跨河精密水準(zhǔn)測(cè)量研究

王語(yǔ)

（貴州開(kāi)磷設(shè)計(jì)研究院，貴州　貴陽(yáng)　550000）

跨河精密水準(zhǔn)測(cè)量研究

王語(yǔ)

（貴州開(kāi)磷設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550000）

當(dāng)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，水準(zhǔn)路線可能會(huì)跨越江河、峽谷、湖泊、洼地等遠(yuǎn)距離障礙物時(shí)候，我們無(wú)法采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)時(shí)候我們就需要對(duì)這種遠(yuǎn)距離無(wú)法跨越的障礙物采用比較獨(dú)特的方法進(jìn)行測(cè)量，本論文介紹了跨河水準(zhǔn)測(cè)量的方法，并通過(guò)舉例說(shuō)明了GPS跨河水準(zhǔn)錯(cuò)了的應(yīng)用。

跨河水準(zhǔn)；精密測(cè)量；研究

水準(zhǔn)測(cè)量又名“幾何水準(zhǔn)測(cè)量”，是用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺測(cè)定地面上兩點(diǎn)間高差的方法。在地面兩點(diǎn)間安置水準(zhǔn)儀，觀測(cè)豎立在兩點(diǎn)上的水準(zhǔn)標(biāo)尺，按尺上讀數(shù)推算兩點(diǎn)間的高差。通常由水準(zhǔn)原點(diǎn)或任一已知高程點(diǎn)出發(fā)，沿選定的水準(zhǔn)路線逐站測(cè)定各點(diǎn)的高程。由于不同高程的水準(zhǔn)面不平行，沿不同路線測(cè)得的兩點(diǎn)間高差將有差異，所以在整理國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量成果時(shí)，須按所采用的正常高系統(tǒng)加以必要的改正，以求得正確的高程。我國(guó)國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量依精度不同分為一、二、三、四等。一、二等水準(zhǔn)測(cè)量稱為“精密水準(zhǔn)測(cè)量”，是國(guó)家高程控制的全面基礎(chǔ)，可為研究地殼形變等提供數(shù)據(jù)。三、四等水準(zhǔn)測(cè)量直接為地形測(cè)圖和各種工程建設(shè)提供所必需的高程控制。

1　跨河精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法

跨河水準(zhǔn)測(cè)量是大地測(cè)量和控制測(cè)量中跨越江河水域進(jìn)行精密高程傳遞的主要手段?？绾铀疁?zhǔn)測(cè)量的方法主要有光學(xué)測(cè)微法、傾斜螺旋法、經(jīng)緯儀傾角法以及測(cè)距三角高程法、GPS法等。在國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范中，對(duì)長(zhǎng)距離跨河水準(zhǔn)測(cè)量場(chǎng)地的選擇、技術(shù)要求、作業(yè)措施以及覘牌制作均有相應(yīng)的規(guī)定，這些規(guī)定可以保證跨河水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)施精度。在工程測(cè)量中使用跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法也較為普遍，如水電工程和橋梁隧道工程建設(shè)等。特別是特大跨徑橋梁建設(shè)中，跨河水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)是保證橋梁工程質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，必須對(duì)跨河水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和提高，以保證水準(zhǔn)測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度。

1.1傾斜螺旋法

所謂傾斜螺旋法，就是用水準(zhǔn)儀的傾斜螺旋使視線傾斜地照準(zhǔn)對(duì)岸水準(zhǔn)標(biāo)尺（一般叫遠(yuǎn)尺）上特制覘板的標(biāo)志線（用于傾斜螺旋法的覘板上有4條標(biāo)志線），利用視線的傾角和標(biāo)志線之間的已知距離來(lái)間接求出水平視線在對(duì)岸水準(zhǔn)標(biāo)尺上的精確讀數(shù)。視線的傾角可用傾斜螺旋分劃鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)格數(shù)（指傾斜螺旋有分劃鼓的儀器，如N3精密水準(zhǔn)儀）或用水準(zhǔn)器氣泡偏離中央位置的格數(shù)（指水準(zhǔn)器管面上有分劃的儀器，如Ni 004精密水準(zhǔn)儀）來(lái)確定。

1.2GPS水準(zhǔn)法

GPS是伴隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展而興起的以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航、定位技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。CPS在高程控制測(cè)量方面還處于探索階段，生產(chǎn)實(shí)踐中又急需此項(xiàng)技術(shù)以解決CPS高程應(yīng)用問(wèn)題。施測(cè)GPS大地高高差與水準(zhǔn)高差進(jìn)行了比較，對(duì)GPS大地高高差代替水準(zhǔn)高差進(jìn)行了有益的探索。

1.2.1GPS高程測(cè)量的精度。影響GPS定位精度的因素較多，差分GPS技術(shù)可消除很多物理因素的影響，但不能有效地消除對(duì)流層折射地影響，因此，如何正確模擬對(duì)流層折射影響是提高GPS高程測(cè)量精度的關(guān)鍵。

