室外長度基線場的建設(shè)思路

張超，郝宗澤，郭贊峰，孫林

(1.自然資源部第一大地測量隊(duì)，陜西 西安 710054； 2.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266590)

1 引 言

目前國內(nèi)外對(duì)各種電子測距儀的加乘常數(shù)的檢定/校準(zhǔn)的通常做法，是基于野外基線完成的。根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG100―2003《全站型電子速測儀》的要求，野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場由排列成一條直線的多個(gè)觀測墩(地面點(diǎn))組成，觀測墩標(biāo)志點(diǎn)之間的距離溯源到長度基準(zhǔn)，用以評(píng)價(jià)各種測距儀距離測量的準(zhǔn)確性[1～6]。

標(biāo)準(zhǔn)長度基線場首尾2個(gè)觀測墩之間的總距離需在 600 m以上，以 1 000 m～2 000 m為宜。建造場地還須滿足以下條件：全程通視，地勢(shì)基本平坦(首尾高差最大不能超過 3 m)，植被良好；交通便捷利于使用，同時(shí)避免繁雜車流；建造場地規(guī)劃穩(wěn)定，可供較長時(shí)間使用；地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒有斷層[7]。本文從大量工程實(shí)踐出發(fā)，對(duì)我國野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場的數(shù)理基礎(chǔ)與應(yīng)用予以介紹，為野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場從更大維度進(jìn)行創(chuàng)新和改良提供借鑒。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

目前，國際上的通用做法是，野外標(biāo)準(zhǔn)基線場均采用哥隆尺(Golomb尺)分段理論，而哥隆尺對(duì)每一個(gè)(整數(shù))長度來說，都只有一個(gè)方法量度方式，避免了通常尺子標(biāo)點(diǎn)之間的距離是均勻的而造成的對(duì)于同一長度由多種量測方式獲得的可能性[8]。

2.1 哥隆尺

哥隆尺是由Sidon and Babcock獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，并且以數(shù)學(xué)家Solomon W. Golomb的名字命名。在一處固定整數(shù)長度的尺上，不等長地劃分最少的刻度，并能用此尺度量由1到該整數(shù)的每一個(gè)單位的距離。哥隆尺上的分段點(diǎn)是整數(shù)，且具有能使兩點(diǎn)間的距離唯一。如距離為n的哥隆尺上有不重復(fù)的m(m-1)/2段距離，則這個(gè)尺子就是完美哥隆尺(perfect Golombrulers)。需要說明的是，生成哥隆尺是簡單的，但是找到一個(gè)指定刻度的最優(yōu)哥隆尺是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的計(jì)算項(xiàng)目[8]。以目前經(jīng)典的最優(yōu)化哥隆尺(OGR-6)作為例證，它是基于 6 cm的尺上按0、1、4、6劃分刻度，即可連續(xù)量度 1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm的任一距離[9]，如圖1所示。

圖1 OGR-6的完美哥隆尺

2.2 方案設(shè)計(jì)

我國目前的野外標(biāo)準(zhǔn)基線場設(shè)計(jì)利用了Aarau模型?；谶@個(gè)方法的前提是，先行條件下，對(duì)測距儀周期誤差的測定是基于室內(nèi)的多功能監(jiān)測平臺(tái)完成的[10]。所以對(duì)測距長度的尾數(shù)分配不做過多的關(guān)注，一般要求為正數(shù)即可。

設(shè)計(jì)前需要確定幾項(xiàng)參數(shù)：A為野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場的單位長度，B為野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場的哥隆尺刻度，C為野外長度基線場的設(shè)計(jì)總長。由于不再考慮野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場的距離尾差，對(duì)野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場目前的現(xiàn)行分類如表1所示。

Aarau模型的野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 表1

野外基線場7分段距離排列(表格有改動(dòng)核實(shí)正確性) 表2

野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場其校準(zhǔn)溯源來自法國賽科來當(dāng)因瓦基線尺，其標(biāo)準(zhǔn)長度為 24 m，所以刻度量是基于 24 m設(shè)計(jì)的。本文以某處7測站的分段設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行介紹[11～19]，如表2所示。

