关于地球曲率、大气折射对三角高程测量误差分析

三角高程测量的误差分析与大气折光系数的确定随着人们对三角高程测量的研究，在平原或丘陵地区三角高程测量已经能够代替三、四等水准测量、跨河水准；在高山地区甚至可以代替一、二等水准测量。

本文在简要介绍三角高测量的基本原理和误差影响因子的基础上重点阐述如何确定大气折光系数K。

标签：三角高程测量误差分析大气折光系数0引言地面高程传递技术主要包括几何水准测量、三角高程测量、液体静力水准等。

用几何水准求地面点的高程其精度较高，但受大气折光、视距及地形的限制；三角高程测量的基本思想是由测站向照准点所观测的竖角和它们之间的水平距离，计算测站点与照准点之间的高差，其受地形条件的限制较少，使用起来相对灵活、高效，广泛用于控制测量、地形测量和工程测量等领域。

1三角高程测量（Trigonometric height surveying）的基本原理全站仪三角高程测量主要分为单向、对向和中点法三角高程测量，文[1]中指出，对向三角高程测量误差最低、精度最高，下面就以对向三角高程测量为例，简要介绍其基本原理。

对向观测又称往返观测，如图1，将全站仪置于A点，棱镜置于B点，测得A、B两点间的高差hAB，hAB称为往测高差：再将全站仪置于B点，棱镜置于A点，测得B、A两点间的高差hBA，hBA 称为反测高差：往返测高差的平均值即可作为最终的测量结果：这种测量方法在导线测量中使用得比较普遍。

式中：S往、S返、α往和α返分别为往返观测的斜距和竖直角；i往、i返、v往和v返分别为往返观测的仪器高和棱镜高；K往和K返分别为往返观测时的大气折光系数；R为椭球半径。

在全站仪进行往返测量时，如果观测是在相同气象条件下进行的，特别是在同一时间进行，则可假定大气折光系数对于反向观测基本相同，因此K往≈K返。

又S2往·cos2α往和S2返·cos2α返同是A、B两点间的平距的平方，也可近似相等。

从（1）～（3）式可以得出对向观测计算高差的基本公式为：2全站仪对向三角高程测量误差分析根据误差传播定律，对（4）进行微分，并转为中误差关系式，则有：从（5）式可以看出，对向三角高程测量的精度主要受边长误差、竖角观测误差、仪器高和目标高的量测误差等诸多因素的影响具体如下：（1）边长误差的大小决定于测量的方法，当今，先进而精密的测距仪器相继问世并得到广泛推广使用，使测距精度显著提高，如Leica TCA2003的测距标称精度达到了1mm+1ppm，能够显著提高短边的测距精度；（2）竖直角观测误差中有照准误差、读数误差、竖盘指标差等，相对来讲，竖角观测误差对高差测定的影响与推算高差的边长成正比，边长越长，影响越大，实际工作中尽量选取测角精度高、能自动照转的仪器进行测量，如Leica TCA的测角精度达0.5″；（3）仪器高和目标高的测定误差，当用光电测距三角高程测量代替四等水准测量时，仪器高和棱镜高的测定要求达到毫米级，可以采用小钢卷尺认真地量测两次取平均值，在实际工作中，我们可以保持往返测过程中棱镜高不变等措施减少其误差。

浅谈三角高程测量误差影响因素分析关键词：三角高程误差分析三角高程测量是在地球自然表面进行的。

野外观测时通过量测斜距、垂直角（天顶距）、仪器高、占标高（棱镜高）后利用公式： H=S×Sina+I-V+（1-K）×（S×Cosa）2/2R 其中：H、S、a、I、V分别为高差、斜距、垂直角、仪器高、占标高，K为大气垂直折光系数R为地球平均曲率半径。

