基于數(shù)字水準(zhǔn)儀的橋上精密水準(zhǔn)測(cè)量方法

吳迪軍

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

在公路橋梁橋面鋪裝或鐵路橋梁鋪軌施工階段以及橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，需要在橋上進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量。另外，有些工程也需通過公路、鐵路橋梁進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)江河兩岸高程基準(zhǔn)的連測(cè)貫通。例如，在港珠澳大橋主體橋梁貫通后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證跨海高程傳遞的精度，也為了大橋運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理的需要，在20余km的主體橋梁橋面上埋設(shè)了若干水準(zhǔn)點(diǎn)，按二等水準(zhǔn)測(cè)量精度進(jìn)行高程連測(cè)。受橋上車輛行駛、海洋潮汐波浪和風(fēng)力等各種外力因素的影響，橋梁始終處于或大或小的晃動(dòng)之中，橋面上無法正常置平水準(zhǔn)儀及觀測(cè)讀數(shù)。因此，研究橋上水準(zhǔn)測(cè)量方法具有現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[1]介紹了使用光學(xué)水準(zhǔn)儀在鐵路橋上進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量的試驗(yàn)。文獻(xiàn)[2]則指出:在晃動(dòng)的公路大橋上，電子水準(zhǔn)儀無法進(jìn)行測(cè)量。一些測(cè)量技術(shù)人員也認(rèn)為，數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量方式為自動(dòng)觀測(cè)和自動(dòng)記錄存儲(chǔ)讀數(shù)，無法在通行車輛的橋面上進(jìn)行正常測(cè)量，他們更習(xí)慣由熟練的測(cè)量員使用光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行較低等級(jí)的橋上水準(zhǔn)測(cè)量。然而，從儀器構(gòu)造、測(cè)量原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，數(shù)字水準(zhǔn)儀觀測(cè)讀數(shù)快、精度高，易于通過軟件實(shí)現(xiàn)觀測(cè)限差的現(xiàn)場(chǎng)檢算，便于克服和解決橋梁振動(dòng)造成的讀數(shù)不穩(wěn)定問題，有利于提高觀測(cè)成果的精度[3-5]。楊新志對(duì)公路橋梁振動(dòng)、光照等特殊影響條件下的水準(zhǔn)測(cè)量問題進(jìn)行了粗略探討[6]，提出了若干建議和措施，但沒有進(jìn)行系統(tǒng)而全面的研究和試驗(yàn)。

以港珠澳大橋海中橋梁橋面水準(zhǔn)測(cè)量項(xiàng)目為背景，重點(diǎn)研究基于數(shù)字水準(zhǔn)儀的橋上精密水準(zhǔn)測(cè)量方法，提出橋上精密水準(zhǔn)測(cè)量的解決方案，包括水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)、儀器測(cè)站和標(biāo)尺點(diǎn)選定、觀測(cè)方案及數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，并通過工程應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證該方法的可行性和有效性。

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量誤差分析

數(shù)字水準(zhǔn)儀，又稱為電子水準(zhǔn)儀，是一種集光學(xué)、機(jī)械、電子、數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)于一體的高科技測(cè)繪儀器，具有測(cè)量精度高、速度快、操作簡(jiǎn)便、人工干預(yù)少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、自動(dòng)化程度高和內(nèi)外業(yè)一體化等顯著優(yōu)點(diǎn)[7]。自1990年面世以來，數(shù)字水準(zhǔn)儀已在測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。目前，已基本上取代了傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀，成為各等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的主要儀器。

數(shù)字水準(zhǔn)儀是在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，儀器內(nèi)部安裝了CCD光學(xué)傳感器和數(shù)字圖像識(shí)別處理系統(tǒng)，依據(jù)圖像識(shí)別原理，將編碼尺的圖像信息與已存貯在儀器中的基準(zhǔn)信息進(jìn)行比較，從而獲得被測(cè)標(biāo)尺的讀數(shù)信息。按照文獻(xiàn)[8]的分析，使用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的主要誤差來源可分為三類:與主機(jī)有關(guān)的誤差、與條碼尺有關(guān)的誤差及與條碼尺光電讀數(shù)有關(guān)的誤差。其中，大氣折光和i角誤差是影響電子水準(zhǔn)儀讀數(shù)精度的主要誤差[9]?？傮w而言，數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量誤差比光學(xué)水準(zhǔn)儀更多、更復(fù)雜，實(shí)際工作中必須采取有效措施消除或削弱各種誤差對(duì)測(cè)量成果的不利影響。以下主要對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的光電誤差進(jìn)行分析，并提出消除或削弱誤差的技術(shù)措施。

