基于測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)特大橋梁水準(zhǔn)控制測(cè)量

李 林，賴 云，李圣明

（1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢430052；2.湖北省國土資源研究院，湖北 武漢430070）

基于測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)特大橋梁水準(zhǔn)控制測(cè)量

李 林1，賴 云2，李圣明1

（1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢430052；2.湖北省國土資源研究院，湖北 武漢430070）

通過對(duì)三角高程跨河精密水準(zhǔn)測(cè)量的主要誤差來源進(jìn)行分析,提出了一種利用測(cè)量機(jī)器人和特殊的觀測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離跨河高精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，所提出的方法對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要參考意義和實(shí)用價(jià)值。

測(cè)量機(jī)器人；三角高程；精密水準(zhǔn)

特大橋梁是公路建設(shè)中最主要的控制性工程，對(duì)各項(xiàng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求也都是最高的。為滿足工程要求，對(duì)于特大橋梁的精密水準(zhǔn)控制一般都采用常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量方法，其弊端是水準(zhǔn)路線繞行里程巨大，延長(zhǎng)了項(xiàng)目工期，不利于各階段測(cè)繪復(fù)測(cè)工作。常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量雖然精度高、操作簡(jiǎn)單，但是視線短，不適合長(zhǎng)距離跨河高差傳遞。三角高程測(cè)量方法適合在較長(zhǎng)的距離獲取高差數(shù)據(jù)，但是三角高程測(cè)量的精度主要受控于高度角、觀測(cè)精度和大氣折光的影響，三角高程測(cè)量方法在替代二等及以上水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)多種誤差源未得到有效降低。因此，測(cè)量人員一直在研究特定條件下三角高程替代精密幾何水準(zhǔn)的方法。

本文給出了一種利用ATR測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行三角高程測(cè)量，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離（1 km以上）精密跨河水準(zhǔn)的方法，并通過工程實(shí)踐證明了該方法的可行性。

1 三角高程測(cè)量的主要誤差影響分析

目前最嚴(yán)密的三角高程對(duì)向觀測(cè)高差計(jì)算公式為:

式中，Z為天頂距；ε是照準(zhǔn)方向上的垂線偏差分量；R是2點(diǎn)間的平均曲率半徑；D為2點(diǎn)間的斜距；S為參考橢球面上的距離；K為大氣折光系數(shù)；i為儀器高；v為棱鏡高。

1.1 儀器觀測(cè)誤差的影響

1）觀測(cè)誤差。在實(shí)際工作中，上下午觀測(cè)時(shí)，有時(shí)一岸為逆光而另一岸為順光，逆光觀測(cè)對(duì)垂直角的觀測(cè)精度影響較大，在跨度超過1 km以上的跨河水準(zhǔn)測(cè)量中，按照二等水準(zhǔn)測(cè)量要求實(shí)施，需要采用十幾個(gè)測(cè)回、多個(gè)觀測(cè)組數(shù)來提高測(cè)角精度，受觀測(cè)條件、距離、天氣情況因素限制，往往需要數(shù)日連續(xù)觀測(cè)。

2）儀器精度誤差。設(shè)視線的垂直角為α，儀器的測(cè)角精度為mα，儀器的測(cè)距精度為mD，則儀器的觀測(cè)誤差對(duì)高差觀測(cè)的影響為：

以測(cè)距精度1+1×10-6儀器為例，按儀器角度觀測(cè)標(biāo)稱精度1"和0．5"，分別按式（2）分析了儀器觀測(cè)誤差隨角度和距離的變化。經(jīng)計(jì)算，要達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度，采用1"的測(cè)量機(jī)器人，其觀測(cè)距離不能大于600 m；采用0．5"的測(cè)量機(jī)器人，其觀測(cè)距離不能大于1 500 m，同時(shí)垂直角觀測(cè)值不能大于15°。

