崇启大桥三角高程传递的若干问题讨论

张天涛++罗友华

摘 要：利用自动型全站仪Leica TCA2003的自动目标识别技术为硬件基础进行跨江三角高程传递，用严密三角高程计算公式分析了三角高程系统误差的产生原因，制定出消除或减弱系统误差的测量细则，同时用实测的数据验证了这种测量技术满足施工精度的要求。

关键词：三角高程传递；系统误差；大气垂直折光；同步观测；竖直角；自动目标识别ATR

中图分类号：TU198+.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.096

1 概述

崇启长江公路大桥全长4.5476 km（起讫桩号K32+000～K36+547.6），由南引桥、主桥、北引桥组成。其中，水域部分全长3.744 km。根据施工需要，为了给全桥提供一个统一的测量基准，需在大桥水域部分布设加密施工控制网。在建桥前期，优先施工主1和主7两个承台，其平面和高程均采用GPS RTK完成，定位精度可适当放宽；然后在优先承台上建立强制观测墩，作为后续施工精确定位的控制基础。其平面坐标采用GPS静态观测并进行平差处理，高程采用跨江三角高程传递，与北岸侧高程基准点进行联测，构成附合水准路线。

2 观测设计

2.1 技术分析

在通常情况下，大气折光、竖直角观测和垂线偏差是三角高程测量的主要误差源。对于大气折光和垂线偏差，一般可采用同步对向观测的方法消除，那么，竖直角观测便成为决定精度的主要因素。竖直角观测误差一般由3部分构成：仪器误差、观测误差和外界环境影响。在距离远的情况下，目标照准成为主要的观测误差源，而且外界环境的影响也主要体现在目标照准问题上。为此，崇启大桥三角高程传递采用两台Leica TCA2003（0.5″， 1mm+1ppmD）进行同步对向观测。该仪器具有自动目标识别ATR（Automatic Target Recognition）功能，它克服了人眼观测的诸多缺陷，作业快速稳定，不但可在夜间观测，且精度较昼间更为稳定。这样，在较短距离上实施精密三角高程便成为可能。

2.2 网形设计

由于强制观测墩无法同时假设仪器和三棱镜，采用短后视

法进行同时对向观测。如图1所示，以主1#和主7#墩为例，在主1#墩的强制观测墩C和主7#墩的强制观测墩E上分别架设仪器，在仪器附近的强制观测墩D和F上分别安置棱镜。D点仪器照准E棱镜，同时F点仪器照准C点棱镜，进行同步对向观测。由于同一桥墩上仪器与棱镜的距离较短（约32 m），两对向观测跨海视线偏移量极小，操作中严格控制同步观测。可认为两视线受大气折光、气象条件等因素影响基本相同，从而可以有效地削弱大气折光等不利因素影响，提高三角高程测量精度。

短边A与B，C与D，E与F间的高差，由于距离较短可采用水准仪双仪高法精密测定。长边在D、F点架设仪器对向观测消除球气差影响后，即可得到C、E两点的高差。然后，同一桥墩交换仪器和棱镜，则同样可得到D、F两点的高差。按照三等规范要求，每一段高差均采用双测回法，双测回数不少于8个。

2.3 仪器高的量取

一般情况下，仪器高都是直接使用小钢卷尺测量全站仪横轴中心与地面点之间的距离得到，由于无法保证钢卷尺不发生弯折和倾斜，导致仪器高测量误差较大。为减小该项误差，结合现场实际，采用间接测量的方法，即先在测站点A周围（距离10 m左右）选一稳定点B，用水准仪精密测量出A点和B点之间的相对高差，然后A点上假设全站仪，B上树立后视尺，在A，B两点中间架设水准仪。通过不断变换水准仪的仪器高，使视线高与全站仪的横轴在同一水平线上，读取后视尺的读数，可以计算出全站仪的仪器高。经多次试验分析，采用该方法得到的仪器高，精度可以达到亚毫米级。

