测量机器人在水文遥测系统跨河水准测量中的应用

刘鑫 柳翠明

摘 要 结合南沙区水文遥测系统高程基准项目中三等跨河水准测量，详细阐述了基于TM30测量机器人的三角高程测量的跨河水准测量方法和施测过程，通过对仪器的改装以及测量方法的改进，实现了两台仪器间跨河视线的同时对向观测，大大减弱仪器高误差、大气折光误差、地球曲率误差等影响，可代替相应等级水准测量。

关键词 测量机器人;跨河水准;三角高程测量

为满足“智慧三防系统项目”的建设需要，提高南沙区的“三防”预警能力，需对区内水文遥测工作基准点、水闸泵站、约442km外江堤围高程特征点实施高程测量，重建遥测基准点，重新布设水准网，重测水尺零位，通过整网联测实现水位监测的基准统一。本文介紹TM30测量机器人三角高程法测量项目9处新增跨河水准原理和方法，并分析该方法代替三等水准的可靠性和可行性。

1 跨河水准测量原理

水准路线跨越河流是水准测量中最复杂的工作之一，由于视线较长，使观测时前后视线不能相等，而水准标尺上的分划，在望远镜中观察就显得非常细小，甚至无法辨认，因而也就难以精确照准水准标尺分划和无法读数。

三角高程的测量原理：通过全站仪测量两点间距离和竖直角来求算两点间高差。常规三角高程法误差受人工影响大，但使用测量机器人同时完成测距、测角，减小了人为影响，提高了跨河水准测量精度[1]。

2 跨河水准测量场地选定

2.1 场地选定

跨河场地应选择在水面较窄、土质坚实、便于设站和观测的河段，应尽可能有较高视线高度。跨河视线不得通过草丛（芦苇）、干丘、沙滩的上方。

2.2 场地布设

本项目跨河场地按照四边形方法布设，如图1所示。在跨河两岸分别选取两个点如图B1、I1和B2、I2跨河点，随着观测顺序不同，4个点均可作为仪器和对中杆架设点，其中B1与I1之间，B2与I2之间距离大致相等，三等水准路线联测至B1、B2即可。

2.3 准备工作

本项目采用徕卡TM30测量机器人，其测角精度为0.5″，测距为（0.6+1x10-6L）mm，ATR有效范围为3000m，该仪器由伺服马达驱动，在机载系统软件控制下完成自动识别目标、测量目标（水平角、垂直角和距离）和记录观测数据，通过对仪器的改装以及测量方法的改进，实现了两台仪器间跨河视线的同步对向观测。

测前还应准备两岸各准备1部对讲机、手持气象仪，每次测量都应记录空气的温度、气压、湿度，并输入到全站仪做相应设置。

3 实施过程

3.1 技术要求

本项目跨河水准共11处，在确保成果正确的情况，充分利用已有跨河成果。利用2014年三等水准跨河成果2处，本次新测跨河水准9处，最短距离179米，最长距离1676米，观测精度按照国家关于三等水准规范要求执行。

3.2 观测方法

使用两台TM30测量机器人分别观测1号、2号高低棱镜组，4个点均可作为仪器和对中杆架设点，跨河两岸分别观测，测出四边形每条边的高差，从而可以计算四边形的闭合差，然后按照边长分配闭合差，通过强制对中杆高低棱镜组的零点差的改正，求得精确的两岸跨河测段的高差。

跨河水准观测宜在风力微和，气温变化小的阴天进行，当雨后初晴和大气变化较大时，均不宜观测。视线内影像跳动剧烈、气温突变等情况下禁止观测;对向观测要保证在同时开始观测，若时间相隔太久（大于30分钟），必须重新进行对向观测;跨河观测前，应测量两台全站仪分别对应的强制对中杆之间的零点差;观测过程中，应检查对中杆的高度不变，否则应该加入对中杆高度变化数值进行改正[2]。

3.3 成果分析

由I2点安置仪器，照准B1战表测得垂直角α，平距为L，i为仪器高，ν为棱镜高，为大气锤子折光系数，R为地球半径。B1点单向观测高程为：

单向观测高差为：H =（2）-（1），由此可见，三角高程法跨河水准测量中，测量精度受测距、测角、仪器高量取、棱镜高量取和大气折光等误差影响，由于同向视距接近相等且远远小于地球半径，因此，大气折光对高差的影响可以忽略不计。

①根据本项目误差影响分析，利用测量机器人的跨河水准测量方法完全满足三等水准测量精度要求，可通过增加双测回观测数减小测角中误差以提高观测精度，满足更高等级水准测量规范要求;②跨河视线虽然应保持一定高度，但两岸跨河点的高差不应相差太大，否则造成垂直角过大，使得测角误差增大;③跨河两岸同步对向观测，可极大的提高精度，消除或者减弱仪器高误差、大气折光误差、地球曲率误差等影响;④从实际测量情况得知，边长越短测边精度越高，同岸点的距离以5～10米为宜[3]。

4 结束语

基于测量机器人同步自动对向观测进行跨河水准测量，方法简便快捷，数据处理方便，且在后续水文遥测系统的高程基准测量应用中具有较大优势，在本次水文遥测系统高程基准建设项目中发挥重要基础作用，也使得测量机器人在水文遥感监测工作进一步探索提供了实践经验。

参考文献

[1] 国家质量监督总局，国家标准化管委会.国家三、四等水准测量规范：GB/T 12898-2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 孔宁，林鸿，欧海平，等.基于自动照准全站仪的精密三角高程测量代替二等水准测量的研究与应用[J].测绘通报，2016（2）：107-109.

[3] 刘忠林，薛维刚.精密跨河水准测量方法与数据处理[J].测绘与空间地理信息，2009（4）：204-206.