測站晃動條件下的全站儀跨海高程傳遞方法

吳迪軍，熊　偉

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050)

?

測站晃動條件下的全站儀跨海高程傳遞方法

吳迪軍，熊偉

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，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多次重復記錄垂直角讀數取均值的觀測方法，以最大限度地削弱平臺晃動對垂直角觀測值的影響，從而實現高精度的跨海高程傳遞測量；研發了基于掌上電腦的外業測量記錄軟件，可顯著提高作業效率及成果精度。工程實例分析結果顯示，路線總長約16.7km的跨海水準閉合環的高差閉合差為-15.3mm，符合國家二等水準測量的規定要求。該方法已在港珠澳大橋跨海高程傳遞中得到成功應用，可在其他類似跨海橋隧工程建設中推廣。

關鍵詞：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中，需要進行高精度的跨海高程傳遞測量，目的在于統一大橋兩岸的高程基準，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千米，長則數十千米，采用常規跨河水準測量方法進行兩岸跨海高程傳遞的難度極大，因此，在大橋開工建設之前，一般采用陸地一等水準測量繞行連測的方法實現兩岸高程的精確傳遞[1-2]；當不具備陸地水準連測條件時，則采用GPS水準聯合重力測量方法傳遞高程[3]。隨著工程建設的不斷推進，利用海中試樁工程等基礎工程建立若干海中測量平臺及優先施工的部分橋墩(簡稱優先墩)，使得跨海距離縮短至2km左右[4]，為利用全站儀將高程基準向海中建筑或結構物上傳遞，以及實現跨海高程的直接貫通提供現實條件。然而，受海風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數秒甚至數分，現行規范中的跨河水準測量方法不再適用。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，沿橋中線北側建有6個海中測量平臺，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個較短跨段。平臺頂面建造多個強制歸心觀測墩，用于架設GNSS設備或全站儀進行觀測。港珠澳大橋跨越伶仃洋海域，海洋氣候環境惡劣，波浪、風激、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律，在6個平臺上安置全站儀進行專門測試。測試方法如下：將全站儀安置在海中測量平臺上，瞄準遠岸觀測目標并保持固定；啟動全站儀觀測和記錄程序，按一定時間間隔連續記錄n個垂直角數據，由此構成一組觀測。

圖1為某平臺晃動測試散點圖，一組測試連續記錄200個垂直角數據，記錄時間間隔為0.3s。200個垂直角的平均值為51.6″，代表平臺晃動的平衡位置，圖中用水平實線表示。由圖可見，平臺晃動條件下瞬時垂直角數值以平均值為中心上下跳動，符合簡諧振動規律，與文獻[5]的分析結果一致。

為了進一步分析平臺垂直角變化的規律和特性，將200個測試點按垂直角大小分組進行統計，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間(40,60)中的點數最多，且離均值越遠，點數越少；直方圖的高峰位于中部，左右兩側大致對稱。由此可見，海中測量平臺上全站儀垂直角數據符合正態分布的集中性、均勻變化性及對稱性等特征，垂直角觀測值服從正態分布。

圖1　海中測量平臺晃動測試散點圖

圖2　測試點垂直角分布直方圖

對不同記錄次數時垂直角均值與全部200次記錄數據總均值的偏差進行統計分析。結果顯示，隨著記錄次數的不斷增加，垂直角均值的偏差逐漸縮小并趨于零。也就是說，當重復記錄的次數足夠多時，多次重復讀數的垂直角平均值逐漸趨于無晃動影響的正確觀測值。由此進一步得出，采用多次連續記錄垂直角數據的平均值作為跨海水準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、不同時段晃動周期及振幅變化的大小及規律。對6個平臺不同時間所做的總共49組測試數據進行統計分析，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據統計得到的平均周期(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，得出如下主要結論：海中測量平臺的晃動符合簡諧振動規律，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分布，采用多次重復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計