1.2 大氣折光誤差的影響

大氣折光系數(shù)與溫度梯度及大氣密度有關(guān)，越接近地面，大氣的密度越不規(guī)則，大氣折光系數(shù)越無規(guī)律，其值不易測(cè)定，一般認(rèn)為早晚變化較大，陰天和夜間最好。大氣折光和地球曲率影響的改正，進(jìn)行往返測(cè)高差的兩差改正后再取均值，可以大大減小大氣折光誤差的影響，但無法完全消除其影響。影響其值的因素復(fù)雜，無法給出固定的數(shù)值。為了減小大氣折光的影響，可采用以下方法：①選擇往返觀測(cè)，抵消地球曲率和大氣折光的影響；②使往返測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，即同時(shí)對(duì)向觀測(cè)，以使得觀測(cè)過程中大氣折光影響因素基本相同；③測(cè)量視線應(yīng)盡可能地高出地面多一些，且兩岸地形盡可能一致；④選擇夜間測(cè)量使干擾因素減小。

1.3 儀器高量測(cè)誤差的影響

常規(guī)測(cè)量中量取儀器高、棱鏡高引起的誤差，一般在±2 mm左右，顯然在高精度跨河三角高程測(cè)量中，不能采用普通的儀器高、棱鏡高量取方法。由圖1可知，為了測(cè)量點(diǎn)A到點(diǎn)B的高差,在I處安置全站儀、A處安置棱鏡,測(cè)得IA的距離S1和垂直角α1，從而計(jì)算I點(diǎn)處全站儀中心的高程HI，然后把A點(diǎn)處的棱鏡不改變其長(zhǎng)度安置于B點(diǎn)處,測(cè)得IB的距離S2和垂直角α2,從而計(jì)算 B點(diǎn)的高程HB。

圖1 三角高程測(cè)量

從式（3）看出，點(diǎn)A和點(diǎn)B的高差已自行消除了儀器高和棱鏡高,也就不存在量取儀器高和棱鏡高的誤差了。

2 三角高程測(cè)量代替精密跨河水準(zhǔn)的實(shí)施方法

用2臺(tái)測(cè)角精度為0．5"的測(cè)量機(jī)器人，采取高、低棱鏡同時(shí)對(duì)向觀測(cè)的方法。每個(gè)測(cè)段上對(duì)向觀測(cè)的邊為偶數(shù)條邊，在測(cè)段的起、終點(diǎn)上，安置高度不變的同一棱鏡，具體方法如下。

2.1 對(duì)向觀測(cè)方法

按儀器前進(jìn)方向，先進(jìn)行后測(cè)站觀測(cè)，再進(jìn)行前測(cè)站觀測(cè)。每個(gè)測(cè)段進(jìn)行高、低雙棱鏡觀測(cè)，高、低雙棱鏡觀測(cè)順序?yàn)椋汉蟮汀暗汀案摺蟾?，如圖2所示。

2.2 測(cè)段觀測(cè)方法

圖2 對(duì)向觀測(cè)順序示意圖

測(cè)繪過程只使用一個(gè)棱鏡桿，測(cè)段的觀測(cè)邊數(shù)為偶數(shù)，使觀測(cè)架設(shè)在水準(zhǔn)點(diǎn)上棱鏡桿的儀器為同一臺(tái)。如圖3所示，觀測(cè)順序?yàn)?→2→3→4。其中，2為跨江對(duì)向觀測(cè)邊。1、4的觀測(cè)邊長(zhǎng)為5～20 m?？缃笸ㄒ晽l件良好，使視線高出水面10 m以上。

2.3 觀測(cè)條件

圖3 測(cè)段觀測(cè)示意圖

1）選取跨江點(diǎn)時(shí)，對(duì)向觀測(cè)儀器高度角不超過10°。

2）對(duì)向觀測(cè)時(shí)，分別測(cè)定2個(gè)儀器所在位置的氣象參數(shù)（溫度、氣壓），取平均后輸入到儀器當(dāng)中，每一組觀測(cè)結(jié)束后，都應(yīng)重新測(cè)定氣象參數(shù)。

3）觀測(cè)不少于2個(gè)時(shí)段，跨江段每個(gè)時(shí)段不低于6測(cè)回，其他測(cè)段不低于2測(cè)回。

4）各測(cè)回指標(biāo)差不超過5"，距離差不超過3 mm。

5）每一測(cè)站上的每一組觀測(cè)，都應(yīng)檢核高、低棱鏡觀測(cè)高差之差與棱鏡常數(shù)的差值，高差不符值不超過（其中L以km為單位）。

6）對(duì)向觀測(cè)高差按:

