崇啟大橋三角高程傳遞的若干問題討論

1、崇啟大橋三角高程傳遞的若干問題討論摘要：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： 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

2、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

3、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。

4、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?？烧J(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、

5、 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

6、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；a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 C1C2, SCPSED,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cos a 1 , 誤差傳播式為：. （ 5）式（5）中： SCD和 SEF對

7、Mh影響甚微，且 SCP 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）， S250 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

8、。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：視線

9、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。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。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)。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。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。每一臺儀器均應(yīng)進(jìn)

10、行正、倒鏡觀測，且將 觀測的1624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 1624次觀測，其高差互差應(yīng)W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。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510 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