一種驗(yàn)潮室內(nèi)讀數(shù)指針的高精度水準(zhǔn)測(cè)量方法

譚澤瓊，王浩展，劉濤榮，婁全勝

國家海洋局三沙海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 海南 海口 570311

驗(yàn)潮站獲取的潮汐數(shù)據(jù)可用于海上捕撈、海上勘探開發(fā)、橋梁施工及港口設(shè)計(jì)[1]、船只作業(yè)及航運(yùn)[2]等方面，為分析海平面變化及發(fā)展趨勢(shì)[3]、潮汐預(yù)報(bào)[4-7]、計(jì)算高程基準(zhǔn)面[8]等研究提供基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)。根據(jù)潮汐數(shù)據(jù)建立的潮汐模型[9]，是確定高精度、高分辨率重力場(chǎng)模型、海平面、海面地形及深度基準(zhǔn)面的重要工具[10]。潮汐也直接影響著海域的營養(yǎng)鹽、泥沙、溫度、鹽度等要素變化[11-14]，因此獲取長(zhǎng)期連續(xù)準(zhǔn)確的潮汐數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

1 驗(yàn)潮站基本情況

驗(yàn)潮站一般在室內(nèi)安裝驗(yàn)潮儀，并建有驗(yàn)潮井聯(lián)通至水下，驗(yàn)潮儀的浮子系統(tǒng)根據(jù)水位高低變化記錄潮汐數(shù)據(jù)。井內(nèi)水尺系統(tǒng)由井內(nèi)水尺、浮子系統(tǒng)和讀數(shù)指針構(gòu)成。井內(nèi)水尺通常采用帶形玻璃纖維軟尺（以下簡(jiǎn)稱“帶尺”），帶尺與浮子連接，浮子依據(jù)水位高低變化通過滑輪、平衡錘帶動(dòng)帶尺移動(dòng)，標(biāo)記帶尺刻度讀數(shù)的即為讀數(shù)指針。井內(nèi)水尺用于與驗(yàn)潮儀獲取數(shù)據(jù)比對(duì)，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

在驗(yàn)潮站附近開放海域設(shè)立獨(dú)立的水尺用于與室內(nèi)驗(yàn)潮儀所記錄的潮位高程進(jìn)行比較，降低因驗(yàn)潮井泥沙淤積、生物附著、輸水管進(jìn)水孔堵塞等因素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。

根據(jù)最新的《海洋觀測(cè)規(guī)范第2部分：海濱觀測(cè)》（GB/T14914.2-2019）[15]，驗(yàn)潮站應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置一個(gè)基本水準(zhǔn)點(diǎn)和一至兩個(gè)校核水準(zhǔn)點(diǎn)。基本水準(zhǔn)點(diǎn)是永久性的高程控制點(diǎn)。校核水準(zhǔn)點(diǎn)是用于引測(cè)和檢查驗(yàn)潮井外水尺零點(diǎn)、讀數(shù)指針高程的水準(zhǔn)點(diǎn)。一般每年均需要對(duì)驗(yàn)潮站開展水準(zhǔn)測(cè)量，以確定井外水尺零點(diǎn)、讀數(shù)指針的高程位置關(guān)系。由于驗(yàn)潮站的潮汐數(shù)據(jù)記錄基本由自動(dòng)化觀測(cè)的驗(yàn)潮儀記錄，井內(nèi)水尺的讀數(shù)指針高程與井外水尺零點(diǎn)的高程關(guān)系對(duì)于記錄值與井外實(shí)際潮汐數(shù)值的關(guān)系至關(guān)重要。

但目前的驗(yàn)潮站大多設(shè)立在近岸，為鋼筋混凝土搭建的房屋，驗(yàn)潮站與內(nèi)陸通過鋼筋混凝土制棧橋相連。由于歷史原因，早期驗(yàn)潮站建站時(shí)間久遠(yuǎn)，最早可追溯至20世紀(jì)中期，各驗(yàn)潮站的室內(nèi)讀數(shù)指針的標(biāo)識(shí)、高度根據(jù)各站情況而定無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。讀數(shù)指針可分為鐵架型、鐵絲型、線劃型等（圖1），其指針特性存在差異，鐵絲型和線劃型均不利于放置測(cè)量水尺，沒有足夠支撐以確保測(cè)量水尺穩(wěn)定。且驗(yàn)潮站室內(nèi)空間有限，設(shè)置有讀數(shù)指針的驗(yàn)潮儀一般置于水泥臺(tái)上，驗(yàn)潮室外有時(shí)為臺(tái)階，開展高精度水準(zhǔn)測(cè)量前后水尺高差易超限，且室內(nèi)多鋪設(shè)瓷磚地面光滑不利于架設(shè)水準(zhǔn)儀（圖2）。本文提出了一種能夠適應(yīng)不同類型指針讀數(shù)，靈活開展水準(zhǔn)測(cè)量獲取指針讀數(shù)的測(cè)量方法。

圖1 讀數(shù)指針類型

圖2 驗(yàn)潮室內(nèi)驗(yàn)潮儀放置圖

2 水準(zhǔn)測(cè)量原理

常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量是利用水準(zhǔn)儀建立一條水平視線，配合在A、B兩點(diǎn)所立的水準(zhǔn)尺來測(cè)定前后兩點(diǎn)間的高差，從而由已知點(diǎn)的高程推算出未知點(diǎn)的高程。A、B兩點(diǎn)的高差為hAB=a-b，A為已知點(diǎn)，則通過公式：

