靜水面高程傳遞精度分析

方紅軍 方源

(1.浙江省第一測繪院,浙江杭州 310012;2.金華職業技術學院,浙江金華 321017)

靜水面高程傳遞精度分析

方紅軍1方源2

(1.浙江省第一測繪院,浙江杭州 310012;2.金華職業技術學院,浙江金華 321017)

本文通過實例對四等水準測量遇到線路無法通行的特殊地段時如何進行線路布設和測量方法的選擇等進行了探討,并重點對長距離平靜水面高程傳遞的精度進行了分析。

四等水準測量 靜水面 高程傳遞

1 引言

水準測量有時會遇到線路無法通行的特殊地段,如我們在某高速公路四等水準測量作業就遇到這一特殊情況,我們測量至常山縣新橋鄉時,原本在1:1萬老圖上設計的四等水準路線是沿新橋鄉芙蓉鎮半源村的公路前進,路線是從新橋鄉至芙蓉鎮、半源村的一條唯一的公路,四周均為高山。但實地線路踏勘時,整個芙蓉鎮范圍已經搬遷并建成水庫了,而新公路剛剛開始施工。因為在高速公路四等水準測量路線設計中規定高速公路隧道進出口必須要布設四等以上水準點,如圖1中的ⅣHXJ133、ⅣHXJ134均布設在隧道口,其中ⅣHXJ133因老公路被水庫淹沒,水準路線只能從高山頂部沿山間小路進行聯測。而這條水準路線唯一的前進路線需要翻越高差達600多米的陡峭高山(施測過程中統計測站前后視距平均僅為3.4米),這給水準測量工作帶來了很大的困難。設計測量路線見圖1。

圖1 測量路線方案設計圖

2 水準聯測路線設計

測量之前我們經過對設想線路附近地形的考察,并再三對可能進行的一條高山地路線通行情況踏勘,選擇了一條當地人翻越高山的小路作為測量的線路,將四等水準聯測路線設計為:從起算點ⅢCS09～BM52～ⅣHXJ133～BM52～ⅣHXJ134……(正常水準路線前進方向)。同時,分別從三個水準點(ⅢC S 0 9、ⅣH X J 1 3 3、ⅣHXJ134),將高程聯測到接近于靜水面的三個相對應的固定的靜水面高程傳遞點J1、J2、J3上。目的是利用水庫水面比較平靜、無風浪等有利條件對該特殊地段開展靜水面高程傳遞試驗,對靜水面高程傳遞精度進行分析,并利用正常水準路線所測得高差對靜水面傳遞高程進行檢驗。

表1 外業測段高差統計表

表2 三個固定點頂部至靜水面的高度差統計表(單位:米)

3 靜水面高程傳遞點設置

傳遞點的設置對高程傳遞的精度起到很大的影響。為此我們在實地經過多次反復仔細的選擇,找到了圖1中J1、J2、J3三個固定的靜水面高程傳遞點點位,這三個點分別位于水庫的三個角落,都是水庫的一些小淺灣部位,水面近似于靜止狀態,離山上河流注入水庫部位較遠,對靜水面高程傳遞較為有利。J1和J3點是利用水庫碼頭臺階上的固定鐵環樁頭,J1點的固定鐵環樁頭露出在水面以上,J3點的固定鐵環樁頭在水面以下,J1和J3點分別選在水面上和水面下,主要是依據實地選擇的固定鐵環樁頭位置是否便于直接量測至水面垂直高度和是否有利于觀測時放置標尺;J2點采用大木樁打入水庫邊底部泥土中,木樁頂部釘入鐵釘,木樁頂部的鐵釘稍露出靜水面,木樁周圍用泥土堆砌成不封閉的環形區域,目的是讓環形區域內部的水面不受水庫水面波浪的影響,使木樁周圍的水面更接近于靜止水面。

4 四等水準測量

水準閉合環的施測包括兩個部分:第一部分是陸地上常規四等水準的測量。為了提高精度和實驗需要,使用高精度數字水準儀和專用銦瓦標尺按三等水準測量的要求施測。第二部分靜水面傳遞部分,是采用鋼卷尺分別量取J1、J2、J3三個固定點頂部至靜水面的高差。

