基于数字水准仪的桥上精密水准测量方法

吴迪军

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050)

在公路桥梁桥面铺装或铁路桥梁铺轨施工阶段以及桥梁运营维护阶段，需要在桥上进行精密水准测量。另外，有些工程也需通过公路、铁路桥梁进行水准测量，实现江河两岸高程基准的连测贯通。例如，在港珠澳大桥主体桥梁贯通后，为了进一步验证跨海高程传递的精度，也为了大桥运营维护管理的需要，在20余km的主体桥梁桥面上埋设了若干水准点，按二等水准测量精度进行高程连测。受桥上车辆行驶、海洋潮汐波浪和风力等各种外力因素的影响，桥梁始终处于或大或小的晃动之中，桥面上无法正常置平水准仪及观测读数。因此，研究桥上水准测量方法具有现实意义。

文献[1]介绍了使用光学水准仪在铁路桥上进行精密水准测量的试验。文献[2]则指出:在晃动的公路大桥上，电子水准仪无法进行测量。一些测量技术人员也认为，数字水准仪的测量方式为自动观测和自动记录存储读数，无法在通行车辆的桥面上进行正常测量，他们更习惯由熟练的测量员使用光学水准仪进行较低等级的桥上水准测量。然而，从仪器构造、测量原理和实践经验来看，数字水准仪观测读数快、精度高，易于通过软件实现观测限差的现场检算，便于克服和解决桥梁振动造成的读数不稳定问题，有利于提高观测成果的精度[3-5]。杨新志对公路桥梁振动、光照等特殊影响条件下的水准测量问题进行了粗略探讨[6]，提出了若干建议和措施，但没有进行系统而全面的研究和试验。

以港珠澳大桥海中桥梁桥面水准测量项目为背景，重点研究基于数字水准仪的桥上精密水准测量方法，提出桥上精密水准测量的解决方案，包括水准点布设、仪器测站和标尺点选定、观测方案及数据处理等内容，并通过工程应用实践验证该方法的可行性和有效性。

1 数字水准仪的测量误差分析

数字水准仪，又称为电子水准仪，是一种集光学、机械、电子、数字图像处理和计算机等多种技术于一体的高科技测绘仪器，具有测量精度高、速度快、操作简便、人工干预少、劳动强度低、自动化程度高和内外业一体化等显著优点[7]。自1990年面世以来，数字水准仪已在测绘生产实践中得到广泛应用。目前，已基本上取代了传统的光学水准仪，成为各等级水准测量的主要仪器。

数字水准仪是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，仪器内部安装了CCD光学传感器和数字图像识别处理系统，依据图像识别原理，将编码尺的图像信息与已存贮在仪器中的基准信息进行比较，从而获得被测标尺的读数信息。按照文献[8]的分析，使用数字水准仪进行水准测量的主要误差来源可分为三类:与主机有关的误差、与条码尺有关的误差及与条码尺光电读数有关的误差。其中，大气折光和i角误差是影响电子水准仪读数精度的主要误差[9]。总体而言，数字水准仪的测量误差比光学水准仪更多、更复杂，实际工作中必须采取有效措施消除或削弱各种误差对测量成果的不利影响。以下主要对数字水准仪的光电误差进行分析，并提出消除或削弱误差的技术措施。

1.1 i角误差及其检定

i角是指水准仪视准轴与水准管水准轴的夹角在竖直面上的投影。数字水准仪的i角分为光学i角和电子i角，电子i角对数字水准测量结果具有重要影响。外业测量中仪器振动、环境温度、望远镜调焦和磁场都会引起i角的改变。因此，外业测量前，应按仪器说明书的要求测定和设置电子i角，并在测量期间对残余电子i角进行定期检定，残余i角值应在相应等级规定的限差以内。每天观测作业前，应提前将仪器取出，待仪器温度与外界环境温度相同时再进行测量，以最大限度地消除温度变化对i角的影响[10-12]。

