天寶TSC3手簿與徠卡TS30全站儀在跨海三角高程測(cè)量中的應(yīng)用

張建軍，張超，劉兆權(quán)，寧進(jìn)進(jìn)

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

天寶TSC3手簿與徠卡TS30全站儀在跨海三角高程測(cè)量中的應(yīng)用

張建軍，張超*，劉兆權(quán)，寧進(jìn)進(jìn)

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

文章介紹了跨海高程控制測(cè)量的幾種主要方法，結(jié)合港珠澳大橋島隧工程控制網(wǎng)以及海中測(cè)量平臺(tái)實(shí)際情況，采用測(cè)距三角高程法進(jìn)行跨海高程控制測(cè)量。為滿足國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求，在天寶TSC3手簿中安裝軟件與徠卡TS30全站儀連接，提高測(cè)量數(shù)據(jù)精度。經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，該軟件的使用解決了測(cè)距三角高程測(cè)量中數(shù)據(jù)離散性大，數(shù)據(jù)篩選困難等問(wèn)題，在多項(xiàng)精度指標(biāo)上達(dá)到了國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求。

跨海高程；控制測(cè)量；測(cè)距三角高程法；天寶TSC3手簿；徠卡TS30全站儀

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的增加，已建成杭州灣跨海大橋[1]，青島海灣大橋以及在建港珠澳大橋等工程，是我國(guó)在跨越江河湖海建設(shè)大型橋梁方面新的探索，也是強(qiáng)大綜合國(guó)力的一種體現(xiàn)。然而這些工程在建設(shè)過(guò)程中存在以下困難：跨海長(zhǎng)度大，定位精度要求高，水上施工難度大等等。提高控制測(cè)量的精度是保證橋梁施工質(zhì)量的前提，而跨海高程控制測(cè)量又是控制測(cè)量中的難點(diǎn)，根據(jù)不同的測(cè)量條件以及精度要求選擇不同的測(cè)量方法是跨海高程控制測(cè)量的關(guān)鍵。

1 跨海高程控制測(cè)量方法及選擇

跨海高程測(cè)量方法有多種，包括光學(xué)測(cè)微法、傾斜螺旋法、經(jīng)緯儀傾角法、測(cè)距三角高程法以及GPS測(cè)量法。

港珠澳大橋島隧工程起于粵港分界線，止于西人工島結(jié)合部非通航孔橋西端，全長(zhǎng)約7 440 m。為保證港珠澳大橋島隧工程施工順利進(jìn)行，提供精確測(cè)量基準(zhǔn)，目前在東、西人工島以及E17、E22管節(jié)北側(cè)附近水域分別建設(shè)4個(gè)測(cè)量平臺(tái)，分別命名為東人工島測(cè)量平臺(tái)、西人工島測(cè)量平臺(tái)、隧道1號(hào)測(cè)量平臺(tái)、隧道2號(hào)測(cè)量平臺(tái)?？绾８叱虦y(cè)量工作就是在這4個(gè)平臺(tái)之間進(jìn)行，分別為西人工島測(cè)量平臺(tái)到隧道1號(hào)測(cè)量平臺(tái)，隧道1號(hào)測(cè)量平臺(tái)到隧道2號(hào)測(cè)量平臺(tái)，隧道2號(hào)測(cè)量平臺(tái)到東人工島測(cè)量平臺(tái)，在東西人工島測(cè)量平臺(tái)上各有一個(gè)高程已知的穩(wěn)定高程控制點(diǎn)，以此形成一條附合水準(zhǔn)路線。本次跨海水準(zhǔn)測(cè)量最長(zhǎng)跨距2 785m，光學(xué)測(cè)微法及傾斜螺旋法不宜采用。海上作業(yè)受到多種因素影響，GPS測(cè)量得到的正常高程精度難以達(dá)到穩(wěn)定的毫米級(jí)別，不能滿足本工程施工測(cè)量的要求。綜合而言，擬采用測(cè)距三角高程法或經(jīng)緯儀傾角法進(jìn)行觀測(cè)。考慮到經(jīng)緯儀傾角法觀測(cè)成本較高，且觀測(cè)效率較低，所以本次跨海水準(zhǔn)測(cè)量工作采用測(cè)距三角高程法。

2 測(cè)距三角高程法原理及要求

2.1 原理

傳統(tǒng)測(cè)距三角高程法所用的儀器一般為全站儀，測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)三角高程測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional trigonometric leveling