1.2.2GPS高程成果的轉(zhuǎn)換。GPS高程成果是相對(duì)于WGS-84橢球的大地高，而我國(guó)工程上采用的是正常高高程系統(tǒng)，因此，GPS高程成果需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.2.3GPS高程測(cè)量的平差方法。地殼形變監(jiān)測(cè)工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期性的工作，多期觀側(cè)數(shù)據(jù)宜采用動(dòng)態(tài)平差方法，另外，地殼垂直形變監(jiān)測(cè)工作早期多采用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法，而近期是采用GPS測(cè)量方法，因此，需要建立水準(zhǔn)網(wǎng)與GPS網(wǎng)的聯(lián)合動(dòng)態(tài)平差模型。

2　精密水準(zhǔn)測(cè)量的測(cè)前場(chǎng)地選擇

2.1在河流最窄處布設(shè)場(chǎng)地，可以使得跨越視線減至最短，有利于保證足夠的測(cè)量精度，資料統(tǒng)計(jì)表明，跨河水準(zhǔn)測(cè)量的高差中誤差與視線的長(zhǎng)度的三分之二次冪成正比，此外，測(cè)量的測(cè)回?cái)?shù)是隨視線長(zhǎng)度而增加，縮短視線也是為了減少工作量。

2.2跨河視線不要通過(guò)草地、沙灘的上方、兩岸由儀器至水邊的距離應(yīng)大致相等，地貌、植被也應(yīng)相似，儀器位置盡量選在開(kāi)闊通風(fēng)之處，不應(yīng)靠近墻壁及土、石、磚堆等、每一端的折光差，取決于最接近儀器的那一段距離上的大氣垂直溫度梯度，如果視線一段時(shí)在干沙地的上方通過(guò)，另外一端是在水面上通過(guò)，兩端測(cè)量時(shí)的折光差不但數(shù)值不同，很可能出現(xiàn)不同的符號(hào)，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)系統(tǒng)性誤差。

2.3兩岸設(shè)置儀器、標(biāo)尺處的高度應(yīng)大致相等，高差一般不要超過(guò)2m.最低視線距離水面的高度不應(yīng)低于2m。視線長(zhǎng)大于500m時(shí)，應(yīng)不低于m（距離S以km單位的跨河視線長(zhǎng)度、水位受潮汐影響時(shí)，按最高潮位計(jì)算），當(dāng)視線高度不能滿足要求時(shí)，應(yīng)埋設(shè)牢固的標(biāo)尺樁，并建造穩(wěn)固的觀測(cè)臺(tái)或標(biāo)架。

3　工程實(shí)例

現(xiàn)以2009GPS跨河水準(zhǔn)在南水北調(diào)穿黃工程中的應(yīng)用研究為例，4.31 場(chǎng)地特點(diǎn)南水北調(diào)中線工程穿黃工程處的跨河條件十分特殊，具有以下特點(diǎn)：

①河灘寬闊且平坦，河流邊線離大堤距離及兩岸河堤相距均達(dá)5km。

②水位變化較大，尤其是汛期河流湍急。短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)河水暴漲，時(shí)常將跨河處淹沒(méi)。

③ 由于該處黃河河段處于彎道處，河道變化較頻繁。跨河水準(zhǔn)點(diǎn)容易經(jīng)河道變化后毀壞，難于重復(fù)利用已經(jīng)布埋的跨河水準(zhǔn)點(diǎn)。

④汛期水面寬廣，灘涂及岸邊地勢(shì)較低，河面離岸邊視線高度不足兩米，較難滿足視線高。鑒于以上地形條件，應(yīng)用傳統(tǒng)的跨河方法布點(diǎn)難，視線高度離河面近，且需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離河灘的直接水準(zhǔn)測(cè)量，在汛期時(shí)實(shí)施需要大量的輔助布點(diǎn)及特制設(shè)備，不利于提高整個(gè)高程施工控制網(wǎng)的精度。

3.1場(chǎng)地布置

其中跨河點(diǎn)、非跨河點(diǎn)的位置同時(shí)滿足一元線性方程。2009年穿黃工程跨河水準(zhǔn)采用GPS觀測(cè)，跨河場(chǎng)地的選擇如上圖：

B001、C001為第一條跨河水準(zhǔn)過(guò)江點(diǎn)，間距為1.33㎞；

A001、A002、D001、D002為B001C001方向的沿長(zhǎng)點(diǎn)，A001～B001，A002～B001，

C001～ D001，C001～D002間 距 為1.5㎞ 左 右，A001～A002，D001～D002間距為0.1㎞左右，A001、A002、D001、D002距B001C001連線沿長(zhǎng)線的垂直距離互差均在5m以內(nèi)。

B002、C002為第二條跨河水準(zhǔn)過(guò)江點(diǎn)，間距為1.44㎞；A003、A004、D003、D004為B002C002方向的沿長(zhǎng)點(diǎn)，A003～B002，A004～B002，C002～D003，C002～D004間距為1.4㎞左右，A003～A004，D003～D004間距為0.1㎞左右，A003、A004、D003、D004距B002C002連線沿長(zhǎng)線的垂直距離互差均在5m以內(nèi)。

