一种验潮室内读数指针的高精度水准测量方法

谭泽琼，王浩展，刘涛荣，娄全胜

国家海洋局三沙海洋环境监测中心站 海南 海口 570311

验潮站获取的潮汐数据可用于海上捕捞、海上勘探开发、桥梁施工及港口设计[1]、船只作业及航运[2]等方面，为分析海平面变化及发展趋势[3]、潮汐预报[4-7]、计算高程基准面[8]等研究提供基础本底数据。根据潮汐数据建立的潮汐模型[9]，是确定高精度、高分辨率重力场模型、海平面、海面地形及深度基准面的重要工具[10]。潮汐也直接影响着海域的营养盐、泥沙、温度、盐度等要素变化[11-14]，因此获取长期连续准确的潮汐数据至关重要。

1 验潮站基本情况

验潮站一般在室内安装验潮仪，并建有验潮井联通至水下，验潮仪的浮子系统根据水位高低变化记录潮汐数据。井内水尺系统由井内水尺、浮子系统和读数指针构成。井内水尺通常采用带形玻璃纤维软尺（以下简称“带尺”），带尺与浮子连接，浮子依据水位高低变化通过滑轮、平衡锤带动带尺移动，标记带尺刻度读数的即为读数指针。井内水尺用于与验潮仪获取数据比对，以确保数据准确。

在验潮站附近开放海域设立独立的水尺用于与室内验潮仪所记录的潮位高程进行比较，降低因验潮井泥沙淤积、生物附着、输水管进水孔堵塞等因素产生的数据误差。

根据最新的《海洋观测规范第2部分：海滨观测》（GB/T14914.2-2019）[15]，验潮站应在适当位置设置一个基本水准点和一至两个校核水准点。基本水准点是永久性的高程控制点。校核水准点是用于引测和检查验潮井外水尺零点、读数指针高程的水准点。一般每年均需要对验潮站开展水准测量，以确定井外水尺零点、读数指针的高程位置关系。由于验潮站的潮汐数据记录基本由自动化观测的验潮仪记录，井内水尺的读数指针高程与井外水尺零点的高程关系对于记录值与井外实际潮汐数值的关系至关重要。

但目前的验潮站大多设立在近岸，为钢筋混凝土搭建的房屋，验潮站与内陆通过钢筋混凝土制栈桥相连。由于历史原因，早期验潮站建站时间久远，最早可追溯至20世纪中期，各验潮站的室内读数指针的标识、高度根据各站情况而定无统一的标准。读数指针可分为铁架型、铁丝型、线划型等（图1），其指针特性存在差异，铁丝型和线划型均不利于放置测量水尺，没有足够支撑以确保测量水尺稳定。且验潮站室内空间有限，设置有读数指针的验潮仪一般置于水泥台上，验潮室外有时为台阶，开展高精度水准测量前后水尺高差易超限，且室内多铺设瓷砖地面光滑不利于架设水准仪（图2）。本文提出了一种能够适应不同类型指针读数，灵活开展水准测量获取指针读数的测量方法。

图1 读数指针类型

图2 验潮室内验潮仪放置图

2 水准测量原理

常规水准测量是利用水准仪建立一条水平视线，配合在A、B两点所立的水准尺来测定前后两点间的高差，从而由已知点的高程推算出未知点的高程。A、B两点的高差为hAB=a-b，A为已知点，则通过公式：

图3 水准测量 (根据参考文献[16])

3 改进的水准测量方法

3.1 游标卡尺

游标卡尺是一种被广泛使用的高精度测量工具，可用于测量长度、内外径、深度。根据《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006），每千米水准测量的偶然中误差和全中误差、测站观测限差、往返高差不符值、环闭合差等精度相关的二等水准测量精度应控制在0.1 mm数量级，游标卡尺的精度可达0.01 mm数量级，满足二等水准测量要求。

3.2 改进的水准测量方法

常规的水准测量需要将水尺置于待测点上，但读数指针位于井内水尺系统支撑架上，不易于放置测量水尺，若直接照准则操作需要不断调整水准仪高度，不便于实施。通过引入高精度的游标卡尺对水准测量方法进行改进，将游标卡尺外测量爪一侧置于读数指针处与其平行，另一侧调整至水准仪视线范围内，水准仪照准游标尺外测量爪处，读取游标卡尺读数hz。通过如下公式即可计算出读数指针HB′的高程值。

式中：a、b为标尺读数；HA、HB、HB′为基于某一高程系统（通常为1985国家高程系统）的高程值。通过公式可知，读数指针的高程计算不依赖于其旁立的水尺高程HB，因此在实际测量中，只需照准后尺取得后视读数a，再读取游标卡尺读数hz，即可计算出读数指针HB的高程值。

图4 改进的水准测量

表1 游标卡尺测量方法误差统计表

4 实验与结果分析

为分析引入游标卡尺做水准测量的误差情况，进行10组测试。已知线高程和实际待测线高程均由水准仪照准线后，旋转镜头照准水尺直接读出，测量水尺位置为临时建立的参照点。采用游标卡尺量取二者间的差值，推算出待测线高程。通过比较推算的待测线高程和实际待测线高程误差，分析其误差情况。

对于引入游标卡尺的测量方法的精度评估，采用测量数据处理理论中的中误差指标表示，即RMS=RMS表示测量数据的中误差，H表示采用游标卡尺测量高程值，H′表示用水尺测得其实际高程值。通过计算可知，10次测量的观测中误差为0.074 mm。满足二等测量中每千米水准测量偶然中误差MΔ小于1 mm的要求。经过多次测量发现，测量误差与测线的粗细有关系，粗的测线会导致中丝读数误差累积。此时，铁丝型的读数指针悬空，在测量时其位置有可能发生轻微移动。同时，水尺的倾斜会导致读数误差，配以水准气泡进行测量可减小误差。

5 结 语

本文通过实例验证，引入游标卡尺的优化测量方法能够提高测量读数指针的测量精度，达到潮汐观测规范对水准点测量的最高要求，即对基本水准点的水准测量应按二等或以上水准测量要求连测。该方法灵活适用于验潮室内的读数指针高精度高程测量，解决了其测量高差大、架站不易、放置水尺不便、普通刻度尺精度低、0刻度与尺边界差值等实际问题，提高了水准测量的工作效率与质量。但同时，读数指针的类型、指针的粗细、游标卡尺的倾斜度都会对测量的准确性造成影响，将这些影响因素控制在可控范围内可减少测量误差的累积，提高准确度。另外，井内绑系带尺的刻度精度及受重力作用产生的拉伸、井内水尺与电子验潮仪的潮位关系值也会对潮汐数据的有效使用产生影响。