測站晃動條件下的全站儀跨海高程傳遞方法

吳迪軍，熊　偉

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

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測站晃動條件下的全站儀跨海高程傳遞方法

吳迪軍，熊偉

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

摘要：針對海中測量平臺晃動條件下全站儀垂直角觀測的難題，提出了一種基于掌上電腦的連續(xù)多次重復(fù)記錄垂直角讀數(shù)取均值的觀測方法，以最大限度地削弱平臺晃動對垂直角觀測值的影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度的跨海高程傳遞測量；研發(fā)了基于掌上電腦的外業(yè)測量記錄軟件，可顯著提高作業(yè)效率及成果精度。工程實(shí)例分析結(jié)果顯示，路線總長約16.7km的跨海水準(zhǔn)閉合環(huán)的高差閉合差為-15.3mm，符合國家二等水準(zhǔn)測量的規(guī)定要求。該方法已在港珠澳大橋跨海高程傳遞中得到成功應(yīng)用，可在其他類似跨海橋隧工程建設(shè)中推廣。

關(guān)鍵詞：測站晃動；全站儀；三角高程法；跨海高程傳遞；跨海大橋

大型跨海橋梁工程建設(shè)中，需要進(jìn)行高精度的跨海高程傳遞測量，目的在于統(tǒng)一大橋兩岸的高程基準(zhǔn)，并將其精確傳遞到海中橋墩及塔柱上。由于大型跨海橋梁短則數(shù)千米，長則數(shù)十千米，采用常規(guī)跨河水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行兩岸跨海高程傳遞的難度極大，因此，在大橋開工建設(shè)之前，一般采用陸地一等水準(zhǔn)測量繞行連測的方法實(shí)現(xiàn)兩岸高程的精確傳遞[1-2]；當(dāng)不具備陸地水準(zhǔn)連測條件時(shí)，則采用GPS水準(zhǔn)聯(lián)合重力測量方法傳遞高程[3]。隨著工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，利用海中試樁工程等基礎(chǔ)工程建立若干海中測量平臺及優(yōu)先施工的部分橋墩(簡稱優(yōu)先墩)，使得跨海距離縮短至2km左右[4]，為利用全站儀將高程基準(zhǔn)向海中建筑或結(jié)構(gòu)物上傳遞，以及實(shí)現(xiàn)跨海高程的直接貫通提供現(xiàn)實(shí)條件。然而，受海風(fēng)海浪及漲落潮汐沖擊的影響，海中測量平臺及海中橋墩始終處于不停的輕微晃動之中，置于平臺或橋墩上的全站儀垂直角變化可達(dá)數(shù)秒甚至數(shù)分，現(xiàn)行規(guī)范中的跨河水準(zhǔn)測量方法不再適用。本文以港珠澳大橋工程為背景，針對海中測量平臺晃動的實(shí)際條件，提出了一種基于全站儀三角高程法的跨海高程傳遞測量方法。

一、海中測量平臺晃動規(guī)律的測試分析

港珠澳大橋主體工程開工前后，沿橋中線北側(cè)建有6個(gè)海中測量平臺，將珠海至香港之間長約30km的跨海路線分割成2.3～6.3km不等的7個(gè)較短跨段。平臺頂面建造多個(gè)強(qiáng)制歸心觀測墩，用于架設(shè)GNSS設(shè)備或全站儀進(jìn)行觀測。港珠澳大橋跨越伶仃洋海域，海洋氣候環(huán)境惡劣，波浪、風(fēng)激、海流等多種外力對海中測量平臺的沖擊作用較大，致使平臺始終處于輕微晃動之中。為了了解海中測量平臺晃動條件下全站儀垂直角的變化規(guī)律，在6個(gè)平臺上安置全站儀進(jìn)行專門測試。測試方法如下：將全站儀安置在海中測量平臺上，瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)岸觀測目標(biāo)并保持固定；啟動全站儀觀測和記錄程序，按一定時(shí)間間隔連續(xù)記錄n個(gè)垂直角數(shù)據(jù)，由此構(gòu)成一組觀測。

圖1為某平臺晃動測試散點(diǎn)圖，一組測試連續(xù)記錄200個(gè)垂直角數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間間隔為0.3s。200個(gè)垂直角的平均值為51.6″，代表平臺晃動的平衡位置，圖中用水平實(shí)線表示。由圖可見，平臺晃動條件下瞬時(shí)垂直角數(shù)值以平均值為中心上下跳動，符合簡諧振動規(guī)律，與文獻(xiàn)[5]的分析結(jié)果一致。

