基于數字水準儀的橋上精密水準測量方法

吳迪軍

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

在公路橋梁橋面鋪裝或鐵路橋梁鋪軌施工階段以及橋梁運營維護階段，需要在橋上進行精密水準測量。另外，有些工程也需通過公路、鐵路橋梁進行水準測量，實現江河兩岸高程基準的連測貫通。例如，在港珠澳大橋主體橋梁貫通后，為了進一步驗證跨海高程傳遞的精度，也為了大橋運營維護管理的需要，在20余km的主體橋梁橋面上埋設了若干水準點，按二等水準測量精度進行高程連測。受橋上車輛行駛、海洋潮汐波浪和風力等各種外力因素的影響，橋梁始終處于或大或小的晃動之中，橋面上無法正常置平水準儀及觀測讀數。因此，研究橋上水準測量方法具有現實意義。

文獻[1]介紹了使用光學水準儀在鐵路橋上進行精密水準測量的試驗。文獻[2]則指出:在晃動的公路大橋上，電子水準儀無法進行測量。一些測量技術人員也認為，數字水準儀的測量方式為自動觀測和自動記錄存儲讀數，無法在通行車輛的橋面上進行正常測量，他們更習慣由熟練的測量員使用光學水準儀進行較低等級的橋上水準測量。然而，從儀器構造、測量原理和實踐經驗來看，數字水準儀觀測讀數快、精度高，易于通過軟件實現觀測限差的現場檢算，便于克服和解決橋梁振動造成的讀數不穩定問題，有利于提高觀測成果的精度[3-5]。楊新志對公路橋梁振動、光照等特殊影響條件下的水準測量問題進行了粗略探討[6]，提出了若干建議和措施，但沒有進行系統而全面的研究和試驗。

以港珠澳大橋海中橋梁橋面水準測量項目為背景，重點研究基于數字水準儀的橋上精密水準測量方法，提出橋上精密水準測量的解決方案，包括水準點布設、儀器測站和標尺點選定、觀測方案及數據處理等內容，并通過工程應用實踐驗證該方法的可行性和有效性。

1 數字水準儀的測量誤差分析

數字水準儀，又稱為電子水準儀，是一種集光學、機械、電子、數字圖像處理和計算機等多種技術于一體的高科技測繪儀器，具有測量精度高、速度快、操作簡便、人工干預少、勞動強度低、自動化程度高和內外業一體化等顯著優點[7]。自1990年面世以來，數字水準儀已在測繪生產實踐中得到廣泛應用。目前，已基本上取代了傳統的光學水準儀，成為各等級水準測量的主要儀器。

數字水準儀是在自動安平水準儀的基礎上發展起來的，儀器內部安裝了CCD光學傳感器和數字圖像識別處理系統，依據圖像識別原理，將編碼尺的圖像信息與已存貯在儀器中的基準信息進行比較，從而獲得被測標尺的讀數信息。按照文獻[8]的分析，使用數字水準儀進行水準測量的主要誤差來源可分為三類:與主機有關的誤差、與條碼尺有關的誤差及與條碼尺光電讀數有關的誤差。其中，大氣折光和i角誤差是影響電子水準儀讀數精度的主要誤差[9]。總體而言，數字水準儀的測量誤差比光學水準儀更多、更復雜，實際工作中必須采取有效措施消除或削弱各種誤差對測量成果的不利影響。以下主要對數字水準儀的光電誤差進行分析，并提出消除或削弱誤差的技術措施。

1.1 i角誤差及其檢定

i角是指水準儀視準軸與水準管水準軸的夾角在豎直面上的投影。數字水準儀的i角分為光學i角和電子i角，電子i角對數字水準測量結果具有重要影響。外業測量中儀器振動、環境溫度、望遠鏡調焦和磁場都會引起i角的改變。因此，外業測量前，應按儀器說明書的要求測定和設置電子i角，并在測量期間對殘余電子i角進行定期檢定，殘余i角值應在相應等級規定的限差以內。每天觀測作業前，應提前將儀器取出，待儀器溫度與外界環境溫度相同時再進行測量，以最大限度地消除溫度變化對i角的影響[10-12]。

