一种跨海高程传递测量方法

摘要

本发明涉及一种跨海高程传递测量方法，根据跨海高程测量精度等级选择跨海图形，布置跨海场地；进行海中平台晃动量测试，得出平台全站仪垂直角变化幅度；根据跨海距离、测量等级及仪器级别确定跨海高程测量的测回数及半测回中垂直角观测组数；根据平台晃动量确定一次照准的垂直角读数次数；电子手簿与全站仪连接，设置一次照准垂直角读数次数及相邻两次读数之间的时间间隔等参数，按三角高程法进行同步对向观测，电子手簿自动记录并存储观测数据；利用内业软件计算并输出标准格式的垂直角观测成果表；根据跨海距离、垂直角及仪器高、目标高等观测数据，计算跨海高差观测值。本发明特别适用于测站晃动条件下的全站仪跨海高程传递测量。

说明书

技术领域

本发明涉及跨海高程传递技术领域，特别涉及一种用于测站晃动条件下的全站仪 跨海高程测量方法，适用于各种海况条件下海中测量平台或海中桥墩的跨海高程传递 测量。

背景技术

《国家一、二等水准测量规范》(GBT12897-2006)规定的跨河水准测量方法， 仅适用于跨海路线两端测站处于稳定结构上的跨海高程测量。安置在稳定地面或其他 稳定结构物上的全站仪的垂直角变化值小于1秒，但在跨海高程传递测量中，跨海路 线的一端或两端位于海中测量平台或桥墩等不稳定结构上，因受海洋潮汐、波浪及风 力的作用和影响，这些海中测量平台或桥墩处于不停的轻微晃动之中，使得安置在海 中不稳定结构上的全站仪处于不停的晃动之中，全站仪的垂直角变化值可达数十秒甚 至数分。在这种测站晃动条件下，现行规范中规定的跨河水准测量方法(含技术要求、 限差标准等)不再适用。

发明内容

本发明的目的是针对测站晃动条件下一般跨海高程测量方法不再适用的难题，旨 在提供一种适用于各种海况条件下的跨海高程传递测量方法，以实现海中测量平台及 海中桥墩控制点高程的精确传递。

本发明目的的实现方式为，一种适用于测站晃动条件下的全站仪跨海高程测量方 法，具体步骤如下：

1)根据跨海高程测量精度等级选择跨海图形，布置跨海场地；

设置跨海点，用于安置仪器和观测目标，用全站仪或GPS静态相对测量方法精 确测定各边长，用精密水准仪或全站仪测量同岸跨海点之间的高差；

2)进行海中测量平台或桥墩晃动量测试，得出平台或桥墩上全站仪垂直角变化 幅度；

将全站仪安置在海中测量平台或海中桥墩跨海点上，瞄准对岸观测目标并保持固 定；启动全站仪观测和记录程序，按一定时间间隔连续记录n个垂直角数据；计算n 个垂直角中最大值与最小值的差值，即为垂直角变化幅度值；

3)根据跨海距离、测量等级及全站仪级别，确定跨海高程测量的测回数及半测 回中垂直角观测组数；

4)根据平台晃动量，即垂直角变化幅度确定每半组观测中一次照准的垂直角读 数次数；

5)将电子手簿与全站仪连接，配置电子手簿记录端口通讯参数；设置一次照准 垂直角读数次数及相邻两次读数之间的时间间隔参数；按三角高程法进行同步对向观 测，电子手簿自动记录并存储观测数据；

6)利用数据处理软件完成观测数据的转换计算并输出标准格式的垂直角观测成 果表；

7)根据跨海距离、垂直角及仪器高、目标高观测数据，计算跨海高差观测值。

本发明采用多次重复观测读数取均值的垂直角测量方法，结合跨海图形及成果限 差标准的改造设计等措施，通过全站仪三角高程测量方法，并研制了自动观测记录及 数据处理软件系统，有效削弱了海上测站晃动对全站仪垂直角观测值的不利影响，显 著提高了跨海高程测量的精度和速度，解决了复杂海况下高精度跨海高程传递测量的 技术难题。

