同時涉及地面地下樓頂小范圍高精度控制網(wǎng)的建立

錢正偉，王華

(常州市測繪院，江蘇常州 213002)

同時涉及地面地下樓頂小范圍高精度控制網(wǎng)的建立

錢正偉?，王華

(常州市測繪院，江蘇常州 213002)

以常州市無輻式摩天輪軌道安裝工程基準(zhǔn)網(wǎng)的建立為實例，深入分析小范圍高精度精密控制網(wǎng)的特點，研究了建立小范圍高精度三維控制網(wǎng)的方法，重點針對同時涉及地面地下樓頂三種不同高度的控制網(wǎng)。以翔實的數(shù)據(jù)通過較系統(tǒng)的精度分析，提出對于在該情況下建立高精度控制網(wǎng)的有效方法，來保證整網(wǎng)的精度及可靠性，并結(jié)合實際總結(jié)了應(yīng)用的作業(yè)經(jīng)驗。文中所有表格數(shù)據(jù)均取部分內(nèi)容進行舉例說明，并非完整實際工作數(shù)據(jù)。

精密基準(zhǔn)網(wǎng)；投點；高程傳遞；氣象改正

1 前 言

為滿足世界上最大無輻式摩天輪軌道的精密安裝，對軌道安裝支座點進行三維坐標(biāo)放樣以及安裝完成后軌道的精調(diào)測量、定期監(jiān)測和維護，需要建立高精度三維基準(zhǔn)網(wǎng)。該工程位于常州東北部的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)紫荊公園內(nèi)，整個摩天輪跨度為89 m，其中地面以上高度為84 m，地面以下為5 m，寬度為7 m的巨型圓環(huán)。觀光者可以從地下進入巨環(huán)，環(huán)繞一圈后又回到地下。由于該圓環(huán)高度比較高，而且同時涉及地面和地下兩部分，為了更進一步保證軌道的安裝精度，最終確定本基準(zhǔn)網(wǎng)范圍約為400 m見方以及保證地面、地下及樓頂基準(zhǔn)控制網(wǎng)點為同精度。

2 基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)及測量方法

2.1 布網(wǎng)原則及選埋點

本項目基準(zhǔn)網(wǎng)根據(jù)《精密工程測量規(guī)范》、《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》、《工程測量規(guī)范》中相關(guān)技術(shù)要求布網(wǎng)。并結(jié)合工程現(xiàn)狀及用途共布設(shè)控制點12個。待網(wǎng)形確定后，應(yīng)先對其進行精度估算，滿足要求后方可進行其他工作。

控制點具體選埋應(yīng)滿足下列要求:①基準(zhǔn)點選在利于長期保存、施測方便和施工影響范圍以外的地方；②建筑物上的基準(zhǔn)點選在樓頂承重結(jié)構(gòu)上；③所有基準(zhǔn)點均需設(shè)置永久觀測標(biāo)志，為了減小對中誤差，各基準(zhǔn)點建立強制對中觀測墩，確保施工過程中基準(zhǔn)點的穩(wěn)定，觀測墩的埋設(shè)應(yīng)使其頂面的傾斜小于0.02°。基準(zhǔn)網(wǎng)如圖1所示(圖中K11、K12為兩個地下點、K1、K2為兩個樓頂高標(biāo)點、其余8個為地面點):

