不穩(wěn)定條件下遠(yuǎn)距離高精度跨海水準(zhǔn)測(cè)量方法探索及實(shí)施

郭子珍，常建增，余成磊

(1. 河南省遙感測(cè)繪院，河南 鄭州 450003； 2. 中鐵大橋局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332004；3. 徠卡測(cè)量系統(tǒng)貿(mào)易(北京)有限公司，上海 201203)

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不穩(wěn)定條件下遠(yuǎn)距離高精度跨海水準(zhǔn)測(cè)量方法探索及實(shí)施

郭子珍1，常建增2，余成磊3

(1. 河南省遙感測(cè)繪院，河南 鄭州 450003； 2. 中鐵大橋局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332004；3. 徠卡測(cè)量系統(tǒng)貿(mào)易(北京)有限公司，上海 201203)

一、項(xiàng)目概況

港珠澳大橋東接香港特別行政區(qū)，西接廣東省珠海市和澳門(mén)特別行政區(qū)，是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程。大橋全長(zhǎng)約35.6 km，香港段長(zhǎng)約6.0 km，粵港澳三地共同建設(shè)的主體工程長(zhǎng)約29.6 km，跨海直線距離約27 km，沿工程設(shè)計(jì)中線建造了6個(gè)海上臨時(shí)測(cè)量平臺(tái)(如圖1所示)。臨時(shí)測(cè)量平臺(tái)上的控制點(diǎn)與大橋兩岸陸地的控制點(diǎn)共同構(gòu)成了港珠澳大橋主體工程的施工測(cè)量控制網(wǎng)，并形成了需要進(jìn)行跨海高程傳遞測(cè)量的15段二等跨海水準(zhǔn)線路。這些水準(zhǔn)線路長(zhǎng)度介于0.3～6.4 km之間，跨距超過(guò)3 km的有6處，其中橋梁工程CB05標(biāo)段靠近珠海市九洲港，涉及兩段跨海水準(zhǔn)線路，即九洲港碼頭—K33測(cè)量平臺(tái)—K27測(cè)量平臺(tái)，跨度分別約為2.3和6.3 km。

圖1　海上臨時(shí)測(cè)量平臺(tái)

二、技術(shù)難點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)跨河水準(zhǔn)，港珠澳大橋跨海水準(zhǔn)有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

1) 點(diǎn)位不穩(wěn)定。水準(zhǔn)線路為連續(xù)跨海，多數(shù)跨海點(diǎn)布設(shè)在臨時(shí)測(cè)量平臺(tái)上，即便在平潮期，測(cè)量平臺(tái)也會(huì)受風(fēng)力、浪涌、船舶航行等因素影響，產(chǎn)生輕微晃動(dòng)。

2) 視線跨距長(zhǎng)。K33測(cè)量平臺(tái)至K27測(cè)量平臺(tái)跨距約6.3 km，遠(yuǎn)大于規(guī)范中3.5 km的最大跨距，也超出了一般全站儀的有效測(cè)程。

3) 精度要求高。工程要求高程控制網(wǎng)達(dá)到國(guó)家二等水準(zhǔn)精度。

三、方案研究

結(jié)合測(cè)區(qū)實(shí)際情況及業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位等各方意見(jiàn)，參照《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》，本項(xiàng)目采取Leica GNSS與TS30全站儀相結(jié)合的三角高程法進(jìn)行港珠澳大橋CB05標(biāo)段K33平臺(tái)與K27平臺(tái)間的高程控制網(wǎng)復(fù)測(cè)，并針對(duì)其中的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。

1. 點(diǎn)位布設(shè)

在K27測(cè)量平臺(tái)和K33測(cè)量平臺(tái)上分別布設(shè)兩個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(一個(gè)正式水準(zhǔn)點(diǎn)、一個(gè)輔助水準(zhǔn)點(diǎn))，組成大地四邊形，如圖2所示。

圖2　跨海水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)示意圖

2. 距離獲取

采用Leica GS10靜態(tài)觀測(cè)，數(shù)據(jù)處理后獲得跨海點(diǎn)之間的水平距離。由于兩個(gè)測(cè)量平臺(tái)高出海平面的高度基本相等(俯仰角不超過(guò)±3′)，因此三角高程計(jì)算時(shí)，距離誤差對(duì)最終高差的影響并不顯著，通過(guò)LGO基線解算獲得的跨海距離完全能夠滿足精度要求。

3. 垂直角觀測(cè)

垂直角觀測(cè)是整個(gè)跨海水準(zhǔn)測(cè)量的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

首先要解決遠(yuǎn)距離帶來(lái)的通視和成像問(wèn)題。海面上6.3 km的跨度內(nèi)，影響通視的除了正常航行的船舶外，還有水汽、霧、云層及光照等陸上測(cè)量一般不會(huì)涉及的因素；同時(shí)為減少大氣折光對(duì)觀測(cè)視線的影響，需在夜里氣象條件相對(duì)穩(wěn)定的平潮期進(jìn)行觀測(cè)，用特制的跨海水準(zhǔn)標(biāo)志燈代替普通覘標(biāo)，解決目標(biāo)成像問(wèn)題。