对于短程测距而言，垂线偏角和水准面不平行对高差的影响可以不予考虑，坡道弯曲改正也可以忽略不计。

对（1）式进行全微分，并转化为中误差得：m h2=（Sina×m s）2+（S×Cosa/ρ）2×m s2+m i2+ m v2+（（S×Cosa）2/（2R））2×m r2下面分别讨论各项误差对三角高程测量误差的影响：1.测距误差对高程误差的影响电磁波测距误差一般可分为仪器系统误差和观测时的对中误差、气象测定误差等，仪器系统误差常指测相误差、加常数的测定误差、光速误差和周期误差等等。

通常情况下，仪器在设计和调试时都可严格控制其数值，但由于运输等原因，造成其值异常。

如果发现其数值较大，可对观测成果进行修正。

对中误差只要作业人员认真操作，一般可以做到：光学对中误差≤±1mm,对一般的测距精度而言对中误差影响不大。

气象因素测定不准，会对大气折射率产生影响，进而影响测距精度。

温度对测距影响最大，其次是大气压，湿度的测定误差对其影响可以忽略不计。

气象参数的测定精度很容易满足测距误差不大于±1mm的要求。

气象参数既可以在测站、镜站分别测定后输入仪器进行自动改正，也可以测记后进行人工改正。

因此，距离的测定误差主要来自仪器的系统误差。

2.垂直角的测定误差垂直角的测定误差主要有照准误差、读数误差、气泡居中误差，当采用全站仪时，由于其水平与垂直度盘采用增量式编码，通过测量莫尔条文的数目，以确定光栅移动的位移量，并经过模数的转换测得微小的角值，仪器竖轴的倾斜误差通过双轴传感器进行自动补偿，因此，其精度稍低于水平角，许多文献研究认为垂直角的观测误差一般比水平角的观测误差大。

三角高程测量原理误差分析及应用1三角高程测量的基本原理三角高程测量是通过观测两点间的水平距离和天顶距（或高度角）求定两点间的高差的方法。

它观测方法简单，不受地形条件限制，是测定大地控制点高程的基本方法。

目前，由于水准测量方法的发展，它已经退居次要位置，但在山区和丘陵地带依然被广泛采用。

在三角高程测量中，我们需要使用全站仪或者经纬仪测量出两点之间的距离(水平距离或者斜距)和高度角，以及测量时的仪器高和棱镜高，然后根据三角高程测量的公式推算出待测点的高程。

由图中各个观测量的表示方法，AB两点间高差的公式为：h=S0tanα+i1-i2①但是，在实际的三角高程测量中，地球曲率、大气折光等因素对测量结果精度的影响非常大，必须纳入考虑分析的范围。

因而，出现了各种不同的三角高程测量方法，主要分为：单向观测法，对向观测法，以及中间观测法。

1.1单向观测法单向观测法是最基本最简单的三角高程测量方法，它直接在已知点对待测点进行观测，然后在①式的基础上加上大气折光和地球曲率的改正，就得到待测点的高程。

这种方法操作简单，但是大气折光和地球曲率的改正不便计算，因而精度相对较低。

1.2对向观测法对向观测法是目前使用比较多的一种方法。

对向观测法同样要在A点设站进行观测，不同的是在此同时，还在B点设站，在A架设棱镜进行对向观测。

从而就可以得到两个观测量：直觇：hAB=S往tanα往+i往-v往+c往+r往②反觇：hBA=S返tanα返+i返-v返+c返+r返③S——A、B间的水平距离；α——观测时的高度角；i——仪器高；v——棱镜高；c——地球曲率改正；r——大气折光改正。

然后对两次观测所得高差的结果取平均值，就可以得到A、B两点之间的高差值。

由于是在同时进行的对向观测，而观测时的路径也是一样的，因而，可以认为在观测过程中，地球曲率和大气折光对往返两次观测的影响相同。

所以在对向观测法中可以将它们消除掉。

h=0.5(hAB-hBA)=0.5[(S往tanα往+i往-v往+c往+r往)-(S返tanα返+i返-v返+c返+r返)]=0.5(S往tanα往-S返tanα返+i往-i返+v返-v往)④与单向观测法相比，对向观测法不用考虑地球曲率和大气折光的影响，具有明显的优势，而且所测得的高差也比单向观测法精确。

