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：利用自動型全站儀Leica TCA2003的自動目標(biāo)識別技術(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，同時用實測的數(shù)據(jù)驗證了這種測量技術(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；自動目標(biāo)識別ATR

中圖分類號：TU198+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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7兩個承臺，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)點進(jìn)行聯(lián)測，構(gòu)成附合水準(zhǔn)路線。

2 觀測設(shè)計

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。對于大氣折光和垂線偏差，一般可采用同步對向觀測的方法消除，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Leica TCA2003（0.5″， 1mm+1ppmD）進(jìn)行同步對向觀測。該儀器具有自動目標(biāo)識別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，在較短距離上實施精密三角高程便成為可能。

2.2 網(wǎng)形設(shè)計

由于強(qiáng)制觀測墩無法同時假設(shè)儀器和三棱鏡，采用短后視

法進(jìn)行同時對向觀測。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點儀器照準(zhǔn)E棱鏡，同時F點儀器照準(zhǔn)C點棱鏡，進(jìn)行同步對向觀測。由于同一橋墩上儀器與棱鏡的距離較短（約32 m），兩對向觀測跨海視線偏移量極小，操作中嚴(yán)格控制同步觀測。可認(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點架設(shè)儀器對向觀測消除球氣差影響后，即可得到C、E兩點的高差。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，雙測回數(shù)不少于8個。

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。為減小該項誤差，結(jié)合現(xiàn)場實際，采用間接測量的方法，即先在測站點A周圍（距離10 m左右）選一穩(wěn)定點B，用水準(zhǔn)儀精密測量出A點和B點之間的相對高差，然后A點上假設(shè)全站儀，B上樹立后視尺，在A，B兩點中間架設(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)，可以計算出全站儀的儀器高。經(jīng)多次試驗分析，采用該方法得到的儀器高，精度可以達(dá)到亞毫米級。

3 誤差分析

若三角高程同步對向觀測采用上述短后視法，則單向高差的計算式如下：

. （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，高差中值的計算式為：

. （4）

忽略測距誤差對高差的影響（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），同時考慮到cosα≈1，誤差傳播式為：

. （5）

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

. （6）

由式（6）計算可知，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時豎直角誤差項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對各跨江水準(zhǔn)點進(jìn)行GPS衛(wèi)星定位靜態(tài)觀測，利用三個已知點，使用8臺徠卡GPS儀器同步觀測90 min。測得各跨江點間的相對高差，與三角高程對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，測得各跨江點間的相對高差，與三角高程對象觀測測得的高差較差見表4.

由表4數(shù)據(jù)可以得出，采用自動型全站儀Leica TCA2003的自動目標(biāo)識別技術(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)對以上跨江三角高程實測數(shù)據(jù)和產(chǎn)生系統(tǒng)誤差原因的分析，制定以下實用的測量細(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觀測視線的影響，觀測時段應(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)潮水表編制觀測計劃，減少潮水對承臺的沖擊，進(jìn)而提高儀器和棱鏡的穩(wěn)定程度；同時對觀測網(wǎng)形優(yōu)化設(shè)計和船舶的調(diào)配的合理使用，減少儀器搬動的次數(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)儀器的自動識別能力，減少目標(biāo)對準(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單測回高差觀測值。⑧每個組觀測前，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；一個單測回宜采用兩臺儀器同時對向觀測，且應(yīng)盡可能做到同時開始、同時結(jié)束，其開始時間相差應(yīng)少于5 min；每個單測回觀測都應(yīng)在安置儀器的地方測量溫度和氣壓，并對距離觀測量進(jìn)行氣象改正。

8 結(jié)論

通過采用Leica TCA2003自動目標(biāo)識別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，同時提出了一些消除和減弱系統(tǒng)誤差對跨江三角高程影響的測量細(xì)則，對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〕