空氣密度隨著所在位置的高程發生變化，越到高空，密度越稀薄，光線通過由下而上密度均勻變化的大氣層時，光線發生折射，形成凹向地球的曲線。引起三角測量高程偏差。
基本介紹
- 中文名：垂直折光誤差
- 外文名：vertical refraction error
- 鄰域：測繪科學與技術
- 方法：最小二乘法等
- 原因：視線在垂直方向上產生折射
- 措施：距離最好控制在1000m以內等
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原因
地球表面附近的大氣層是一個相對穩定的氣層。它是分子無規的熱運動和地球引力作用的共同作用結果，在標準大氣壓下根據重力場中氣體分子密度公式可以看出.重力場中氣休分子數密度是隨高度的增加按指數規律減少，當氣體分子量不變時，隨著氣體溫度的升高，分子數密度減少趨於緩慢。由此可以看出高度、溫度的變化是影響氣體分子密度的主要因素，而氣體密度在大氣中的分布是影響垂直折光差的重要因素。
氣體處於平衡狀態時,各部分的溫度和壓力是相同的,因而各氣層之間沒有相對運動。但是構想在標準大氣壓下,當氣體內或各部分的溫度變化時,其氣體將有能量、質量或動量從一部分向另一部分定向遷移,這就是在非平衡狀態下氣體的遷移現象.從分子運動論的觀點來看,氣體分子定向運動動量的遷移是通過氣休分子熱運動來實現的。當大氣壓一定時,如果氣體內各處溫度不等,熱量就從溫度較高的地方傳到溫度較低的地方,這就是熱傳導現象,正是由於這種熱傳導現象產生氣體擴散或者說氣體質量發生了定向遷移,其微觀本質是氣體分子密度的定向遷移,既當溫度升高時氣體分子中密度較高的地方遷移到密度較低的地方,反之則相反。由於氣體分子這種遷移特性的存在,光線在溫度不同時通過所產生的垂直折光差也不同。
估計
在建造稀有工程建築物時，在特殊用途的工作項目和其它領域內，計入大氣折光是提高控制網測角精度的一個重要因素。為此，用大地測量方法來研究大氣折光差之值及其變化已被廣泛套用。在某些測量實踐中，對於測量過程及其以後的計算，必須事先給出折光差值。
確定垂直折光差的實驗結果表明，它的影響在一晝夜內具有周期性。
預估垂直折光差角的經驗公式，可用兩種方法，即利用最小二乘法理論或三角近似法得到。
影響
當觀測視線通過理想的大氣層時,觀測視線是一條直線,由於大氣密度分布不均勻,使得觀測視線產生一定的彎曲,從而給觀測結果帶來影響。
大氣折光主要影響測距三角高程精度。關於折光係數的精度，過去有實驗說明折光係數的中誤差為±0.03～ ±0.04。現有文章認為最大的可達±0.16 ，最小只有±0.01，相差十幾倍。出現上述現象的原因，除了不同地區、山區或平原、或者跨越河流等存在的差異外，多數則是估計不準確引起的。因此正確認識折光係數的影響規律,尋求準確估計折光係數誤差的方法,提高折光係數的代表精度，對克服折光係數影響和正確評價測距三角高程的測量精度，是具有現實意義的。
一般在近地層,對於炎熱的白天,大氣密度梯度為正值。對於寒冷天氣的白天,大氣密度為負值。電磁波測距三角高程測量,測站和鏡站觀測視線離地面較近,一般在1. 5m左右。對於前者的觀測條件,視線多為凹向彎曲。對於後者的觀測條件,視線多為凸向彎曲。實際上,由於地貌,溫度和植被的不同,造成沿線地面之間大氣密度的差異較大。
垂直折光誤差
垂直折光誤差(1) 測距三角高程測量,觀測視線離地面較低,在炎熱季節的白天測量,觀測視線大部分呈凹向彎曲,折光係數多為負值；
(2) 如果觀測視線呈凸向或凹向彎曲,對向觀測結果的高差平均值可以部分或大部分消除大氣折光的影響。如果觀測視線的一端呈凸向彎曲而另一端呈凹向彎曲,折光影響將使觀測高差偏大或偏小,即使對向觀測,也不能消除其影響。
(3) 觀測視線大氣折光對高差的影響,隨季節,天氣,地面植被及測量時沿線的溫度不同而變化,且有其規律性。
措施
(1) 垂直角較大,邊長誤差對高差的影響比平地大,因此邊長應採取不同時對向觀測。垂直角採取對向觀測,提高觀測精度。同時量取儀高,鏡高,對邊長進行氣壓,溫度改正,減小大氣折光影響,邊長愈長,垂直角觀測精度要求愈高。
(2) 選擇有利的觀測時間,確保呈象穩定,清晰。視線離地面距離不小於1. 5m ,選擇地面植被相近的測量線路,沿線溫度變化不大,地面起伏一致,或基本一致。
(3) 只要視線離地面有足夠的高度,短邊測距三角高程的垂直折光影響很小,在日出後一小時至日落前一小時,目標成像清晰,穩定,即可觀測。當天氣條件一樣,不同時間段的對向觀測結果的精度也是很高的。強調同時對向觀測的意義不大,但應選擇同樣或相似的觀測條件。
(4) 距離最好控制在1000m 以內。
垂直折光差同氣體分子密度分布與遷移規律有著緊密的聯繫,垂直折光
差的產生並不是偶然的誤差現象,它有其自身的規律,屬於隨機性的系統誤差。
(5)採用經驗公式對垂直折光差加以改正,不能完全消除其影響,還應在實際作業當中
根據折光差的上述特性,儘可能選擇最佳的觀測條件進行觀測,從根本上減少垂直折光差
的影響。
