高原高海拔山區(qū)三角高程替代水準(zhǔn)測量的應(yīng)用

高原高海拔山區(qū)三角高程替代水準(zhǔn)測量的應(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，日照時間長不同時段溫差較大,以及地勢高，因此在高原高海拔地區(qū)進(jìn)行水準(zhǔn)測量具有大氣折射變化大、大地水準(zhǔn)面間隙變化大等特點，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求針對高原高海拔山區(qū)長距離三角高程替代水準(zhǔn)測量進(jìn)行了實踐作業(yè)，可以有效提高作業(yè)效率，通過檢核隧道進(jìn)出口端高程控制點成果，消除施工安全隱患,保證測繪成果安全可靠性.【期刊名稱】《價值工程》【年(卷)，期】2019(038)004【總頁數(shù)】3頁(P182-184)【關(guān)鍵詞】高原;高海拔;山區(qū);水準(zhǔn)測量;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【正文語種】中文【中圖分類】P224.10引言由于水準(zhǔn)測量在測定某地面點的高程中具有高精度，高速度的特點，因此通常用來建立地面高程控制網(wǎng)絡(luò)。但是，因為高原地區(qū)地面高低起伏有較大的變化，進(jìn)行常規(guī)水準(zhǔn)測量不方便，而且進(jìn)度緩慢，測量的精度也可能受到影響，需要采用更便捷有效的測量方法代替水準(zhǔn)測量。近年來隨著測量儀器和測繪技術(shù)的發(fā)展，三角高程測量測定地面點的高程逐漸成為一種趨勢。本工程處于高原高海拔山區(qū)，道路狹窄，樹木茂密，從進(jìn)口端至出口端超長距離使用常規(guī)水準(zhǔn)測量局限明顯，為提高野外測量精度以及測量速度，采用三角高程測量代替水準(zhǔn)測量建立高程控制網(wǎng)。1三角高程測量原理1.1三角高程測量流程圖1三角高程測量原理圖如圖1所示，A是已知的給定高程點，B是待測的高程點，將全站儀設(shè)置在A點并整平對中，量取儀器高i，將棱鏡置于B點整平對中，用卷尺量取棱鏡高l。則A、B點之間的高差為：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。1.2三角高程測量步驟根據(jù)測區(qū)的地形、氣候等測量條件，外業(yè)使用2臺徠卡TCRA1202全站儀，4套徠卡三腳架以及4套徠卡棱鏡，采用對向觀測的方法，交替進(jìn)行觀測，每測站觀測4個測回，自起算高程控制點1附合至起算點2，有效提高了外業(yè)測量效率。每日測量之前，應(yīng)對所用的儀器、腳架（或?qū)χ袟U）、棱鏡進(jìn)行相關(guān)的檢校。每測站記錄信息：量取的棱鏡高、儀器高，每測站氣壓、溫度、豎直角等均應(yīng)在記錄簿上填寫。觀測步驟如圖2所示。1）自起算點進(jìn)行首站單向觀測，在起算點1處架設(shè)三腳架并安置全站儀1,轉(zhuǎn)點1處安置棱鏡1，嚴(yán)格整平置中，開始觀測。觀測完成后整體搬至第三站。圖2三角高程對向觀測示意圖2） 自第二站開始對前后視棱鏡進(jìn)行雙向觀測，轉(zhuǎn)點1處架設(shè)全站儀2，起算點1及轉(zhuǎn)點2處安置棱鏡3和4,按照規(guī)范技術(shù)要求進(jìn)行測量。觀測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)觀測并實時檢查對向觀測高差成果，將高程傳遞到下一個水準(zhǔn)點，直至完成路線測量。1.3三角高程測量影響因素三角高程測量的誤差來源主要包括垂直角觀測誤差、測距誤差、大氣折射影響、儀器高和棱鏡高的量取誤差。1.3.1垂直角觀測誤差垂直角觀測誤差主要是根據(jù)所使用的儀器等級決定的，而儀器的分劃誤差和偏心誤差都是直接影響測量的因素。有關(guān)文獻(xiàn)指出利用全站儀測量4測回測角的精度可以達(dá)到±0.5”,則多測回測角精度肯定優(yōu)于±0.5”,測角觀測誤差對高差精度的影響中p=206265”。角度對高差的影響見表1。表1角度對高差的影響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測距誤差除了與儀器本身的制造的精確度之外，測距誤差也會受到外部環(huán)境的極大影響，例如溫度、濕度等。經(jīng)查驗得知TCRA1202全站儀測距精度可以達(dá)到（1+10-6Dmm，根據(jù)m2=mDtana，可知測距誤差對高差的影響如表2所示。表2距離對高差的影響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觀測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，影響觀測的測定誤差。垂直角受大氣影響的可以達(dá)幾秒甚至十幾秒。大氣折射對觀測的影響通常采用對向觀測抵消或減弱：，根據(jù)公式，可以得出結(jié)論，利用對向觀測的方法可以減少大氣折射對測量的影響，但并不能完全消除。按公式，可知折光差對高差的影響，如表3所示。表3大氣折光對高差的影響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)時量取儀器高和棱鏡高各兩次，量測精度取至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華麗高速營盤山隧道進(jìn)出口三角高程測量實踐2.1測區(qū)概況華坪至麗江高速公路（以下簡稱華麗高速）工程是云南省高速公路網(wǎng)〃三縱三橫，九大通道”中的一段。