4.1 測段數據統計

陸地上的常規四等水準測量,儀器使用高精度數字水準儀和專用銦瓦標尺進行觀測。觀測之前都按照國家三四等水準測量規范進行了嚴格的檢校。測量路線根據水準路線前進方向和多節點環的具體情況,將整個測量工程布設為四個閉合環,共七個測段,第一測段是從J1到ⅢCS09,第二測段是從ⅢCS09到BM52,第三測段是從BM52到ⅣHXJ133,第四測段是從ⅣHXJ133到J2,第五測段是從ⅣHXJ133到BM52,第六測段是從BM52到ⅣHXJ134,第七測段是從ⅣHXJ134到J3。測段路線如圖1所示。四個閉合環內四等水準測量七個測段的外業測段高差觀測值,經過統計、概算,具體高差數據情況見下表1。

4.2 固定點頂部至靜水面高度量取

由于芙蓉水庫上每天有四趟輪渡航班,時間分別是上午的7:00、11:00和下午的14:00、17:00。渡輪航行引起的湖水波浪對固定點頂部至靜水面高差的量取精度有較大的影響,為此我們選擇渡輪航行波浪對固定點頂部至靜水面高差影響最小的時段,再選擇氣溫和天氣都比較好的日子進行測量。測量當天分別派出3組人員,在固定點J1、J2、J3處按約定的同一時刻(分別是上午9:00、9:10和下午16:00、16:10)量取固定點頂部至靜水面的高度,每個點共量取了4組數據,該4組數據較差不超過5mm,取4組數據的平均值作為固定點頂部至靜水面高差。3個固定點至靜水面高差數據統計如下表2。從表中我們得到J1、J2、J3這3個固定點至靜水面高差數據為:J1至水面:+0.164米;J2至水面:+0.034米;J3至水面:-0.352米。

5 環閉合差計算

水準測量路線結合靜水面高程傳遞共組成四個閉合環,環閉合統計見表3,四等水準路線聯測和計算略圖見圖2。

表3 環閉合統計表

圖2 四等水準路線聯測和計算略圖

6 精度分析

圖2所示的三個節點四個閉合環的四等水準閉合環是一組虛擬的閉合環,實際的水準路線在ⅣHXJ134水準點處繼續往西聯測,即圖2中前進方向,組成虛擬閉合水準環的目的是為了對靜水面高程傳遞的精度進行分析和驗證。從表3和圖2中可以看出:三個四等水準閉合環及大環的環閉合差均符合四等水準限差,L為環線公里數)要求,而且即使按三等水準計算限差也完全符合要求,并且精度都良好。由于四等水準測量使用的儀器為高精度數字水準儀和專用銦瓦標尺,數據觀測、記錄、黑紅面數據限差、前后視距差、測站數據計算與統計及測段數據累積均由儀器和專用軟件自動完成,只要有任何一項指標超限,就必須從前一個水準點或固定點開始重新觀測,具有很高的觀測精度。因此,所有七個測段的四等水準觀測數據都是可靠的。而且水準線路累積差也很小。如在圖2四等水準路線聯測和計算略圖中:閉合環BM52～ⅣHXJ133～BM52的環線距離為4.8公里,但其聯測路線的總高差近1000米(BM52并非最高點,BM52至ⅣHXJ133水準點之間還需要翻越一座山峰),但整個閉合環的閉合差僅為7mm,觀測精度非常高。

另外,按照水平面代替水準面引起的距離誤差公式計算可知,在10km范圍內可以不必考慮地球曲率的影響,而本靜水面高程傳遞中最遠兩點J1至J3的水面間距也只有6.7km。

因此,在本三個節點四個閉合環的虛擬水準閉合路線中,各虛擬閉合環的環閉合差主要來自水面波動誤差。水面波動的原因主要是水庫渡輪在航行中產生的波浪傳遞到各固定點的不同影響和風浪的影響。但計算結果證明還是完全滿足三、四等水準測量精度要求。

并且,從后續水準路線平差結果來看,使用虛擬水準閉合路線數據平差計算得到的三座點:BM52固定點、ⅣHXJ133水準點、ⅣHXJ134水準點的高程與采用正常水準路線觀測數據平差計算后的高程成果較差均小于5mm。

7 結語

在特殊地段進行三、四等水準測量時,如遇到高山、水庫等線路無法通行的情況,可以利用水面靜止條件較好的山塘水庫,采用靜水面高程傳遞方法進行高程測量,來代替局部或個別高程測量測段路線,其高程測量精度完全可以達到三、四等水準的精度。但在采用該方法作業時,宜設法設置聯測其它點作為檢核條件,以保證成果的可靠性。