長距離跨海高程傳遞測量在人工島建設(shè)工程中的應(yīng)用

王雪帆 廣州市吉華勘測股份有限公司

單丹 中交廣州航道局有限公司

海洋面積約占地球面積的71%，隨著社會發(fā)展和人類科技的進(jìn)步，“向海圖強(qiáng)、向海而興”已上升為國家戰(zhàn)略，成為國策，開發(fā)利用海洋資源成為未來可持續(xù)發(fā)展的必由之路。沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的土地資源、岸線資源供需日趨緊張，適合港口建設(shè)的優(yōu)良岸線也基本開發(fā)完畢，海島資源的開發(fā)、人工島的建設(shè)越來越受到認(rèn)可和重視。隨著科技的發(fā)展、工程技術(shù)的進(jìn)步、以及對海洋認(rèn)識的不斷深入，海上人工島建設(shè)在生態(tài)環(huán)保、功能與規(guī)模、建設(shè)期和建成后的規(guī)劃、測量監(jiān)測研究是十分必要的。長距離跨海高程傳遞問題，長期以來都受到眾多測繪科技工作者，特別是從事海洋大地測量學(xué)技術(shù)人員和研究人員的普遍關(guān)注，因此，從項目前期研究并解決該技術(shù)難題，具有較高價值和實際意義。

1.測區(qū)概況

?？跒衬虾Ｃ髦槿斯u工程位于?？谑形骱０?，規(guī)劃距離新國賓館以北距海岸線約2.8Km處。項目在一期人工島的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大陸域面積為213.4公頃。測區(qū)屬于熱帶海洋氣候，年平均氣溫為24.1°C，各月均有降水，常風(fēng)向為東北風(fēng)，?？跒车某毕珜儆诓灰?guī)則日潮混合潮，潮汐不等現(xiàn)象顯著。根據(jù)《?？谖魈詈９こ滩ɡ苏w數(shù)學(xué)模型研究》結(jié)論，波浪繞射作用明顯，在島后方形成波影區(qū)，位于迎浪面的代表點，規(guī)劃實施前后各向浪高變化很小，絕對變化多小于0.15m，相對變化多小于10%。

根據(jù)工程施工需要和現(xiàn)場水文特征，在收集并驗證現(xiàn)有城市測量控制點基礎(chǔ)上，進(jìn)行了測量控制方案設(shè)計，向離岸海側(cè)人工島進(jìn)行了跨海高程傳遞測量工作，將高程基準(zhǔn)傳遞至人工島測量工作點。

2.基本方法及原理

目前，跨海高程基準(zhǔn)傳遞的方法有靜力水準(zhǔn)法、動力水準(zhǔn)法、GΝSS水準(zhǔn)法及常規(guī)大地測量法4種[1]。靜力水準(zhǔn)法是基于連通器原理，采用連通管的方式進(jìn)行高程傳遞，因傳遞距離較長，在理想狀態(tài)下還需要同時考慮氣壓差、水壓差、密度差等因素對平衡的影響，操作復(fù)雜，且價格昂貴；動力水準(zhǔn)法就是通常所說的驗潮法，又稱海洋動力學(xué)法，需要同時、同步在島（礁）和岸側(cè)進(jìn)行較長時序連續(xù)、多次的潮位觀測，雖操作簡單，但容易受水文氣象和海面地形差異影響；GΝSS水準(zhǔn)法是利用大地高差與大地水準(zhǔn)面差距離之差傳遞高程基準(zhǔn)，該方法大地高由GΝSS確定，與水準(zhǔn)高相差一個似大地水準(zhǔn)面高。在求得高精度似大地水準(zhǔn)面高相對差值，由下列公式便能求得相應(yīng)精度的水準(zhǔn)高差：

式（1）中，ΔΗ為大地高差；Δh為水準(zhǔn)高差；ΔΝ為似大地水準(zhǔn)面高差。

常規(guī)大地測量法有精密水準(zhǔn)測量和三角高程測量兩種，精密水準(zhǔn)測量無法實現(xiàn)長距離高程傳遞，三角高程測量精度雖略低于水準(zhǔn)測量，在能滿足規(guī)范中相關(guān)要求條件下，在地形測量和工程測量中應(yīng)用廣泛。

3.控制網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)已有資料情況和現(xiàn)場踏勘情況，決定采用動力水準(zhǔn)法和常規(guī)大地測量法中的三角高程法來實施高程傳遞測量，并對兩種方法進(jìn)行對比和分析。該人工島設(shè)計圖呈“八卦”形，測區(qū)陸域形成區(qū)域呈“海馬”狀，形成孤立海島狀，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，在“海馬”脊背處選擇視線條件、基礎(chǔ)條件好的位置埋設(shè)高程控制點，同時建立動力水準(zhǔn)觀測點（站）。