1.1 i角誤差及其檢定

i角是指水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)管水準(zhǔn)軸的夾角在豎直面上的投影。數(shù)字水準(zhǔn)儀的i角分為光學(xué)i角和電子i角，電子i角對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果具有重要影響。外業(yè)測(cè)量中儀器振動(dòng)、環(huán)境溫度、望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦和磁場(chǎng)都會(huì)引起i角的改變。因此，外業(yè)測(cè)量前，應(yīng)按儀器說明書的要求測(cè)定和設(shè)置電子i角，并在測(cè)量期間對(duì)殘余電子i角進(jìn)行定期檢定，殘余i角值應(yīng)在相應(yīng)等級(jí)規(guī)定的限差以內(nèi)。每天觀測(cè)作業(yè)前，應(yīng)提前將儀器取出，待儀器溫度與外界環(huán)境溫度相同時(shí)再進(jìn)行測(cè)量，以最大限度地消除溫度變化對(duì)i角的影響[10-12]。

1.2 補(bǔ)償器的剩余誤差

為消除補(bǔ)償器的剩余誤差，不管什么等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量，均應(yīng)采用如下的測(cè)站觀測(cè)順序:奇數(shù)站觀測(cè)順序?yàn)椤昂?前-前-后”，偶數(shù)站為“前-后-后-前”。

1.3 條碼尺尺面不清晰

應(yīng)保持條碼尺清潔無劃痕。條碼尺上的污漬、雨滴和劃痕都會(huì)使數(shù)字水準(zhǔn)儀圖像傳感器接收到不正確的圖像，并可能產(chǎn)生較大的讀數(shù)偏差。

1.4 望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦不足或調(diào)焦過度

應(yīng)對(duì)準(zhǔn)條碼尺準(zhǔn)確調(diào)焦，以便圖像傳感器接收到清晰的編碼圖像。調(diào)焦不足或調(diào)焦過度都會(huì)引起測(cè)量時(shí)間延長(zhǎng)，還有可能產(chǎn)生較大的系統(tǒng)偏差[13]。

1.5 條碼尺被遮擋

應(yīng)避免條碼尺被遮擋。條碼尺部分被遮擋可能會(huì)產(chǎn)生較大的讀數(shù)偏差。

1.6 使用條碼尺頂部或底部讀數(shù)的誤差

當(dāng)數(shù)字水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)條碼尺頂部和底部時(shí)，圖像傳感器僅能收到條碼尺的部分圖像。相較于圖像傳感器的參考點(diǎn)，條碼尺的圖像信號(hào)是非對(duì)稱的。這種非對(duì)稱的圖像信號(hào)不利于消除圖像傳感器及望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)中的多項(xiàng)誤差，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤讀數(shù)。因此，應(yīng)避免使用條碼尺底部和頂部觀測(cè)讀數(shù)。

1.7 條碼尺亮度及其均勻性

條碼尺應(yīng)有足夠的亮度。在夜晚或光線較暗的地方使用數(shù)字水準(zhǔn)儀時(shí)，要對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行均勻照明，單方向照明會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)較大的系統(tǒng)誤差[8]。陳小歌等的研究表明，在黑暗條件下，有燈光輔助照明時(shí)數(shù)字水準(zhǔn)儀精度與白天測(cè)量精度基本一致。在黑暗條件下使用類似自然光的LED光源照明進(jìn)行數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量，可以達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求[14]。岳建平等的研究表明:光照的均勻度對(duì)測(cè)量工作有一定的影響，當(dāng)標(biāo)尺的光照極不均勻時(shí)，儀器會(huì)中止測(cè)量[13]。

2 基于數(shù)字水準(zhǔn)儀的橋上精密水準(zhǔn)測(cè)量方法

2.1 水準(zhǔn)路線布設(shè)

(1)橋面水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在橋墩固定支座上方的梁端處，不宜設(shè)置在活動(dòng)支座上，禁止設(shè)置在橋墩以外的橋梁上方。

(2)橋上水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)由往返觀測(cè)路線形成環(huán)環(huán)相扣的閉合環(huán)網(wǎng)。

(3)宜固定儀器測(cè)站點(diǎn)和立尺點(diǎn)位置并做臨時(shí)標(biāo)志，盡可能在橋墩正上方的梁端或路面上安置儀器，水準(zhǔn)尺可設(shè)置在橋墩正上方橋面上或者兩個(gè)橋墩的跨中處。