圖1 基準(zhǔn)網(wǎng)示意圖

2.2 外業(yè)觀測

(1)平面基準(zhǔn)網(wǎng)觀測

水平角與距離觀測采用測量機器人TCA2003，其測角精度為0.5″，測距精度為1+1 ppm×D。觀測前應(yīng)對全站儀等儀器設(shè)備按規(guī)定進行檢校。水平角觀測一般采用方向觀測法，當(dāng)方向數(shù)不大于3個時可不歸零，必要時，亦可采用全組合測角法或其他能滿足精度要求的觀測方法。在水平角和距離的觀測過程中要嚴(yán)格遵守規(guī)范要求的各項限差，如不符合則按規(guī)范作相應(yīng)的處理。當(dāng)觀測地面及樓頂基準(zhǔn)點時可采用全站儀進行角度及距離觀測。在觀測地面以下基準(zhǔn)點時，首先利用自制投點器進行精密投點，把地下事先埋設(shè)觀測墩基準(zhǔn)中心點通過投點器鋼絲傳遞到地面上來。投點方法如圖2所示，在地下觀測墩處按90°同時架設(shè)兩臺全站儀，先用一臺儀器的豎絲照準(zhǔn)觀測墩上基準(zhǔn)點中心位置，在水平方向不變的情況下，轉(zhuǎn)動橫軸使物鏡向上，待視場看到由投點器懸掛的鋼絲時停止轉(zhuǎn)動。指揮地面工作人員利用投點器上面的調(diào)整設(shè)備對鋼絲位置進行精調(diào)，使鋼絲與豎絲重合。按相同方法，用第二臺儀器精調(diào)鋼絲位置。待兩臺儀器均能使鋼絲與豎絲重合，指揮地面人員對鋼絲進行前方交匯測量，再經(jīng)過計算求出鋼絲的平面坐標(biāo)。前方交匯測量時選擇3個交匯角度佳的基準(zhǔn)點進行水平角觀測，與已知邊的夾角應(yīng)控制在(30°＜α＜330°)，3個交匯方向在鋼絲結(jié)點處所形成的夾角應(yīng)盡量均勻(120°左右)。如此重復(fù)2～3次，再取交匯所得坐標(biāo)的平均值。

圖2 平面投點示意圖

圖2 中三腳架部分為兩臺2″級全站儀，中間部分由上到下依次為投點器、鋼絲、重錘及穩(wěn)定劑、觀測墩。通過旋轉(zhuǎn)投點器上的手柄來調(diào)整鋼絲的位置。鋼絲下端為5 kg左右的重錘，重錘懸置于一個容器內(nèi)，容器內(nèi)有穩(wěn)定鋼絲用的洗潔精(圖中用虛線表示)。

(2)高程基準(zhǔn)網(wǎng)觀測

高程采用Trimble DINIDS05自動安平電子水準(zhǔn)儀，標(biāo)稱精度每千米水準(zhǔn)測量高差中數(shù)偶然中誤差為±0.3 mm。觀測前對儀器設(shè)備按規(guī)定進行檢校。高程測量地面點采用幾何水準(zhǔn)測量的方法進行量測。由于網(wǎng)中有兩個屋頂高標(biāo)和地下兩個低標(biāo)，要將高程引測到高標(biāo)和低標(biāo)上。而傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)由于高差太大是無法進行觀測的，三角高程測量又無法滿足精度要求，所以采用精密工程中常用的懸掛鋼尺法進行高程傳遞。最終與地面點組成閉合水準(zhǔn)網(wǎng)進行整網(wǎng)平差。懸掛鋼尺高程傳遞測量如圖3所示。

圖3 懸掛鋼尺高程傳遞法

其具體操作過程是:首先在高處架設(shè)支架或者滑輪，將檢定過的鋼尺向下送放，鋼尺末端懸掛重錘W，當(dāng)重錘十分接近地面時，將鋼尺固定。然后在已知高程點A和待測高程點B分別立水準(zhǔn)尺，并在地面與高處架設(shè)兩臺水準(zhǔn)儀同時進行觀測，水準(zhǔn)儀應(yīng)架設(shè)在水準(zhǔn)尺與鋼尺中間，兩臺水準(zhǔn)儀在水準(zhǔn)尺和鋼尺上可以分別讀數(shù)，就可以得到高點B的高程。若需要提高測量精度，可通過改變儀器高多測幾個測回。在觀測過程中采用精度為二等水準(zhǔn)以上光學(xué)水準(zhǔn)儀觀測時鋼尺(≤50 m)最小分劃至少到毫米，并估讀到0.1 mm，標(biāo)尺(2 m)為配套銦瓦尺。

