崇啟大橋三角高程傳遞的若干問題討論

張?zhí)鞚?+羅友華

摘 要：利用自動(dòng)型全站儀Leica TCA2003的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)為硬件基礎(chǔ)進(jìn)行跨江三角高程傳遞，用嚴(yán)密三角高程計(jì)算公式分析了三角高程系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因，制定出消除或減弱系統(tǒng)誤差的測量細(xì)則，同時(shí)用實(shí)測的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這種測量技術(shù)滿足施工精度的要求。

關(guān)鍵詞：三角高程傳遞；系統(tǒng)誤差；大氣垂直折光；同步觀測；豎直角；自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別ATR

中圖分類號(hào)：TU198+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.096

1 概述

崇啟長江公路大橋全長4.5476 km（起訖樁號(hào)K32+000～K36+547.6），由南引橋、主橋、北引橋組成。其中，水域部分全長3.744 km。根據(jù)施工需要，為了給全橋提供一個(gè)統(tǒng)一的測量基準(zhǔn)，需在大橋水域部分布設(shè)加密施工控制網(wǎng)。在建橋前期，優(yōu)先施工主1和主7兩個(gè)承臺(tái)，其平面和高程均采用GPS RTK完成，定位精度可適當(dāng)放寬；然后在優(yōu)先承臺(tái)上建立強(qiáng)制觀測墩，作為后續(xù)施工精確定位的控制基礎(chǔ)。其平面坐標(biāo)采用GPS靜態(tài)觀測并進(jìn)行平差處理，高程采用跨江三角高程傳遞，與北岸側(cè)高程基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，構(gòu)成附合水準(zhǔn)路線。

2 觀測設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)分析

在通常情況下，大氣折光、豎直角觀測和垂線偏差是三角高程測量的主要誤差源。對(duì)于大氣折光和垂線偏差，一般可采用同步對(duì)向觀測的方法消除，那么，豎直角觀測便成為決定精度的主要因素。豎直角觀測誤差一般由3部分構(gòu)成：儀器誤差、觀測誤差和外界環(huán)境影響。在距離遠(yuǎn)的情況下，目標(biāo)照準(zhǔn)成為主要的觀測誤差源，而且外界環(huán)境的影響也主要體現(xiàn)在目標(biāo)照準(zhǔn)問題上。為此，崇啟大橋三角高程傳遞采用兩臺(tái)Leica TCA2003（0.5″， 1mm+1ppmD）進(jìn)行同步對(duì)向觀測。該儀器具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別ATR（Automatic Target Recognition）功能，它克服了人眼觀測的諸多缺陷，作業(yè)快速穩(wěn)定，不但可在夜間觀測，且精度較晝間更為穩(wěn)定。這樣，在較短距離上實(shí)施精密三角高程便成為可能。

2.2 網(wǎng)形設(shè)計(jì)

由于強(qiáng)制觀測墩無法同時(shí)假設(shè)儀器和三棱鏡，采用短后視

法進(jìn)行同時(shí)對(duì)向觀測。如圖1所示，以主1#和主7#墩為例，在主1#墩的強(qiáng)制觀測墩C和主7#墩的強(qiáng)制觀測墩E上分別架設(shè)儀器，在儀器附近的強(qiáng)制觀測墩D和F上分別安置棱鏡。D點(diǎn)儀器照準(zhǔn)E棱鏡，同時(shí)F點(diǎn)儀器照準(zhǔn)C點(diǎn)棱鏡，進(jìn)行同步對(duì)向觀測。由于同一橋墩上儀器與棱鏡的距離較短（約32 m），兩對(duì)向觀測跨海視線偏移量極小，操作中嚴(yán)格控制同步觀測?？烧J(rèn)為兩視線受大氣折光、氣象條件等因素影響基本相同，從而可以有效地削弱大氣折光等不利因素影響，提高三角高程測量精度。

短邊A與B，C與D，E與F間的高差，由于距離較短可采用水準(zhǔn)儀雙儀高法精密測定。長邊在D、F點(diǎn)架設(shè)儀器對(duì)向觀測消除球氣差影響后，即可得到C、E兩點(diǎn)的高差。然后，同一橋墩交換儀器和棱鏡，則同樣可得到D、F兩點(diǎn)的高差。按照三等規(guī)范要求，每一段高差均采用雙測回法，雙測回?cái)?shù)不少于8個(gè)。

2.3 儀器高的量取

一般情況下，儀器高都是直接使用小鋼卷尺測量全站儀橫軸中心與地面點(diǎn)之間的距離得到，由于無法保證鋼卷尺不發(fā)生彎折和傾斜，導(dǎo)致儀器高測量誤差較大。為減小該項(xiàng)誤差，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，采用間接測量的方法，即先在測站點(diǎn)A周圍（距離10 m左右）選一穩(wěn)定點(diǎn)B，用水準(zhǔn)儀精密測量出A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的相對(duì)高差，然后A點(diǎn)上假設(shè)全站儀，B上樹立后視尺，在A，B兩點(diǎn)中間架設(shè)水準(zhǔn)儀。通過不斷變換水準(zhǔn)儀的儀器高，使視線高與全站儀的橫軸在同一水平線上，讀取后視尺的讀數(shù)，可以計(jì)算出全站儀的儀器高。經(jīng)多次試驗(yàn)分析，采用該方法得到的儀器高，精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)。