地球曲率和大气折光对高差的影响
地球曲率对于高差的影响在几乎所有情况下都是显而易见的。

由于地球是一个近似于球体的物体，它的表面是曲率的。

因此，当我们在地球上测量高度差时，需要考虑地球的曲率。

如果我们忽略地球的曲率，那么在较长的距离上测量的高度差可能会显得更大。

例如，当我们站在一个非常大的平地上，远处有一个山峰时，由于地球曲率的影响，我们可能会低估山峰的实际高度。

另一个影响高度差的因素是大气折光。

当光穿过大气层时，由于大气的折射作用，光线会产生偏折。

这种偏折会导致我们在测量高度差时产生误差。

具体来说，大气折光会使得远处的物体看起来比实际位置更高。

这是由于光线在通过大气层时向上弯曲的结果。

因此，在测量高度差时，我们需要考虑大气折光的效应，并进行相应的修正。

总的来说，地球曲率和大气折光都会对高度差产生显著的影响。

为了获得准确的高度差测量结果，我们需要考虑这两个因素，并进行相应的修正。

大气折光在三角高程测量中的反算及精度分析李浩，车国泉(中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院O概述目前，高精度的施工控制网和变形监测网在铁路、公路、水电、火电等测绘部门被广泛使用，其中高程测量是很重要的一项内容。

当前，高程测量的主要方法有水准测量和三角高程测量，但由于地形等因素的限制，水准测量并不能应用于所有的工程，尤其是当测量网需跨越较宽河流、峡谷、海岛或地形起伏很大的山区时更是如此，此时，可采用精密的三角高程测量方法。

随着测绘仪器的飞速发展使得测量方法和精度都有了显著的提高，特别是一批以瑞士Leica公司TCA2003及TCRAI201为代表的智能型全站仪的出现，使高精度的三角高程测量能够成为现实。

但由于很多工程的实际情况不能进行同时往返测取平均值，更多的时候是进行单向测量，因而其测量精度较差。

为提高点位高程测量精度，如何实施有效的大气折光改正，反算大气折光系数，就成为提高三角高程测量精度的关键。

1、三角高程测量原理三角高程测量是利用观测的竖直角、斜距和仪镜高等参数，根据几何三角测量原理计算两点之间高差的一种方法。

如图1所示。

设:为A, B两点间的实测水平距离，仪器置于A点，仪器高为h,棱镜高为，，R为参考椭球面曲率半径。

PE , AF为过P点和A点的水准面。

PC是PE在P点的切线，PA为光曲线，PM与PN相切。

仪器置于A点测的竖直角为NPC，设为a。

从图中可以看出A, B点间的高差为:Hab=BF=MC十CE十EF一MN一NB(1)式中:EF为仪器高h,NB为棱镜高v;CE及MN为地球曲率和大气折光影响，由式(2)计算:CE=s²/2R MN=s²/2R' (2)式中:R'为光曲线PN的曲率半径;设R/R' = K,则式(2)中MN=Ks²/2R, K称为大气折光系数。

由于A, B两点间的水平距离与曲率半径R之比值很小，故认为PC近似垂直于OM，这样MC就可以用式(3)计算:MC = s * tga ( 3)将式(2)及式(3)代入(1)式，则A, B两地面点间的高差为:(4)式(4)就是单向观测计算高差的基本公式。