1.2 补偿器的剩余误差

为消除补偿器的剩余误差，不管什么等级的水准测量，均应采用如下的测站观测顺序:奇数站观测顺序为“后-前-前-后”，偶数站为“前-后-后-前”。

1.3 条码尺尺面不清晰

应保持条码尺清洁无划痕。条码尺上的污渍、雨滴和划痕都会使数字水准仪图像传感器接收到不正确的图像，并可能产生较大的读数偏差。

1.4 望远镜调焦不足或调焦过度

应对准条码尺准确调焦，以便图像传感器接收到清晰的编码图像。调焦不足或调焦过度都会引起测量时间延长，还有可能产生较大的系统偏差[13]。

1.5 条码尺被遮挡

应避免条码尺被遮挡。条码尺部分被遮挡可能会产生较大的读数偏差。

1.6 使用条码尺顶部或底部读数的误差

当数字水准仪照准条码尺顶部和底部时，图像传感器仅能收到条码尺的部分图像。相较于图像传感器的参考点，条码尺的图像信号是非对称的。这种非对称的图像信号不利于消除图像传感器及望远镜成像系统中的多项误差，其结果会导致测量结果出现系统误差甚至出现错误读数。因此，应避免使用条码尺底部和顶部观测读数。

1.7 条码尺亮度及其均匀性

条码尺应有足够的亮度。在夜晚或光线较暗的地方使用数字水准仪时，要对标尺进行均匀照明，单方向照明会导致测量结果中出现较大的系统误差[8]。陈小歌等的研究表明，在黑暗条件下，有灯光辅助照明时数字水准仪精度与白天测量精度基本一致。在黑暗条件下使用类似自然光的LED光源照明进行数字水准测量，可以达到二等水准测量的精度要求[14]。岳建平等的研究表明:光照的均匀度对测量工作有一定的影响，当标尺的光照极不均匀时，仪器会中止测量[13]。

2 基于数字水准仪的桥上精密水准测量方法

2.1 水准路线布设

(1)桥面水准点应设置在桥墩固定支座上方的梁端处，不宜设置在活动支座上，禁止设置在桥墩以外的桥梁上方。

(2)桥上水准测量应由往返观测路线形成环环相扣的闭合环网。

(3)宜固定仪器测站点和立尺点位置并做临时标志，尽可能在桥墩正上方的梁端或路面上安置仪器，水准尺可设置在桥墩正上方桥面上或者两个桥墩的跨中处。

(4)考虑到桥梁振动和夜晚观测时光照较弱等因素，应适当降低水准测量的视线长度(仪器测站点与立尺点之间的距离)，以获得最佳观测效果。

2.2 数字水准仪检校

尽可能选择精度等级较高的数字水准仪，并按规范和仪器说明书的要求进行计量检定和常规检校，重点检查仪器i角误差和补偿误差。

2.3 外业观测

(1)适宜的观测条件为:气温适中、气流较为稳定、无风或微风(一般不应大于4级)、平潮期、无车通行的夜间或凌晨。

(2)应选用具有外业观测记录存储、计算和限差验算功能的观测软件，自动完成测站计算和限差验算并对超限测站观测值进行重新观测。

(3)应挑选操作熟练的观测员进行外业观测，缩短观测时间，有利于提高测量精度。

(4)夜晚观测时，应使用LED灯对条码尺进行照明并保证亮度均匀。

(5)应保持前后标尺视距相等，避免过度调焦或者调焦不足。

(6)一个测站的观测顺序:奇数站为“后-前-前-后”，偶数站为“前-后-后-前”。

2.4 限差验算

使用观测软件进行外业观测记录和计算，并自动进行测站观测限差的验算，当某项误差超限或整个测站超限时仪器会报警，提示重新观测。这种自动观测和自动进行限差验算的方法可以削弱或消除桥面晃动对观测结果的不利影响，

