徠卡三棱鏡代替標燈進行遠距離跨河水準測量

解光路 時廣海

摘 要：測距三角高程法是跨越江河進行兩岸遠距離高程基準傳遞的一種常用測量方法。本文以常泰長江大橋兩岸高程聯測為案例，將以傳統照準目標的標燈和將以三棱鏡代替標燈為照準目標的兩種測量方式進行比對，結果表明：使用徠卡三棱鏡作為照準目標的測量方式在精度上可以達到二等水準精度要求，同時也提高了作業效率，省時省力，可為以后類似工程的跨河水準測量提供參考和借鑒。

關鍵詞：遠距離跨河水準;兩岸高程傳遞;測距三角高程;徠卡三棱鏡

中圖分類號：U445.4? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0154-03

1概述

隨著國家對基礎建設的持續加強，科學技術的不斷發展與創新，跨越江、河、湖、海的大型橋梁建設項目不斷涌現，跨越水面距離也不斷增長，兩岸高程基準傳遞工作必不可少，因此使用測距三角高程法進行跨河水準測量也得到了廣泛應用[1]。按照《國家一、二等測量規范》[2]和《鐵路工程測量規范》[3]，在進行跨河水準觀測時，觀測目標均采用覘板或標燈作為照準目標，在觀測過程中需要測量人員用眼睛瞄準發光源中心點，在實際測量中存在需要提前進行標燈的精密加工，需要攜帶條碼尺、電瓶及電纜線等大量的配件工具，以及在觀測時采用人工瞄準光源中心點誤差大，瞄準困難等缺點。為此，結合常泰長江大橋二等跨河水準測量，采用三棱鏡代替傳統標燈作為照準目標，使用高精密全站儀進行自動對向觀測，則省去了上述的缺點，觀測效率達得到大幅提升，精度滿足規范要求。

2兩種觀測目標方案比選

（1）傳統遠距離跨河水準測量采用特殊定制覘板或標燈，需要專門尋找覘板或標燈精加工制造廠家，一般加工廠難以滿足覘板或標燈的加工精度和質量。在標燈高度標定上，將標燈固定在標尺側面，在觀測過程中，固定標燈的卡扣容易松動或下沉，造成一定誤差。在觀測時，采用人工瞄準光源中心點，存在光源發散形成光暈，難以瞄準，長時間觀測使觀測人員產生一種潛意識湊數心理，造成讀數誤差。以及在夜間觀測尋找發光源點時，視線內存在路燈、船舶航運燈、家用照明燈等多個發光源，容易瞄錯目標光源等問題。傳統覘板或標燈測量工裝如圖 1所示。

（2）使用三棱鏡組代替傳統的覘板或標燈，在鏡高標定上，直接使用三腳對中桿代替標尺，不需要人工對準標尺刻度。三棱鏡和三腳對中桿在市面上比較常用，比較容易獲得。觀測方式采用高精密全站儀自動測角測距并記錄，首次瞄準棱鏡后，不需要再次進行瞄準，省時省力。同時，在作業前，只需攜帶極少的配件就可以進行跨河水準測量，方便快捷。三棱鏡測量工裝如圖 2所示。

3測量實施

常泰長江大橋主橋全長4226m，主橋跨越長江水面。長江南側位于常州市新北區，北側位于泰興市虹橋鎮，兩岸大堤高程相差不大，地面標高約+7.5m，設計交樁成果中提供的兩岸高程基準聯測采用傳統標燈為照準目標進行高程傳遞。

項目進場首級控制網復測時，采用與設計單位相同的跨江點進行測距三角高程跨河水準測量，使用2臺具備自動目標識別功能，儀器標稱精度：測角精度0.5″，測距精度±0.6mm+1ppm的徠卡TS50全站儀，選擇在陰天或夜里進行對向觀測。按照規范[2][3]，跨越江面的視線長度約2.9km，采用雙線過河，組成四邊形閉合環。 觀測時，最少觀測時段數為12，雙測回數為24，半測回中的組數為8，豎直角指標差互差不大于8″，同一標志垂直角互差不大于4″。

3.1跨河水準測量

跨河水準網型布設為長邊平行，短邊為10m左右的大地四邊形，采用全站儀同步對向觀測配套的同一型號的三棱鏡測量工裝，記錄平距及豎直角度。作業前，對兩岸的三棱鏡對中誤差及三腳對中桿高度進行檢測，確保兩岸棱鏡高度完全一致。跨河長度為1#線跨河視線距離為2.98km，2#線跨河視線距離為2.88km。跨河水準外業觀測圖形如圖 3所示。