欲在地面上A、B兩點(diǎn)間測(cè)定高差hAB，A點(diǎn)設(shè)置儀器，B點(diǎn)豎立標(biāo)尺。量取儀器高i和目標(biāo)高v，測(cè)出傾斜視線IM與水平視線間所夾的豎角α，若A、B兩點(diǎn)間的水平距離已知為S，則由圖1可得兩點(diǎn)間高差hAB為：

hAB=S tanα+i-v

若A點(diǎn)的高程已知為HA，則B點(diǎn)的高程為：

HB=HA+hAB=HA+S tanα+i-v

hAB的大小與儀器高、目標(biāo)高、A、B兩點(diǎn)的距離以及觀測(cè)的垂直角有關(guān)。儀器高、目標(biāo)高的測(cè)量誤差均能控制在毫米級(jí)別，運(yùn)用高精度測(cè)距儀觀測(cè)距離，水平距離精度也可達(dá)到毫米級(jí)別，那么hAB的大小就與視線IM與水平視線間所夾的豎角α的正切值成正比。計(jì)算可得，當(dāng)α值相差1″時(shí)，其正切值相差較小，差值約為0.000 004 848 1，但其系數(shù)S值較大。本次跨海水準(zhǔn)測(cè)量最大跨距為2 785 m，角度相差1″時(shí)，高差相差約為1 cm。由此可看出，垂直角觀測(cè)在控制跨海高程傳遞測(cè)量精度中的重要性，只有嚴(yán)格按照規(guī)范中的精度指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)才能保證最終測(cè)量成果達(dá)到要求。

2.2 要求

根據(jù)GB/T 12897—2006《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》[2]要求，采用測(cè)距三角高程法進(jìn)行跨海水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)以跨海視線長(zhǎng)度確定應(yīng)觀測(cè)的時(shí)間段數(shù)、測(cè)回?cái)?shù)與限差。

結(jié)合本次跨海高程測(cè)量的現(xiàn)狀，按照二等水準(zhǔn)測(cè)量的要求，最少時(shí)段數(shù)應(yīng)為12個(gè)時(shí)段，雙測(cè)回?cái)?shù)為24個(gè)，半測(cè)回組數(shù)為8個(gè)。遠(yuǎn)標(biāo)尺觀測(cè)時(shí)，在盤(pán)左位置用望遠(yuǎn)鏡中絲精確照準(zhǔn)遠(yuǎn)標(biāo)尺上覘板標(biāo)志或標(biāo)燈4次，進(jìn)行垂直度盤(pán)讀數(shù)。4次照準(zhǔn)讀數(shù)之差不應(yīng)大于3″?？v轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，在盤(pán)右位置按盤(pán)左操作方法同樣進(jìn)行照準(zhǔn)和讀數(shù)。以上觀測(cè)為一組垂直角觀測(cè)，依同樣方法進(jìn)行其余各組的觀測(cè)。根據(jù)規(guī)范要求，垂直角指標(biāo)差互差為≤8″，同一標(biāo)識(shí)垂直角互差≤4″。

海中測(cè)量平臺(tái)受波浪水流作用會(huì)有微小晃動(dòng)，在晃動(dòng)的平臺(tái)上常規(guī)的測(cè)量方法無(wú)法滿足上述要求，必須找到合適的輔助手段才能進(jìn)行觀測(cè)。

3 軟件介紹及使用

3.1 軟件介紹

開(kāi)發(fā)一套軟件安裝在天寶TSC3手簿內(nèi)可以解決上述問(wèn)題。在測(cè)量過(guò)程中，TSC3手簿與徠卡TS30全站儀建立數(shù)據(jù)聯(lián)系，將一測(cè)回一組內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入手簿內(nèi)，并根據(jù)軟件內(nèi)相關(guān)公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，在測(cè)量平臺(tái)上外業(yè)觀測(cè)中實(shí)現(xiàn)跨海水準(zhǔn)測(cè)量從外業(yè)到內(nèi)業(yè)的轉(zhuǎn)換，軟件內(nèi)數(shù)據(jù)處理步驟如下。