式中，Δh為單邊觀測(cè)高差；v為豎直角；d為平距；ΔH為對(duì)向觀測(cè)高差均值。

7）每一個(gè)測(cè)段按高、低棱鏡觀測(cè)值分別計(jì)算高差，高差不符值不超過±（其中L以km為單位）。

3 實(shí)驗(yàn)分析

白洋長(zhǎng)江公路大橋是位于湖北省宜昌市的一座公路斜拉橋，跨越長(zhǎng)江，是湖北省“753”骨架公路網(wǎng)中規(guī)劃“縱6”的重要組成部分，大橋北接?？抵烈瞬咚俟罚线B宜昌至張家界高速公路湖南段。大橋全長(zhǎng)2 160 m，主橋采用主跨900 m雙塔斜拉橋設(shè)計(jì)。大橋項(xiàng)目估算總投資37．73億元人民幣，計(jì)劃建設(shè)工期為48個(gè)月。

該工程跨江最短距離為1．3 km，根據(jù)相關(guān)工程規(guī)范規(guī)定，水準(zhǔn)測(cè)量須達(dá)到二等水準(zhǔn)精度。采用上述方法進(jìn)行施測(cè)，具體如下：

1）采用2臺(tái)測(cè)量機(jī)器人Leica TM30（測(cè)角精度：0．5"；測(cè)距精度：0．6 mm+1×10-6）進(jìn)行施測(cè)。

2）選取DQ03-DQ04、DQ02-DQ05進(jìn)行二等跨河高程傳遞，觀測(cè)時(shí)間為17：00～19：00、1：00～3：00。

3）為驗(yàn)證跨河水準(zhǔn)的精度，在兩岸按圖4所示施測(cè)了二等水準(zhǔn)，與跨河水準(zhǔn)構(gòu)成閉合環(huán)。

圖4 高程測(cè)量示意圖

4）各組高差觀測(cè)值與精度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 測(cè)段高差觀測(cè)值與精度統(tǒng)計(jì)表

5）三角高程高差與DQ02-DQ03和DQ04-DQ05水準(zhǔn)高差構(gòu)成閉合環(huán)，DQ02-DQ03-DQ04-DQ05閉合環(huán)長(zhǎng)7．1 km；環(huán)閉合差-8．73 mm； 閉合差限差±10．58 mm，二等跨江三角高程滿足《公路勘測(cè)規(guī)范》的要求。

4 結(jié) 語

對(duì)高精度的測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b，采用高、低棱鏡，以前→后→后→前的觀測(cè)順序，能更好地實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)向觀測(cè)，有利于削減大氣垂直折光影響。在一個(gè)測(cè)段內(nèi)的觀測(cè)邊為偶數(shù)，有利于削減同一臺(tái)儀器自動(dòng)照準(zhǔn)棱鏡誤差，在測(cè)段的起末水準(zhǔn)點(diǎn)上采用高度不變的同一棱鏡，可避免量取儀器高和棱鏡高。實(shí)踐證明，三角高程測(cè)量方法切實(shí)可行，且操作簡(jiǎn)單，為精密三角高程測(cè)量代替精密水準(zhǔn)提供了一個(gè)新的思路。

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由表3可知，擬合出的壓縮率與真實(shí)的壓縮率最大相差0．2個(gè)百分點(diǎn)，其余情況下均小于0．1個(gè)百分點(diǎn)，可滿足根據(jù)規(guī)定的壓縮率確定點(diǎn)間隔參數(shù)設(shè)置的要求。

3 結(jié) 語

本文提出基于掃描點(diǎn)間距的點(diǎn)云壓縮算法，通過實(shí)驗(yàn)證明該方法可使壓縮后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)較為均勻的分布，并建立了點(diǎn)間距與壓縮率之間的函數(shù)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)根據(jù)要求的壓縮率解求點(diǎn)間距。但在掃描數(shù)據(jù)不是按掃描線存儲(chǔ)及多站配準(zhǔn)后的點(diǎn)云等情況下，如何使壓縮后點(diǎn)云密度均勻等問題還需進(jìn)一步研究。

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第一作者簡(jiǎn)介：朱寧寧，碩士，研究方向?yàn)槿S激光掃描理論與應(yīng)用。

P258

B

1672-4623（2015）05-0072-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.05.024

李林，工程師，主要從事公路工程測(cè)繪、研究工作。

2015-07-28。