成的很大偏差。

不稳定气流

在白天进行水准测量时，还会遇到一些不稳定气流，如上所述。

其他原因的大气折射

• 沿视线方向地表结构发生变化。温度梯度将在沥青，草地，沟渠等不同结构上发生变化，这会改变沿视线的大气折射行为。

• 由建筑物，树木，墙壁等阴影引起的空气层变暖和变冷。

这会导致沿视线方向约10°C-15°C的温度差异，并且会降低测量精度，造成显著的高度偏差。

要减少大气折射的影响，天宝给您的建议

• 始终使用相同的距离进行后视和前视测量

• 尽量避免陡坡

• 如无法避开陡坡，请缩短视距

• 将水准尺的读数高度限制在最小0.75米

• 避免极端的天气条件

• 如果预计有太阳照射，选择在清晨（早8点前）或晚上（18点后）进行测量

• 在不同的天气条件下返测

• 规划路线，使后视和前视测量不受阴影或不同地表结构影响

• 使用多次测量选项来减少不稳定气流和大气折射的影响

应该使用哪个大气折射系数？

通常不会知道正确的折射系数。因此，在德国使用“正常”系数（如0.13）或在其他国家使用推荐的0.14（0.2）是没有意义的；改正将是错误的。天宝建议关闭此项改正或将系数设置为零。

注意：从折射系数周期表看，折射系数在白天趋于负。 

参考文章:

DiNi Digital Level: Eliminating Parameter Effects Literature

封面图片来源：

2018年天宝摄影大赛获奖作品

文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/4KttFnUdkd9vdWOui2lgiA