3 误差分析

若三角高程同步对向观测采用上述短后视法，则单向高差的计算式如下：

. （1）

.（2）

式（2）中：S为斜距；α为竖角；C为球气差系数；i为仪器高；v为棱镜高。同理：

.（3）

式（3）中：考虑到C1≈C2，SCF≈SED，高差中值的计算式为：

. （4）

忽略测距误差对高差的影响（由于跨江水准的两端高差较小，测距误差的影响小于0.1 mm），同时考虑到cosα≈1，误差传播式为：

. （5）

式（5）中： SCD和SEF对Mh影响甚微，且SCF≈SED≈SDF，所以可进一步简化为：

. （6）

由式（6）计算可知，在精确测定棱镜高的情况下（假设仪器高量取Mv的误差小于±0.2 mm），S>250 m时竖直角误差项是跨江三角高程传递的主要误差源。

4 数据分析与处理

各测段间距离及测段高差如表1所示

由表2可以得出，观测得出的数据满足三角高程规范要求，其成果可以在施工过程中直接使用。

5 跨江三角高差与GPS高差比较

用GPS对各跨江水准点进行GPS卫星定位静态观测，利用三个已知点，使用8台徕卡GPS仪器同步观测90 min。测得各跨江点间的相对高差，与三角高程对象观测测得的高差比较如表3所示。

由此可见，全站仪跨江三角高程测量与GPS相对高差检测基本吻合，成果可靠。

6 跨江三角高差与常规水准测量高差比较

崇启大桥主跨贯通后，为了满足南引桥桥面的需要，高程基准采用常规水准测量方法，测得各跨江点间的相对高差，与三角高程对象观测测得的高差较差见表4.

由表4数据可以得出，采用自动型全站仪Leica TCA2003的自动目标识别技术为硬件基础进行跨江三角高程传递，其成果完全满足施工需要。在常规水准测量不能满足的施工情况下，将三角高程作为一种较新型的方法是可行的。

7 提高观测精度的测量细则

根据对以上跨江三角高程实测数据和产生系统误差原因的分析，制定以下实用的测量细则：①视线距水面的高度原则上应≥3.5 m，跨江的距离原则上应不大于2.0 km，特殊情况可适当放宽。②为了减少大气垂直折光对观测视线的影响，观测时段应选择在风力微和、气温变化较小的阴天或夜间进行，不宜在阳光照射下进行。③根据潮水表编制观测计划，减少潮水对承台的冲击，进而提高仪器和棱镜的稳定程度；同时对观测网形优化设计和船舶的调配的合理使用，减少仪器搬动的次数。④在远距离（超过1 km）的情况下，尽量采用三棱镜或者特制的棱镜，以明显增强仪器的自动识别能力，减少目标对准误差。⑤观测开始前30 min，先将仪器置于露天阴影下，使仪器内外温度趋于一致，减少温度引起的仪器系统差。⑥每一台仪器均应进行正、倒镜观测，且将观测的16～24次高差称为一组观测，每次观测均应重新照准目标；同一度盘位置的16～24次观测，

其高差互差应≤ ⑦取剔除

粗差后各次高差读数的均值为这一组高差的观测值，取正、倒镜组观测值的均值为半测回观测值，每跨两侧仪器半测回观测值的均值为一个单测回高差观测值。⑧每个组观测前，应量取两次仪器高和觇标高，应保证每次量取精度不低于1 mm，取两次观测的均值为其仪器高和觇标高的最终高度；一个单测回观测完成后，应间歇5～10 min，再开始下一单测回的观测；一个单测回宜采用两台仪器同时对向观测，且应尽可能做到同时开始、同时结束，其开始时间相差应少于5 min；每个单测回观测都应在安置仪器的地方测量温度和气压，并对距离观测量进行气象改正。

8 结论

通过采用Leica TCA2003自动目标识别ATR功能进行观测和有效的观察方法，崇启大桥跨江三角高程传递的结果满足了施工的需要，同时提出了一些消除和减弱系统误差对跨江三角高程影响的测量细则，对以后同类型的桥梁水上高程传递有一定的借鉴意义，解决了常规水准测量无法满足施工的困难。

参考文献

[1]武汉测绘科技大学测量平差教研室. 测量平差基础[M]. 北京：测绘出版社，1996

[2] 张艳，高飞，李晓莉，等. 应用精密三角高程测量进行跨河水准的研究[J].合肥工业大学学报，2007（10）.

〔编辑：胡雪飞〕