高原高海拔山區(qū)三角高程替代水準(zhǔn)測(cè)量的應(yīng)用

高原高海拔山區(qū)三角高程替代水準(zhǔn)測(cè)量的應(yīng)用呂韶超;王彩云【摘要】由于高原高海拔地區(qū)相比平原地區(qū)氣壓低，日照時(shí)間長(zhǎng)不同時(shí)段溫差較大,以及地勢(shì)高，因此在高原高海拔地區(qū)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量具有大氣折射變化大、大地水準(zhǔn)面間隙變化大等特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求針對(duì)高原高海拔山區(qū)長(zhǎng)距離三角高程替代水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行了實(shí)踐作業(yè)，可以有效提高作業(yè)效率，通過(guò)檢核隧道進(jìn)出口端高程控制點(diǎn)成果，消除施工安全隱患,保證測(cè)繪成果安全可靠性.【期刊名稱】《價(jià)值工程》【年(卷)，期】2019(038)004【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P182-184)【關(guān)鍵詞】高原;高海拔;山區(qū);水準(zhǔn)測(cè)量;三角高程【作者】呂韶超;王彩云【作者單位】中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100142;中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公旬北京100142【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】P224.10引言由于水準(zhǔn)測(cè)量在測(cè)定某地面點(diǎn)的高程中具有高精度，高速度的特點(diǎn)，因此通常用來(lái)建立地面高程控制網(wǎng)絡(luò)。但是，因?yàn)楦咴貐^(qū)地面高低起伏有較大的變化，進(jìn)行常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量不方便，而且進(jìn)度緩慢，測(cè)量的精度也可能受到影響，需要采用更便捷有效的測(cè)量方法代替水準(zhǔn)測(cè)量。近年來(lái)隨著測(cè)量?jī)x器和測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，三角高程測(cè)量測(cè)定地面點(diǎn)的高程逐漸成為一種趨勢(shì)。本工程處于高原高海拔山區(qū)，道路狹窄，樹(shù)木茂密，從進(jìn)口端至出口端超長(zhǎng)距離使用常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量局限明顯，為提高野外測(cè)量精度以及測(cè)量速度，采用三角高程測(cè)量代替水準(zhǔn)測(cè)量建立高程控制網(wǎng)。1三角高程測(cè)量原理1.1三角高程測(cè)量流程圖1三角高程測(cè)量原理圖如圖1所示，A是已知的給定高程點(diǎn)，B是待測(cè)的高程點(diǎn)，將全站儀設(shè)置在A點(diǎn)并整平對(duì)中，量取儀器高i，將棱鏡置于B點(diǎn)整平對(duì)中，用卷尺量取棱鏡高l。則A、B點(diǎn)之間的高差為：公式中：S代表斜距，a代表豎直角，c代表地球曲率修正數(shù)，r代表大氣改正數(shù)。其中：地球曲率改正數(shù)c、大氣改正數(shù)r的計(jì)算公式為式中：R為地球半徑，取值6371km,K為大氣折射系數(shù)，取值為0.08~0.14。1.2三角高程測(cè)量步驟根據(jù)測(cè)區(qū)的地形、氣候等測(cè)量條件，外業(yè)使用2臺(tái)徠卡TCRA1202全站儀，4套徠卡三腳架以及4套徠卡棱鏡，采用對(duì)向觀測(cè)的方法，交替進(jìn)行觀測(cè)，每測(cè)站觀測(cè)4個(gè)測(cè)回，自起算高程控制點(diǎn)1附合至起算點(diǎn)2，有效提高了外業(yè)測(cè)量效率。每日測(cè)量之前，應(yīng)對(duì)所用的儀器、腳架（或?qū)χ袟U）、棱鏡進(jìn)行相關(guān)的檢校。每測(cè)站記錄信息：量取的棱鏡高、儀器高，每測(cè)站氣壓、溫度、豎直角等均應(yīng)在記錄簿上填寫。觀測(cè)步驟如圖2所示。1）自起算點(diǎn)進(jìn)行首站單向觀測(cè)，在起算點(diǎn)1處架設(shè)三腳架并安置全站儀1,轉(zhuǎn)點(diǎn)1處安置棱鏡1，嚴(yán)格整平置中，開(kāi)始觀測(cè)。觀測(cè)完成后整體搬至第三站。圖2三角高程對(duì)向觀測(cè)示意圖2） 自第二站開(kāi)始對(duì)前后視棱鏡進(jìn)行雙向觀測(cè)，轉(zhuǎn)點(diǎn)1處架設(shè)全站儀2，起算點(diǎn)1及轉(zhuǎn)點(diǎn)2處安置棱鏡3和4,按照規(guī)范技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)量。觀測(cè)完成后整體搬至第四站。3） 按照步驟1）、2）的方法，交替連續(xù)觀測(cè)并實(shí)時(shí)檢查對(duì)向觀測(cè)高差成果，將高程傳遞到下一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，直至完成路線測(cè)量。