1. 垂直角觀測方法

跨海高程傳遞測量中垂直角觀測程序、方法及測回數、組數，可參照三角高程法跨河水準測量的一般規定進行設計[6]，考慮到跨海測量條件的復雜性和困難性，筆者建議采用優化跨海場地圖形、采用單標觀測法等改進措施，簡化現場測量作業程序，提高測量效率和成果精度，具體可參考文獻[7—8]。本文重點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行專門設計。

基于海中測量平臺晃動測試分析結果，本文提出一種通過重復多次記錄垂直角數據取均值的垂直角觀測方法，輔以仔細照準目標等技術措施，以消除或削弱垂直角讀數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鏡中絲精確照準遠岸跨海點上安置的觀測標志或標燈，連續記錄垂直角讀數n次，構成半組觀測；然后縱轉望遠鏡，在盤右位置按盤左操作方法同樣進行照準和讀數。

垂直角觀測中的設計參數有兩個：一個是每半組觀測中一次照準遠岸標志(或標燈)的垂直角記錄次數n；另一個是相鄰兩個垂直角記錄數據之間的時間間隔δt。n值應根據平臺晃動測試結果(即垂直角變化幅度)及跨海高程測量精度要求共同確定。根據平臺晃動測試及跨海高程實測數據的分析結果，得出確定n值的基本原則：當某平臺上全站儀垂直角平均值偏差小于2″時，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準，這時的n即為該平臺的記錄次數設計值。而時間間隔參數δt的確定原則是：δt不宜大于相應平臺的振動周期的1/4，以獲取足夠密度的垂直角數據，確保垂直角讀數均值的精度。根據圖3分析結果，本項目中取δt≤0.5s是比較合理的。當跨海測線兩端均為海中測量平臺時，則應依據晃動量較大的平臺確定參數n、δt的取值。

2. 垂直角自動記錄軟件設計

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記錄的實際需要，專門研制出使用掌上電腦控制全站儀進行自動記錄和存儲的外業觀測軟件，可提高觀測精度和作業效率。利用MicrosoftVisualStudio2005平臺及C#語言進行WindowsMobile的軟件開發，配合掌上電腦使用。外業觀測時，使用數據線或藍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行端口配置后(主要配置參數為n、δt)，即可進行垂直角的觀測，掌上電腦自動記錄存儲n次垂直角數據。采用外業記錄軟件預先設置垂直角記錄次數及時間間隔，記錄數據的時間間隔均勻，更有利于消除垂直角數據跳動的誤差；其次，通過記錄軟件采集的垂直角觀測數據可直接導入內業軟件進行后續計算，易于實現內、外業測量作業的一體化。

3. 外業觀測中的注意事項

1) 跨海高程觀測應盡量選擇在平潮(平潮前后各1h內為宜)、風力微和(風力不大于3級)、浪涌較小的時段內進行。平臺晃動量必須在全站儀豎軸傾斜補償范圍以內，如LeicaTS30全站儀的補償范圍為4′，超出這個范圍后全站儀不能對垂直角觀測值進行補償改正。實踐表明，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，可先進行平臺晃動大小的測試分析，然后根據垂直角變化幅度確定每半組觀測中垂直角的記錄次數。

3) 垂直角觀測前，應按照儀器使用說明書的要求進行全站儀校準，重點對影響垂直角觀測精度的項目進行精確校準。

4) 垂直角觀測時應仔細瞄準，盡可能準確照準目標。

5) 應采用自動測量記錄軟件記錄垂直角數據，確保垂直角記錄數據的均勻性，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、實例分析

本文方法已在港珠澳大橋工程附近進行了試驗，跨海高程測量成果達到國家二等水準測量精度要求，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用。本文選擇港珠澳大橋海中測量平臺跨海高程實測數據進行分析。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海中測量平臺，位于港珠澳大橋中線以北約500m處，其余5個水準點分別位于珠海海岸邊(1#、2#)或海中小島上(3#—5#)，7個跨海高程點通過陸地水準測量、常規跨海水準測量及測站晃動條件下的跨海高程傳遞測量連接構成二等水準測量閉合路線。路線總長約16.7km，其中，涉及海中測量平臺的測段共3個，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行設計。下面以平臺1—平臺2的跨海高程測量為例進行分析。