外業觀測步驟[3]：

（1）在A、B點設站，同步觀測本岸近標，即測定aAB和aBC。然后再同步觀測對岸遠標，即測定測定aAC和aBD。

（2）將儀器分別從A、B點搬至同岸C、D點，同步觀測本岸近標，測定aDA和aCB。然后再同步觀測對岸遠標，測定aCA和aDB。至此，兩臺儀器共完成2個單測回。

（3）同岸短邊A～B點及B～C點測段高差采用電子水準儀按二等水準要求進行觀測，另外一條測線按同樣方法進行觀測。

內業處理[2-3]：

（1）各測回間高差互差限值

式中：—相應等級的每千米水準測量的偶然中誤差（mm）;N—雙測回的測回數;S—跨河視線長度（km）。

（2）平行四邊形的四條邊組成的獨立閉合環閉合差

式中：—每千米水準測量相應等級的全中誤差（mm）;S—跨河視線長度（km）。

（3）采用不量儀器高和棱鏡高的計算公式為[3]：

式中：—點1至點2間的高差（mm）;—點1至點2間的斜距（mm）;—點1至點2間的垂直角（mm）。

3.2兩種觀測目標結果比對

（1）兩岸短邊測段高差采用幾何水準法獲取，1#測線常州側B1～C1點測段高差為0.00804m，泰興側D1～A1點測段高差為0.10449m;2#測線常州側B2～C2點測段高差為-0.00479m，泰興側D2～A2點測段高差為0.49595m。

（2）跨江長邊通過三棱鏡代替標燈作為照準目標，跨河長邊測段觀測數據如表 1所示。

觀測結果：1#測線測回間互差最大值為31.88mm，環閉合差最大值19.30mm。滿足測回間互差小于限差? =47.84mm和環閉合差小于限差 =±20.72mm的要求;2#測線測回間互差最大值為30.06mm，環閉合差最大值為12.97mm。滿足測回間互差小于限差 =47.03mm和環閉合差小于限差 =±20.36mm的要求。

3.3觀測結果統計精度分析

將表 1中的觀測結果整理統計，并將采用三棱鏡觀測結果與設計值（傳統標燈）[4]進行比對分析，如表 1 所示。

通過表 1可以看出，1#測線跨河長邊測段高差較差最大值4.66mm，2#測線跨河長邊測段高差較差最大值3.85mm;通過計算，兩條測線每公里高差中數中誤差 =±0.74mm， =±0.55mm，滿足規范[2-3]文件要求。

4結論

本文在規范文件的基礎上，針對遠距離跨河水準測量，使用高精密全站儀自動對向觀測并記錄，采用三棱鏡代替傳統標燈作為觀測目標，避免了量取儀器高和覘標高的環節，提高了觀測效率，在精度上滿足現行規范要求，在實施時，減少了大量配件的攜帶，使測量人員在進行跨江水準作業時更加輕松簡便，在進行跨河水準作業時應注意以下幾點。

（1）測角誤差是影響跨河水準精度的主要誤差來源之一[5]，因此在選擇儀器時應盡可能地采用高精密全站儀，儀器的標稱精度不應低于測角精度0.5″，測距精度±1mm+1.5ppm。并且選用的全站儀應具有自動目標識辨（Automatic Target Recognition，簡稱 ATR）功能，可以自動尋找并精確照準棱鏡目標。

（2）跨河水準測量精度受氣象因素影響也較大，因此在觀測時應選在無風或微風天氣進行[5]，當氣溫變化較大或江面水霧較大時等不利于觀測的氣象情況時應停止觀測。

（3）兩岸同步對向觀測，可以極大地提高精度，消除或減弱大氣折光差以及地球曲率等引起的多項誤差[5]，當采用不量儀器高和覘標高的觀測方法時，在觀測前應對三腳對中桿高度進行標定，確保兩岸桿高一致，并做好編號，儀器調岸觀測時，三棱鏡和三角對中桿一并調換，以消除棱鏡高度誤差。

參考文獻：

[1]王文慶.三角高程跨河水準在淮揚鎮鐵路跨長江二等水準中的應用[J].鐵道勘察.2015，（6）：25-28.

[2] GB/T 12897-2006，國家一、二等水準測量規范[S].

[3] TB 10101-2018，鐵路工程測量規范[S].

[4]中鐵大橋勘測設計院集團有限公司.常泰長江大橋工程施工控制網測量技術報告[R].2019，9.

[5]張艷.應用精密三角高程測量實現跨河水準的研究[J].測繪技術裝備.2007，9（3）：13-16.