4.三角高程測量法

實施三角高程控制測量中，由于距離較長，必須考慮地球彎曲和大氣折光影響。通常把地球彎曲和大氣折光對高差的影響分別成為“球差”和“氣差”，簡稱“兩差”，兩差的綜合改正稱為“兩差改正”。

因地球曲率和大氣折光現(xiàn)象的存在，在三角高程測量中不可避免的受到“球差”和“氣差”影響，隨著“站點”和“觀測點”距離不斷增加，“球差”和“氣差”對所測高差的影響也越來越大，而減小“球差”和“氣差”對三角高程測量影響的最好方法是采取“雙向觀測”，即選取兩點，分別設(shè)站，兩臺儀器相互觀測豎角；若條件不滿足時，只有一臺儀器，可采取“單臺對向觀測”，往返測平均值測回間離散度得到改善[3]；同時宜多次往返觀測，并選擇氣象變化不大的時段進(jìn)行觀測，減弱大氣折光的影響，提高三角高程測量的高差精度。采用同一臺儀器對向觀測，其系統(tǒng)誤差的主要來源是兩測點在觀測時折光差系數(shù)之差的影響，這種影響和雙向觀測時間間隔的長短，觀測時天氣的情況及視線的高度有關(guān)；時間間隔越短，天氣狀況越穩(wěn)定，視線高度越高越有利[2]。

具體實施情況，如圖3所示。具體方法：儀器置于1點，儀器高度為I1。2為照準(zhǔn)點，硯標(biāo)高度為V1，R為參考橢球面上1'2'的曲率半徑。1A、GB分別為過1點和G點的水準(zhǔn)面。GC是GB在B點的切線，GC為光程曲線。當(dāng)位于G點的望遠(yuǎn)鏡指向與GD相切的GE方向時，由于大氣折光的影響，由D點出射的光線正好落在望遠(yuǎn)鏡的橫絲上。這就是說儀器置于1'點測得GE間的垂直角為a12。

由圖3可明顯地看出，1’號、2’號兩地面點間的高差為：

式（2）中，AB為儀器高I1，D2為照準(zhǔn)點的覘標(biāo)高度V2；而CB和ED分別為地球曲率和折光影響。由于

K稱為大氣垂直折光系數(shù)。

由于1'、2'兩點之間的水平距離S0與曲率半徑R 之比值很?。ó?dāng)S0=3k m 時，S0所對的圓心角非常?。?，故可認(rèn)為PC近似垂直于OM，即認(rèn)為∠GCE=90°，這樣DG/CE可視為直角三角形。則（2）式中的EC為：

將各項代入（5）式，則A、B兩地面點的高差為：

式（6）中就是單向觀測計算高差的基本公式。式（6）中垂直角a12，儀器高i和覘標(biāo)高v，均可由外業(yè)觀測得到。S0為實測的水平距離。在實際操作工程中轉(zhuǎn)化為斜距及以下公式：

由圖3幾何關(guān)系可得：

4.1 對向觀測精度分析

直覘觀測公式：

反覘觀測公式：

式（11）中表明：三角高程采用雙向觀測法在氣象條件穩(wěn)定時可以不考慮地球曲率及大氣折光的影響,與單臺對向觀測法比較有明顯的優(yōu)勢。因此，單臺對向觀測法在往返觀測時可以將棱鏡高度設(shè)個定值，這式中可以表示為：

4.2 單臺儀器對向觀測精度

如圖2所示，L1、L2至GPS4的距離分別是2.8km和3.3km,視線距離海面的高差為3～5m，通過測量L1與GPS4、L2與GPS4的高差，采用四等水準(zhǔn)的方法測量L1與L2兩點的高差形成閉合環(huán)路。

L1、L2為已知點，L1高程為4.972m，L2高程為3.724m。采用四等附和水準(zhǔn)測量對L1-L2高差進(jìn)行校核。L1-GPS4;L2-GPS4采用三角高程測量，對向觀測有效觀測達(dá)到8個測回，以8測回平均值為觀測結(jié)果。

L2-GPS4：

高差互查=0.053<40√D=40＊√2.8=0.067

L1-GPS4：

高差互查=0.064<40√D=40＊√3.3=0.073。

附和線路L2-L1閉合差=4.972-3.724-(1.978-0.741)=0.007<20√D=0.049

=2.83mm<10mm(四等水準(zhǔn))

表1 高差觀測數(shù)據(jù)