為了進(jìn)一步分析平臺垂直角變化的規(guī)律和特性，將200個(gè)測試點(diǎn)按垂直角大小分組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制垂直角分布直方圖(如圖2所示)。由圖2可知，垂直角觀測值落在平均值附近區(qū)間(40,60)中的點(diǎn)數(shù)最多，且離均值越遠(yuǎn)，點(diǎn)數(shù)越少；直方圖的高峰位于中部，左右兩側(cè)大致對稱。由此可見，海中測量平臺上全站儀垂直角數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的集中性、均勻變化性及對稱性等特征，垂直角觀測值服從正態(tài)分布。

圖1　海中測量平臺晃動測試散點(diǎn)圖

圖2　測試點(diǎn)垂直角分布直方圖

對不同記錄次數(shù)時(shí)垂直角均值與全部200次記錄數(shù)據(jù)總均值的偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示，隨著記錄次數(shù)的不斷增加，垂直角均值的偏差逐漸縮小并趨于零。也就是說，當(dāng)重復(fù)記錄的次數(shù)足夠多時(shí)，多次重復(fù)讀數(shù)的垂直角平均值逐漸趨于無晃動影響的正確觀測值。由此進(jìn)一步得出，采用多次連續(xù)記錄垂直角數(shù)據(jù)的平均值作為跨海水準(zhǔn)測量中每半組垂直角觀測值，可以有效地消除或削弱平臺晃動對垂直角觀測的不利影響。

下面具體分析不同平臺、不同時(shí)段晃動周期及振幅變化的大小及規(guī)律。對6個(gè)平臺不同時(shí)間所做的總共49組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制如圖3所示的平臺周期及振幅變化曲線圖，橫軸表示測試組編號，縱軸表示由各組測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的平均周期(s)及平均振幅(″)。

圖3　平臺振動周期及振幅變化曲線圖

由圖3可以看出，平臺振幅在5″～50″之間變化，平均周期為0.6～6s，且絕大多數(shù)平臺的振動周期介于1～3s之間。

綜合前面的分析，得出如下主要結(jié)論：海中測量平臺的晃動符合簡諧振動規(guī)律，所測試平臺的振幅基本介于5″～50″之間，振動周期在0.6～6s之間變化；平臺上全站儀垂直角觀測值服從正態(tài)分布，采用多次重復(fù)取均值的垂直角觀測方法，可有效地消除或削弱平臺晃動對垂直角觀測值的不利影響。

二、測站晃動條件下的垂直角觀測方法設(shè)計(jì)

1. 垂直角觀測方法

跨海高程傳遞測量中垂直角觀測程序、方法及測回?cái)?shù)、組數(shù)，可參照三角高程法跨河水準(zhǔn)測量的一般規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]，考慮到跨海測量條件的復(fù)雜性和困難性，筆者建議采用優(yōu)化跨海場地圖形、采用單標(biāo)觀測法等改進(jìn)措施，簡化現(xiàn)場測量作業(yè)程序，提高測量效率和成果精度，具體可參考文獻(xiàn)[7—8]。本文重點(diǎn)針對測站晃動引起垂直角觀測值異常跳動的問題，對一組垂直角觀測方法進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

基于海中測量平臺晃動測試分析結(jié)果，本文提出一種通過重復(fù)多次記錄垂直角數(shù)據(jù)取均值的垂直角觀測方法，輔以仔細(xì)照準(zhǔn)目標(biāo)等技術(shù)措施，以消除或削弱垂直角讀數(shù)跳動對觀測高差的影響。每組垂直角觀測程序如下：在盤左位置用全站儀望遠(yuǎn)鏡中絲精確照準(zhǔn)遠(yuǎn)岸跨海點(diǎn)上安置的觀測標(biāo)志或標(biāo)燈，連續(xù)記錄垂直角讀數(shù)n次，構(gòu)成半組觀測；然后縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，在盤右位置按盤左操作方法同樣進(jìn)行照準(zhǔn)和讀數(shù)。

