同時(shí)涉及地面地下樓頂小范圍高精度控制網(wǎng)的建立

錢正偉，王華

(常州市測(cè)繪院，江蘇常州 213002)

同時(shí)涉及地面地下樓頂小范圍高精度控制網(wǎng)的建立

錢正偉?，王華

(常州市測(cè)繪院，江蘇常州 213002)

以常州市無(wú)輻式摩天輪軌道安裝工程基準(zhǔn)網(wǎng)的建立為實(shí)例，深入分析小范圍高精度精密控制網(wǎng)的特點(diǎn)，研究了建立小范圍高精度三維控制網(wǎng)的方法，重點(diǎn)針對(duì)同時(shí)涉及地面地下樓頂三種不同高度的控制網(wǎng)。以翔實(shí)的數(shù)據(jù)通過(guò)較系統(tǒng)的精度分析，提出對(duì)于在該情況下建立高精度控制網(wǎng)的有效方法，來(lái)保證整網(wǎng)的精度及可靠性，并結(jié)合實(shí)際總結(jié)了應(yīng)用的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。文中所有表格數(shù)據(jù)均取部分內(nèi)容進(jìn)行舉例說(shuō)明，并非完整實(shí)際工作數(shù)據(jù)。

精密基準(zhǔn)網(wǎng)；投點(diǎn)；高程傳遞；氣象改正

1 前 言

為滿足世界上最大無(wú)輻式摩天輪軌道的精密安裝，對(duì)軌道安裝支座點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)放樣以及安裝完成后軌道的精調(diào)測(cè)量、定期監(jiān)測(cè)和維護(hù)，需要建立高精度三維基準(zhǔn)網(wǎng)。該工程位于常州東北部的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)紫荊公園內(nèi)，整個(gè)摩天輪跨度為89 m，其中地面以上高度為84 m，地面以下為5 m，寬度為7 m的巨型圓環(huán)。觀光者可以從地下進(jìn)入巨環(huán)，環(huán)繞一圈后又回到地下。由于該圓環(huán)高度比較高，而且同時(shí)涉及地面和地下兩部分，為了更進(jìn)一步保證軌道的安裝精度，最終確定本基準(zhǔn)網(wǎng)范圍約為400 m見(jiàn)方以及保證地面、地下及樓頂基準(zhǔn)控制網(wǎng)點(diǎn)為同精度。

2 基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)及測(cè)量方法

2.1 布網(wǎng)原則及選埋點(diǎn)

本項(xiàng)目基準(zhǔn)網(wǎng)根據(jù)《精密工程測(cè)量規(guī)范》、《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》、《工程測(cè)量規(guī)范》中相關(guān)技術(shù)要求布網(wǎng)。并結(jié)合工程現(xiàn)狀及用途共布設(shè)控制點(diǎn)12個(gè)。待網(wǎng)形確定后，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行精度估算，滿足要求后方可進(jìn)行其他工作。

控制點(diǎn)具體選埋應(yīng)滿足下列要求:①基準(zhǔn)點(diǎn)選在利于長(zhǎng)期保存、施測(cè)方便和施工影響范圍以外的地方；②建筑物上的基準(zhǔn)點(diǎn)選在樓頂承重結(jié)構(gòu)上；③所有基準(zhǔn)點(diǎn)均需設(shè)置永久觀測(cè)標(biāo)志，為了減小對(duì)中誤差，各基準(zhǔn)點(diǎn)建立強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，確保施工過(guò)程中基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定，觀測(cè)墩的埋設(shè)應(yīng)使其頂面的傾斜小于0.02°?；鶞?zhǔn)網(wǎng)如圖1所示(圖中K11、K12為兩個(gè)地下點(diǎn)、K1、K2為兩個(gè)樓頂高標(biāo)點(diǎn)、其余8個(gè)為地面點(diǎn)):

圖1 基準(zhǔn)網(wǎng)示意圖

2.2 外業(yè)觀測(cè)

(1)平面基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)