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，超過現行規范規定的最長跨距(3.5km)[6]，而且測量平臺處于復雜多變的海洋環境中，風浪、潮汐及大氣環流影響復雜，因此，必須對全站儀三角高程法跨海高程傳遞測量進行專門設計?？绾龅夭荚O及垂直角觀測程序、測回數及組數設計、測量限差驗算等技術要求參照現行規范[6]及文獻[7—9]進行設計，測站晃動條件下的垂直角觀測按本文方法實施。

首先對兩個測量平臺的晃動情況進行測試分析。測試分析結果顯示：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值，據此選定每半組垂直角觀測次數為40次。其次，根據跨海距離、測量等級及儀器級別，確定跨海水準測量的測回數為100，半測回中垂直角觀測組數為10。采用四邊形簡化圖形布設跨海場地，使用兩臺LeicaTS30全站儀按文獻[7]提出的垂直觀測程序進行各測回垂直角的同步對向觀測。垂直角觀測記錄及計算采用電子手簿配合專用軟件進行。

四、結束語

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，即連續多次重復記錄遠岸標志垂直角讀數取均值的方法，可最大限度地削弱平臺晃動對垂直角觀測值的不利影響，從而實現高精度跨海高程傳遞測量。研發了基于掌上電腦的外業測量記錄軟件，變人工重復按鍵操作和手工記錄數據的作業模式為掌上電腦自動記錄和存儲數據的自動測量模式，可顯著提高作業效率及成果精度。工程實例分析結果驗證了該方法的可行性及其有效性。

應用本文方法進行測站晃動條件下的全站儀跨海高程傳遞測量時，首先應盡可能選擇在平潮、風力微和、浪涌較小的時段內進行外業觀測，且平臺晃動量必須在全站儀豎軸傾斜補償范圍以內。同時，觀測照準應仔細，盡可能提高目標照準的準確度。其次，應采取自動記錄讀數的方法，以提高垂直角均值的精度。

參考文獻：

[1]朱瑤宏，許提多. 杭州灣跨海大橋測量控制方案綜述[C]∥中國公路學會橋梁和結構工程分會2005年全國橋梁學術會議論文集.北京：人民交通出版社，2005: 40-47.

[2]吳迪軍, 熊偉, 鄭強. 港珠澳大橋首級控制網復測方法研究[J]. 工程勘察, 2011, 39(9): 74-78.

[3]朱鶴，葉云.GPS與重力測量在東海大橋高程控制測量中的應用[J]. 鐵道勘察, 2005(3): 19-21.

[4]郭秉江，許提多.LeicaTCA1800 高精度超長跨海高程傳遞[J]. 鐵道勘察, 2007(1): 1-8.

[5]祁德慶，王琳琳. 多種環境力聯合作用下杭州灣跨海大橋海中平臺動力響應分析[J]. 力學季刊, 2011, 32(3): 343-352.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 國家一、二等水準測量規范：GB/T12897—2006[S]. 北京: 中國標準出版社, 2006.

[7]吳迪軍，熊偉，李劍坤. 精密三角高程跨河水準測量的改進方法[J]. 測繪通報, 2010(3): 4-6, 20.

[8]吳迪軍. 單標三角高程法跨河水準測量設計與實驗分析[J]. 地理空間信息, 2012,10(4): 132-133, 136.

[9]吳迪軍，許提多，羅蘇. 關于三角高程跨河水準測量限差的探討[J]. 地理空間信息, 2012, 10(5): 105-107.

A Method of Sea-crossing Trigonometric Levelling by Total StationintheConditionofSurveyStationRocking

WU Dijun，XIONG Wei

收稿日期：2015-07-06

基金項目：中國中鐵股份有限公司科技開發計劃(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管理與應用研究。E-mail：Wudi01@163.com

中圖分類號：P258

文獻標識碼：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，2016(6)：87-90.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0197.