(4)考慮到橋梁振動(dòng)和夜晚觀測(cè)時(shí)光照較弱等因素，應(yīng)適當(dāng)降低水準(zhǔn)測(cè)量的視線長(zhǎng)度(儀器測(cè)站點(diǎn)與立尺點(diǎn)之間的距離)，以獲得最佳觀測(cè)效果。

2.2 數(shù)字水準(zhǔn)儀檢校

盡可能選擇精度等級(jí)較高的數(shù)字水準(zhǔn)儀，并按規(guī)范和儀器說明書的要求進(jìn)行計(jì)量檢定和常規(guī)檢校，重點(diǎn)檢查儀器i角誤差和補(bǔ)償誤差。

2.3 外業(yè)觀測(cè)

(1)適宜的觀測(cè)條件為:氣溫適中、氣流較為穩(wěn)定、無風(fēng)或微風(fēng)(一般不應(yīng)大于4級(jí))、平潮期、無車通行的夜間或凌晨。

(2)應(yīng)選用具有外業(yè)觀測(cè)記錄存儲(chǔ)、計(jì)算和限差驗(yàn)算功能的觀測(cè)軟件，自動(dòng)完成測(cè)站計(jì)算和限差驗(yàn)算并對(duì)超限測(cè)站觀測(cè)值進(jìn)行重新觀測(cè)。

(3)應(yīng)挑選操作熟練的觀測(cè)員進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)，縮短觀測(cè)時(shí)間，有利于提高測(cè)量精度。

(4)夜晚觀測(cè)時(shí)，應(yīng)使用LED燈對(duì)條碼尺進(jìn)行照明并保證亮度均勻。

(5)應(yīng)保持前后標(biāo)尺視距相等，避免過度調(diào)焦或者調(diào)焦不足。

(6)一個(gè)測(cè)站的觀測(cè)順序:奇數(shù)站為“后-前-前-后”，偶數(shù)站為“前-后-后-前”。

2.4 限差驗(yàn)算

使用觀測(cè)軟件進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)記錄和計(jì)算，并自動(dòng)進(jìn)行測(cè)站觀測(cè)限差的驗(yàn)算，當(dāng)某項(xiàng)誤差超限或整個(gè)測(cè)站超限時(shí)儀器會(huì)報(bào)警，提示重新觀測(cè)。這種自動(dòng)觀測(cè)和自動(dòng)進(jìn)行限差驗(yàn)算的方法可以削弱或消除橋面晃動(dòng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的不利影響，

3 實(shí)例分析

圖1為港珠澳大橋主體橋梁合龍貫通后的二等水準(zhǔn)測(cè)量路線圖。主體橋梁東連島隧工程的西人工島，西接珠澳口岸人工島，橋梁總長(zhǎng)22.8 km，設(shè)3座通航孔，梁體結(jié)構(gòu)分為鋼箱梁和混凝土梁兩種結(jié)構(gòu)形式。橋梁貫通之前，通過海中測(cè)量平臺(tái)及已建橋墩，采用全站儀三角高程法進(jìn)行跨海高程傳遞，實(shí)現(xiàn)了全橋跨海高程的貫通[15]。主體橋梁合龍貫通后，使用數(shù)字水準(zhǔn)儀在橋面上進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)大橋兩岸三地之間跨海高程的直接貫通，一方面可以檢驗(yàn)橋梁貫通前跨海高程傳遞測(cè)量成果的精度及其可靠性，另一方面，也可以為大橋運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的橋面水準(zhǔn)測(cè)量積累成功的經(jīng)驗(yàn)。

圖1 港珠澳大橋主體橋梁橋上二等水準(zhǔn)測(cè)量路線

如圖1所示，在主體橋梁橋面上埋設(shè)41個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，自東至西依次為:QM01，QM02，…，QM40，QM41，相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的間距為500～700m。東端(QM01)與島隧工程的西人工島測(cè)量平臺(tái)控制點(diǎn)BM04連測(cè)；西端(QM41)與珠澳口岸人工島水準(zhǔn)點(diǎn)BQ02連測(cè)，然后通過2 km長(zhǎng)的施工便橋連測(cè)至珠海陸域水準(zhǔn)點(diǎn)BM01、BM02，構(gòu)成BM01～BM05之間的附合水準(zhǔn)路線。此外，為了進(jìn)一步檢核橋面水準(zhǔn)測(cè)量的精度，自BM02，通過跨海水準(zhǔn)測(cè)量連測(cè)海中測(cè)量平臺(tái)控制點(diǎn)BM03，并閉合到橋面水準(zhǔn)點(diǎn)QM34，形成一個(gè)水準(zhǔn)閉合環(huán)。