水平角與距離觀測(cè)采用測(cè)量機(jī)器人TCA2003，其測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為1+1 ppm×D。觀測(cè)前應(yīng)對(duì)全站儀等儀器設(shè)備按規(guī)定進(jìn)行檢校。水平角觀測(cè)一般采用方向觀測(cè)法，當(dāng)方向數(shù)不大于3個(gè)時(shí)可不歸零，必要時(shí)，亦可采用全組合測(cè)角法或其他能滿足精度要求的觀測(cè)方法。在水平角和距離的觀測(cè)過(guò)程中要嚴(yán)格遵守規(guī)范要求的各項(xiàng)限差，如不符合則按規(guī)范作相應(yīng)的處理。當(dāng)觀測(cè)地面及樓頂基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)可采用全站儀進(jìn)行角度及距離觀測(cè)。在觀測(cè)地面以下基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，首先利用自制投點(diǎn)器進(jìn)行精密投點(diǎn)，把地下事先埋設(shè)觀測(cè)墩基準(zhǔn)中心點(diǎn)通過(guò)投點(diǎn)器鋼絲傳遞到地面上來(lái)。投點(diǎn)方法如圖2所示，在地下觀測(cè)墩處按90°同時(shí)架設(shè)兩臺(tái)全站儀，先用一臺(tái)儀器的豎絲照準(zhǔn)觀測(cè)墩上基準(zhǔn)點(diǎn)中心位置，在水平方向不變的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)橫軸使物鏡向上，待視場(chǎng)看到由投點(diǎn)器懸掛的鋼絲時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。指揮地面工作人員利用投點(diǎn)器上面的調(diào)整設(shè)備對(duì)鋼絲位置進(jìn)行精調(diào)，使鋼絲與豎絲重合。按相同方法，用第二臺(tái)儀器精調(diào)鋼絲位置。待兩臺(tái)儀器均能使鋼絲與豎絲重合，指揮地面人員對(duì)鋼絲進(jìn)行前方交匯測(cè)量，再經(jīng)過(guò)計(jì)算求出鋼絲的平面坐標(biāo)。前方交匯測(cè)量時(shí)選擇3個(gè)交匯角度佳的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行水平角觀測(cè)，與已知邊的夾角應(yīng)控制在(30°＜α＜330°)，3個(gè)交匯方向在鋼絲結(jié)點(diǎn)處所形成的夾角應(yīng)盡量均勻(120°左右)。如此重復(fù)2～3次，再取交匯所得坐標(biāo)的平均值。

圖2 平面投點(diǎn)示意圖

圖2 中三腳架部分為兩臺(tái)2″級(jí)全站儀，中間部分由上到下依次為投點(diǎn)器、鋼絲、重錘及穩(wěn)定劑、觀測(cè)墩。通過(guò)旋轉(zhuǎn)投點(diǎn)器上的手柄來(lái)調(diào)整鋼絲的位置。鋼絲下端為5 kg左右的重錘，重錘懸置于一個(gè)容器內(nèi)，容器內(nèi)有穩(wěn)定鋼絲用的洗潔精(圖中用虛線表示)。

(2)高程基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)

高程采用Trimble DINIDS05自動(dòng)安平電子水準(zhǔn)儀，標(biāo)稱精度每千米水準(zhǔn)測(cè)量高差中數(shù)偶然中誤差為±0.3 mm。觀測(cè)前對(duì)儀器設(shè)備按規(guī)定進(jìn)行檢校。高程測(cè)量地面點(diǎn)采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量的方法進(jìn)行量測(cè)。由于網(wǎng)中有兩個(gè)屋頂高標(biāo)和地下兩個(gè)低標(biāo)，要將高程引測(cè)到高標(biāo)和低標(biāo)上。而傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)由于高差太大是無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)的，三角高程測(cè)量又無(wú)法滿足精度要求，所以采用精密工程中常用的懸掛鋼尺法進(jìn)行高程傳遞。最終與地面點(diǎn)組成閉合水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行整網(wǎng)平差。懸掛鋼尺高程傳遞測(cè)量如圖3所示。

圖3 懸掛鋼尺高程傳遞法

其具體操作過(guò)程是:首先在高處架設(shè)支架或者滑輪，將檢定過(guò)的鋼尺向下送放，鋼尺末端懸掛重錘W，當(dāng)重錘十分接近地面時(shí)，將鋼尺固定。然后在已知高程點(diǎn)A和待測(cè)高程點(diǎn)B分別立水準(zhǔn)尺，并在地面與高處架設(shè)兩臺(tái)水準(zhǔn)儀同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，水準(zhǔn)儀應(yīng)架設(shè)在水準(zhǔn)尺與鋼尺中間，兩臺(tái)水準(zhǔn)儀在水準(zhǔn)尺和鋼尺上可以分別讀數(shù)，就可以得到高點(diǎn)B的高程。若需要提高測(cè)量精度，可通過(guò)改變儀器高多測(cè)幾個(gè)測(cè)回。在觀測(cè)過(guò)程中采用精度為二等水準(zhǔn)以上光學(xué)水準(zhǔn)儀觀測(cè)時(shí)鋼尺(≤50 m)最小分劃至少到毫米，并估讀到0.1 mm，標(biāo)尺(2 m)為配套銦瓦尺。

