改进的跨江高程传递测量工程实践及精度验证分析.pdf

d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-3 5 8 X.2 0 2 2.0 1.0 1 0改进的跨江高程传递测量工程实践及精度验证分析石林峰1,韩超斌1,郑 康2,张建华1(1.自然资源部第一大地测量队,陕西 西安 7 1 0 0 5 4;2.西安航天天绘数据技术有限公司,陕西 西安 7 1 0 0 5 4)摘要:已有跨江高程传递测量所用觇灯设备安装使用不方便,无法实现自动化观测,作业效率低。文中通过改进跨江高程传递测量使用觇灯、优化观测方法和作业流程,实现了二等跨江高程传递测量的全自动观测。使用改进后的觇灯设备,可以更方便的进行跨江高程传递测量,并且所测数据精度完全满足国家二等水准观测的要求。关键词:跨江高程传递;自动化观测;改进后的觇灯中图分类号:P 2 2 4.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-3 5 8 X(2 0 2 2)0 1-0 0 3 8-0 5E n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dp r e c i s i o nv e r i f i c a t i o na n a l y s i so f i m p r o v e dr i v e r-c r o s s i n ge l e v a t i o nt r a n s f e rs u r v e y i n gS h iL i n f e n g1,H a nC h a o b i n1,Z h e n gK a n g2,Z h a n gJ i a n h u a1(1.T h eF i r s tG e o d e t i cS u r v e y i n gB r i g a d eo fMNR,X ia n7 1 0 0 5 4,C h i n a;2.X ia nA e r o r sD a t aT e c h n o l o g yC o.,L t d.,X ia n7 1 0 0 5 4,C h i n a)A b s t r a c t:E x i s t i n g t a r g e t l i g h t e q u i p m e n t u s e d i n t h e r i v e r-c r o s s i n ge l e v a t i o n t r a n s f e r s u r v e y i n gw a s i n c o n-v e n i e n t t o i n s t a l l a n du s e,w h i c hc o u l dn o tr e a l i z et h ea u t o m a t i co b s e r v a t i o n,a n dt h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yw a s l o w.I n t h i sp a p e r,t h e a u t o m a t i c o b s e r v a t i o no f s e c o n d-c l a s s r i v e r-c r o s s i n ge l e v a t i o n t r a n s f e r s u r v e y-i n gw a s r e a l i z e db y i m p r o v i n gt h eu s eo f t a r g e t l i g h ta n do p t i m i z i n gt h eo b s e r v a t i o nm e t h o da n do p e r a t i o np r o c e s s i nt h er i v e r-c r o s s i n ge l e v a t i o nt r a n s f e rs u r v e y i n g.U s i n gt h e i m p r o v e dt a r g e t l i g h te q u i p m e n t,t h er i v e r-c r o s s i n ge l e v a t i o nt r a n s f e r s u r v e y i n gc o u l db ec a r r i e do u tm o r ec o n v e n i e n t l y,a n dt h ea c c