附图说明

图1是本发明实施例的测站晃动条件下全站仪跨海高程测量方法的流程图；

图2a、b、c是本发明方法的跨海场地三种布置方式示意图；

图3是本发明实施例的平台垂直角测试数据散点图；

图4是本发明方法的全站仪跨海高程测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。

实施例1

参照图1，所述跨海高程测量流程的具体步骤如下：

1)根据跨海高程测量精度等级选择跨海图形，布置跨海场地；

两跨海测站均位于海中测量平台上，便于频繁调换仪器位置进行多测回观测，因 此，一、二等跨海高程测量，按平行四边形[参见图2a]或等腰梯形[参见图2b]方式布 置跨海场地，使用2台全站仪进行同步对向观测；三、四等跨海高程测量，按平行四 边形[参见图2a]或等腰梯形[参见图2b]方式布置跨海场地，使用2台全站仪进行同步 对向观测；或按Z字形[参见图2c]布设跨海场地，使用1台仪器进行观测。

按平行四边形或等腰梯形方式布置跨海场地的4个跨海点A、B、C、D既是仪 器安置点，同时也是观测目标设置点，同岸两跨海点可交替安置仪器和目标。按Z 字形方式布置跨海场地的B、D是仪器安置点，同时也是观测目标设置点。

各边长及同岸跨海点之间的高差按下列方法测定：

(1)跨海长边AC、BD的长度，采用全站仪或GPS静态相对测量方法精确测定；

(2)同岸跨海点之间的短边AB、CD[参见图2a或图2b]，可采用GPS测量、 全站仪测距或钢尺量距的方法测定；

(3)同岸跨海点之间的高差h_AB、h_CD，采用精密水准或全站仪三角高程测量方 法测定。

图2a或图2b中跨海视线长度，即跨海长边AC、BD约为3.9km，按国家二等 跨海高程测量精度施测。

2)进行海中测量平台或桥墩晃动量测试，得出平台或桥墩上全站仪垂直角变化 幅度；

将全站仪安置在海中测量平台或海中桥墩跨海点上，利用激光对中器和电子水准 器，完成仪器的精确整平和对中；转动仪器照准部和望远镜，概略瞄准对岸观测目标 并保持固定；启动全站仪观测和记录程序，按一定时间间隔连续记录n个垂直角数据， 一般记录50～200个垂直角数据；计算50～200个垂直角中最大值与最小值的差值，即 为垂直角变化幅度值。

测试结果：一个平台上垂直角变化幅度值约150″[参见图3]；另一个平台上垂直 角变化幅度值约40″。取两个平台垂直角变化幅度值较大者(150″)作为本跨海测 段观测方案设计使用的垂直角变化幅度参数值。

3)根据跨海视线长度、测量等级及仪器级别，按表1确定跨海高程测量的测回 数及半测回中垂直角观测组数；

表1

注：①当使用0.5秒级及以上测角精度的全站仪，远岸设置单目标观测；或者使 用0.5秒级以下测角精度的全站仪，远岸设置上、下两个目标观测时，直接按上表选 定半组中的垂直角观测组数。②当使用0.5秒级及以上测角精度的全站仪，远岸设置 上、下两个目标观测时，半测回中的组数按表列数值减半。③当使用0.5秒级以下测 角精度的全站仪，远岸设置单个目标观测时，半测回中的组数取为表列数值的两倍。

本实施例中，跨海距离为3.9km，精度等级为国家二等，使用Leica TS30全站仪 (测角精度为0.5″)进行观测，依据上表确定跨海高程测量的测回数为16×4＝64， 半测回中垂直角观测组数为10。

4)根据平台晃动量，即垂直角变化幅度确定每半组观测中一次照准的垂直角读 数次数m；

根据测站处垂直角变化幅度大小，确定每半组中照准一次远岸目标连续记录的垂 直角次数m。并且所需记录次数与垂直角变化幅度大小成正比，即垂直角变化幅度越 大，记录次数越多。

