[科普中国]-气象改正

气象改正概念

在全站仪和测距仪中，一般利用光波进行测距，首先仪器会处理测距光波的相位漂移引起的测距误差。但实际应用中因为光波在大气中穿透受大气温度、气压、大气成分变化(特别是二氧化碳浓度影响)、密度、大气湿度等客观条件的影响，所测距离要经过相关气象条件改正才能得到正确的真值。这里主要是针对载波而言。

一般情况下只改正大气温度、大气压力和大气湿度对测距的影响。

相关气象条件大气温度摄氏温度（℃）：将纯水的冰点定为0℃，以标准大气压压纯水的沸点定位100℃，并将两者之间温差等分100份每等份代表1℃。我国采用摄氏温度计量单位。

华氏温度（F）：将纯水的冰点定为32F，以标准大气压压纯水的沸点定位212F，并将两者之间温差等分180份每等份代表1F。

绝对温度（K）：规定摄氏0℃为273.15K。 分度法与摄氏温度相同。

以上三种温度标换算关系：℃=5/9(F-32);K=℃+273.15

大气压力单位面积所受的大气重量压力即大气压。国标单位是帕斯卡（Pa）。另外还使用mmHg以及mb。

1mmHg=1.33322mb≈4/3mb 1mb=100Pa

大气湿度在大气压力中有水汽产生的一部分压力，就是水汽压（e）。在一定的温度下一定体积的空气中所容纳的最大水汽量就是饱和湿度；此时空气中的水汽压就是饱和水汽压（E）。

绝对湿度（a）：单位体积空气中所含的水汽质量。a=289×e/T（单位是g/m3），T是大气绝对温度(K)

相对湿度（h）：空气中实际水汽压（e）与同温度下饱和水汽压（E）比值称为相对湿度。h=e/E×100%

气象改正公式对于不同型号全站仪或者测距仪而言，由于采用载波光源的波长不同、加上各厂家对使用的相关气象条件单位不同，最终各厂家的不同型号产品的气象改正公式有所不同。

根据国际大地测量协会第十三次会议的决议，实际气象条件下调制光折射率n的计算公式为

式中a=1/273.16为空气膨胀系数；t为实际大气干温单位℃；P为大气压单位mmHg；e为实际水汽压单位mmHg；ng为标准气象条件（t=0℃，P=760mmHg，e=0mmHg）下调制光的折射率：

其中λ为单色光波长，单位微米（μm）；nλ为单色非调制光在标准气象条件下的折射率：

例如：sokkia全站仪采用λ=860nm=0.86μm，代如以上公式可求出气象改正公式如下：

改正后的距离为：

采用其它波长测距的仪器也可用同样算法得出相应改正公式。1

气象实用改正法一般情况下，为了明确求得距离的大气折射率改正，需要测定大气中的气象元素。因此，为了实现变形监测的自动化，某些系统中添置了高精度通风温度计、数字气压计和数字湿度计。考虑到大坝变形监测中监测范围不大，大气折光改正属小区域大气折光改正，且大坝变形监测系统一般都建有基点稳定的基准网，当确信基准点稳定且大坝地区的大气代表性误差规律清楚时，监测人员可以采用实用改正法对气象因素进行改正。具体做法为利用基准网的测量信息，用基线边实时校准，边实时进行数据处理，无需测量气象元素，从而简化系统设备配置，实现实时大气折射率差分改正，经现场测试，这时得到的监测边边长和监测点的三维坐标同样具有亚毫米级精度。

采用实用法对气象因素进行改正，省去了高精度通风温度计、数字气压计和数字湿度计，简化了系统设备配置，但是增加了基准网点。稳定可靠的监测基准网是实用法的基础，因此，对基准网提出了较高要求。基准网点应位于大坝基础变形区域之外的稳固不动的基岩基础上，并用钢筋混凝土浇成圆柱水泥墩，其上采用强制对中装置放置棱镜及固定棱镜罩。一般应有3~4个基准点，要求监测站至各基准点的方向和距离覆盖整个变形监测区域。监测站与各基准点之间的已知斜距、方位和高差是整个自动化监测系统气象改正的依据，应采用高等级仪器定期进行监测。变形测点较多时会增加观测时间，观测条件发生变化从而影响气象改正的精度，因此必须分组实施监测，一般每组选7-8个点，每组观测用时约10min。

全站仪的气象改正（1）由于大气密度不同，大气各点处的折射率不同，光束在大气中传输时就会发生漂移和偏折，光线所经路程不是直线，而是曲线。

（2）在变化大气压、变化气温及变化湿度影响下，大气密度在垂直方向和水平方向的分布都不均匀。特别对于修建于峡谷内的水电工程，局部地区温度场的分布情况非常复杂，致使大气密度的分布极不均匀，大气折光对全站仪测量作业的影响十分显著。因此，需要对测距、测角进行气象改正。

（3）不同厂家的全站仪采用的气象改正方法也不同，气象改正公式也不同，但原理相同，气象改正可分为气象元素改正法和实用改正法两大类。气象元素改正法是全站仪在测量作业同时测定大气中的气象元素并按照一定的气象改正公式进行测距改正和测角改正的方法。采用该方法需要配置高精度温度计、气压计和湿度计，并进行同步测量。

（4）实用改正法对气象因素进行改正的具体做法为利用基准网的测量信息，用基线边实时校准，边实时进行数据处理，无需测量气象元素，从而简化系统设备配置，实现实时大气折射率差分改正。稳定可靠的监测基准网是实用法的基础，因此，实用改正法较气象元素改正法对基准网提出了更高的要求。经现场测试，采用实用改正法得到的监测边边长和监测点的三维坐标同样具有亚毫米级精度。1