三角高程测量精度分析摘要：通常我们主要通过水准与三角高程测量两种主要方法来测量高程。

我们在测量高程的时候一般都是优先选择水准测量的方法来测量。

但是我们都知道，进行水准测量时候的步骤十分繁琐，而且有时候的任务量很大。

地形起伏较大的地区可能不适合水准测量，在这种情况下，我们通常选择三角高程测量来进行高程测量。

本文在阐述一些三角高程测量理论知识的同时，主要研究的内容是三角高程测量精度方面的问题。

然后在案例分析部分着重通过球气差这一主要影响因素分析，其他因素进行辅助分析。

关键词：三角高程测量；精度；球气差；水准测量；影响因素1 绪论我们都知道，测量高程除了水准测量之外，三角高程测量也是一种很好的高程测量方法。

随着测绘行业的不断发展，我们对三角高程测量的研究也越来越重要。

三角高程测量作为一种测量方法，以其简单便捷，受地形条件等影响较小等优势越来越得到普遍运用，在不便于水准测量的山地丘陵地区，三角高程测量就显得比水准测量更加的有优势，也更加被人们所运用。

通过研究分析其精度问题，可以使其适用于不同的施工测量之中。

2 全站仪三角高程测量原理根据如下三角高程测量原理图，根据已知点的高程，求算出未知点的高程。

首先通过量测两点间的高差，步骤为：在A、B两点分别安置全站仪与棱镜，量取仪器高与战舰高i、v。

用全站仪瞄准棱镜中心，点角度测量，测出竖直角α。

又因为A、B水平距离已知，根据三角函数得出倾斜距离D，然后根据如下公式算出A、B两点之间的高差，进而求得两点的高程：（2-1）若A点的高程已知为，则B点高程为：（2-2）图2-1 三角高程测量原理图3 三角高程测量精度实例分析3.1 研究区背景本次研究区选择在山东农业工程学院济北校区内进行，学院内测区整体地势平坦，测量难度较小。

测区内多为水泥路，少植被，通视情况良好，天气干燥少雨，观测条件良好。

3.2影响误差的因子在研究三角高程测量精度的时候，我们首先应该知道有哪些影响三角高程测量精度的因子。

工程测量中三角高程测量的误差分析及解决方法通过对三角高程测量公式的分析，发现影响三角高程测量精度的因子，引进当下较为先进的设备与方法，从而提高三角高程测量的精度，使其可以替代几何水准测量。

该方法的实现可以弥补几何水准受地形条件等因素限制使工作效率慢，测绘成本高，人身、设备安全无法保障等缺点。

标签：三角高程测量；几何水准；误差分析；大气折光系数1 引言一直以来，为保证精度，高等级高程测量都采用几何水准的方法。

而在某些特定环境下，几何水准往往会耗费大量的人力、物力，且受地形等条件因素影响较大！鉴于几何水准在某些特定情形下无法进行的问题，探讨如何提高三角高程测量的精度，以保证其测量成果的可行性和可靠性，使得三角高程测量成果足以替代几何水准。

随着高精度全站仪的问世，结合合理的方式、方法，运用三角高程替代几何水准测量是切实可行的。

三角高程代替几何水准可以解决跨河水准及高边坡、危险地段无法进行精密几何水准测量的难题，保障危险地段测量人员和仪器设备的安全，提高了工作效率，降低了测量成本。

2 三角高程测量误差分析常见的三角高程测量有单向观测法、中间法和对象观测法，对向观测法可以消除部分误差，故在三角高程测量中采用较为广泛。

对向观测法三角高程测量的高差公式为：式中：D为两点问的距离；a为垂直角；（k2-k1）为往返测大气垂直折光系数差；i为仪器高；v为目标高；R为地球曲率半径（6370km）；为垂线偏差非线性变化量；令。

对式（1）微分，则由误差传播定律可得高差中误差：（2）由式（2）可知影响三角高程测量精度主要有：1.竖直角（或天顶距）、2.距离、3.仪器高、4.目标高、5.球气差。

第1、2项可以通过试验观测数据分析选择精度合适的仪器及其配套的反光棱镜、温度计、气压表等，我们选择的是徕卡TCA2003及其配套的单棱镜、国产机械通风干湿温度计、盒式气压计；第3、4项，一般要求建立稳定的观测墩和强制对中装置，采用游标卡尺在基座3个方向量取，使3个方向量取的校差小于0.2mm，并在测前、测后进行2次量测；第5项球气差也就是大气折光差，也是本课题的研究重点。