跨河水準(zhǔn)場(chǎng)地布置在地勢(shì)較為平坦的黃河兩岸，所有點(diǎn)間高差均不大于5m。

3.2技術(shù)要點(diǎn)

3.2.1儀器安置及復(fù)位。

GPS接收機(jī)天線安置的穩(wěn)定及對(duì)中整平的精確，以及不同時(shí)段天線安置復(fù)位的準(zhǔn)確性，是GPS跨河高差誤差來(lái)源的一個(gè)重要因素。尤其是不同天線在觀測(cè)過(guò)程中的不均勻沉降直接影響跨河高差的精度。本項(xiàng)目是采用腳架安置的接收機(jī)天線，在作業(yè)前嚴(yán)格檢校了基座和量高尺。

3.2.2天線高的量測(cè)。

接收機(jī)天線高的量測(cè)誤差直接帶入正常高差。通常采用專用量高尺來(lái)測(cè)量天線高，量高尺使用前必須通過(guò)鑒定合格。每時(shí)段觀測(cè)前后應(yīng)按規(guī)范要求準(zhǔn)確量測(cè)。由于此項(xiàng)誤差影響直接，本項(xiàng)目中以高于規(guī)范要求的量測(cè)限差和觀測(cè)次數(shù)量測(cè)的天線高，盡量提高天線高的量測(cè)精度。

3.2.3觀測(cè)

a陸地水準(zhǔn)

陸地水準(zhǔn)觀測(cè)使用儀器為：Leica NA2自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀；

標(biāo)尺為：三米線條式銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺；

尺承為：6.6㎏鑄鐵尺臺(tái)；

觀測(cè)方法：跨河水準(zhǔn)觀測(cè)前后進(jìn)行往返觀測(cè)；跨河連測(cè)按國(guó)家二等水準(zhǔn)精度要求控制，跨河點(diǎn)之間的高差觀測(cè)按國(guó)家一等水準(zhǔn)精度要求控制。

b跨河水準(zhǔn)

跨河水準(zhǔn)觀測(cè)使用儀器為：Leica 1230GPS按收機(jī)4臺(tái)及Trimble 5700GPS接收機(jī)2臺(tái)；

觀測(cè)方法：使用GPS靜態(tài)觀測(cè)，每時(shí)段觀測(cè)時(shí)間為兩小時(shí)，每條跨河水準(zhǔn)觀測(cè)8個(gè)時(shí)段（規(guī)范規(guī)定須6個(gè)時(shí)段）；

數(shù)據(jù)處理：GPS數(shù)據(jù)處理采用Trimble Geomatics Office 1.63。

3.2.4埋標(biāo)

3.4跨河水準(zhǔn)高差計(jì)算

3.5環(huán)閉合差檢驗(yàn)

B001～B002，C001～C002為直接水準(zhǔn)高差，B001～ C001，B002～ C002為 GPS高差，由B001～C001～C002～B002～B001組成閉合環(huán)，環(huán)閉合差為：

H=0.3904+2.5881-3.1061+0.1286=0.001m

環(huán)線長(zhǎng)為3.87㎞ 限差為±7.86㎜，環(huán)閉合差滿足規(guī)范要求。

4　結(jié)語(yǔ)

跨河水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)實(shí)際工程中運(yùn)用比較少的，但是也是必不可少的，必須掌握其方法，通過(guò)文章的介紹可以得知，在一定的范圍，一定的條件下，我們可以用GPS水準(zhǔn)來(lái)代替精密水準(zhǔn)測(cè)量。未來(lái)的測(cè)量技術(shù)將越來(lái)越先進(jìn)，越來(lái)越科技化，所以，現(xiàn)在我們應(yīng)該把目光看長(zhǎng)遠(yuǎn)點(diǎn)，GPS，RS等技術(shù)已經(jīng)成為不可替代的潮流，在我們學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，我們也要把握我們最為基礎(chǔ)的基本知識(shí)，掌握最基本的方法。

［1］ 徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用 ，武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

［2］ 陸國(guó)勝，測(cè)量學(xué)第三版，測(cè)繪出版社，2009

［3］ 孔祥元，郭際明，劉宗泉，大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)，武漢大學(xué)出版社，2010年第二版

［4］ 第32卷第四期測(cè)繪與空間地理信息2009年8月《精密跨河水準(zhǔn)測(cè)量方法與數(shù)據(jù)處理》

［5］ 146第二期地理空間信息《測(cè)距三角高程跨河水準(zhǔn)測(cè)量的應(yīng)用》李世良 （武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢 430079；中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430050）

［6］《GPS 跨河水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用探討》浙江省測(cè)繪大隊(duì)浙江杭州浙江省第二測(cè)繪院浙江杭州

王語(yǔ)（1986.01-）男，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：工程測(cè)量。

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1003-5168（2015）11-140-02