其中營盤山隧道屬特長隧道，走向為東北~西南，隧址區(qū)山體走向為中間高兩側(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：起止點樁號為ZK18+588~ZK29+860，分界段全長11272m；右幅隧道：起止點樁號為K18+580~K29+890，分界段全長11310m;左右幅隧道測中線距離23.06m~29.50m~24.63m，累計總長22582m。測區(qū)屬于高原型西南季風(fēng)氣候，降雨多且集中，光照時間較長，氣溫偏低，晝夜溫差較大，太陽輻射強，高原季風(fēng)強勁等特點，高海拔以及山區(qū)地形起伏大對高程測量造成的影響是垂線偏差變化大，大地水準(zhǔn)面差距大。2.2三角高程觀測技術(shù)要求測區(qū)高程控制點聯(lián)測以交樁的高程控制成果作為依據(jù)，采用共用起算點的方式分段按附合高程導(dǎo)線方式聯(lián)測隧道進(jìn)口端、1#斜井、2#斜井、隧道出口端交樁及加密高程控制點。高程外業(yè)測量按照《工程測量規(guī)范》GB50026-2007中三角高程測量四等精度要求觀測。表4三角高程測量主要技術(shù)要求注：①D為測距邊的長度（km）;②所用路線長度不應(yīng)超過相應(yīng)等級水準(zhǔn)路線的長度限值.等級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）觀測方式對向觀測高差較差（mm）邊長1015<1<1對向觀測對向觀測40D.20>D.60D.30>D.表5三角高程觀測的主要技術(shù)要求注：當(dāng)采用級儀器進(jìn)行垂直角觀測時，應(yīng)根據(jù)儀器的垂直角檢測精度，適當(dāng)增加測回數(shù).等級垂直角觀測邊長測量儀器精度等級測回數(shù)指標(biāo)差較差（勺測回較差（"）儀器精度等級觀測次數(shù)往返各一次往一次四等五等2”級儀器2”級儀器32<7"<10"<7"<10”10mm級儀器10mm級儀器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。測量采用的通常是氣象元素改正法，在測量過程中測定大氣元素并按公式進(jìn)行測距和測角改正。在測量中，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、溫度計測量出氣壓、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)部可自動進(jìn)行距離改正。2.2.2測量數(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)將實測記錄的垂直角、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)行計算，通過對向觀測數(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)測量時優(yōu)先檢查數(shù)據(jù)異常的測站，再繼續(xù)觀測。該表格最大的優(yōu)點是處理數(shù)據(jù)簡潔、有效，能避免數(shù)據(jù)錄入錯誤并提示，且每測站高差互檢也能保證外業(yè)測量的質(zhì)量。為了驗證三角高程測量替代四等水準(zhǔn)測量的可行性，將所測得的各項誤差代入以下公式得對高差精度的聯(lián)合影響，并取2mh對與規(guī)定的水準(zhǔn)測量限差進(jìn)行比較，見表6。表6不同條件下三角高程與水準(zhǔn)測量限差比較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600m，垂直角度不超過25°的情況下，用全站儀三角高程測量代替水準(zhǔn)測量在理論上是可行的。3結(jié)束語本文從三角高程測量的原理出發(fā)，通過計算公式以及觀測過程中應(yīng)該注意的相關(guān)事項，分析了在高原地區(qū)進(jìn)行三角高程測量需要采取的措施，得出以下結(jié)論：在全站儀三角高程測量過程中垂直角觀測誤差、測距誤差、大氣折光誤差、儀器高和棱鏡高的量取誤差是影響測量精度的主要因素，必須通過一定的措施進(jìn)行相關(guān)的改正。在高原高海拔地區(qū)進(jìn)行三角高程測量時，可采用全站儀三角高程替代常規(guī)水準(zhǔn)測量，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。通過與水準(zhǔn)測量觀測技術(shù)要求比較，三角高程測量數(shù)據(jù)達(dá)到了較高的測量精度，滿足工程施工水準(zhǔn)測量的規(guī)范要求，證明了在高原高海拔山區(qū)長距離三角高程測量替代四等精度水準(zhǔn)測量的可行性。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】GB50026-2007，工程測量規(guī)范[S].潘正風(fēng)，程效軍，成樞，等.數(shù)字測圖原理與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.鄒進(jìn)貴，徐亞明，胡波，等.車載自動化精密三角高程測量系統(tǒng)研究[J