本实施例中，垂直角变化幅度为150″，选定记录次数为50。

5)将电子手簿与全站仪连接，配置电子手簿记录端口通讯参数：设置一次照准 垂直角读数次数及相邻两次读数之间的时间间隔等参数；按图4所示的三角高程法进 行同步对向观测，要求进行外业测量数据自动采集和存储，电子手簿自动记录并存储 观测数据。

按图2a平行四边形或图2b等腰梯形方式布设跨海场地，当跨海场地比较宽阔、 便于频繁调换仪器、目标位置进行观测时，则应采用变测站双边同步对向观测法进行 垂直角观测，观测程序如下：

(1)在A、D点设站，测定仪器及标志的高度；而后同步观测对岸目标，测定α_AC、 α_DB；

(2)将两岸仪器及目标的位置互换，即仪器换至B、C点，目标换至A、D点， 同步观测对岸目标得α_BD、α_CA，而后测定仪器及目标的高度；

(3)至此第一个仪器位置的观测结束，两台仪器共完成两个单测回；

(4)在测完半数测回后两岸仪器、目标和观测员相互调岸，进行余下测回的观 测。

按图2a平行四边形或图2b等腰梯形方式布设跨海场地，当跨海场地空间狭窄、 不便于频繁调换仪器和目标位置进行观测时，则可采用固定测站双边同步对向观测法 进行垂直角观测，观测程序如下：

(1)在A、D点设站，测定仪器及目标的高度；而后同步观测对岸远标志C、B， 测定α_AC、α_DB；

(2)两端仪器半测回高差分别为h_BC＝h_BA+h_AC和h_CB＝h_CD+h_DB，两台仪器同一 时段对向观测的两个半测回取中数，计算一个单测回的观测高差；

(3)在测完半数测回后，两端仪器、观测员及目标相互调岸，进行余下测回的 观测。

按图2c的Z字形布置跨海场地，跨海高程测量的垂直角观测程序是：

(1)将全站仪安置在B上，照准远岸D点的目标，按正、倒镜的顺序依次读记 垂直角读数，完成规定组数观测后即构成上半测回观测；

(2)上半测回观测完成后，立刻将全站仪搬至对岸D点，照准远岸B点目标， 按规定程序完成下半测回观测。

(3)以上两步构成一个单测回的观测，重复相同程序完成其他测回的观测。

6)利用行业内常用数据处理软件导出观测数据，完成观测数据的转换计算，生 成如表2所示标准格式的垂直角观测成果表。

表2

表2中，全站仪三角高程法跨海高程测量每半组观测中一次照准的垂直角观测值 等于m次记录的垂直角观测值的平均值，计算公式如下：

式中，α_k为第k次记录的垂直角观测值，k＝1,2,…,m，m为半组观测中照准一次 记录垂直角观测值的个数。

7)参照图3，全站仪三角高程法跨海高程测量半测回观测高差计算公式如下：

h＝S tanα+i-v

式中，S为跨海边的水平距离，α为垂直角，i为仪器高，v为目标高。

当采用同步对向观测的方法进行观测时，一个测回的跨海高差按下式计算：

$h=\frac{1}{2}S(\tan {\alpha }_1-\tan {\alpha }_2)+\frac{1}{2}(i_1+v_1-i_2-v_2)$

式中，S为跨海边的水平距离，α₁,α₂为垂直角，i₁,i₂为仪器高，v₁,v₂为目标高。

观测高差限差验算公式如下：

(1)当跨海视线长度小于2km时，仍可采用现行规范中的限差公式。

每条边各单测回高差的互差应不大于下式规定的限值：

式中，dH_限为测回间高差互差限值(mm)，M_Δ为相应等级的每千米水准测量的 偶然中误差(mm)，N为单测回的总测回数，S为跨海视线长度(km)。

由图2a、图2b所示平行四边形或等腰梯形的4条边组成的独立闭合环，用同一 时段的各条边高差计算闭合差应不大于下式计算的限值：

式中，M_W为每千米水准测量相应等级的全中误差限值(mm)。

(2)当跨海视线长度超过2km时，则按下列标准进行外业观测成果的限差验算：

每条边各单测回高差的互差应不大于下式规定的限值：

由平行四边形或梯形的4条边组成的独立闭合环的高差闭合差应不大于下式计 算的限值：

测量成果：本实施例中，实际完成128个测回的观测，构成64个四边形闭合环。 经测回高差互差及环闭合差验算后，选取其中88个符合限差规定的测回作为最后的 成果，成果精度达到二等水准测量规定要求。

