徕卡三棱镜代替标灯进行远距离跨河水准测量

解光路 时广海

摘 要：测距三角高程法是跨越江河进行两岸远距离高程基准传递的一种常用测量方法。本文以常泰长江大桥两岸高程联测为案例，将以传统照准目标的标灯和将以三棱镜代替标灯为照准目标的两种测量方式进行比对，结果表明：使用徕卡三棱镜作为照准目标的测量方式在精度上可以达到二等水准精度要求，同时也提高了作业效率，省时省力，可为以后类似工程的跨河水准测量提供参考和借鉴。

关键词：远距离跨河水准;两岸高程传递;测距三角高程;徕卡三棱镜

中图分类号：U445.4          文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）04-0154-03

1概述

随着国家对基础建设的持续加强，科学技术的不断发展与创新，跨越江、河、湖、海的大型桥梁建设项目不断涌现，跨越水面距离也不断增长，两岸高程基准传递工作必不可少，因此使用测距三角高程法进行跨河水准测量也得到了广泛应用[1]。按照《国家一、二等测量规范》[2]和《铁路工程测量规范》[3]，在进行跨河水准观测时，观测目标均采用觇板或标灯作为照准目标，在观测过程中需要测量人员用眼睛瞄准发光源中心点，在实际测量中存在需要提前进行标灯的精密加工，需要携带条码尺、电瓶及电缆线等大量的配件工具，以及在观测时采用人工瞄准光源中心点误差大，瞄准困难等缺点。为此，结合常泰长江大桥二等跨河水准测量，采用三棱镜代替传统标灯作为照准目标，使用高精密全站仪进行自动对向观测，则省去了上述的缺点，观测效率达得到大幅提升，精度满足规范要求。

2两种观测目标方案比选

（1）传统远距离跨河水准测量采用特殊定制觇板或标灯，需要专门寻找觇板或标灯精加工制造厂家，一般加工厂难以满足觇板或标灯的加工精度和质量。在标灯高度标定上，將标灯固定在标尺侧面，在观测过程中，固定标灯的卡扣容易松动或下沉，造成一定误差。在观测时，采用人工瞄准光源中心点，存在光源发散形成光晕，难以瞄准，长时间观测使观测人员产生一种潜意识凑数心理，造成读数误差。以及在夜间观测寻找发光源点时，视线内存在路灯、船舶航运灯、家用照明灯等多个发光源，容易瞄错目标光源等问题。传统觇板或标灯测量工装如图 1所示。

（2）使用三棱镜组代替传统的觇板或标灯，在镜高标定上，直接使用三脚对中杆代替标尺，不需要人工对准标尺刻度。三棱镜和三脚对中杆在市面上比较常用，比较容易获得。观测方式采用高精密全站仪自动测角测距并记录，首次瞄准棱镜后，不需要再次进行瞄准，省时省力。同时，在作业前，只需携带极少的配件就可以进行跨河水准测量，方便快捷。三棱镜测量工装如图 2所示。

3测量实施

常泰长江大桥主桥全长4226m，主桥跨越长江水面。长江南侧位于常州市新北区，北侧位于泰兴市虹桥镇，两岸大堤高程相差不大，地面标高约+7.5m，设计交桩成果中提供的两岸高程基准联测采用传统标灯为照准目标进行高程传递。

项目进场首级控制网复测时，采用与设计单位相同的跨江点进行测距三角高程跨河水准测量，使用2台具备自动目标识别功能，仪器标称精度：测角精度0.5″，测距精度±0.6mm+1ppm的徕卡TS50全站仪，选择在阴天或夜里进行对向观测。按照规范[2][3]，跨越江面的视线长度约2.9km，采用双线过河，组成四边形闭合环。 观测时，最少观测时段数为12，双测回数为24，半测回中的组数为8，竖直角指标差互差不大于8″，同一标志垂直角互差不大于4″。

3.1跨河水准测量

跨河水准网型布设为长边平行，短边为10m左右的大地四边形，采用全站仪同步对向观测配套的同一型号的三棱镜测量工装，记录平距及竖直角度。作业前，对两岸的三棱镜对中误差及三脚对中杆高度进行检测，确保两岸棱镜高度完全一致。跨河长度为1#线跨河视线距离为2.98km，2#线跨河视线距离为2.88km。跨河水准外业观测图形如图 3所示。