計(jì)算公式如下:HB=HA+(a-b)+(a1-b1)

3 基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

3.1 平面基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

(1)平面基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)原始數(shù)據(jù)的整理

在水平角觀測(cè)值的數(shù)據(jù)處理中先對(duì)各水平角觀測(cè)手簿進(jìn)行整理，按各測(cè)回的角度值取平均，并進(jìn)行相應(yīng)的檢查工作。由于在水平角觀測(cè)時(shí)各項(xiàng)限差已經(jīng)在觀測(cè)過(guò)程中得到了及時(shí)的處理，在數(shù)據(jù)整理過(guò)程中不會(huì)有超限現(xiàn)象，如表1所示。對(duì)觀測(cè)的距離值，根據(jù)測(cè)量時(shí)的溫度、氣壓和濕度等作相應(yīng)的改正，再進(jìn)行往返測(cè)距離互差與限差的比較，最后進(jìn)行測(cè)距中誤差的計(jì)算(如表2、表3所示)。如觀測(cè)過(guò)程中記錄的距離為斜距時(shí)，則還要進(jìn)行平距的轉(zhuǎn)換計(jì)算。

基準(zhǔn)控制網(wǎng)平面數(shù)據(jù)觀測(cè)成果表 表1

徠卡TCA2003氣象改正公式:

①載波波長(zhǎng):λ0=0.85μm

②標(biāo)準(zhǔn)氣象條件:t0=12℃、P0=1013.25 mb、h0=60%(t′0=8.3℃)

③基準(zhǔn)折射率:n0=1.0002818

④氣象改正公式:

式中:△D為氣象改正比例系數(shù)，10-6；

P為大氣壓，mb；

t為干溫，℃；

h為相對(duì)濕度，%；α為大氣膨脹系數(shù)，α=1/273.16。

距離改正計(jì)算表 表2

測(cè)距邊精度評(píng)定表 表3

(2)平面基準(zhǔn)網(wǎng)的平差計(jì)算

平面基準(zhǔn)網(wǎng)采用武漢大學(xué)測(cè)量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)“COSA”軟件進(jìn)行平差計(jì)算。為更進(jìn)一步保證基準(zhǔn)網(wǎng)的精度，平差時(shí)采用假定一點(diǎn)一方向進(jìn)行平差計(jì)算。如圖1所示，以K1為已知點(diǎn)假設(shè)坐標(biāo)為(1000，1000)，K1、K2為已知方向假設(shè)方位角為90°。

在圖1中K11、K12兩個(gè)點(diǎn)為地下點(diǎn)，并且都分別用3個(gè)方向進(jìn)行了水平角交匯測(cè)量，而且在實(shí)地這兩點(diǎn)也正好通視，同樣也進(jìn)行了距離觀測(cè)。把這些已知條件放在一起進(jìn)行平差計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表4所示:

測(cè)距中誤差:

平面基準(zhǔn)網(wǎng)的平差計(jì)算表 表4

3.2 高程基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

(1)高程基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)原始數(shù)據(jù)的整理

首先對(duì)地面點(diǎn)可用水準(zhǔn)儀直接測(cè)得高差數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)合各項(xiàng)改正計(jì)算出相應(yīng)的高差概算表，得到改正后的高差，由于這是常規(guī)測(cè)量工作這里不作詳細(xì)說(shuō)明。下面主要針對(duì)懸掛鋼尺進(jìn)行高程傳遞的數(shù)據(jù)整理工作做詳細(xì)說(shuō)明。

鋼卷尺補(bǔ)正計(jì)算方法及公式:

①溫度的誤差補(bǔ)正計(jì)算方法:

因溫度發(fā)生誤差=實(shí)際測(cè)定值×尺帶膨脹系數(shù)0.000 011 5×(使用溫度-20℃)

前提:尺帶在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時(shí)，溫度改正為零。

②張力的誤差補(bǔ)正計(jì)算方法:

因張力產(chǎn)生的誤差=(實(shí)際測(cè)定張力-標(biāo)準(zhǔn)張力) ×實(shí)測(cè)距離÷(伸縮彈性力×尺帶的截面面積)

前提:尺帶在標(biāo)準(zhǔn)張力情況下不需要張力補(bǔ)正。

③因尺帶重力面引起的誤差補(bǔ)正計(jì)算方法:

因尺帶重力面引起的誤差=(-){(尺帶單位重量×實(shí)測(cè)距離)2×實(shí)測(cè)距離}÷(24×實(shí)測(cè)時(shí)張力2)

