靜水面高程傳遞精度分析

方紅軍 方源

(1.浙江省第一測(cè)繪院,浙江杭州 310012;2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江金華 321017)

靜水面高程傳遞精度分析

方紅軍1方源2

(1.浙江省第一測(cè)繪院,浙江杭州 310012;2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江金華 321017)

本文通過(guò)實(shí)例對(duì)四等水準(zhǔn)測(cè)量遇到線路無(wú)法通行的特殊地段時(shí)如何進(jìn)行線路布設(shè)和測(cè)量方法的選擇等進(jìn)行了探討,并重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)距離平靜水面高程傳遞的精度進(jìn)行了分析。

四等水準(zhǔn)測(cè)量 靜水面 高程傳遞

1 引言

水準(zhǔn)測(cè)量有時(shí)會(huì)遇到線路無(wú)法通行的特殊地段,如我們?cè)谀掣咚俟匪牡人疁?zhǔn)測(cè)量作業(yè)就遇到這一特殊情況,我們測(cè)量至常山縣新橋鄉(xiāng)時(shí),原本在1:1萬(wàn)老圖上設(shè)計(jì)的四等水準(zhǔn)路線是沿新橋鄉(xiāng)芙蓉鎮(zhèn)半源村的公路前進(jìn),路線是從新橋鄉(xiāng)至芙蓉鎮(zhèn)、半源村的一條唯一的公路,四周均為高山。但實(shí)地線路踏勘時(shí),整個(gè)芙蓉鎮(zhèn)范圍已經(jīng)搬遷并建成水庫(kù)了,而新公路剛剛開(kāi)始施工。因?yàn)樵诟咚俟匪牡人疁?zhǔn)測(cè)量路線設(shè)計(jì)中規(guī)定高速公路隧道進(jìn)出口必須要布設(shè)四等以上水準(zhǔn)點(diǎn),如圖1中的ⅣHXJ133、ⅣHXJ134均布設(shè)在隧道口,其中ⅣHXJ133因老公路被水庫(kù)淹沒(méi),水準(zhǔn)路線只能從高山頂部沿山間小路進(jìn)行聯(lián)測(cè)。而這條水準(zhǔn)路線唯一的前進(jìn)路線需要翻越高差達(dá)600多米的陡峭高山(施測(cè)過(guò)程中統(tǒng)計(jì)測(cè)站前后視距平均僅為3.4米),這給水準(zhǔn)測(cè)量工作帶來(lái)了很大的困難。設(shè)計(jì)測(cè)量路線見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)量路線方案設(shè)計(jì)圖

2 水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)路線設(shè)計(jì)

測(cè)量之前我們經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)想線路附近地形的考察,并再三對(duì)可能進(jìn)行的一條高山地路線通行情況踏勘,選擇了一條當(dāng)?shù)厝朔礁呱降男÷纷鳛闇y(cè)量的線路,將四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)路線設(shè)計(jì)為:從起算點(diǎn)ⅢCS09～BM52～ⅣHXJ133～BM52～ⅣHXJ134……(正常水準(zhǔn)路線前進(jìn)方向)。同時(shí),分別從三個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(ⅢC S 0 9、ⅣH X J 1 3 3、ⅣHXJ134),將高程聯(lián)測(cè)到接近于靜水面的三個(gè)相對(duì)應(yīng)的固定的靜水面高程傳遞點(diǎn)J1、J2、J3上。目的是利用水庫(kù)水面比較平靜、無(wú)風(fēng)浪等有利條件對(duì)該特殊地段開(kāi)展靜水面高程傳遞試驗(yàn),對(duì)靜水面高程傳遞精度進(jìn)行分析,并利用正常水準(zhǔn)路線所測(cè)得高差對(duì)靜水面?zhèn)鬟f高程進(jìn)行檢驗(yàn)。

表1 外業(yè)測(cè)段高差統(tǒng)計(jì)表

表2 三個(gè)固定點(diǎn)頂部至靜水面的高度差統(tǒng)計(jì)表(單位:米)

