通過分析長距離跨河水準(zhǔn)測量的高差計(jì)算模型，針對(duì)三角高程測量中各精度影響因素制定合理的施測方案，并通過工程實(shí)例予以可行性驗(yàn)證。結(jié)果表明: 采用高精度儀器、特制的覘燈，并遵循科學(xué)的觀測方法，能夠有效減弱垂直角觀測及大氣折光對(duì)三角高程測量精度的影響，并使其滿足長距離跨河水準(zhǔn)測量的精度要求。

　　引言

　　當(dāng)水準(zhǔn)路線通過江河、湖泊時(shí)，通常采用跨河水準(zhǔn)測量法施測。根據(jù)《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》( GB/T12897-2006) ，跨河水準(zhǔn)測量可以采用的方法有光學(xué)測微法、傾斜螺旋法、經(jīng)緯儀傾角法、測距三角高程法和GPS測量法。其中測距三角高程法具備如下優(yōu)點(diǎn): ①不要求儀器和觀測員頻繁調(diào)岸，有利于提高作業(yè)效率; ②對(duì)跨河場地的要求更低，兩岸跨河點(diǎn)不必等高; ③適用的跨河距離較長。但在實(shí)際作業(yè)中，仍然存在一些因素影響著測量成果的精度，制約著測量工作的效率。尤其在高精度、長距離跨河水準(zhǔn)測量工作中，這些影響因素的存在更加不容忽視。鑒于此，本文通過分析和研究，制訂出合理的施測方案，并在蘇通段一等跨河水準(zhǔn)測量中予以驗(yàn)證。

　　1、長距離跨河水準(zhǔn)測量精度影響因素分析

　　長距離跨河水準(zhǔn)測量通常采用對(duì)向觀測的方法，其高差計(jì)算模型如公式( 1) 所示:

　　式中，D 為視線水平距離; α下、α上 為覘標(biāo)上下標(biāo)志所對(duì)應(yīng)的垂直角; i 為儀器高，v1、v2 分別為覘標(biāo)上下標(biāo)志高度; h 為儀器安置點(diǎn)至覘標(biāo)安置點(diǎn)間的高差; R 為地球曲率半徑; k1、k2 為大氣折光系數(shù)。

　　由式( 1) 可知，影響高差計(jì)算精度的主要因素有距離測量、垂直角測量、儀器高和覘標(biāo)高量測所帶來的誤差，同時(shí)還應(yīng)顧及大氣折光的影響:

　　1) 由于兩岸觀測點(diǎn)高差不大，因此，距離觀測誤差的影響基本可以忽略;

　　2) 垂直角觀測誤差是三角高程測量誤差的主要來源，并與觀測距離成正比;

　　3) 儀器高和覘標(biāo)高誤差比較容易控制，不是三角高程測量誤差的主要來源;

　　4) 大氣折光誤差與溫度、氣流等不可見因素有關(guān)，并且k 值無法精確求得，因此是三角高程測量誤差的主要來源。

　　在測量工作中，針對(duì)以上各方面因素需制定合理的施測方案以最大限度地減弱其影響，從而滿足長距離跨河水準(zhǔn)測量對(duì)三角高程測量的精度要求。

　　2、長距離跨河水準(zhǔn)測量施測方案

　　2.1 選點(diǎn)與造標(biāo)

　　在長距離跨河水準(zhǔn)測量中，需要具備較多的圖形檢核條件，應(yīng)此將跨江點(diǎn)布設(shè)呈大地四邊形如圖1所示 。觀測墩墩面距江面高度應(yīng)不低于m( S 為跨河視線長度千米數(shù)) 。

　　為減小測線上的大氣折光不均勻?qū)Υ怪苯菧y量的影響，要求兩岸觀測墩處的地形、地貌近似，高差不大; 同時(shí)為保證往、返測線穿過同一個(gè)大氣介質(zhì)，需在每個(gè)觀測墩面設(shè)置兩個(gè)強(qiáng)制對(duì)中裝置，分別安置儀器和覘標(biāo)，如圖2所示: A、B、C、D 為儀器安置點(diǎn)，A-1、B-1、C-1、D-1 為覘標(biāo)安置點(diǎn)。

　　2.2 覘燈的設(shè)計(jì)及高度標(biāo)定

　　為提高垂直角觀測精度，在長距離跨河水準(zhǔn)測量中采用特制的覘燈作為觀測目標(biāo)，并且在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

　　1) 燈桿與燈筒相連處應(yīng)采用弧形設(shè)計(jì)，并且弧度嚴(yán)格吻合，防止燈筒滑動(dòng);

　　2) 燈桿下端采用基座固定，并且保證觀測時(shí)燈桿下端與強(qiáng)制對(duì)中連接螺絲上端嚴(yán)密接觸;