前提:當(dāng)尺帶吊于半空進(jìn)行測(cè)量時(shí)，因尺帶的重量而引起的誤差。

④鋼卷尺檢定結(jié)果:

鋼卷尺在t℃使用時(shí)的尺長(zhǎng)方程式為:

Lt℃=L20℃α·(t-20)·L

式中α為鋼卷尺溫度線膨脹系數(shù):α=11.7× 10-6℃-1，L20℃的值在鋼尺檢定書(shū)上有相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)照表，此方程式為檢定機(jī)構(gòu)提供。

L為被檢測(cè)間隔的標(biāo)稱長(zhǎng)度，以米為單位。

前提:當(dāng)張緊力為49 N，溫度為20℃，尺帶不考慮重力引起的誤差時(shí)改正數(shù)為零。

數(shù)據(jù)整理如表5所示:

(2)高程基準(zhǔn)網(wǎng)的平差計(jì)算

高程基準(zhǔn)網(wǎng)采用武漢大學(xué)測(cè)量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)“COSA”軟件對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算。為保證其相對(duì)精度，平差時(shí)只采用一個(gè)已知點(diǎn)高程的假定高程進(jìn)行平差計(jì)算。平差結(jié)果為:①最弱點(diǎn)高程中誤差(mm): 0.61；②最弱測(cè)段高差中誤差(mm):0.45。從上述成果可以看出，此成果完全滿足二等水準(zhǔn)精度要求。

鋼尺傳遞高程計(jì)算表(標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃，標(biāo)準(zhǔn)張力50N) 表5

3.3 基準(zhǔn)網(wǎng)的檢核

三維基準(zhǔn)網(wǎng)平差完成后，為了檢核本基準(zhǔn)網(wǎng)的可靠性，對(duì)該三維基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行了外業(yè)檢測(cè)和精度分析。平面成果的檢測(cè)，在起算邊與起算點(diǎn)不變的情況下，采用縮小網(wǎng)形野外數(shù)據(jù)重新觀測(cè)重新組網(wǎng)抽查的方法進(jìn)行比較分析。高程成果的檢測(cè)，與平面成果一樣采用抽查的方式進(jìn)行重新組網(wǎng)、重新觀測(cè)并重新平差計(jì)算。平面、高程成果檢測(cè)如表6所示。

平面、高程成果檢測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表 表6

從兩者比較結(jié)果可以看出，該基準(zhǔn)網(wǎng)精度優(yōu)良，能夠滿足高精度施工控制網(wǎng)的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析與實(shí)踐證明，要建立同時(shí)涉及地面以下低標(biāo)、樓頂以上高標(biāo)及地面平標(biāo)三種情況的高精度三維控制網(wǎng)時(shí)，該方法是完全可靠與可行的，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的成果，并且保證控制點(diǎn)等級(jí)為同精度。該套流程是以常規(guī)測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，不管在方法、技術(shù)及儀器設(shè)備投入上都有了綜合的改進(jìn)。

[1] CJJ/T 8-2011城市測(cè)量規(guī)范[S].

[2] GB/T 12897-2006國(guó)家一、二等水隹測(cè)量規(guī)范[S].

[3] GB/T 15314-94精密工程測(cè)量規(guī)范[S].

[4] GB 50308-2008城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范[S].

[5] 張正祿.測(cè)量機(jī)器人[J].測(cè)繪通報(bào)，2001(5):7.

[6] 林洪樺.現(xiàn)代測(cè)量誤差分析及數(shù)據(jù)處理(二)[J].計(jì)量技術(shù)，1997(2):39-44.

The Establishment of the High Precision Control Networkin the Ground Underground Small RangeInvolving Ground Underground in the Meaning Time

Qian Zhengwei，Wang Hua
(Changzhou Surveying and Mapping Institution，Changzhou 213002，China)

This paper to changzhou no radial ferriswheel track installation reference network set up as an example，the thorough analysis of small range and high precision control characteristics，study the establishment of small range high precision 3 d control networkmethod，focusing on the ground at the same time involved in the underground three different height control network.In view of detailed data through a system of precision analysis，put forward in this case to establish high precision control network of effectivemeasures，to ensure the accuracy and reliability of the network，and combined with the actual summarizes the application work experience.

precise datum network；damping-bob for shaft plumbing；atmospheric correction

1672-8262(2013)05-131-04

P258

B

2012—11—07

錢正偉(1981—)，男，工程師，從事工作工程測(cè)量外業(yè)工作。