3 靜水面高程傳遞點(diǎn)設(shè)置

傳遞點(diǎn)的設(shè)置對(duì)高程傳遞的精度起到很大的影響。為此我們?cè)趯?shí)地經(jīng)過(guò)多次反復(fù)仔細(xì)的選擇,找到了圖1中J1、J2、J3三個(gè)固定的靜水面高程傳遞點(diǎn)點(diǎn)位,這三個(gè)點(diǎn)分別位于水庫(kù)的三個(gè)角落,都是水庫(kù)的一些小淺灣部位,水面近似于靜止?fàn)顟B(tài),離山上河流注入水庫(kù)部位較遠(yuǎn),對(duì)靜水面高程傳遞較為有利。J1和J3點(diǎn)是利用水庫(kù)碼頭臺(tái)階上的固定鐵環(huán)樁頭,J1點(diǎn)的固定鐵環(huán)樁頭露出在水面以上,J3點(diǎn)的固定鐵環(huán)樁頭在水面以下,J1和J3點(diǎn)分別選在水面上和水面下,主要是依據(jù)實(shí)地選擇的固定鐵環(huán)樁頭位置是否便于直接量測(cè)至水面垂直高度和是否有利于觀測(cè)時(shí)放置標(biāo)尺;J2點(diǎn)采用大木樁打入水庫(kù)邊底部泥土中,木樁頂部釘入鐵釘,木樁頂部的鐵釘稍露出靜水面,木樁周圍用泥土堆砌成不封閉的環(huán)形區(qū)域,目的是讓環(huán)形區(qū)域內(nèi)部的水面不受水庫(kù)水面波浪的影響,使木樁周圍的水面更接近于靜止水面。

4 四等水準(zhǔn)測(cè)量

水準(zhǔn)閉合環(huán)的施測(cè)包括兩個(gè)部分:第一部分是陸地上常規(guī)四等水準(zhǔn)的測(cè)量。為了提高精度和實(shí)驗(yàn)需要,使用高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀和專用銦瓦標(biāo)尺按三等水準(zhǔn)測(cè)量的要求施測(cè)。第二部分靜水面?zhèn)鬟f部分,是采用鋼卷尺分別量取J1、J2、J3三個(gè)固定點(diǎn)頂部至靜水面的高差。

4.1 測(cè)段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

陸地上的常規(guī)四等水準(zhǔn)測(cè)量,儀器使用高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀和專用銦瓦標(biāo)尺進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)之前都按照國(guó)家三四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范進(jìn)行了嚴(yán)格的檢校。測(cè)量路線根據(jù)水準(zhǔn)路線前進(jìn)方向和多節(jié)點(diǎn)環(huán)的具體情況,將整個(gè)測(cè)量工程布設(shè)為四個(gè)閉合環(huán),共七個(gè)測(cè)段,第一測(cè)段是從J1到ⅢCS09,第二測(cè)段是從ⅢCS09到BM52,第三測(cè)段是從BM52到ⅣHXJ133,第四測(cè)段是從ⅣHXJ133到J2,第五測(cè)段是從ⅣHXJ133到BM52,第六測(cè)段是從BM52到ⅣHXJ134,第七測(cè)段是從ⅣHXJ134到J3。測(cè)段路線如圖1所示。四個(gè)閉合環(huán)內(nèi)四等水準(zhǔn)測(cè)量七個(gè)測(cè)段的外業(yè)測(cè)段高差觀測(cè)值,經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)、概算,具體高差數(shù)據(jù)情況見(jiàn)下表1。

4.2 固定點(diǎn)頂部至靜水面高度量取

由于芙蓉水庫(kù)上每天有四趟輪渡航班,時(shí)間分別是上午的7:00、11:00和下午的14:00、17:00。渡輪航行引起的湖水波浪對(duì)固定點(diǎn)頂部至靜水面高差的量取精度有較大的影響,為此我們選擇渡輪航行波浪對(duì)固定點(diǎn)頂部至靜水面高差影響最小的時(shí)段,再選擇氣溫和天氣都比較好的日子進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量當(dāng)天分別派出3組人員,在固定點(diǎn)J1、J2、J3處按約定的同一時(shí)刻(分別是上午9:00、9:10和下午16:00、16:10)量取固定點(diǎn)頂部至靜水面的高度,每個(gè)點(diǎn)共量取了4組數(shù)據(jù),該4組數(shù)據(jù)較差不超過(guò)5mm,取4組數(shù)據(jù)的平均值作為固定點(diǎn)頂部至靜水面高差。3個(gè)固定點(diǎn)至靜水面高差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下表2。從表中我們得到J1、J2、J3這3個(gè)固定點(diǎn)至靜水面高差數(shù)據(jù)為:J1至水面:+0.164米;J2至水面:+0.034米;J3至水面:-0.352米。