3 誤差分析

若三角高程同步對(duì)向觀測采用上述短后視法，則單向高差的計(jì)算式如下：

. （1）

.（2）

式（2）中：S為斜距；α為豎角；C為球氣差系數(shù)；i為儀器高；v為棱鏡高。同理：

.（3）

式（3）中：考慮到C1≈C2，SCF≈SED，高差中值的計(jì)算式為：

. （4）

忽略測距誤差對(duì)高差的影響（由于跨江水準(zhǔn)的兩端高差較小，測距誤差的影響小于0.1 mm），同時(shí)考慮到cosα≈1，誤差傳播式為：

. （5）

式（5）中： SCD和SEF對(duì)Mh影響甚微，且SCF≈SED≈SDF，所以可進(jìn)一步簡化為：

. （6）

由式（6）計(jì)算可知，在精確測定棱鏡高的情況下（假設(shè)儀器高量取Mv的誤差小于±0.2 mm），S>250 m時(shí)豎直角誤差項(xiàng)是跨江三角高程傳遞的主要誤差源。

4 數(shù)據(jù)分析與處理

各測段間距離及測段高差如表1所示

由表2可以得出，觀測得出的數(shù)據(jù)滿足三角高程規(guī)范要求，其成果可以在施工過程中直接使用。

5 跨江三角高差與GPS高差比較

用GPS對(duì)各跨江水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行GPS衛(wèi)星定位靜態(tài)觀測，利用三個(gè)已知點(diǎn)，使用8臺(tái)徠卡GPS儀器同步觀測90 min。測得各跨江點(diǎn)間的相對(duì)高差，與三角高程對(duì)象觀測測得的高差比較如表3所示。

由此可見，全站儀跨江三角高程測量與GPS相對(duì)高差檢測基本吻合，成果可靠。

6 跨江三角高差與常規(guī)水準(zhǔn)測量高差比較

崇啟大橋主跨貫通后，為了滿足南引橋橋面的需要，高程基準(zhǔn)采用常規(guī)水準(zhǔn)測量方法，測得各跨江點(diǎn)間的相對(duì)高差，與三角高程對(duì)象觀測測得的高差較差見表4.

由表4數(shù)據(jù)可以得出，采用自動(dòng)型全站儀Leica TCA2003的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)為硬件基礎(chǔ)進(jìn)行跨江三角高程傳遞，其成果完全滿足施工需要。在常規(guī)水準(zhǔn)測量不能滿足的施工情況下，將三角高程作為一種較新型的方法是可行的。

7 提高觀測精度的測量細(xì)則

根據(jù)對(duì)以上跨江三角高程實(shí)測數(shù)據(jù)和產(chǎn)生系統(tǒng)誤差原因的分析，制定以下實(shí)用的測量細(xì)則：①視線距水面的高度原則上應(yīng)≥3.5 m，跨江的距離原則上應(yīng)不大于2.0 km，特殊情況可適當(dāng)放寬。②為了減少大氣垂直折光對(duì)觀測視線的影響，觀測時(shí)段應(yīng)選擇在風(fēng)力微和、氣溫變化較小的陰天或夜間進(jìn)行，不宜在陽光照射下進(jìn)行。③根據(jù)潮水表編制觀測計(jì)劃，減少潮水對(duì)承臺(tái)的沖擊，進(jìn)而提高儀器和棱鏡的穩(wěn)定程度；同時(shí)對(duì)觀測網(wǎng)形優(yōu)化設(shè)計(jì)和船舶的調(diào)配的合理使用，減少儀器搬動(dòng)的次數(shù)。④在遠(yuǎn)距離（超過1 km）的情況下，盡量采用三棱鏡或者特制的棱鏡，以明顯增強(qiáng)儀器的自動(dòng)識(shí)別能力，減少目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)誤差。⑤觀測開始前30 min，先將儀器置于露天陰影下，使儀器內(nèi)外溫度趨于一致，減少溫度引起的儀器系統(tǒng)差。⑥每一臺(tái)儀器均應(yīng)進(jìn)行正、倒鏡觀測，且將觀測的16～24次高差稱為一組觀測，每次觀測均應(yīng)重新照準(zhǔn)目標(biāo)；同一度盤位置的16～24次觀測，

其高差互差應(yīng)≤ ⑦取剔除

粗差后各次高差讀數(shù)的均值為這一組高差的觀測值，取正、倒鏡組觀測值的均值為半測回觀測值，每跨兩側(cè)儀器半測回觀測值的均值為一個(gè)單測回高差觀測值。⑧每個(gè)組觀測前，應(yīng)量取兩次儀器高和覘標(biāo)高，應(yīng)保證每次量取精度不低于1 mm，取兩次觀測的均值為其儀器高和覘標(biāo)高的最終高度；一個(gè)單測回觀測完成后，應(yīng)間歇5～10 min，再開始下一單測回的觀測；一個(gè)單測回宜采用兩臺(tái)儀器同時(shí)對(duì)向觀測，且應(yīng)盡可能做到同時(shí)開始、同時(shí)結(jié)束，其開始時(shí)間相差應(yīng)少于5 min；每個(gè)單測回觀測都應(yīng)在安置儀器的地方測量溫度和氣壓，并對(duì)距離觀測量進(jìn)行氣象改正。

8 結(jié)論

通過采用Leica TCA2003自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別ATR功能進(jìn)行觀測和有效的觀察方法，崇啟大橋跨江三角高程傳遞的結(jié)果滿足了施工的需要，同時(shí)提出了一些消除和減弱系統(tǒng)誤差對(duì)跨江三角高程影響的測量細(xì)則，對(duì)以后同類型的橋梁水上高程傳遞有一定的借鑒意義，解決了常規(guī)水準(zhǔn)測量無法滿足施工的困難。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：胡雪飛〕