計算公式如下:HB=HA+(a-b)+(a1-b1)

3 基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

3.1 平面基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

(1)平面基準(zhǔn)網(wǎng)觀測原始數(shù)據(jù)的整理

在水平角觀測值的數(shù)據(jù)處理中先對各水平角觀測手簿進行整理，按各測回的角度值取平均，并進行相應(yīng)的檢查工作。由于在水平角觀測時各項限差已經(jīng)在觀測過程中得到了及時的處理，在數(shù)據(jù)整理過程中不會有超限現(xiàn)象，如表1所示。對觀測的距離值，根據(jù)測量時的溫度、氣壓和濕度等作相應(yīng)的改正，再進行往返測距離互差與限差的比較，最后進行測距中誤差的計算(如表2、表3所示)。如觀測過程中記錄的距離為斜距時，則還要進行平距的轉(zhuǎn)換計算。

基準(zhǔn)控制網(wǎng)平面數(shù)據(jù)觀測成果表 表1

徠卡TCA2003氣象改正公式:

①載波波長:λ0=0.85μm

②標(biāo)準(zhǔn)氣象條件:t0=12℃、P0=1013.25 mb、h0=60%(t′0=8.3℃)

③基準(zhǔn)折射率:n0=1.0002818

④氣象改正公式:

式中:△D為氣象改正比例系數(shù)，10-6；

P為大氣壓，mb；

t為干溫，℃；

h為相對濕度，%；α為大氣膨脹系數(shù)，α=1/273.16。

距離改正計算表 表2

測距邊精度評定表 表3

(2)平面基準(zhǔn)網(wǎng)的平差計算

平面基準(zhǔn)網(wǎng)采用武漢大學(xué)測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)“COSA”軟件進行平差計算。為更進一步保證基準(zhǔn)網(wǎng)的精度，平差時采用假定一點一方向進行平差計算。如圖1所示，以K1為已知點假設(shè)坐標(biāo)為(1000，1000)，K1、K2為已知方向假設(shè)方位角為90°。

在圖1中K11、K12兩個點為地下點，并且都分別用3個方向進行了水平角交匯測量，而且在實地這兩點也正好通視，同樣也進行了距離觀測。把這些已知條件放在一起進行平差計算。計算結(jié)果如表4所示:

測距中誤差:

平面基準(zhǔn)網(wǎng)的平差計算表 表4

3.2 高程基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

(1)高程基準(zhǔn)網(wǎng)觀測原始數(shù)據(jù)的整理

首先對地面點可用水準(zhǔn)儀直接測得高差數(shù)據(jù)進行整理，結(jié)合各項改正計算出相應(yīng)的高差概算表，得到改正后的高差，由于這是常規(guī)測量工作這里不作詳細(xì)說明。下面主要針對懸掛鋼尺進行高程傳遞的數(shù)據(jù)整理工作做詳細(xì)說明。

鋼卷尺補正計算方法及公式:

①溫度的誤差補正計算方法:

因溫度發(fā)生誤差=實際測定值×尺帶膨脹系數(shù)0.000 011 5×(使用溫度-20℃)

前提:尺帶在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時，溫度改正為零。

②張力的誤差補正計算方法:

因張力產(chǎn)生的誤差=(實際測定張力-標(biāo)準(zhǔn)張力) ×實測距離÷(伸縮彈性力×尺帶的截面面積)

前提:尺帶在標(biāo)準(zhǔn)張力情況下不需要張力補正。

③因尺帶重力面引起的誤差補正計算方法:

因尺帶重力面引起的誤差=(-){(尺帶單位重量×實測距離)2×實測距離}÷(24×實測時張力2)

前提:當(dāng)尺帶吊于半空進行測量時，因尺帶的重量而引起的誤差。

④鋼卷尺檢定結(jié)果:

鋼卷尺在t℃使用時的尺長方程式為:

Lt℃=L20℃α·(t-20)·L

式中α為鋼卷尺溫度線膨脹系數(shù):α=11.7× 10-6℃-1，L20℃的值在鋼尺檢定書上有相應(yīng)數(shù)據(jù)對照表，此方程式為檢定機構(gòu)提供。

L為被檢測間隔的標(biāo)稱長度，以米為單位。

前提:當(dāng)張緊力為49 N，溫度為20℃，尺帶不考慮重力引起的誤差時改正數(shù)為零。

數(shù)據(jù)整理如表5所示:

(2)高程基準(zhǔn)網(wǎng)的平差計算

高程基準(zhǔn)網(wǎng)采用武漢大學(xué)測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)“COSA”軟件對計算數(shù)據(jù)進行平差計算。為保證其相對精度，平差時只采用一個已知點高程的假定高程進行平差計算。平差結(jié)果為:①最弱點高程中誤差(mm): 0.61；②最弱測段高差中誤差(mm):0.45。從上述成果可以看出，此成果完全滿足二等水準(zhǔn)精度要求。

鋼尺傳遞高程計算表(標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃，標(biāo)準(zhǔn)張力50N) 表5

3.3 基準(zhǔn)網(wǎng)的檢核

三維基準(zhǔn)網(wǎng)平差完成后，為了檢核本基準(zhǔn)網(wǎng)的可靠性，對該三維基準(zhǔn)網(wǎng)進行了外業(yè)檢測和精度分析。平面成果的檢測，在起算邊與起算點不變的情況下，采用縮小網(wǎng)形野外數(shù)據(jù)重新觀測重新組網(wǎng)抽查的方法進行比較分析。高程成果的檢測，與平面成果一樣采用抽查的方式進行重新組網(wǎng)、重新觀測并重新平差計算。平面、高程成果檢測如表6所示。

平面、高程成果檢測精度統(tǒng)計表 表6

從兩者比較結(jié)果可以看出，該基準(zhǔn)網(wǎng)精度優(yōu)良，能夠滿足高精度施工控制網(wǎng)的要求。

4 結(jié) 語

本文通過理論分析與實踐證明，要建立同時涉及地面以下低標(biāo)、樓頂以上高標(biāo)及地面平標(biāo)三種情況的高精度三維控制網(wǎng)時，該方法是完全可靠與可行的，可以實現(xiàn)高精度、高可靠性的成果，并且保證控制點等級為同精度。該套流程是以常規(guī)測量技術(shù)為基礎(chǔ)，不管在方法、技術(shù)及儀器設(shè)備投入上都有了綜合的改進。

[1] CJJ/T 8-2011城市測量規(guī)范[S].

[2] GB/T 12897-2006國家一、二等水隹測量規(guī)范[S].

[3] GB/T 15314-94精密工程測量規(guī)范[S].

[4] GB 50308-2008城市軌道交通工程測量規(guī)范[S].

[5] 張正祿.測量機器人[J].測繪通報，2001(5):7.

[6] 林洪樺.現(xiàn)代測量誤差分析及數(shù)據(jù)處理(二)[J].計量技術(shù)，1997(2):39-44.

The Establishment of the High Precision Control Networkin the Ground Underground Small RangeInvolving Ground Underground in the Meaning Time

Qian Zhengwei，Wang Hua
(Changzhou Surveying and Mapping Institution，Changzhou 213002，China)

This paper to changzhou no radial ferriswheel track installation reference network set up as an example，the thorough analysis of small range and high precision control characteristics，study the establishment of small range high precision 3 d control networkmethod，focusing on the ground at the same time involved in the underground three different height control network.In view of detailed data through a system of precision analysis，put forward in this case to establish high precision control network of effectivemeasures，to ensure the accuracy and reliability of the network，and combined with the actual summarizes the application work experience.

precise datum network；damping-bob for shaft plumbing；atmospheric correction

1672-8262(2013)05-131-04

P258

B

2012—11—07

錢正偉(1981—)，男，工程師，從事工作工程測量外業(yè)工作。