垂直角觀測中的設(shè)計(jì)參數(shù)有兩個(gè)：一個(gè)是每半組觀測中一次照準(zhǔn)遠(yuǎn)岸標(biāo)志(或標(biāo)燈)的垂直角記錄次數(shù)n；另一個(gè)是相鄰兩個(gè)垂直角記錄數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔δt。n值應(yīng)根據(jù)平臺晃動測試結(jié)果(即垂直角變化幅度)及跨海高程測量精度要求共同確定。根據(jù)平臺晃動測試及跨海高程實(shí)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，得出確定n值的基本原則：當(dāng)某平臺上全站儀垂直角平均值偏差小于2″時(shí)，取前n次垂直角均值作為半組垂直角觀測值，跨海高差測量精度可滿足二等標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)的n即為該平臺的記錄次數(shù)設(shè)計(jì)值。而時(shí)間間隔參數(shù)δt的確定原則是：δt不宜大于相應(yīng)平臺的振動周期的1/4，以獲取足夠密度的垂直角數(shù)據(jù)，確保垂直角讀數(shù)均值的精度。根據(jù)圖3分析結(jié)果，本項(xiàng)目中取δt≤0.5s是比較合理的。當(dāng)跨海測線兩端均為海中測量平臺時(shí)，則應(yīng)依據(jù)晃動量較大的平臺確定參數(shù)n、δt的取值。

2. 垂直角自動記錄軟件設(shè)計(jì)

針對測站晃動條件下全站儀跨海高程傳遞中的垂直角多次重復(fù)記錄的實(shí)際需要，專門研制出使用掌上電腦控制全站儀進(jìn)行自動記錄和存儲的外業(yè)觀測軟件，可提高觀測精度和作業(yè)效率。利用MicrosoftVisualStudio2005平臺及C#語言進(jìn)行WindowsMobile的軟件開發(fā)，配合掌上電腦使用。外業(yè)觀測時(shí)，使用數(shù)據(jù)線或藍(lán)牙將掌上電腦及全站儀連接，在全站儀及掌上電腦上分別進(jìn)行端口配置后(主要配置參數(shù)為n、δt)，即可進(jìn)行垂直角的觀測，掌上電腦自動記錄存儲n次垂直角數(shù)據(jù)。采用外業(yè)記錄軟件預(yù)先設(shè)置垂直角記錄次數(shù)及時(shí)間間隔，記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔均勻，更有利于消除垂直角數(shù)據(jù)跳動的誤差；其次，通過記錄軟件采集的垂直角觀測數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入內(nèi)業(yè)軟件進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，易于實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外業(yè)測量作業(yè)的一體化。

3. 外業(yè)觀測中的注意事項(xiàng)

1) 跨海高程觀測應(yīng)盡量選擇在平潮(平潮前后各1h內(nèi)為宜)、風(fēng)力微和(風(fēng)力不大于3級)、浪涌較小的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行。平臺晃動量必須在全站儀豎軸傾斜補(bǔ)償范圍以內(nèi)，如LeicaTS30全站儀的補(bǔ)償范圍為4′，超出這個(gè)范圍后全站儀不能對垂直角觀測值進(jìn)行補(bǔ)償改正。實(shí)踐表明，一般而言，垂直角變化幅度不宜超過3′，即振幅不宜大于1′30″。

2) 垂直角觀測前，可先進(jìn)行平臺晃動大小的測試分析，然后根據(jù)垂直角變化幅度確定每半組觀測中垂直角的記錄次數(shù)。

3) 垂直角觀測前，應(yīng)按照儀器使用說明書的要求進(jìn)行全站儀校準(zhǔn)，重點(diǎn)對影響垂直角觀測精度的項(xiàng)目進(jìn)行精確校準(zhǔn)。

4) 垂直角觀測時(shí)應(yīng)仔細(xì)瞄準(zhǔn)，盡可能準(zhǔn)確照準(zhǔn)目標(biāo)。

5) 應(yīng)采用自動測量記錄軟件記錄垂直角數(shù)據(jù)，確保垂直角記錄數(shù)據(jù)的均勻性，以有效消除平臺晃動對垂直角觀測值的影響，提高跨海高程測量的精度。

三、實(shí)例分析

本文方法已在港珠澳大橋工程附近進(jìn)行了試驗(yàn)，跨海高程測量成果達(dá)到國家二等水準(zhǔn)測量精度要求，并在海中測量平臺高程傳遞及橋梁施工高程定位中得到成功應(yīng)用。本文選擇港珠澳大橋海中測量平臺跨海高程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖4所示為珠海近岸海域跨海高程測量路線示意圖，圖中，平臺1、平臺2為靠近珠海海岸的兩個(gè)海中測量平臺，位于港珠澳大橋中線以北約500m處，其余5個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)分別位于珠海海岸邊(1#、2#)或海中小島上(3#—5#)，7個(gè)跨海高程點(diǎn)通過陸地水準(zhǔn)測量、常規(guī)跨海水準(zhǔn)測量及測站晃動條件下的跨海高程傳遞測量連接構(gòu)成二等水準(zhǔn)測量閉合路線。路線總長約16.7km，其中，涉及海中測量平臺的測段共3個(gè)，平臺1—平臺2的跨距約6.3km，平臺1—1#的跨距約2.3km，平臺2—5#的跨距約3.7km。3個(gè)測段跨海高程傳遞測量中的全站儀垂直角觀測按前述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面以平臺1—平臺2的跨海高程測量為例進(jìn)行分析。