3 實(shí)踐應(yīng)用

擬建場地選定位于我國東南某大型城市機(jī)場外圍，現(xiàn)場條件是場地直線長度僅能保證在 1 km左右。設(shè)計(jì)思路是初步設(shè)計(jì)基線全長為 1 008 m，以 24 m為基數(shù)，分為8段，建9個(gè)觀測墩，任意兩點(diǎn)間相互通視。按照相關(guān)的要求和場地條件，觀測墩分布一端密，逐漸稀疏，各觀測墩之間距離設(shè)計(jì)分配如圖2所示。

根據(jù)筆者部門多年的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于場地建設(shè)中需要關(guān)注到此5個(gè)方面：

(1)交通方便、地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、沒有斷層，便于管理和長期使用；

(2)場地遠(yuǎn)離干擾物和反射物，如高壓輸電線、微波發(fā)射塔、無線電發(fā)射塔、雷達(dá)站以及其他強(qiáng)電磁波輻射裝置地段；

(3)場地地勢(shì)平坦、植被良好、總坡度小于1°；

(4)基線離金屬網(wǎng)柵欄的距離不小于3 m，離建筑物不小于 2 m，測線上無干線公路橫穿；

(5)在基線延長方向上無高大的建筑物。

圖2 東南某處野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場

初步設(shè)計(jì)的0號(hào)～10號(hào)點(diǎn)組成的各段距離及現(xiàn)場設(shè)計(jì)方案組合如圖3所示。

圖3 東南某處野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場設(shè)計(jì)

現(xiàn)場確認(rèn)首點(diǎn)位置和方向后，結(jié)合設(shè)計(jì)的各段距離要求，放樣各點(diǎn)到實(shí)地。每個(gè)點(diǎn)打木樁，并在木樁中心釘入鐵釘，鐵釘中心即為點(diǎn)位中心，木樁高度和地坪一致。每個(gè)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置確定后，以本點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，在本點(diǎn)周圍(20 m左右，不易破壞的地方)精確測定2個(gè)～4個(gè)臨時(shí)控制點(diǎn)，并打入木樁。臨時(shí)控制點(diǎn)主要用于下面各個(gè)工序精確放樣，以恢復(fù)本點(diǎn)的位置(因?yàn)殚_挖后本點(diǎn)的位置會(huì)被破壞)。標(biāo)準(zhǔn)長度基線場9個(gè)點(diǎn)逐個(gè)用相同的方法測定出臨時(shí)控制點(diǎn)。

除在個(gè)點(diǎn)周圍精確測定臨時(shí)控制點(diǎn)外，在基線方向線上，在基線兩端和大略中間位置，避開施工區(qū)域，還要建立足夠數(shù)量(通常5個(gè)～8個(gè))的臨時(shí)控制點(diǎn)。在這些測量控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，測定放樣完的比長基線場各點(diǎn)的距離和角度，做好記錄以供后工序使用。

4 結(jié) 語

對(duì)基線的丈量是對(duì)長度基線場賦值和校準(zhǔn)的一種主要手段，在室外長度量值傳遞中具有重要的作用。基線丈量成果可以對(duì)各在營基線場的運(yùn)行狀態(tài)、管理現(xiàn)狀進(jìn)行有效的監(jiān)督檢查，更重要的是，基線丈量成果的精度直接影響著全站儀、測距儀及GNSS接收機(jī)等測量儀器的檢定(或校準(zhǔn))精度。東南某處野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場是依據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行改良設(shè)計(jì)的，具有一定的科學(xué)性與實(shí)用性，通過東南某處野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場的建設(shè)對(duì)我國野外標(biāo)準(zhǔn)長度基線場建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，今后還需要重點(diǎn)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行完善：

(1)隨著城市化進(jìn)程的深化，對(duì)于場地的選擇要適度提高其靈活性，在能保證距離的前提下，需要有效地利用新的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化相關(guān)要求。

(2)建設(shè)實(shí)踐中具體分段及各分段設(shè)計(jì)距離在建造時(shí)應(yīng)視地形、地貌和地下管線情況確定，有必要變更時(shí)需要通過溝通，得到確認(rèn)后實(shí)施。