5 環(huán)閉合差計(jì)算

水準(zhǔn)測(cè)量路線結(jié)合靜水面高程傳遞共組成四個(gè)閉合環(huán),環(huán)閉合統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3,四等水準(zhǔn)路線聯(lián)測(cè)和計(jì)算略圖見(jiàn)圖2。

表3 環(huán)閉合統(tǒng)計(jì)表

圖2 四等水準(zhǔn)路線聯(lián)測(cè)和計(jì)算略圖

6 精度分析

圖2所示的三個(gè)節(jié)點(diǎn)四個(gè)閉合環(huán)的四等水準(zhǔn)閉合環(huán)是一組虛擬的閉合環(huán),實(shí)際的水準(zhǔn)路線在ⅣHXJ134水準(zhǔn)點(diǎn)處繼續(xù)往西聯(lián)測(cè),即圖2中前進(jìn)方向,組成虛擬閉合水準(zhǔn)環(huán)的目的是為了對(duì)靜水面高程傳遞的精度進(jìn)行分析和驗(yàn)證。從表3和圖2中可以看出:三個(gè)四等水準(zhǔn)閉合環(huán)及大環(huán)的環(huán)閉合差均符合四等水準(zhǔn)限差,L為環(huán)線公里數(shù))要求,而且即使按三等水準(zhǔn)計(jì)算限差也完全符合要求,并且精度都良好。由于四等水準(zhǔn)測(cè)量使用的儀器為高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀和專用銦瓦標(biāo)尺,數(shù)據(jù)觀測(cè)、記錄、黑紅面數(shù)據(jù)限差、前后視距差、測(cè)站數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)及測(cè)段數(shù)據(jù)累積均由儀器和專用軟件自動(dòng)完成,只要有任何一項(xiàng)指標(biāo)超限,就必須從前一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)或固定點(diǎn)開(kāi)始重新觀測(cè),具有很高的觀測(cè)精度。因此,所有七個(gè)測(cè)段的四等水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)都是可靠的。而且水準(zhǔn)線路累積差也很小。如在圖2四等水準(zhǔn)路線聯(lián)測(cè)和計(jì)算略圖中:閉合環(huán)BM52～ⅣHXJ133～BM52的環(huán)線距離為4.8公里,但其聯(lián)測(cè)路線的總高差近1000米(BM52并非最高點(diǎn),BM52至ⅣHXJ133水準(zhǔn)點(diǎn)之間還需要翻越一座山峰),但整個(gè)閉合環(huán)的閉合差僅為7mm,觀測(cè)精度非常高。

另外,按照水平面代替水準(zhǔn)面引起的距離誤差公式計(jì)算可知,在10km范圍內(nèi)可以不必考慮地球曲率的影響,而本靜水面高程傳遞中最遠(yuǎn)兩點(diǎn)J1至J3的水面間距也只有6.7km。

因此,在本三個(gè)節(jié)點(diǎn)四個(gè)閉合環(huán)的虛擬水準(zhǔn)閉合路線中,各虛擬閉合環(huán)的環(huán)閉合差主要來(lái)自水面波動(dòng)誤差。水面波動(dòng)的原因主要是水庫(kù)渡輪在航行中產(chǎn)生的波浪傳遞到各固定點(diǎn)的不同影響和風(fēng)浪的影響。但計(jì)算結(jié)果證明還是完全滿足三、四等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求。

并且,從后續(xù)水準(zhǔn)路線平差結(jié)果來(lái)看,使用虛擬水準(zhǔn)閉合路線數(shù)據(jù)平差計(jì)算得到的三座點(diǎn):BM52固定點(diǎn)、ⅣHXJ133水準(zhǔn)點(diǎn)、ⅣHXJ134水準(zhǔn)點(diǎn)的高程與采用正常水準(zhǔn)路線觀測(cè)數(shù)據(jù)平差計(jì)算后的高程成果較差均小于5mm。

7 結(jié)語(yǔ)

在特殊地段進(jìn)行三、四等水準(zhǔn)測(cè)量時(shí),如遇到高山、水庫(kù)等線路無(wú)法通行的情況,可以利用水面靜止條件較好的山塘水庫(kù),采用靜水面高程傳遞方法進(jìn)行高程測(cè)量,來(lái)代替局部或個(gè)別高程測(cè)量測(cè)段路線,其高程測(cè)量精度完全可以達(dá)到三、四等水準(zhǔn)的精度。但在采用該方法作業(yè)時(shí),宜設(shè)法設(shè)置聯(lián)測(cè)其它點(diǎn)作為檢核條件,以保證成果的可靠性。