外业观测步骤[3]：

（1）在A、B点设站，同步观测本岸近标，即测定aAB和aBC。然后再同步观测对岸远标，即测定测定aAC和aBD。

（2）将仪器分别从A、B点搬至同岸C、D点，同步观测本岸近标，测定aDA和aCB。然后再同步观测对岸远标，测定aCA和aDB。至此，两台仪器共完成2个单测回。

（3）同岸短边A～B点及B～C点测段高差采用电子水准仪按二等水准要求进行观测，另外一条测线按同样方法进行观测。

内业处理[2-3]：

（1）各测回间高差互差限值

式中：—相应等级的每千米水准测量的偶然中误差（mm）;N—双测回的测回数;S—跨河视线长度（km）。

（2）平行四边形的四条边组成的独立闭合环闭合差

式中：—每千米水准测量相应等级的全中误差（mm）;S—跨河视线长度（km）。

（3）采用不量仪器高和棱镜高的计算公式为[3]：

式中：—点1至点2间的高差（mm）;—点1至点2间的斜距（mm）;—点1至点2间的垂直角（mm）。

3.2两种观测目标结果比对

（1）两岸短边测段高差采用几何水准法获取，1#测线常州侧B1～C1点测段高差为0.00804m，泰兴侧D1～A1点测段高差为0.10449m;2#测线常州侧B2～C2点测段高差为-0.00479m，泰兴侧D2～A2点测段高差为0.49595m。

（2）跨江长边通过三棱镜代替标灯作为照准目标，跨河长边测段观测数据如表 1所示。

观测结果：1#测线测回间互差最大值为31.88mm，环闭合差最大值19.30mm。满足测回间互差小于限差  =47.84mm和环闭合差小于限差 =±20.72mm的要求;2#测线测回间互差最大值为30.06mm，环闭合差最大值为12.97mm。满足测回间互差小于限差 =47.03mm和环闭合差小于限差 =±20.36mm的要求。

3.3观测结果统计精度分析

将表 1中的观测结果整理统计，并将采用三棱镜观测结果与设计值（传统标灯）[4]进行比对分析，如表 1 所示。

通过表 1可以看出，1#测线跨河长边测段高差较差最大值4.66mm，2#测线跨河长边测段高差较差最大值3.85mm;通过计算，两条测线每公里高差中数中误差 =±0.74mm， =±0.55mm，满足规范[2-3]文件要求。

4结论

本文在规范文件的基础上，针对远距离跨河水准测量，使用高精密全站仪自动对向观测并记录，采用三棱镜代替传统标灯作为观测目标，避免了量取仪器高和觇标高的环节，提高了观测效率，在精度上满足现行规范要求，在实施时，减少了大量配件的携带，使测量人员在进行跨江水准作业时更加轻松简便，在进行跨河水准作业时应注意以下几点。

（1）测角误差是影响跨河水准精度的主要误差来源之一[5]，因此在选择仪器时应尽可能地采用高精密全站仪，仪器的标称精度不应低于测角精度0.5″，测距精度±1mm+1.5ppm。并且选用的全站仪应具有自动目标识辨（Automatic Target Recognition，简称 ATR）功能，可以自动寻找并精确照准棱镜目标。

（2）跨河水准测量精度受气象因素影响也较大，因此在观测时应选在无风或微风天气进行[5]，当气温变化较大或江面水雾较大时等不利于观测的气象情况时应停止观测。

（3）两岸同步对向观测，可以极大地提高精度，消除或减弱大气折光差以及地球曲率等引起的多项误差[5]，当采用不量仪器高和觇标高的观测方法时，在观测前应对三脚對中杆高度进行标定，确保两岸杆高一致，并做好编号，仪器调岸观测时，三棱镜和三角对中杆一并调换，以消除棱镜高度误差。

参考文献：

[1]王文庆.三角高程跨河水准在淮扬镇铁路跨长江二等水准中的应用[J].铁道勘察.2015，（6）：25-28.

[2] GB/T 12897-2006，国家一、二等水准测量规范[S].

[3] TB 10101-2018，铁路工程测量规范[S].

[4]中铁大桥勘测设计院集团有限公司.常泰长江大桥工程施工控制网测量技术报告[R].2019，9.

[5]张艳.应用精密三角高程测量实现跨河水准的研究[J].测绘技术装备.2007，9（3）：13-16.