u r a c yo f t h es u r v e y e dd a t ac o u l dm e e t f u l l yt h er e q u i r e m e n t so f t h en a t i o n a l s e c o n d-c l a s s l e v e l i n g.K e yw o r d s:r i v e r-c r o s s i n ge l e v a t i o nt r a n s f e r;a u t o m a t i co b s e r v a t i o n;i m p r o v e dt a r g e t l i g h t引用格式:石林峰,韩超斌,郑康,等.改进的跨江高程传递测量工程实践及精度验证分析J.矿山测量,2 0 2 2,5 0(1):3 8-4 2.为更好地满足区域经济建设、社会发展对现代化地理空间信息控制基准服务的现实需求,我国多数城市相继开展了大范围高等级水准观测,并进行区域似大地水准面精化。我国东部地区江河纵横、跨江大桥密布,传统的几何水准方法不便进行直接连测,跨江高程传递测量成为高程传导的一种主要手段。测距三角高程法是目前较常见的高程基准测量方法,其误差来源主要有测距、测角、地球曲率及大气折光差等误差1。本文通过对跨江高程传递测量设备进行改进,制定合理的连测方案,优化作业流程,并对实验数据进行精度对比分析,得出结论:改进的跨江观测方法所测成果,可以满足国家二等水准测量精度要求2。1 跨江高程测量原理三角高程法跨江高程测量一测回的跨江高差按式(1)计算3-5:h=12S(t a n1-t a n2)+12(i1+v1-i2-v2)+S24R(k2-k1)(1)式中,S为跨江边的水平距离;1、2为垂直角;i1、i2为仪器高;v1、v2为觇标(棱镜)高;R为地球平均曲率半径;k1、k2为垂直折光系数。为了有效地消除地球曲率和对称性大气垂直折光误差对观测高差的影83第5 0卷第1期2 0 2 2年2月 矿 山 测 量M I N ES UR V E Y I N G V o l.5 0N o.1F e b.2 0 2 2响,在实际应用中,一般采用两台全站仪对向观测,可近似地取k1k2,即得一测回跨江高差的简化计算式式(2):h=12S(t a n1-t a n2)+12(i1+v1-i2-v2)(2)由上述跨江高差计算公式通过误差分析可知,影响跨江高差精度的主要误差包括测距误差、垂直角观测误差、仪器高及觇标高的量测误差、地球曲率及大气垂直折光误差等。实践中,为了尽量减小各项误差影响,分别采取如下措施6-1 0:(1)测距误差:使用高精度仪器设备和严密的气象改正模型。(2)垂直角观测误差:选取高精度仪器设备,进行多测回观测;选用改进的觇标(或灯)等。(3)仪器高和觇标高标定误差:采用合理的仪器高标定方法。(4)大气垂直折光误差的影响:通过合理布设跨江场地、选择有利观测时间及严格同步对向观测等。2 工程实验验证为了验证改进后的高程传递方法的观测精度,本实验采用传统几何水准测量和测距三角高程跨江测量相结合的方式进行,二者成果数据进行拼环,相互验证,增加实验结果的可靠性。跨江高程连测示意图如图1所示。实验流程图如图2所示。图1 跨江高程连测示意图2.1 传统几何水准连测如图1所示,水准点1和水准点2之间,南北两侧各布设一条水准路线,分别途经B Y大桥和HG T图2 实验流程图隧道,按照国家二等水准精度进行连测2。2.2 跨江三角高程连测2.2.1 场地选定与布设在实际跨江传递测量中,为确保测量质量,需要具备较多的图形检核条件,故本次实验采用可靠的大地四边形(如图1所示中跨江点:A、B、C和D)。现场勘测时,选择利于布设工作场地与观测的较窄河段处;两岸仪器视线距水面的高度应接近相等,视线垂直角应小于1,视线高度应不低于4Sm(S为跨江视线长度公里数);为了尽量减小大气垂直折光误差的影响,同岸跨江点间距不宜过长,一般以1 02 0m为宜。2.2.2 跨江设备选用及觇灯装置改进本次实验选用L e i c aT S 6 0高精度全站仪,测角精度为0.5,测距精度为(0.6+11 0-6D),在AT R模式下测量范围为15 0 0m。本实验对跨江使用的觇灯进行了改进,改进后觇灯1 1效果如图3和图4所示,能够满足实验昼夜观测需要(白天瞄准棱镜,夜晚瞄准觇灯)。图3 觇灯改装配件示意图2.2.3 觇标高和仪器高的标定2.2.3.1 觇标固定为了减少觇标高量测误差,将改装后的觇标固定在线条式铟瓦钢水准标尺的22.5m的刻度线93第1期 石林峰等:改进的跨江高程传递测量工程实践及精度验证分析 2 0 2 2年2月图4 觇灯效果图处(如图4所示),减小因觇标高量测产生的误差。