1.2 補償器的剩余誤差

為消除補償器的剩余誤差，不管什么等級的水準測量，均應采用如下的測站觀測順序:奇數站觀測順序為“后-前-前-后”，偶數站為“前-后-后-前”。

1.3 條碼尺尺面不清晰

應保持條碼尺清潔無劃痕。條碼尺上的污漬、雨滴和劃痕都會使數字水準儀圖像傳感器接收到不正確的圖像，并可能產生較大的讀數偏差。

1.4 望遠鏡調焦不足或調焦過度

應對準條碼尺準確調焦，以便圖像傳感器接收到清晰的編碼圖像。調焦不足或調焦過度都會引起測量時間延長，還有可能產生較大的系統偏差[13]。

1.5 條碼尺被遮擋

應避免條碼尺被遮擋。條碼尺部分被遮擋可能會產生較大的讀數偏差。

1.6 使用條碼尺頂部或底部讀數的誤差

當數字水準儀照準條碼尺頂部和底部時，圖像傳感器僅能收到條碼尺的部分圖像。相較于圖像傳感器的參考點，條碼尺的圖像信號是非對稱的。這種非對稱的圖像信號不利于消除圖像傳感器及望遠鏡成像系統中的多項誤差，其結果會導致測量結果出現系統誤差甚至出現錯誤讀數。因此，應避免使用條碼尺底部和頂部觀測讀數。

1.7 條碼尺亮度及其均勻性

條碼尺應有足夠的亮度。在夜晚或光線較暗的地方使用數字水準儀時，要對標尺進行均勻照明，單方向照明會導致測量結果中出現較大的系統誤差[8]。陳小歌等的研究表明，在黑暗條件下，有燈光輔助照明時數字水準儀精度與白天測量精度基本一致。在黑暗條件下使用類似自然光的LED光源照明進行數字水準測量，可以達到二等水準測量的精度要求[14]。岳建平等的研究表明:光照的均勻度對測量工作有一定的影響，當標尺的光照極不均勻時，儀器會中止測量[13]。

2 基于數字水準儀的橋上精密水準測量方法

2.1 水準路線布設

(1)橋面水準點應設置在橋墩固定支座上方的梁端處，不宜設置在活動支座上，禁止設置在橋墩以外的橋梁上方。

(2)橋上水準測量應由往返觀測路線形成環環相扣的閉合環網。

(3)宜固定儀器測站點和立尺點位置并做臨時標志，盡可能在橋墩正上方的梁端或路面上安置儀器，水準尺可設置在橋墩正上方橋面上或者兩個橋墩的跨中處。

(4)考慮到橋梁振動和夜晚觀測時光照較弱等因素，應適當降低水準測量的視線長度(儀器測站點與立尺點之間的距離)，以獲得最佳觀測效果。

2.2 數字水準儀檢校

盡可能選擇精度等級較高的數字水準儀，并按規范和儀器說明書的要求進行計量檢定和常規檢校，重點檢查儀器i角誤差和補償誤差。

2.3 外業觀測

(1)適宜的觀測條件為:氣溫適中、氣流較為穩定、無風或微風(一般不應大于4級)、平潮期、無車通行的夜間或凌晨。

(2)應選用具有外業觀測記錄存儲、計算和限差驗算功能的觀測軟件，自動完成測站計算和限差驗算并對超限測站觀測值進行重新觀測。

(3)應挑選操作熟練的觀測員進行外業觀測，縮短觀測時間，有利于提高測量精度。

(4)夜晚觀測時，應使用LED燈對條碼尺進行照明并保證亮度均勻。

(5)應保持前后標尺視距相等，避免過度調焦或者調焦不足。

(6)一個測站的觀測順序:奇數站為“后-前-前-后”，偶數站為“前-后-后-前”。

2.4 限差驗算

使用觀測軟件進行外業觀測記錄和計算，并自動進行測站觀測限差的驗算，當某項誤差超限或整個測站超限時儀器會報警，提示重新觀測。這種自動觀測和自動進行限差驗算的方法可以削弱或消除橋面晃動對觀測結果的不利影響，