經(jīng)過平差計算得出高程GPS4=5.708m。

4.3 影響因素分析

采用單臺全站儀固定覘標(biāo)高度對向觀測的方法，主要影響因素體現(xiàn)在以下方面：

1）儀器標(biāo)稱精度因素。測距精度和豎直角觀測精度對觀測結(jié)果的影響。

2）大氣折光系數(shù)K 對測量精度的影響。垂直折光是一個與測量時的氣象條件、觀測時視線高度、視線經(jīng)過處地表條件相關(guān)的量。垂直折光對豎直角影響的最好情況為1''～2'',近地表處的K值變化范圍為-1～+1之間[2]。

3)“球差”對測量精度的影響。當(dāng)采用單臺對向觀測時其值與觀測點位跨度成正比，本工程中其值為0.4mm;采用對向觀測時該系統(tǒng)誤差可以抵消，忽略不計。

4)“球差”使所測高差減小，“氣差”使所測高差增大。因此，在實施中應(yīng)進(jìn)行“加入‘球差’減去‘氣差’”的改正，即“兩差改正”。

5)量取儀器高、覘標(biāo)高對測量精度的影響。觀測前多次、不同角度量取儀器高、覘標(biāo)高，且每次量取精度不低于1mm,取三次觀測值的均值為結(jié)果，多次觀測互差不大于2mm。同時在操作工程中可固定棱鏡高，當(dāng)對向觀測時其值可以抵消。

5.動力水準(zhǔn)法

動力水準(zhǔn)法即驗潮法，根據(jù)陸海潮汐一致的性質(zhì)，實現(xiàn)跨海高程基準(zhǔn)的傳遞。短時驗潮法，近似的認(rèn)為在一定海域范圍內(nèi)，同一時間內(nèi)海域各位置平均海平面時相同的，同時、同步在陸岸、海側(cè)進(jìn)行驗潮并記錄水尺零點與驗潮水準(zhǔn)點的水準(zhǔn)觀測高差，即可實現(xiàn)陸海高程傳遞，該方法適用于水面開闊，潮差較小，宜選平潮期間觀測。

實施過程中，在新國賓館碼頭和人工島一期工程設(shè)置A、B兩驗潮點，兩處驗潮點間距2.8km。由于人工島一期的阻擋，兩驗潮點間漲落潮存在一定的時間差，故選擇只在高低平潮期進(jìn)行觀測，取4次觀測的值的平均值為A、B兩點的高差。由于采用人工驗潮的方法，選擇在海面比較平靜、涌浪較小的平潮期進(jìn)行觀測，盡量減小讀數(shù)誤差。

根據(jù)表2、表3、表4三個觀測時段水位觀測表統(tǒng)計：最大高差值為1.38m，最小高差為1.35m，高差互差為0.03m，滿足《水運(yùn)工程測量規(guī)范》（JTS131-2012）中跨水面高程測量高低潮法推算高差互差限差0.04m的要求。

表2 觀測時段1

表3 觀測時段2

表4 觀測時段3

表5 三角高程法內(nèi)符合精度檢查結(jié)果

表6 動力水準(zhǔn)法內(nèi)符合精度檢查結(jié)果

以各組高低潮平均值推算高差的平均值，最終推算求得水位點GC1與GC2高差為-1.37m。

L2=3.724m

GC1=3.724-0.766=2.958m

GC2=GC1+1.37=4.328m

GPS4=GC2+1.379=5.707m

由以上兩小節(jié)比對可知，采用三角高程對向觀測與驗潮法高程傳遞所得結(jié)果一致（相差1mm），且兩種方法精度都較高，滿足工程施工需要。

6.內(nèi)符合精度檢查

內(nèi)符合精度，是指儀器多次測量對比的較差，通常使用RMS值的大小來評價其內(nèi)符合精度，越小越穩(wěn)定。

7.結(jié)語

本文介紹了對向觀測三角高程測量和高低潮驗潮法兩種高程傳遞的方法在工程中的運(yùn)用，著重討論了三角高程測量。對傳遞結(jié)果進(jìn)行了精度評價，且兩種方法的精度都滿足規(guī)范要求，表明兩種方法傳遞的高程基準(zhǔn)都可以滿足工程建設(shè)的需要。但在工程實際操作過程中需注意對向觀測三角高程測量適宜用于測區(qū)天氣狀況良好、空氣能見度高、溫度穩(wěn)定的情況下，選用高精度儀器，測量效率明顯高于驗潮法，選用驗潮法最好選擇在高低平潮期觀測，有助于避免讀數(shù)誤差，同時在超遠(yuǎn)距離采用驗潮法時需注意潮時差的影響。