圖4　跨海高程測量路線示意圖

平臺1—平臺2之間的跨距約6.3km，超過現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的最長跨距(3.5km)[6]，而且測量平臺處于復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，風(fēng)浪、潮汐及大氣環(huán)流影響復(fù)雜，因此，必須對全站儀三角高程法跨海高程傳遞測量進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。跨海場地布設(shè)及垂直角觀測程序、測回?cái)?shù)及組數(shù)設(shè)計(jì)、測量限差驗(yàn)算等技術(shù)要求參照現(xiàn)行規(guī)范[6]及文獻(xiàn)[7—9]進(jìn)行設(shè)計(jì)，測站晃動條件下的垂直角觀測按本文方法實(shí)施。

首先對兩個(gè)測量平臺的晃動情況進(jìn)行測試分析。測試分析結(jié)果顯示：平臺1上全站儀垂直角變化幅度35″，平均振幅約12″；平臺2上垂直角變化幅度70″，平均振幅約25″。取振幅大者(平臺2)作為本跨海段垂直角變化幅度參數(shù)值，據(jù)此選定每半組垂直角觀測次數(shù)為40次。其次，根據(jù)跨海距離、測量等級及儀器級別，確定跨海水準(zhǔn)測量的測回?cái)?shù)為100，半測回中垂直角觀測組數(shù)為10。采用四邊形簡化圖形布設(shè)跨海場地，使用兩臺LeicaTS30全站儀按文獻(xiàn)[7]提出的垂直觀測程序進(jìn)行各測回垂直角的同步對向觀測。垂直角觀測記錄及計(jì)算采用電子手簿配合專用軟件進(jìn)行。

四、結(jié)束語

本文針對海中測量平臺晃動造成全站儀垂直角不停跳動的問題，在平臺晃動影響測試分析的基礎(chǔ)上，提出了一種全站儀跨海高程傳遞的垂直角觀測方法，即連續(xù)多次重復(fù)記錄遠(yuǎn)岸標(biāo)志垂直角讀數(shù)取均值的方法，可最大限度地削弱平臺晃動對垂直角觀測值的不利影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度跨海高程傳遞測量。研發(fā)了基于掌上電腦的外業(yè)測量記錄軟件，變?nèi)斯ぶ貜?fù)按鍵操作和手工記錄數(shù)據(jù)的作業(yè)模式為掌上電腦自動記錄和存儲數(shù)據(jù)的自動測量模式，可顯著提高作業(yè)效率及成果精度。工程實(shí)例分析結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性及其有效性。

應(yīng)用本文方法進(jìn)行測站晃動條件下的全站儀跨海高程傳遞測量時(shí)，首先應(yīng)盡可能選擇在平潮、風(fēng)力微和、浪涌較小的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行外業(yè)觀測，且平臺晃動量必須在全站儀豎軸傾斜補(bǔ)償范圍以內(nèi)。同時(shí)，觀測照準(zhǔn)應(yīng)仔細(xì)，盡可能提高目標(biāo)照準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。其次，應(yīng)采取自動記錄讀數(shù)的方法，以提高垂直角均值的精度。

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A Method of Sea-crossing Trigonometric Levelling by Total StationintheConditionofSurveyStationRocking

WU Dijun，XIONG Wei

收稿日期：2015-07-06

基金項(xiàng)目：中國中鐵股份有限公司科技開發(fā)計(jì)劃(2012-重大-2)

作者簡介：吳迪軍(1964—)，男，博士，教授級高級工程師，主要從事工程測量技術(shù)管理與應(yīng)用研究。E-mail：Wudi01@163.com

中圖分類號：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0087-04

引文格式： 吳迪軍，熊偉. 測站晃動條件下的全站儀跨海高程傳遞方法[J].測繪通報(bào)，2016(6)：87-90.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0197.