1.3三角高程測(cè)量影響因素三角高程測(cè)量的誤差來(lái)源主要包括垂直角觀測(cè)誤差、測(cè)距誤差、大氣折射影響、儀器高和棱鏡高的量取誤差。1.3.1垂直角觀測(cè)誤差垂直角觀測(cè)誤差主要是根據(jù)所使用的儀器等級(jí)決定的，而儀器的分劃誤差和偏心誤差都是直接影響測(cè)量的因素。有關(guān)文獻(xiàn)指出利用全站儀測(cè)量4測(cè)回測(cè)角的精度可以達(dá)到±0.5”,則多測(cè)回測(cè)角精度肯定優(yōu)于±0.5”,測(cè)角觀測(cè)誤差對(duì)高差精度的影響中p=206265”。角度對(duì)高差的影響見(jiàn)表1。表1角度對(duì)高差的影響1.251.461.671.882.09距離/m影響量/mm距離/m影響量/mm1002003004005000.210.420.630.841.0460070080090010001.3.2測(cè)距誤差除了與儀器本身的制造的精確度之外，測(cè)距誤差也會(huì)受到外部環(huán)境的極大影響，例如溫度、濕度等。經(jīng)查驗(yàn)得知TCRA1202全站儀測(cè)距精度可以達(dá)到（1+10-6Dmm，根據(jù)m2=mDtana，可知測(cè)距誤差對(duì)高差的影響如表2所示。表2距離對(duì)高差的影響0.510.560.610.650.70距離/m影響量/mm距離/m影響量/mm10020030040050060070080090010000.750.790.840.890.931.3.3大氣折光影響大氣折光對(duì)觀測(cè)的影響主要是光波大氣湍流效應(yīng)引起的垂直折光角的變化和折射角的波動(dòng)，影響觀測(cè)的測(cè)定誤差。垂直角受大氣影響的可以達(dá)幾秒甚至十幾秒。大氣折射對(duì)觀測(cè)的影響通常采用對(duì)向觀測(cè)抵消或減弱：，根據(jù)公式，可以得出結(jié)論，利用對(duì)向觀測(cè)的方法可以減少大氣折射對(duì)測(cè)量的影響，但并不能完全消除。按公式，可知折光差對(duì)高差的影響，如表3所示。表3大氣折光對(duì)高差的影響0.420.580.750.951.18距離/m影響量/mm距離/m影響量/mm1002003004005000.010.050.110.190.3060070080090010001.3.4儀器高和棱鏡高的量取誤差作業(yè)時(shí)量取儀器高和棱鏡高各兩次，量測(cè)精度取至1mm，在精度達(dá)標(biāo)的情況下取其平均值作為本測(cè)站的儀器高，查閱相關(guān)規(guī)范，通常取2mm作為儀器高以及棱鏡高的量取誤差。2華麗高速營(yíng)盤山隧道進(jìn)出口三角高程測(cè)量實(shí)踐2.1測(cè)區(qū)概況華坪至麗江高速公路（以下簡(jiǎn)稱華麗高速）工程是云南省高速公路網(wǎng)〃三縱三橫，九大通道”中的一段。其中營(yíng)盤山隧道屬特長(zhǎng)隧道，走向?yàn)闁|北~西南，隧址區(qū)山體走向?yàn)橹虚g高兩側(cè)低，最高海拔2543m,是華坪至麗江高速公路重大控制性工程之一，其地形、地質(zhì)、環(huán)境條件特殊，建設(shè)技術(shù)問(wèn)題十分復(fù)雜。隧道進(jìn)口位于華坪縣新莊鄉(xiāng)八德村西側(cè)，出口位于永勝縣仁和鎮(zhèn)打紅村東側(cè)。左幅隧道：起止點(diǎn)樁號(hào)為ZK18+588~ZK29+860，分界段全長(zhǎng)11272m；右幅隧道：起止點(diǎn)樁號(hào)為K18+580~K29+890，分界段全長(zhǎng)11310m;左右幅隧道測(cè)中線距離23.06m~29.50m~24.63m，累計(jì)總長(zhǎng)22582m。測(cè)區(qū)屬于高原型西南季風(fēng)氣候，降雨多且集中，光照時(shí)間較長(zhǎng)，氣溫偏低，晝夜溫差較大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，高原季風(fēng)強(qiáng)勁等特點(diǎn)，高海拔以及山區(qū)地形起伏大對(duì)高程測(cè)量造成的影響是垂線偏差變化大，大地水準(zhǔn)面差距大。2.2三角高程觀測(cè)技術(shù)要求測(cè)區(qū)高程控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)以交樁的高程控制成果作為依據(jù)，采用共用起算點(diǎn)的方式分段按附合高程導(dǎo)線方式聯(lián)測(cè)隧道進(jìn)口端、1#斜井、2#斜井、隧道出口端交樁及加密高程控制點(diǎn)。高程外業(yè)測(cè)量按照《工程測(cè)量規(guī)范》GB50026-2007中三角高程測(cè)量四等精度要求觀測(cè)。表4三角高程測(cè)量主要技術(shù)要求注：①D為測(cè)距邊的長(zhǎng)度（km）;②所用路線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)相應(yīng)等級(jí)水準(zhǔn)路線的長(zhǎng)度限值.等級(jí)每千米高差全中誤差（mm）附合或環(huán)形閉合差（mm）四等五等（km）觀測(cè)方式對(duì)向觀測(cè)高差較差（mm）邊長(zhǎng)1015<1<1對(duì)向觀測(cè)對(duì)向觀測(cè)40D.20>D.60D.30>D.