　　3) 采用鹵鎢杯燈( 50W) 作為發(fā)光部，可防止觀測時(shí)測燈出現(xiàn)散光及目標(biāo)模糊現(xiàn)象;

　　4) 覘燈電源應(yīng)具備足夠的蓄電量，并且設(shè)計(jì)調(diào)控裝置，在保證測量工作順利進(jìn)行的同時(shí)能夠在不同的光照條件下調(diào)節(jié)覘燈的亮度。

　　覘燈上下標(biāo)志高度的標(biāo)定在室內(nèi)進(jìn)行。方法為: 采用線紋尺在燈桿連接孔之間進(jìn)行往返觀測，往測順序?yàn)?上孔上沿—上孔下沿—下孔上沿—下孔下沿; 返測順序與往測順序相反。以往返測高度的均值作為覘燈高度標(biāo)定的最終成果。

　　2.3 儀器的選擇及高度標(biāo)定

　　在長距離跨江水準(zhǔn)測量中需采用兩臺(tái)測角精度為0.5″的全站儀同時(shí)進(jìn)行對(duì)向觀測。儀器高度的標(biāo)定選在固定兩點(diǎn)間( 高差為一等水準(zhǔn)測量成果) ，利用銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺在測前、測中、測后分三次進(jìn)行標(biāo)定。首次標(biāo)定時(shí)需用膠布將儀器腳螺旋固定，取三次標(biāo)定結(jié)果中數(shù)作為全站儀高度標(biāo)定的最終成果。計(jì)算方法如式2、式3 所示:

　　當(dāng)全站儀中絲位于標(biāo)尺分劃線上時(shí):

　　式中，α 為照準(zhǔn)標(biāo)尺的分劃讀數(shù); h 為測站點(diǎn)至立尺點(diǎn)高差; k 為標(biāo)尺分劃線寬; α下 和α上 分別為分劃上、下邊緣垂直角絕對(duì)值。

　　當(dāng)全站儀中絲位于標(biāo)尺兩分劃線之間時(shí):

　　式中，k 為標(biāo)尺相鄰分劃線間隔; α上 為上分劃線上、下邊緣垂直角中數(shù)的絕對(duì)值; α下 為下分劃線上、下邊緣垂直角中數(shù)的絕對(duì)值。

　　2.4 距離測量

　　全站儀的測程往往難以滿足長距離跨河水準(zhǔn)測量的測距要求，且測距誤差并非三角高程測量的主要誤差來源，因此采用GPS 測量法。考慮到多路徑效應(yīng)對(duì)觀測結(jié)果的影響，應(yīng)采用扼流圈天線，并保證每時(shí)段觀測時(shí)間≥4 h。利用三維無約束平差求得的平面坐標(biāo)反算觀測平距。

　　2.5 垂直角測量

　　顧及大氣折光的影響，在垂直角測量時(shí)采用多光段、多測回的方法加以克服。但應(yīng)舍棄規(guī)范中“組”的概念，每次盤左、盤右觀測即對(duì)應(yīng)一個(gè)垂直角，觀測限差在相鄰兩垂直角之間執(zhí)行，不在“組”之間執(zhí)行。兩臺(tái)儀器對(duì)向觀測時(shí)，應(yīng)使用通信設(shè)備，每測回觀測開始時(shí)間嚴(yán)格同步，結(jié)束時(shí)間差不大于15 s。觀測程序?yàn)?

　　1) 在A、C 點(diǎn)架設(shè)儀器，A-1、C-1 架設(shè)覘燈，兩岸同步觀測對(duì)岸覘燈，并測定垂直角;

　　2) A 點(diǎn)儀器和A-1 點(diǎn)覘燈不動(dòng)，將C 點(diǎn)儀器和C-1點(diǎn)覘燈遷至D 點(diǎn)和D-1 點(diǎn)，兩岸同步觀測對(duì)岸覘燈，并測定垂直角;

　　3) D 點(diǎn)儀器和D-1 點(diǎn)覘燈不動(dòng)，將A 點(diǎn)儀器和A-1點(diǎn)覘燈遷至B 點(diǎn)和B-1 點(diǎn)，兩岸同步觀測對(duì)岸覘燈，并測定垂直角;

　　4) B 點(diǎn)儀器和B-1 點(diǎn)覘燈不動(dòng)，將D 點(diǎn)儀器和D-1覘燈重新遷至C 點(diǎn)和C-1 點(diǎn)，兩岸同步觀測對(duì)岸覘燈，并測定垂直角。至此第一個(gè)儀器位置的觀測結(jié)束，兩臺(tái)儀器共完成4 個(gè)單測回。

