測量機器人在水文遙測系統跨河水準測量中的應用

劉鑫 柳翠明

摘 要 結合南沙區水文遙測系統高程基準項目中三等跨河水準測量，詳細闡述了基于TM30測量機器人的三角高程測量的跨河水準測量方法和施測過程，通過對儀器的改裝以及測量方法的改進，實現了兩臺儀器間跨河視線的同時對向觀測，大大減弱儀器高誤差、大氣折光誤差、地球曲率誤差等影響，可代替相應等級水準測量。

關鍵詞 測量機器人;跨河水準;三角高程測量

為滿足“智慧三防系統項目”的建設需要，提高南沙區的“三防”預警能力，需對區內水文遙測工作基準點、水閘泵站、約442km外江堤圍高程特征點實施高程測量，重建遙測基準點，重新布設水準網，重測水尺零位，通過整網聯測實現水位監測的基準統一。本文介紹TM30測量機器人三角高程法測量項目9處新增跨河水準原理和方法，并分析該方法代替三等水準的可靠性和可行性。

1 跨河水準測量原理

水準路線跨越河流是水準測量中最復雜的工作之一，由于視線較長，使觀測時前后視線不能相等，而水準標尺上的分劃，在望遠鏡中觀察就顯得非常細小，甚至無法辨認，因而也就難以精確照準水準標尺分劃和無法讀數。

三角高程的測量原理：通過全站儀測量兩點間距離和豎直角來求算兩點間高差。常規三角高程法誤差受人工影響大，但使用測量機器人同時完成測距、測角，減小了人為影響，提高了跨河水準測量精度[1]。

2 跨河水準測量場地選定

2.1 場地選定

跨河場地應選擇在水面較窄、土質堅實、便于設站和觀測的河段，應盡可能有較高視線高度。跨河視線不得通過草叢（蘆葦）、干丘、沙灘的上方。

2.2 場地布設

本項目跨河場地按照四邊形方法布設，如圖1所示。在跨河兩岸分別選取兩個點如圖B1、I1和B2、I2跨河點，隨著觀測順序不同，4個點均可作為儀器和對中桿架設點，其中B1與I1之間，B2與I2之間距離大致相等，三等水準路線聯測至B1、B2即可。

2.3 準備工作

本項目采用徠卡TM30測量機器人，其測角精度為0.5″，測距為（0.6+1x10-6L）mm，ATR有效范圍為3000m，該儀器由伺服馬達驅動，在機載系統軟件控制下完成自動識別目標、測量目標（水平角、垂直角和距離）和記錄觀測數據，通過對儀器的改裝以及測量方法的改進，實現了兩臺儀器間跨河視線的同步對向觀測。

測前還應準備兩岸各準備1部對講機、手持氣象儀，每次測量都應記錄空氣的溫度、氣壓、濕度，并輸入到全站儀做相應設置。

3 實施過程

3.1 技術要求

本項目跨河水準共11處，在確保成果正確的情況，充分利用已有跨河成果。利用2014年三等水準跨河成果2處，本次新測跨河水準9處，最短距離179米，最長距離1676米，觀測精度按照國家關于三等水準規范要求執行。

3.2 觀測方法

使用兩臺TM30測量機器人分別觀測1號、2號高低棱鏡組，4個點均可作為儀器和對中桿架設點，跨河兩岸分別觀測，測出四邊形每條邊的高差，從而可以計算四邊形的閉合差，然后按照邊長分配閉合差，通過強制對中桿高低棱鏡組的零點差的改正，求得精確的兩岸跨河測段的高差。

跨河水準觀測宜在風力微和，氣溫變化小的陰天進行，當雨后初晴和大氣變化較大時，均不宜觀測。視線內影像跳動劇烈、氣溫突變等情況下禁止觀測;對向觀測要保證在同時開始觀測，若時間相隔太久（大于30分鐘），必須重新進行對向觀測;跨河觀測前，應測量兩臺全站儀分別對應的強制對中桿之間的零點差;觀測過程中，應檢查對中桿的高度不變，否則應該加入對中桿高度變化數值進行改正[2]。

3.3 成果分析

由I2點安置儀器，照準B1戰表測得垂直角α，平距為L，i為儀器高，ν為棱鏡高，為大氣錘子折光系數，R為地球半徑。B1點單向觀測高程為：

單向觀測高差為：H =（2）-（1），由此可見，三角高程法跨河水準測量中，測量精度受測距、測角、儀器高量取、棱鏡高量取和大氣折光等誤差影響，由于同向視距接近相等且遠遠小于地球半徑，因此，大氣折光對高差的影響可以忽略不計。

①根據本項目誤差影響分析，利用測量機器人的跨河水準測量方法完全滿足三等水準測量精度要求，可通過增加雙測回觀測數減小測角中誤差以提高觀測精度，滿足更高等級水準測量規范要求;②跨河視線雖然應保持一定高度，但兩岸跨河點的高差不應相差太大，否則造成垂直角過大，使得測角誤差增大;③跨河兩岸同步對向觀測，可極大的提高精度，消除或者減弱儀器高誤差、大氣折光誤差、地球曲率誤差等影響;④從實際測量情況得知，邊長越短測邊精度越高，同岸點的距離以5～10米為宜[3]。

4 結束語

基于測量機器人同步自動對向觀測進行跨河水準測量，方法簡便快捷，數據處理方便，且在后續水文遙測系統的高程基準測量應用中具有較大優勢，在本次水文遙測系統高程基準建設項目中發揮重要基礎作用，也使得測量機器人在水文遙感監測工作進一步探索提供了實踐經驗。

參考文獻

[1] 國家質量監督總局，國家標準化管委會.國家三、四等水準測量規范：GB/T 12898-2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2] 孔寧，林鴻，歐海平，等.基于自動照準全站儀的精密三角高程測量代替二等水準測量的研究與應用[J].測繪通報，2016（2）：107-109.

[3] 劉忠林，薛維剛.精密跨河水準測量方法與數據處理[J].測繪與空間地理信息，2009（4）：204-206.