2.2.3.2 仪器高标定实验采用“小角度测微法”进行仪器高标定。仪器高标定时,全站仪架设于跨江点1处,水准标尺立于跨江点2处,如图5所示。图5 仪器高标定示意图观测时,全站仪望远镜视窗中会出现以下两种情况:(1)水平丝标定在一个分划线上当水平丝落在一个分划线上时(如图6所示),观测步骤如下:图6 水平丝标定在一个分划线上的视窗示意图全站仪镜头调整为水平,读取并记录照准分化值a;分别照准分划线“上边缘”和“下边缘”,读取垂直角上和下;根据观测数据,计算仪器高i,公式见式(3):i=1 0a/2+h+k 下上+下-k/2(3)式中,a为照准标尺分划读数;h为测站点至立尺点高差;k为标尺分划线宽(此处k=1.5);上为分划上边缘垂直角的绝对值;下为分划下边缘垂直角的绝对值。(2)水平丝标定在两个分划线中间当水平丝落在两个分划 线中间时(如图7所示),观测步骤如下:图7 水平丝标定在两个分划线中间的视窗示意图全站仪镜头调整为水平,读取并记录照准分化值a和b;分别照准a分划线“上边缘”和“下边缘”,读取垂直角,并计算垂直角中数的绝对值上;分别照准b分划线“上边缘”和“下边缘”,读取垂直角,并计算垂直角中数的绝对值下;根据观测数据,计算仪器高i,公式见式(4):i=1 0b/2+h+k 下上+下(4)式中,b为照准标尺分划读数;h为测站点至立尺点高差;k为标尺分划线宽(此处k=5);上为分划上、下边缘垂直角中数的绝对值;下为分划上、下边缘垂直角中数的绝对值。2.2.4 垂直角观测采用“手机A P P应用程序+全站仪自动照准(AT R)模式”实现角度的自动观测1 2-1 3。具体连测方法如下:(1)在A、C点设站,标定A、C点仪器高。同步观测对岸远标尺,测定A D和C B;(2)A点仪器固定,将C点仪器迁至D点。两岸仪器同步观测对岸远标尺,测定A C和D B;(3)D点仪器固定,标定D点仪器高,将A点仪04第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月器迁至B点。两岸仪器同步观测对岸远标尺,测定B C和D A;(4)B点仪器固定,标定B点仪器高,将D点仪器重新迁至C点,测定B D和C A。并标定C点仪器高。至此一个光段垂准角观测结束,两台仪器共完成四个单测回。2.2.5 距离测量在进行垂直角观测过程中,使用全站仪AT R模式同时完成测站点间距离(SA C、SA D、SB C、SB D)测定。测距方面,需要对距离进行气象改正,测距边计算按以下气象改正公式进行(以L e i c aT S 6 0全站仪为例):E=1 0X(5)e=E-0.0 0 06 6 2(t-t)P(6)h=e1 0 0/E(7)x=7.5t2 3 7.3+t+0.7 8 57(8)D1=2 8 6.3 3 8-0.2 9 53 5P1+0.0 0 36 6 1t+4.1 2 61 0-2e1+0.0 0 36 6 1t(9)式中,D1为改正系数,P PM;P为气压,h b a r;E为饱和水蒸汽压,h b a r;e为水蒸汽压,h b a r;h为相对湿度,%;t为干球温度,;t 为湿球温度,。3 实验数据分析3.1 限差分析国家规范规定2,二等水准测量每千米水准测量的偶然中误差不大于1mm,每千米水准测量的全中误差不大于2mm。(1)每条边单光段高差间的互差dH限2:dH限2=4MNS(1 0)式中,M为每千米水准测量的偶然中误差限值,mm;N为总光段数;S为跨江视线长度,k m。(2)由大地四边形组成三个独立闭合环,用同一时段的各条边高差计算闭合差,各环线的闭合差应不大于式(1 1)计算得出的限差2:W=6MwS(1 1)式中,Mw为每千米水准测量的全中误差限值,mm;S为跨江视线长度,k m。3.2 数据分析本实验共进行了4个光段的垂直角观测和2个光段的距离测量,跨距 为1k m,光段 互差限差为1 5.6 8mm;闭合差限差为1 1.7 6mm。最终计算所得的测线高差及光段间互差如表1所示,闭合差统计如表2所示。每千米高差中数中误差计算公式为:M=P v v/(n-t)(1 2)使用各光段高差中数,由式(1 2)计算可得:每千米水准单位权中误差为+1.7 0mm,可以看出,光段互差和闭合差限差等各项指标均达到二等水准的要求。