一種新型長距離精密跨海高程傳遞測量覘標的設計及在深中通道工程中的應用

成益品，宋神友，董理科，韓戰(zhàn)偉，朱永帥

(1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071; 2.深中通道管理中心，廣東 中山 528400)

0 引言

在一些大型海上建設工程中，有些長距離的跨江(海)水準測量可以使用GPS水準法進行,但有些項目因地形地貌等條件導致GPS水準法無法按規(guī)范實施[1]，精度與可靠性難以保證，故常規(guī)水準測量方法(經(jīng)緯儀傾角法和測距三角高程法)仍然不可替代，在此方法使用中需要使用照準覘標。

深中通道島隧工程建設規(guī)模大，測量精度指標和質(zhì)量控制標準高，施工地點距離陸地邊界6 km，位于寬闊的入?？冢叱炭刂苹鶞庶c建立在陸地，需要有高精度跨海高程傳遞技術(shù)。受現(xiàn)場地形條件限制，采用測距三角高程法作為東、西人工島長距離高精度高程傳遞的實施方法。目前，國家測量規(guī)范[1]中尚無3.5 km以上的跨海高程傳遞具體作業(yè)方式。本案例工程跨海線路為東西朝向，受大氣折光影響嚴重，加之海上惡劣的氣候環(huán)境和不利的觀測條件使長距離跨海高程傳遞測量難度進一步加大，選擇合適的照準覘標是提高觀測精度和可靠性的關(guān)鍵保障。張建軍等[2]將天寶TSC3手簿與徠卡TS30全站儀應用于跨海三角高程測量中，解決了數(shù)據(jù)離散大和數(shù)據(jù)篩選困難的問題，提升了觀測效率。成益品等[3]對港珠澳大橋島隧工程東西人工島精密跨海高程傳遞測量進行研究與總結(jié)，并組合多種高程傳遞技術(shù)實現(xiàn)了9 km跨距的高程傳遞。吳迪軍等[4]對三角高程法在跨海高程傳遞中的應用進行模擬試驗，驗證了三角高程用于長距離高程傳遞的可行性。王璐等[5]根據(jù)港珠澳大橋主體工程橋梁跨海三角高程控制測量，闡述了長距離跨海三角高程的測量方法及注意事項。

目前，用于長距離跨海高程傳遞的照準覘標規(guī)格形式較多，但通常比較笨重，安裝較為繁瑣，并且多數(shù)不能根據(jù)線路長度及觀測氣象條件的變化實時對覘標光標線寬度與亮度進行調(diào)節(jié)，使用存在不便。本文結(jié)合深中通道島隧工程建設的實際需求，通過實地模擬驗證，創(chuàng)新設計了一種便攜式遠距離照準覘標，不僅可以滿足不同路線長度下的夜晚觀測要求，而且可以根據(jù)氣象條件變化對覘標成像清晰度進行實時調(diào)節(jié)，其應用價值在深中通道東、西人工島5.5 km全站儀測距三角高程跨海高程傳遞測量中得到了驗證。

1 覘標設計與軟件開發(fā)

1.1 照準覘標試驗研制

GB/T 12897—2006《國家一、二等水準測量規(guī)范》規(guī)定，儀器照準覘板標志的長度和寬度以及標志線的間距，依跨海視線長度而定，跨海距離在2 000 m以內(nèi)，對岸標尺可安裝1塊覘板，跨海距離在2 000 m以上應安置上、下2塊覘板。通視條件較差時，應采用特制的標燈作為觀測目標。覘標在標尺的高度，兩岸應一致，標志線計算具體要求見表1。

海上長距離跨海高程傳遞受大氣折光影響，觀測目標白天成像模糊不清，因此一般選擇在夜晚觀測。夜晚測量首先需考慮成像明亮，邊界清晰，選擇合適的光源。由于海上情況較為復雜，過往船只較多，船上燈光以及海面航標燈等光源會對覘標燈造成影響。由于紅色、黃色光易受到其他發(fā)光點的影響，因此最終選擇白色光源作為照準覘標燈光源。

設計了一種便攜式遠距離照準覘標[6]，可以有效消弱跨海場地氣象因素對測量的影響，滿足儀器照準覘標的照準目標尺寸條件。按照國家二等跨海高程測量精度的施測要求，在中山馬鞍島橫門水道進行模擬測試，驗證研制的照準覘標的觀測成果精度及其可靠性。模擬試驗場地線路長約5.8 km，跨海線路為東西朝向，與深中通道跨海線路方向基本相似。測量網(wǎng)形設計為平行四邊形。試驗點間距采用全站儀觀測。同岸試驗點高差采用水準儀觀測，對岸試驗點高差利用全站儀垂直角觀測24個測回，通過陸上二等水準聯(lián)測試驗點間相對高差，對跨海高程測量結(jié)果進行檢測。