3 實例分析

圖1為港珠澳大橋主體橋梁合龍貫通后的二等水準測量路線圖。主體橋梁東連島隧工程的西人工島，西接珠澳口岸人工島，橋梁總長22.8 km，設3座通航孔，梁體結構分為鋼箱梁和混凝土梁兩種結構形式。橋梁貫通之前，通過海中測量平臺及已建橋墩，采用全站儀三角高程法進行跨海高程傳遞，實現了全橋跨海高程的貫通[15]。主體橋梁合龍貫通后，使用數字水準儀在橋面上進行水準測量，以實現大橋兩岸三地之間跨海高程的直接貫通，一方面可以檢驗橋梁貫通前跨海高程傳遞測量成果的精度及其可靠性，另一方面，也可以為大橋運營維護階段的橋面水準測量積累成功的經驗。

圖1 港珠澳大橋主體橋梁橋上二等水準測量路線

如圖1所示，在主體橋梁橋面上埋設41個水準點，自東至西依次為:QM01，QM02，…，QM40，QM41，相鄰水準點的間距為500～700m。東端(QM01)與島隧工程的西人工島測量平臺控制點BM04連測；西端(QM41)與珠澳口岸人工島水準點BQ02連測，然后通過2 km長的施工便橋連測至珠海陸域水準點BM01、BM02，構成BM01～BM05之間的附合水準路線。此外，為了進一步檢核橋面水準測量的精度，自BM02，通過跨海水準測量連測海中測量平臺控制點BM03，并閉合到橋面水準點QM34，形成一個水準閉合環。

使用DINI03數字水準儀(標稱精度:0.3 mm/km)，按國家二等水準測量的技術要求對主體橋梁及施工便橋進行橋面水準觀測，使用水準儀自帶軟件進行觀測數據記錄、存儲和限差驗算，對超限的測站立即進行補測，直至測站成果符合規定限差要求時為止。主體橋梁橋面水準往返觀測并構成多個水準閉合環，連續4～7個橋面水準點(或沿橋面方向2～3 km長度)連測形成一個水準閉合環，相鄰兩個閉合環之間重合2個水準點(即重合一條水準測段邊)。考慮到海浪、風力、橋面鋪裝施工、行車及氣溫等因素的影響，為提高外業測量成果的精度及合格率，橋面水準測量全部選擇在夜間進行。測量過程中發現，儀器到標尺的視距長度會影響觀測讀數的反應速度、精度及可靠性，一般而言，視距宜控制在40 m以內，最大視距不應超過50 m。海洋潮汐波浪及風力也是影響測量精度和測量效率的重要因素，應在風力不大于4級、海浪沖擊造成的橋梁晃動較小的情況下進行水準觀測，車輛通過時應停止觀測。

經計算，附合水準路線BM01-BQ01-BQ02-QM41-QM01-BM04的高差閉合差為2.1 mm，小于二等水準閉合差的限差4 R=4× 28.2=21.5 mm，水準閉合環BM01-BM02-BM03-QM34-QM41-BQ02-BQ01-BM01的高差閉合差為4.00 mm，小于二等限差13.58 mm(環線長度11.53 km)。

為了進一步驗證橋面水準測量的精度及其可靠性，在橋面上選擇4處300～500 m的段落，按文獻[10]的方法進行觀測。跨河水準測量高差與橋面數字水準測量高差的對比結果見表1，表1中“限差”按二等水準測量檢測限差公式計算。

表1 數字水準測量高差與跨海水準測量高差比較

計算結果表明:數字水準儀橋上測量成果可以達到國家二等水準測量的精度要求。

4 結論

使用高精度的數字水準儀進行橋上水準測量，可達到國家二等水準測量的精度。測量中應注意如下事項:

(1)橋面水準點應布設在橋墩正上方的橋梁或橋面上，水準點間距為500～700 m，連續4～7個水準點(路線長度2～3 km)組成水準閉合環，相鄰兩個環之間有2個重疊水準點。

(2)儀器宜安置在橋墩正上方的橋梁或橋面上，標尺可安置在橋梁跨中或橋墩上方橋面上。

(3)水準觀測應在風力不大于4級、橋梁晃動較小的夜間進行，有車輛通過時停止觀測。夜間觀測時應使用LED燈對標尺進行均勻照明。

(4)正式觀測前，應按規范和儀器使用說明書的要求對儀器進行檢校，正確存儲相關參數值。

(5)每個測站的視距長度不宜大于40 m，最大視距長度不應大于50 m。

(6)與數字水準儀配套的觀測軟件應能自動進行測站觀測限差的驗算。