表5三角高程觀測(cè)的主要技術(shù)要求注：當(dāng)采用級(jí)儀器進(jìn)行垂直角觀測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)儀器的垂直角檢測(cè)精度，適當(dāng)增加測(cè)回?cái)?shù).等級(jí)垂直角觀測(cè)邊長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器精度等級(jí)測(cè)回?cái)?shù)指標(biāo)差較差（勺測(cè)回較差（"）儀器精度等級(jí)觀測(cè)次數(shù)往返各一次往一次四等五等2”級(jí)儀器2”級(jí)儀器32<7"<10"<7"<10”10mm級(jí)儀器10mm級(jí)儀器2.2.1進(jìn)行氣象改正氣象改正本質(zhì)是大氣折射率對(duì)距離的改正，不同類型的全站儀采用的氣象改正方法不同，但是其改正原理大致相同。測(cè)量采用的通常是氣象元素改正法，在測(cè)量過(guò)程中測(cè)定大氣元素并按公式進(jìn)行測(cè)距和測(cè)角改正。在測(cè)量中，考慮到有可能出現(xiàn)的溫度變化大、地形起伏大引起的氣壓產(chǎn)生較大的變化，在每次架站之后，使用氣壓計(jì)、溫度計(jì)測(cè)量出氣壓、溫度、濕度三種氣象要素，然后將這些氣象要素輸入全站儀中，儀器內(nèi)部可自動(dòng)進(jìn)行距離改正。2.2.2測(cè)量數(shù)據(jù)分析在完成每日夕卜業(yè)數(shù)據(jù)采集工作后，內(nèi)業(yè)將實(shí)測(cè)記錄的垂直角、氣壓、氣溫、斜距、儀器高以及覘標(biāo)高等重要數(shù)據(jù)錄入編制的Excel表格內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)向觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較，若檢核結(jié)果超限則顯示相應(yīng)的紅色警告，外業(yè)測(cè)量時(shí)優(yōu)先檢查數(shù)據(jù)異常的測(cè)站，再繼續(xù)觀測(cè)。該表格最大的優(yōu)點(diǎn)是處理數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔、有效，能避免數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤并提示，且每測(cè)站高差互檢也能保證外業(yè)測(cè)量的質(zhì)量。為了驗(yàn)證三角高程測(cè)量替代四等水準(zhǔn)測(cè)量的可行性，將所測(cè)得的各項(xiàng)誤差代入以下公式得對(duì)高差精度的聯(lián)合影響，并取2mh對(duì)與規(guī)定的水準(zhǔn)測(cè)量限差進(jìn)行比較，見(jiàn)表6。表6不同條件下三角高程與水準(zhǔn)測(cè)量限差比較D/ma/(°)4F51015202530-1.261.792.192.532.833.101002003004005006000.570.851.191.561.952.360.670.941.271.642.042.460.811.081.411.782.182.610.981.251.591.982.392.831.171.471.822.222.663.121.411.722.102.532.993.49從表6中可以得出結(jié)論，在距離不超過(guò)600m，垂直角度不超過(guò)25°的情況下，用全站儀三角高程測(cè)量代替水準(zhǔn)測(cè)量在理論上是可行的。3結(jié)束語(yǔ)本文從三角高程測(cè)量的原理出發(fā)，通過(guò)計(jì)算公式以及觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)該注意的相關(guān)事項(xiàng)，分析了在高原地區(qū)進(jìn)行三角高程測(cè)量需要采取的措施，得出以下結(jié)論：在全站儀三角高程測(cè)量過(guò)程中垂直角觀測(cè)誤差、測(cè)距誤差、大氣折光誤差、儀器高和棱鏡高的量取誤差是影響測(cè)量精度的主要因素，必須通過(guò)一定的措施進(jìn)行相關(guān)的改正。在高原高海拔地區(qū)進(jìn)行三角高程測(cè)量時(shí)，可采用全站儀三角高程替代常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量，而且能滿足相應(yīng)的精度以及技術(shù)要求，從而使得作業(yè)效率有效提高。通過(guò)與水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)技術(shù)要求比較，三角高程測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到了較高的測(cè)量精度，滿足工程施工水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)范要求，證明了在高原高海拔山區(qū)長(zhǎng)距離三角高程測(cè)量替代四等精度水準(zhǔn)測(cè)量的可行性。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】GB50026-2007，工程測(cè)量規(guī)范[S].潘正風(fēng)，程效軍，成樞，等.數(shù)字測(cè)圖原理與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.鄒進(jìn)貴，徐亞明，胡波，等.車載自動(dòng)化精密三角高程測(cè)量系統(tǒng)研究[J