　　觀測時(shí)盤左依次照準(zhǔn)覘燈上標(biāo)志、下標(biāo)志，盤右按相反次序照準(zhǔn)下標(biāo)志、上標(biāo)志，上、下標(biāo)志垂直角分別計(jì)算高差。半數(shù)測回結(jié)束后觀測員、儀器及覘燈一同調(diào)岸。

　　2.6 直接水準(zhǔn)測量

　　直接水準(zhǔn)測量一方面作為高程系的引入使用，另一方面可作為高程傳遞的檢核。按照一等水準(zhǔn)要求測量同一觀測墩儀器安置點(diǎn)和覘燈安置點(diǎn)( 螺絲頂端) 間、同岸儀器安置點(diǎn)間及儀器安置點(diǎn)和固定點(diǎn)間的高差，并以此作為計(jì)算和檢核的基準(zhǔn)。

　　2.7 限差驗(yàn)算

　　同一條測線各雙測回的互差限差應(yīng)符合式( 4) 規(guī)定的限值:

　　式中，MΔ 為每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差，單位為mm; N 為雙測回的測回?cái)?shù); S 為跨河視線長度，單位為km。

　　用同一光段的各條測線高差計(jì)算圖形閉合差，結(jié)果應(yīng)不大于式( 5) 規(guī)定的限值:

　　式中，MW 為每千米水準(zhǔn)測量的全中誤差，單位為mm; S 為跨河視線長度，單位為km。

　　3、實(shí)例驗(yàn)證

　　此次蘇通段一等跨河水準(zhǔn)測量采用以上方法于2017年10 月施測。跨江地點(diǎn)位于常熟市至南通市之間，蘇通公路大橋西約1 000 m 處。測線長度約為4.6 km，視線高度南岸約12 m，北岸約8 m，通視良好。跨江圖形的布設(shè)如圖所示。

　　其中，SL1—ST01、SL01—ST02、SL03—ST04、SL03—SL2、ST01—ST01 - 1、ST02—ST02 - 1、ST03—ST03 - 1 及ST04—ST04-1 各邊高差采用天寶DiNi03 數(shù)字水準(zhǔn)儀按照一等水準(zhǔn)測量要求施測; 各測線邊長采用4 臺(tái)天寶5700 型GPS 接收機(jī)及扼流圈天線共觀測3 個(gè)時(shí)段; 垂直角測量采用覘燈和兩臺(tái)測角精度為0.5″的全站儀—LeicaTCA2003、LeicaTS30( 高度標(biāo)定見表1、表2) ，參照規(guī)范要求施測30 光段， 60 個(gè)雙測回。一光段內(nèi)每條測線垂直角觀測16 個(gè)測回，即每條測線垂直角共觀測480 個(gè)測回。

全站儀標(biāo)定成果

覘燈標(biāo)定成果

　　由大地四邊形組成6 個(gè)閉合圖形( 其中3 個(gè)為獨(dú)立閉合圖形) ，每光段分別計(jì)算閉合差，經(jīng)內(nèi)業(yè)驗(yàn)算得知: 施測的30 個(gè)光段中有5 個(gè)光段存在部分圖形閉合差超限現(xiàn)象，分析超限的原因?yàn)闅鉁赝蛔儠r(shí)江面大氣折光影響變化較快導(dǎo)致部分測線高差值偏小，重測此類測線后發(fā)現(xiàn)30 個(gè)光段中每條測線光段間高差較差及每光段內(nèi)各圖形閉合差均滿足限差要求。其中，光段間高差互差最大為29.50 mm，小于限差31. 18 mm; 圖形閉合差最大為12.81 mm，小于限差13.42 mm; 中數(shù)閉合差最大3.70 mm，最小0.39 mm。各圖形閉合差統(tǒng)計(jì)結(jié)果由表3 列出:其中，3個(gè)獨(dú)立圖形分別為ST01-ST02-ST03、ST01-ST02-ST04 及ST01-ST03-ST04，由三者的中數(shù)閉合差計(jì)算每公里高程測量的高差中誤差為0.55 mm/km。由此可見，本文提出的施測方案完全能夠滿足長距離一等跨河水準(zhǔn)測量的精度要求。

圖形閉合差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

　　4、結(jié)束語

　　本文通過對(duì)三角高程測量精度影響因子的分析，制訂長距離跨河水準(zhǔn)測量施測方案，并在蘇通段一等跨河水準(zhǔn)測量中予以驗(yàn)證。結(jié)果證明，采用高精度儀器、特制的覘燈，并遵循科學(xué)的觀測方法，能夠有效減弱垂直角觀測及大氣折光對(duì)三角高程測量精度的影響，并使其滿足長距離跨河水準(zhǔn)測量的精度要求。因此，本文提出的施測方案可適用于高精度跨河水準(zhǔn)測量、高精度跨江水準(zhǔn)測量以及高精度跨海水準(zhǔn)測量。