檢核全部數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并初步視全部數(shù)據(jù)為有效；計(jì)算有效數(shù)據(jù)的均值；計(jì)算與均值的最大偏差；最大偏差如果大于允許值，視該觀測(cè)值為無(wú)效；有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)少于最少有效記錄個(gè)數(shù)，則需補(bǔ)測(cè)；有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到要求后，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差；標(biāo)準(zhǔn)偏差大于限差，查找與均值最大偏差者，置其為無(wú)效數(shù)據(jù)[3]，返回第2步重新計(jì)算；模塊結(jié)束。

由上述數(shù)據(jù)篩選要求編程，安裝在手簿內(nèi)，測(cè)量時(shí)通過(guò)設(shè)置全站儀以及手簿內(nèi)的數(shù)據(jù)連接串口，使用全站儀配套的數(shù)據(jù)線使手簿與全站儀建立數(shù)據(jù)聯(lián)系。

3.2 軟件測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證軟件的功能。測(cè)試分為有軟件及無(wú)軟件。手簿設(shè)置一組內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)為12個(gè)，有效數(shù)據(jù)達(dá)到8個(gè)即可進(jìn)行下一組觀測(cè)。根據(jù)規(guī)范要求[3]，最大偏差設(shè)置為9″，標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)置為5.2″。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

由表1、表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)得：盤(pán)左、盤(pán)右12個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)均在30 s內(nèi)完成，有無(wú)軟件下盤(pán)左盤(pán)右數(shù)據(jù)最大值與最小值相差分別為8″、27″和9″、35″，試驗(yàn)論證了在軟件協(xié)助下垂直角觀測(cè)偏差值在設(shè)置的最大偏差范圍內(nèi)。

表1 無(wú)軟件垂直角觀測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Verticalangleobservation datawith no software

表2 有軟件垂直角觀測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Verticalangleobservation datawith software

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了多種跨海水準(zhǔn)測(cè)量方法的實(shí)用性和可行性，結(jié)合港珠澳大橋的施工現(xiàn)狀，選擇測(cè)距三角高程法完成本次水準(zhǔn)測(cè)量工作。針對(duì)二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度指標(biāo)，指出運(yùn)用常規(guī)的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量得到的結(jié)果無(wú)法達(dá)到規(guī)范要求，通過(guò)在天寶TSC3手簿內(nèi)安裝程序與徠卡TS30全站儀進(jìn)行連接可以解決本次跨海水準(zhǔn)測(cè)量的精度問(wèn)題。

[1]李付偉，高淑照，劉成龍，等.ATR技術(shù)在杭州灣跨海大橋跨海三角高程測(cè)量中的應(yīng)用[J].橋梁建設(shè)，2006（6）：61-64. LIFu-wei,GAO Shu-zhao,LIU Cheng-long,et al.Application of ATR technique to sea-crossing trigonometric leveling of Hangzhou Bay Sea-Crossing Bridge[J].Bridge Construction,2006(6):61-64.

[2]GB/T 12897—2006，國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S]. GB/T 12897—2006,Specifications for the first and second order leveling[S].

[3]GB 50026—2007，工程測(cè)量規(guī)范[S]. GB 50026—2007，Code for Engineering Surveying[S].

App lication of Trimble TSC3 hand book and Leica TS30 total-station on sea-crossing trigonometric leveling

ZHANG Jian-jun,ZHANGChao*,LIU Zhao-quan,NING Jin-jin
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarborEngineering Co.,Ltd.,Qingdao，Shandong266071,China）

Severalmainmethods of sea-crossing elevation control survey were introduced in this paper,and combiningwith actual situation of the control network and the measuring p latform in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel project,we adopted the range trigonometric levelingmethod to carry the sea-crossing elevation control survey.Tomeet the requirements of national second-class leveling,we installed software in Trimble TSC3 hand book and connected with Leica TS30 total-station to improve the accuracy ofmeasurement data.By themeasured data analysis,the software used to solve the large discreteness and difficult screening of data during range trigonometric leveling,and achieves the national second-class leveling requirements in anumber ofprecision indexes.

sea-crossing elevation;control survey;range trigonometric leveling method;Trimble TSC3 hand book;Leica TS30 total-station

U655.541

A

2095-7874（2015）11-0029-03

10.7640/zggw js201511008

2015-10-19

張建軍（1973— ），男，山東臨沂人，高級(jí)工程師，副經(jīng)理，港口與航道工程專業(yè)。*通訊作者：張超，E-mail：415258442@qq.com