使用DINI03數(shù)字水準(zhǔn)儀(標(biāo)稱精度:0.3 mm/km)，按國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求對(duì)主體橋梁及施工便橋進(jìn)行橋面水準(zhǔn)觀測(cè)，使用水準(zhǔn)儀自帶軟件進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)和限差驗(yàn)算，對(duì)超限的測(cè)站立即進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，直至測(cè)站成果符合規(guī)定限差要求時(shí)為止。主體橋梁橋面水準(zhǔn)往返觀測(cè)并構(gòu)成多個(gè)水準(zhǔn)閉合環(huán)，連續(xù)4～7個(gè)橋面水準(zhǔn)點(diǎn)(或沿橋面方向2～3 km長(zhǎng)度)連測(cè)形成一個(gè)水準(zhǔn)閉合環(huán)，相鄰兩個(gè)閉合環(huán)之間重合2個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(即重合一條水準(zhǔn)測(cè)段邊)?？紤]到海浪、風(fēng)力、橋面鋪裝施工、行車及氣溫等因素的影響，為提高外業(yè)測(cè)量成果的精度及合格率，橋面水準(zhǔn)測(cè)量全部選擇在夜間進(jìn)行。測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)，儀器到標(biāo)尺的視距長(zhǎng)度會(huì)影響觀測(cè)讀數(shù)的反應(yīng)速度、精度及可靠性，一般而言，視距宜控制在40 m以內(nèi)，最大視距不應(yīng)超過50 m。海洋潮汐波浪及風(fēng)力也是影響測(cè)量精度和測(cè)量效率的重要因素，應(yīng)在風(fēng)力不大于4級(jí)、海浪沖擊造成的橋梁晃動(dòng)較小的情況下進(jìn)行水準(zhǔn)觀測(cè)，車輛通過時(shí)應(yīng)停止觀測(cè)。

經(jīng)計(jì)算，附合水準(zhǔn)路線BM01-BQ01-BQ02-QM41-QM01-BM04的高差閉合差為2.1 mm，小于二等水準(zhǔn)閉合差的限差4 R=4× 28.2=21.5 mm，水準(zhǔn)閉合環(huán)BM01-BM02-BM03-QM34-QM41-BQ02-BQ01-BM01的高差閉合差為4.00 mm，小于二等限差13.58 mm(環(huán)線長(zhǎng)度11.53 km)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證橋面水準(zhǔn)測(cè)量的精度及其可靠性，在橋面上選擇4處300～500 m的段落，按文獻(xiàn)[10]的方法進(jìn)行觀測(cè)?？绾铀疁?zhǔn)測(cè)量高差與橋面數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量高差的對(duì)比結(jié)果見表1，表1中“限差”按二等水準(zhǔn)測(cè)量檢測(cè)限差公式計(jì)算。

表1 數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量高差與跨海水準(zhǔn)測(cè)量高差比較

計(jì)算結(jié)果表明:數(shù)字水準(zhǔn)儀橋上測(cè)量成果可以達(dá)到國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

4 結(jié)論

使用高精度的數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行橋上水準(zhǔn)測(cè)量，可達(dá)到國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。測(cè)量中應(yīng)注意如下事項(xiàng):

(1)橋面水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在橋墩正上方的橋梁或橋面上，水準(zhǔn)點(diǎn)間距為500～700 m，連續(xù)4～7個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(路線長(zhǎng)度2～3 km)組成水準(zhǔn)閉合環(huán)，相鄰兩個(gè)環(huán)之間有2個(gè)重疊水準(zhǔn)點(diǎn)。

(2)儀器宜安置在橋墩正上方的橋梁或橋面上，標(biāo)尺可安置在橋梁跨中或橋墩上方橋面上。

(3)水準(zhǔn)觀測(cè)應(yīng)在風(fēng)力不大于4級(jí)、橋梁晃動(dòng)較小的夜間進(jìn)行，有車輛通過時(shí)停止觀測(cè)。夜間觀測(cè)時(shí)應(yīng)使用LED燈對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行均勻照明。

(4)正式觀測(cè)前，應(yīng)按規(guī)范和儀器使用說明書的要求對(duì)儀器進(jìn)行檢校，正確存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)值。

(5)每個(gè)測(cè)站的視距長(zhǎng)度不宜大于40 m，最大視距長(zhǎng)度不應(yīng)大于50 m。

(6)與數(shù)字水準(zhǔn)儀配套的觀測(cè)軟件應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行測(cè)站觀測(cè)限差的驗(yàn)算。