模擬試驗結(jié)果見表2和表3。

表2 模擬試驗數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計

表3 模擬試驗數(shù)據(jù)高差比對

通過現(xiàn)場模擬試驗，初步證明研制的新型照準覘標在長距離測距三角高程法跨海水準測量的成果精度，滿足國家二等水準測量規(guī)范要求。

1.2 照準覘標設計與安裝

設計的覘標具體參數(shù)如下：

1)覘標外殼使用鋁合金材料制作，長652 mm，寬50 mm，厚25 mm，直接安裝在三角基座上，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量小的優(yōu)點，現(xiàn)場安裝和拆卸方便快捷。照準覘標安裝效果見圖1。

圖1 照準覘標安裝效果圖

2)每處標尺點設置上、下2個標志，上、下標志線處于不同的覘板上，每條標志線上安裝60個8 mm的LED燈泡，覘標標志線選用白色光源，光強且聚光性好。

3)每條標志線長度為600 mm、寬度為10 mm，上、下2條標志線之間的寬度為1 000 mm，通過連接螺桿固定連接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安裝簡便，防風性能好。照準覘標構(gòu)造示意圖見圖2。

圖2 照準覘標構(gòu)造示意圖(單位：mm)

4)照準覘標采用12 V電瓶作為基本供電電源，標志線上下邊界設置擋光板，擋光板一側(cè)設計調(diào)節(jié)標志線旋鈕，可根據(jù)實際路線長度和環(huán)境變化隨時調(diào)整標志線寬度和光強，以保證成像邊界清晰，滿足不同路線長度下的夜晚觀測要求。

1.3 數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

數(shù)據(jù)采集軟件利用GNSS測量手簿為載體，開發(fā)外業(yè)數(shù)據(jù)記錄與計算程序，與徠卡TS60全站儀連接，實現(xiàn)自動記錄與計算，操作簡便，便于攜帶。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件具備以下功能：測前在軟件內(nèi)對測量點數(shù)、有效點數(shù)、補測點數(shù)、最大偏差、標準偏差、最大最小互差等各項誤差控制指標進行提前設定；在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，軟件會根據(jù)設置的指標參數(shù)進行數(shù)據(jù)自動計算與誤差剔除，若有數(shù)據(jù)超限或不合格，軟件會提示是否需要補測，直至采集數(shù)據(jù)滿足設定的參數(shù)指標為止。數(shù)據(jù)采集軟件界面見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件界面

2 跨海場地布設

根據(jù)深中通道東、西人工島地理位置，結(jié)合施工現(xiàn)場地形條件及潮位的影響，東、西人工島間跨海水準網(wǎng)形設計為DKH1→DKH2→XKH2→XKH1→DKH1大地四邊形布置方式，高程起算點為東人工島深中通道首級控制網(wǎng)點，閉合至西人工島跨海點。東人工島DKH1、DKH2和西人工島XKH1、XKH2分別為兩岸交替安置儀器和標尺的位置，跨海視線長度約為5 520 m，同岸視線長度均為10 m?？绾８叱虃鬟f測量路線見圖4。

圖4 跨海高程傳遞測量路線示意圖

3 外業(yè)觀測

3.1 距離觀測

跨海點間的距離采用GPS接收機靜態(tài)觀測，按照GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》C級GPS網(wǎng)觀測要求進行[7]。

3.2 同岸高差觀測

同岸2個跨海點，采用Leica LS15電子水準儀進行往返高差測量。開測后定期進行同岸跨海點的高差檢測。

3.3 對岸高差觀測

3.3.1 觀測準備工作

1)將全站儀架設在強制對中觀測墩上，整平儀器后，使用直角鋼拐尺在相隔90°的4個方向上丈量強制對中盤頂部4個角至儀器的垂直高度，平均值取位0.1 mm作為最終儀器高度。

2)將覘標與測量基座連接，架設在強制對中目標墩上，整平基座，分2個對角量取強制對中盤頂部至覘標上、下邊緣的垂直高度，平均值取位0.1 mm作為最終覘標高度。

3)記錄儀器和覘標量測高度，全站儀照準覘標，調(diào)試對岸覘標標志線的寬度及亮度。

3.3.2 觀測對岸覘標

采用2臺全站儀對向觀測。在全站儀盤左位置，用望遠鏡中絲依次照準上、下覘板標志線各讀取1次豎直角讀數(shù)；盤右按相反次序照準下、上覘板標志線各讀取1次豎直角讀數(shù)。以上觀測為1組垂直角觀測。2臺儀器分別在兩岸相同時段對向觀測1條邊的成果組成1個單測回，同岸每臺儀器位置在觀測完成半數(shù)測回后，觀測員、儀器、覘標應相互調(diào)換，在第2臺儀器位置上完成其余測回的觀測。