表1 跨江光段间互差统计表/m光段1234光段间最大互差/m m跨江测线高差A-C+2.2 5 9 4 8+2.2 5 1 2 2+2.2 5 5 0 8+2.2 5 3 7 78A-D+2.2 7 3 5 9+2.2 7 7 5 2+2.2 7 1 1 9+2.2 6 9 8 68B-C+2.2 3 6 8 5+2.2 3 4 5 1+2.2 2 7 4 2+2.2 2 6 0 11 1B-D+2.2 5 9 5 2+2.2 5 1 6 2+2.2 5 5 4 3+2.2 4 9 0 71 0直接水准高差A-B+0.0 1 9 7 4C-D+0.0 1 9 5 0表2 闭合差统计表/m光段1234中数闭合差闭合差A-B-C-0.0 0 2 8 9+0.0 0 3 0 3-0.0 0 7 9 2-0.0 0 8 0 2-0.0 0 3 9 5A-B-D+0.0 0 5 6 7-0.0 0 6 1 6+0.0 0 3 9 8-0.0 0 1 0 5+0.0 0 0 6 1A-C-D+0.0 0 5 3 9-0.0 0 6 8 0+0.0 0 3 3 9+0.0 0 3 4 1+0.0 0 1 3 5B-C-D-0.0 0 3 1 7+0.0 0 2 3 9-0.0 0 8 5 1-0.0 0 3 5 6-0.0 0 3 2 1A-B-D-C+0.0 0 0 2 8+0.0 0 0 6 4+0.0 0 0 5 9-0.0 0 4 4 6-0.0 0 0 7 4A-B-C-D+0.0 0 2 5 0-0.0 0 3 7 7-0.0 0 4 5 3-0.0 0 4 6 1-0.0 0 2 6 014第1期 石林峰等:改进的跨江高程传递测量工程实践及精度验证分析 2 0 2 2年2月 为了进一步验证数据的可靠性,本实验跨江段与布设的两条二等水准路线,共组成3个闭合环,环闭合差统计如表3所示。可以看出,闭合差也均满足国家规范限差2要求。表3 环闭合差统计表环序号环1环2环3闭合环周长/k m4.41 2.51 2.5环闭合差/m m+1.6 1-0.2 4+1.3 7限差/m m?8.3 9?1 4.1 4?1 4.1 4备注含大桥、跨江含大桥、隧道含跨江、隧道4 结 论本实验选用高精度的测量机器人,通过对觇灯设备和观测方法流程的改进,简化外业作业步骤,实现全自动跨江高程测量在实际生产作业中的应用。实验结果表明:本次跨江段最大光段互差 为+1 1.0 0mm,闭合差为-3.9 5mm,每千米水准单位权中误差为+1.7 0mm,精度可以达到二等水准的要求,能够满足实际项目生产的需要;经过对几何水准与跨江水准所测数据的对比分析,环闭合差均合限,进一步验证了设备和观测方法的可靠性。参考文献:1 潘正风,程效军,成枢,等.数字测图原理与方法M.武汉:武汉大学出版社,2 0 0 4.2 G B/T 1 2 8 9 72 0 0 6,国家一、二等水准测量规范S.3 吴迪军,李剑坤,何广源.三角高程法超长距离跨海高程传递实验研究J.测绘科学,2 0 1 7,4 2(1 2):1 9 5-2 0 0.4 肖根旺,许提多,周文健,等.高精度三角高程测量的严密公式J.测绘通报,2 0 0 4(1 0):1 5-1 7,4 5.5 郭秉江,许提多.L e i c aT C A 1 8 0 0高精度超长跨海高程传递J.铁道勘察,2 0 0 7(1):1-5,8.6 徐亚明,施斌,王代雄,等.改进的三角高程法在跨海高程传递中的应用J.测绘通报,2 0 1 4(4):6 5-6 7,7 8.7 张恒,胡波,袁长征.精密三角高程代替二等水准实现跨河水准测量的研究与应用J.测绘通报,2 0 1 9(1 1):1 2 1-1 2 5.8 李建成,姜卫平.长距离跨海高程基准传递方法的研究J.武汉大学学报(信息科学版),2 0 0 1,2 6(6):5 1 4-5 1 7,5 3 2.9 张正禄,邓勇,罗长林,等.精密三角高程代替一等水准测量的研究J.武汉大学学报(信息科学版),2 0 0 6,3 1(1):5-8.1 0 梁振英,董鸿闻,姬恒炼.精密水准测量的理论和实践M.北京:测绘出版社,2 0 0 4:1 0 9-1 5 7.1 1 石林峰,韩超斌,马勇,等.一种可实现高精度跨河高程传递测量的配套装置P.中国:2 0 2 1 2 1 3 7 6 7 2 3.3,2 0 2 1-1 0-2 6.1 2 孔宁,林鸿,欧海平,等.基于自动照准全站仪的精密三角高程测量代替二等水准测量的研究与应用J.测绘通报,2 0 1 6(2):1 0 7-1 0 9.1 3 邹进贵,朱勇超,徐亚明.基于智能全站仪的机载精密三角高程测 量系 统 设计 与实 现J.测绘 通 报,2 0 1 4(3):1-5.作者简介:石林峰(1 9 9 0-),男,河南周口人,本科,工程师,主要从事大地测量与变形测量研究工作。(收稿日期:2 0 2 2-0 1-1 2)24第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月