其次要應(yīng)對(duì)測(cè)量平臺(tái)晃動(dòng)引起的瞄準(zhǔn)和讀數(shù)問(wèn)題。一是被動(dòng)選擇在海面相對(duì)平靜的平潮期進(jìn)行觀測(cè)；二是開(kāi)發(fā)基于徠卡TS30測(cè)量機(jī)器人的跨海水準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)、記錄同步，并根據(jù)平臺(tái)晃動(dòng)幅度和周期設(shè)置數(shù)據(jù)采集數(shù)量及采樣間隔，剔除粗差后求出的最或然值作為一次讀數(shù)，從而削弱平臺(tái)晃動(dòng)帶來(lái)的影響。

4. 系統(tǒng)誤差的消除與減弱

除了距離誤差，三角高程測(cè)量的誤差源還包括照準(zhǔn)誤差、儀器量高誤差、覘標(biāo)量高誤差、大氣垂直折光誤差、儀器本身帶來(lái)的系統(tǒng)誤差、觀測(cè)人員操作習(xí)慣引起的系統(tǒng)誤差等。

照準(zhǔn)誤差是與操作員技術(shù)水平、儀器本身精度及觀測(cè)時(shí)的周?chē)h(huán)境等多種因素有關(guān)的偶然誤差，無(wú)法避免和消除，但可通過(guò)選用高精度儀器設(shè)備、提高操作人員的技術(shù)水平、選擇合適的觀測(cè)時(shí)段及增加多余觀測(cè)等手段減弱其影響。在高精度三角高程測(cè)量中，應(yīng)固定儀器高、覘標(biāo)高或直接在計(jì)算中將其消除，避免引入因量高帶來(lái)的誤差。大氣垂直折光誤差是三角高程測(cè)量中的主要誤差源，作業(yè)時(shí)通過(guò)對(duì)向同步觀測(cè)的方法予以削弱，并且可以根據(jù)兩跨海點(diǎn)與參考橢球中心組成的三角形內(nèi)角和為180°這一約束條件，進(jìn)一步削弱剩余折光差的影響。對(duì)于長(zhǎng)距離的三角高程測(cè)量，由儀器本身結(jié)構(gòu)和觀測(cè)人員操作習(xí)慣引起的系統(tǒng)誤差不容忽視，每個(gè)觀測(cè)時(shí)段需要進(jìn)行人員、設(shè)備的互調(diào)，以削弱此類(lèi)誤差的影響。

四、實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，借助為本項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的全站儀機(jī)載跨海水準(zhǔn)測(cè)量軟件，嚴(yán)格按照《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》的觀測(cè)程序和要求，對(duì)港珠澳大橋CB05標(biāo)段K33平臺(tái)與K27平臺(tái)間的高程控制網(wǎng)進(jìn)行了70個(gè)雙測(cè)回的觀測(cè)。

規(guī)范中給出了兩個(gè)檢驗(yàn)觀測(cè)成果內(nèi)符合精度的指標(biāo)，即每條邊各單測(cè)回高差間互差限差dH限和用同一時(shí)段各條邊高差計(jì)算的環(huán)線閉合差限差W，計(jì)算公式如下

(1)

(2)

式中，MΔ為每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差限值，單位為毫米(mm)；N為雙測(cè)回的測(cè)回?cái)?shù)；s為跨河視線長(zhǎng)度，單位為千米(km)；MW為每千米水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差限值，單位為毫米(mm)。

參照該方案，港珠澳大橋的各跨海水準(zhǔn)測(cè)量線路都進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，并取得了良好的測(cè)量成果，整體的海上貫通測(cè)量精度達(dá)到了國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量要求。

五、結(jié)束語(yǔ)

GPS與全站儀相結(jié)合的三角高程法將距離和角度分開(kāi)觀測(cè)，較好地解決了全站儀測(cè)程不足的問(wèn)題，同時(shí)縮短了每測(cè)回角度觀測(cè)所需時(shí)間，對(duì)于確保對(duì)向觀測(cè)同步和減弱大氣垂直折光差十分有利。

通過(guò)專(zhuān)用機(jī)載軟件，將穩(wěn)定條件下先瞄準(zhǔn)再記錄的基于時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模式調(diào)整為瞄準(zhǔn)、記錄同步進(jìn)行的基于時(shí)間段的數(shù)據(jù)采集模式，有效解決了不穩(wěn)定條件下的讀數(shù)問(wèn)題。

實(shí)測(cè)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期精度要求，對(duì)類(lèi)似的長(zhǎng)距離跨海水準(zhǔn)測(cè)量具有一定的參考價(jià)值。

(本專(zhuān)欄由徠卡測(cè)量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)

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