以東、西人工島間跨海高程測量為例進行觀測。1)在DKH1、XKH2 2點設站，兩岸儀器同時觀測對面XKH1、DKH2點的上、下標燈，儀器盤左盤右位置觀測順序為左上—左下—右下—右上；2)同岸儀器同時遷站，DKH1點儀器遷站至DKH2點，XKH2點儀器遷站至XKH1點，觀測順序如同第1步；3)將兩岸人員、儀器、標燈一起調(diào)換，按照1)和2)步驟進行測量。

3.3.3 觀測測回數(shù)要求

考慮到大氣折光影響，垂直角觀測選擇夜間時段進行。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和所測高差更趨近于真值，在滿足二等跨海水準測量規(guī)范要求基礎上增加觀測測回數(shù)。跨海高程執(zhí)行測回數(shù)及組數(shù)見表4。

表4 二等跨海水準測量觀測測回數(shù)及組數(shù)參照

4 數(shù)據(jù)處理與精度分析

4.1 觀測高差統(tǒng)計

采用三角高程單向高差計算公式進行列表計算，平距采用邊長投影至高斯平面距離成果參與計算，公式為

式中:h為高差，m;d為高斯面平距；α為觀測垂直角；i為儀器高度；v為照準目標高；k為折光系數(shù)；R為地球曲率半徑；Hm為測區(qū)平均高程；ym為跨海點距中央子午線的平均距離；ε為垂線偏差；ρ為206 265″。測量時，采取嚴格同步對向觀測及取往返高差的平均值等措施抵消大氣折光和地球曲率的影響[8-11]。

本次東、西人工島跨海高程傳遞共計觀測72個測回，按照規(guī)范要求中的每條邊各單測回高差間的互差以及由大地四邊形組成獨立閉合環(huán)，用同一時段的各條邊高差計算的閉合差進行測回篩選，共篩選出52個合格的測回成果，滿足規(guī)范要求。

DKH1—XKH1測段各測回排序高差統(tǒng)計分布見圖5。1—26測回高差升序排列，27—52測回高差降序排列，整體高差呈正態(tài)分布。

圖5 DKH1—XKH1各測回排序高差統(tǒng)計分布圖

DKH2—XKH2測段各測回排序高差統(tǒng)計分布見圖6。1—26測回高差升序排列，27—52測回高差降序排列，整體高差呈正態(tài)分布。

圖6 DKH2—XKH2各測回排序高差統(tǒng)計分布圖

4.2 精度分析

高差閉合差統(tǒng)計見表5。

表5 高差閉合差統(tǒng)計

由表5可見，跨海高程測量閉合差小于閉合差限差要求，閉合差僅為-2.3 mm。由此可知：深中通道東、西人工島之間5.5 km 跨海高程傳遞測量成果達到國家二等水準測量精度要求。

另外，深中通道第三方監(jiān)控單位采用經(jīng)緯儀傾角法對跨海高程結(jié)果進行復核，測量成果比對差值為3.2 mm，達到國家二水準測量的精度要求。

5 結(jié)論與體會

本文設計的長距離跨海水準測量照準覘標的成果精度可以達到國家二等水準測量的精度要求，滿足工程施工定位需求。具體總結(jié)如下：

1)研制的新型照準覘標燈實用性強，為跨海高程傳遞測量提供了便利，配合電子自動計算程序，使全站儀三角高程法在長距離跨海高程傳遞中得到了很好的應用，是海上復雜環(huán)境條件下滿足跨海高程傳遞測量精度要求的重要保障。

2)夜間海上觀測環(huán)境較為復雜，過往船只較多，船上燈光以及海面航標燈等會對照準覘標燈產(chǎn)生干擾影響，外業(yè)觀測期間宜固定觀測人員與手簿操作人員，二人相互默契配合，以確保外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與高效。

3)受大氣折光影響，長距離跨海高程多為夜間作業(yè)，攜帶設備較多，且需頻繁利用交通船運輸人和設備，因此出工之前，務必檢查儀器及其附件是否齊全，做好備品備件。

4)天氣是保證觀測精度與進度的前提條件，每天應關(guān)注天氣預報信息，判斷大氣情況是否穩(wěn)定，尋找最有利的觀測時段削弱大氣折光對測量結(jié)果的影響，宜在夜間風力較低、氣溫變化較小、環(huán)境變化緩慢時段進行觀測。