不穩定條件下遠距離高精度跨海水準測量方法探索及實施

郭子珍，常建增，余成磊

(1. 河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003； 2. 中鐵大橋局集團第五工程有限公司，江西 九江 332004；3. 徠卡測量系統貿易(北京)有限公司，上海 201203)

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不穩定條件下遠距離高精度跨海水準測量方法探索及實施

郭子珍1，常建增2，余成磊3

(1. 河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003； 2. 中鐵大橋局集團第五工程有限公司，江西 九江 332004；3. 徠卡測量系統貿易(北京)有限公司，上海 201203)

一、項目概況

港珠澳大橋東接香港特別行政區，西接廣東省珠海市和澳門特別行政區，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲地區環線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程。大橋全長約35.6 km，香港段長約6.0 km，粵港澳三地共同建設的主體工程長約29.6 km，跨海直線距離約27 km，沿工程設計中線建造了6個海上臨時測量平臺(如圖1所示)。臨時測量平臺上的控制點與大橋兩岸陸地的控制點共同構成了港珠澳大橋主體工程的施工測量控制網，并形成了需要進行跨海高程傳遞測量的15段二等跨海水準線路。這些水準線路長度介于0.3～6.4 km之間，跨距超過3 km的有6處，其中橋梁工程CB05標段靠近珠海市九洲港，涉及兩段跨海水準線路，即九洲港碼頭—K33測量平臺—K27測量平臺，跨度分別約為2.3和6.3 km。

圖1　海上臨時測量平臺

二、技術難點

相對于常規跨河水準，港珠澳大橋跨海水準有以下幾個顯著特點：

1) 點位不穩定。水準線路為連續跨海，多數跨海點布設在臨時測量平臺上，即便在平潮期，測量平臺也會受風力、浪涌、船舶航行等因素影響，產生輕微晃動。

2) 視線跨距長。K33測量平臺至K27測量平臺跨距約6.3 km，遠大于規范中3.5 km的最大跨距，也超出了一般全站儀的有效測程。

3) 精度要求高。工程要求高程控制網達到國家二等水準精度。

三、方案研究

結合測區實際情況及業主、設計單位、監理單位等各方意見，參照《國家一、二等水準測量規范》，本項目采取Leica GNSS與TS30全站儀相結合的三角高程法進行港珠澳大橋CB05標段K33平臺與K27平臺間的高程控制網復測，并針對其中的技術難點，對實施方案進行了專項設計。

1. 點位布設

在K27測量平臺和K33測量平臺上分別布設兩個水準點(一個正式水準點、一個輔助水準點)，組成大地四邊形，如圖2所示。

圖2　跨海水準點布設示意圖

2. 距離獲取

采用Leica GS10靜態觀測，數據處理后獲得跨海點之間的水平距離。由于兩個測量平臺高出海平面的高度基本相等(俯仰角不超過±3′)，因此三角高程計算時，距離誤差對最終高差的影響并不顯著，通過LGO基線解算獲得的跨海距離完全能夠滿足精度要求。

3. 垂直角觀測

垂直角觀測是整個跨海水準測量的重點和難點。

首先要解決遠距離帶來的通視和成像問題。海面上6.3 km的跨度內，影響通視的除了正常航行的船舶外，還有水汽、霧、云層及光照等陸上測量一般不會涉及的因素；同時為減少大氣折光對觀測視線的影響，需在夜里氣象條件相對穩定的平潮期進行觀測，用特制的跨海水準標志燈代替普通覘標，解決目標成像問題。

其次要應對測量平臺晃動引起的瞄準和讀數問題。一是被動選擇在海面相對平靜的平潮期進行觀測；二是開發基于徠卡TS30測量機器人的跨海水準數據采集軟件，實現瞄準、記錄同步，并根據平臺晃動幅度和周期設置數據采集數量及采樣間隔，剔除粗差后求出的最或然值作為一次讀數，從而削弱平臺晃動帶來的影響。

4. 系統誤差的消除與減弱

除了距離誤差，三角高程測量的誤差源還包括照準誤差、儀器量高誤差、覘標量高誤差、大氣垂直折光誤差、儀器本身帶來的系統誤差、觀測人員操作習慣引起的系統誤差等。

照準誤差是與操作員技術水平、儀器本身精度及觀測時的周圍環境等多種因素有關的偶然誤差，無法避免和消除，但可通過選用高精度儀器設備、提高操作人員的技術水平、選擇合適的觀測時段及增加多余觀測等手段減弱其影響。在高精度三角高程測量中，應固定儀器高、覘標高或直接在計算中將其消除，避免引入因量高帶來的誤差。大氣垂直折光誤差是三角高程測量中的主要誤差源，作業時通過對向同步觀測的方法予以削弱，并且可以根據兩跨海點與參考橢球中心組成的三角形內角和為180°這一約束條件，進一步削弱剩余折光差的影響。對于長距離的三角高程測量，由儀器本身結構和觀測人員操作習慣引起的系統誤差不容忽視，每個觀測時段需要進行人員、設備的互調，以削弱此類誤差的影響。

四、實測結果

根據上述設計方案，借助為本項目專門開發的全站儀機載跨海水準測量軟件，嚴格按照《國家一、二等水準測量規范》的觀測程序和要求，對港珠澳大橋CB05標段K33平臺與K27平臺間的高程控制網進行了70個雙測回的觀測。

規范中給出了兩個檢驗觀測成果內符合精度的指標，即每條邊各單測回高差間互差限差dH限和用同一時段各條邊高差計算的環線閉合差限差W，計算公式如下

(1)

(2)

式中，MΔ為每千米水準測量的偶然中誤差限值，單位為毫米(mm)；N為雙測回的測回數；s為跨河視線長度，單位為千米(km)；MW為每千米水準測量的全中誤差限值，單位為毫米(mm)。

參照該方案，港珠澳大橋的各跨海水準測量線路都進行了專項設計，并取得了良好的測量成果，整體的海上貫通測量精度達到了國家二等水準測量要求。

五、結束語

GPS與全站儀相結合的三角高程法將距離和角度分開觀測，較好地解決了全站儀測程不足的問題，同時縮短了每測回角度觀測所需時間，對于確保對向觀測同步和減弱大氣垂直折光差十分有利。

通過專用機載軟件，將穩定條件下先瞄準再記錄的基于時間點的數據采集模式調整為瞄準、記錄同步進行的基于時間段的數據采集模式，有效解決了不穩定條件下的讀數問題。

實測結果達到了預期精度要求，對類似的長距離跨海水準測量具有一定的參考價值。

(本專欄由徠卡測量系統和本刊編輯部共同主辦)

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