3 实例分析

图1为港珠澳大桥主体桥梁合龙贯通后的二等水准测量路线图。主体桥梁东连岛隧工程的西人工岛，西接珠澳口岸人工岛，桥梁总长22.8 km，设3座通航孔，梁体结构分为钢箱梁和混凝土梁两种结构形式。桥梁贯通之前，通过海中测量平台及已建桥墩，采用全站仪三角高程法进行跨海高程传递，实现了全桥跨海高程的贯通[15]。主体桥梁合龙贯通后，使用数字水准仪在桥面上进行水准测量，以实现大桥两岸三地之间跨海高程的直接贯通，一方面可以检验桥梁贯通前跨海高程传递测量成果的精度及其可靠性，另一方面，也可以为大桥运营维护阶段的桥面水准测量积累成功的经验。

图1 港珠澳大桥主体桥梁桥上二等水准测量路线

如图1所示，在主体桥梁桥面上埋设41个水准点，自东至西依次为:QM01，QM02，…，QM40，QM41，相邻水准点的间距为500～700m。东端(QM01)与岛隧工程的西人工岛测量平台控制点BM04连测；西端(QM41)与珠澳口岸人工岛水准点BQ02连测，然后通过2 km长的施工便桥连测至珠海陆域水准点BM01、BM02，构成BM01～BM05之间的附合水准路线。此外，为了进一步检核桥面水准测量的精度，自BM02，通过跨海水准测量连测海中测量平台控制点BM03，并闭合到桥面水准点QM34，形成一个水准闭合环。

使用DINI03数字水准仪(标称精度:0.3 mm/km)，按国家二等水准测量的技术要求对主体桥梁及施工便桥进行桥面水准观测，使用水准仪自带软件进行观测数据记录、存储和限差验算，对超限的测站立即进行补测，直至测站成果符合规定限差要求时为止。主体桥梁桥面水准往返观测并构成多个水准闭合环，连续4～7个桥面水准点(或沿桥面方向2～3 km长度)连测形成一个水准闭合环，相邻两个闭合环之间重合2个水准点(即重合一条水准测段边)。考虑到海浪、风力、桥面铺装施工、行车及气温等因素的影响，为提高外业测量成果的精度及合格率，桥面水准测量全部选择在夜间进行。测量过程中发现，仪器到标尺的视距长度会影响观测读数的反应速度、精度及可靠性，一般而言，视距宜控制在40 m以内，最大视距不应超过50 m。海洋潮汐波浪及风力也是影响测量精度和测量效率的重要因素，应在风力不大于4级、海浪冲击造成的桥梁晃动较小的情况下进行水准观测，车辆通过时应停止观测。

经计算，附合水准路线BM01-BQ01-BQ02-QM41-QM01-BM04的高差闭合差为2.1 mm，小于二等水准闭合差的限差4 R=4× 28.2=21.5 mm，水准闭合环BM01-BM02-BM03-QM34-QM41-BQ02-BQ01-BM01的高差闭合差为4.00 mm，小于二等限差13.58 mm(环线长度11.53 km)。

为了进一步验证桥面水准测量的精度及其可靠性，在桥面上选择4处300～500 m的段落，按文献[10]的方法进行观测。跨河水准测量高差与桥面数字水准测量高差的对比结果见表1，表1中“限差”按二等水准测量检测限差公式计算。

表1 数字水准测量高差与跨海水准测量高差比较

计算结果表明:数字水准仪桥上测量成果可以达到国家二等水准测量的精度要求。

4 结论

使用高精度的数字水准仪进行桥上水准测量，可达到国家二等水准测量的精度。测量中应注意如下事项:

(1)桥面水准点应布设在桥墩正上方的桥梁或桥面上，水准点间距为500～700 m，连续4～7个水准点(路线长度2～3 km)组成水准闭合环，相邻两个环之间有2个重叠水准点。

(2)仪器宜安置在桥墩正上方的桥梁或桥面上，标尺可安置在桥梁跨中或桥墩上方桥面上。

(3)水准观测应在风力不大于4级、桥梁晃动较小的夜间进行，有车辆通过时停止观测。夜间观测时应使用LED灯对标尺进行均匀照明。

(4)正式观测前，应按规范和仪器使用说明书的要求对仪器进行检校，正确存储相关参数值。

(5)每个测站的视距长度不宜大于40 m，最大视距长度不应大于50 m。

(6)与数字水准仪配套的观测软件应能自动进行测站观测限差的验算。