圖3 水準(zhǔn)測(cè)量 (根據(jù)參考文獻(xiàn)[16])

3 改進(jìn)的水準(zhǔn)測(cè)量方法

3.1 游標(biāo)卡尺

游標(biāo)卡尺是一種被廣泛使用的高精度測(cè)量工具，可用于測(cè)量長(zhǎng)度、內(nèi)外徑、深度。根據(jù)《國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB/T12897-2006），每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差和全中誤差、測(cè)站觀測(cè)限差、往返高差不符值、環(huán)閉合差等精度相關(guān)的二等水準(zhǔn)測(cè)量精度應(yīng)控制在0.1 mm數(shù)量級(jí)，游標(biāo)卡尺的精度可達(dá)0.01 mm數(shù)量級(jí)，滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量要求。

3.2 改進(jìn)的水準(zhǔn)測(cè)量方法

常規(guī)的水準(zhǔn)測(cè)量需要將水尺置于待測(cè)點(diǎn)上，但讀數(shù)指針位于井內(nèi)水尺系統(tǒng)支撐架上，不易于放置測(cè)量水尺，若直接照準(zhǔn)則操作需要不斷調(diào)整水準(zhǔn)儀高度，不便于實(shí)施。通過引入高精度的游標(biāo)卡尺對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，將游標(biāo)卡尺外測(cè)量爪一側(cè)置于讀數(shù)指針處與其平行，另一側(cè)調(diào)整至水準(zhǔn)儀視線范圍內(nèi)，水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)游標(biāo)尺外測(cè)量爪處，讀取游標(biāo)卡尺讀數(shù)hz。通過如下公式即可計(jì)算出讀數(shù)指針HB′的高程值。

式中：a、b為標(biāo)尺讀數(shù)；HA、HB、HB′為基于某一高程系統(tǒng)（通常為1985國家高程系統(tǒng)）的高程值。通過公式可知，讀數(shù)指針的高程計(jì)算不依賴于其旁立的水尺高程HB，因此在實(shí)際測(cè)量中，只需照準(zhǔn)后尺取得后視讀數(shù)a，再讀取游標(biāo)卡尺讀數(shù)hz，即可計(jì)算出讀數(shù)指針HB的高程值。

圖4 改進(jìn)的水準(zhǔn)測(cè)量

表1 游標(biāo)卡尺測(cè)量方法誤差統(tǒng)計(jì)表

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為分析引入游標(biāo)卡尺做水準(zhǔn)測(cè)量的誤差情況，進(jìn)行10組測(cè)試。已知線高程和實(shí)際待測(cè)線高程均由水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)線后，旋轉(zhuǎn)鏡頭照準(zhǔn)水尺直接讀出，測(cè)量水尺位置為臨時(shí)建立的參照點(diǎn)。采用游標(biāo)卡尺量取二者間的差值，推算出待測(cè)線高程。通過比較推算的待測(cè)線高程和實(shí)際待測(cè)線高程誤差，分析其誤差情況。

對(duì)于引入游標(biāo)卡尺的測(cè)量方法的精度評(píng)估，采用測(cè)量數(shù)據(jù)處理理論中的中誤差指標(biāo)表示，即RMS=RMS表示測(cè)量數(shù)據(jù)的中誤差，H表示采用游標(biāo)卡尺測(cè)量高程值，H′表示用水尺測(cè)得其實(shí)際高程值。通過計(jì)算可知，10次測(cè)量的觀測(cè)中誤差為0.074 mm。滿足二等測(cè)量中每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差MΔ小于1 mm的要求。經(jīng)過多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，測(cè)量誤差與測(cè)線的粗細(xì)有關(guān)系，粗的測(cè)線會(huì)導(dǎo)致中絲讀數(shù)誤差累積。此時(shí)，鐵絲型的讀數(shù)指針懸空，在測(cè)量時(shí)其位置有可能發(fā)生輕微移動(dòng)。同時(shí)，水尺的傾斜會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)誤差，配以水準(zhǔn)氣泡進(jìn)行測(cè)量可減小誤差。

5 結(jié) 語

本文通過實(shí)例驗(yàn)證，引入游標(biāo)卡尺的優(yōu)化測(cè)量方法能夠提高測(cè)量讀數(shù)指針的測(cè)量精度，達(dá)到潮汐觀測(cè)規(guī)范對(duì)水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量的最高要求，即對(duì)基本水準(zhǔn)點(diǎn)的水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)按二等或以上水準(zhǔn)測(cè)量要求連測(cè)。該方法靈活適用于驗(yàn)潮室內(nèi)的讀數(shù)指針高精度高程測(cè)量，解決了其測(cè)量高差大、架站不易、放置水尺不便、普通刻度尺精度低、0刻度與尺邊界差值等實(shí)際問題，提高了水準(zhǔn)測(cè)量的工作效率與質(zhì)量。但同時(shí)，讀數(shù)指針的類型、指針的粗細(xì)、游標(biāo)卡尺的傾斜度都會(huì)對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性造成影響，將這些影響因素控制在可控范圍內(nèi)可減少測(cè)量誤差的累積，提高準(zhǔn)確度。另外，井內(nèi)綁系帶尺的刻度精度及受重力作用產(chǎn)生的拉伸、井內(nèi)水尺與電子驗(yàn)潮儀的潮位關(guān)系值也會(huì)對(duì)潮汐數(shù)據(jù)的有效使用產(chǎn)生影響。