实施例2，同实施例1，不同的是，

1)根据跨海高程测量精度等级选择跨海图形，布置跨海场地；

一端测站位于海中测量平台上，便于调换仪器位置进行多测回观测，另一端测站 位于空间狭小的海中桥墩墩顶上，不便于频繁调换仪器位置进行多测回观测。按图 2a平行四边形或图2b等腰梯形方式布置跨海场地。A、D两点安置仪器，B、C两点 上安置测量目标。跨海视线长度(AC、BD)约为2.1km，按国家二等跨海高程测量 精度施测。

各边长及同岸跨海点之间的高差按下列方法测定：

(1)AC、BD的长度采用GPS静态相对测量或全站仪精密测距方法精确测定；

(2)同岸跨海点之间的高差[图2a或图2b中AB、CD]采用精密水准或全站 仪三角高程测量方法测定。

2)进行海中测量平台及桥墩晃动量测试，得出平台及桥墩上全站仪垂直角变化 幅度；

将全站仪安置在海中测量平台或桥墩跨海点上，利用激光对中器和电子水准器， 完成仪器的精确整平和对中；转动仪器照准部和望远镜，概略瞄准对岸观测目标并保 持固定；启动全站仪观测和记录程序，按一定间隔连续记录n个垂直角数据，一般按 50～200个垂直角数据；计算n个垂直角中最大值与最小值的差值，即为垂直角变化 幅度值。

测试结果：测量平台上垂直角变化幅度约65″；桥墩上垂直角变化幅度小于10 ″。取垂直角变化幅度较大者(65″)作为本跨海测段观测方案设计使用的垂直角变 化幅度参数值。

3)根据跨海距离、测量等级及仪器级别，确定跨海高程测量的测回数及半测回 中垂直角观测组数；

根据跨海距离(2.1km)、测量等级(国家二等)及仪器级别(Leica TS30，0.5 秒级)，按表1确定跨海高程测量的测回数为16×2.1＝33.6(取为40)，半测回中垂直 角观测组数为8。

4)根据平台晃动量，即垂直角变化幅度确定一次照准的垂直角读数次数；

根据测站处垂直角变化幅度大小，本实施例中，垂直角变化幅度为65″，选定 记录次数为20。

5)将电子手簿与全站仪连接，配置电子手簿记录端口通讯参数，通过电子手簿 设置一次照准垂直角读数次数及相邻两次读数之间的时间间隔等参数，按三角高程法 进行同步对向观测，电子手簿自动记录并存储观测数据。

本实施例中，一端测站位于空间狭小的海中桥墩墩顶上，不便于频繁调换仪器和 目标位置进行多测回观测，故采用“固定测站双边同步对向观测法”进行垂直角观测， 观测程序如下：

(1)在A、D点设站，测定仪器及目标的高度；而后同步观测对岸远标志C、B， 测定α_AC、α_BD；

(2)两端仪器半测回高差分别为h_BC＝h_BA+h_AC和h_CB＝h_CD+h_DB，两台仪器同一 时段对向观测的两个半测回取中数，计算一个单测回的观测高差；

(3)在测完半数测回后，两端仪器、观测员及目标相互调岸，进行余下测回的 观测。

6)利用内业数据处理软件导出观测数据，并完成观测数据的转换计算，生成如 表2所示标准格式的垂直角观测成果表。

7)根据跨海距离、垂直角及仪器高、目标高等观测数据，计算跨海高差观测值。

当采用同步对向观测的方法进行观测时，一个测回的跨海高差按下式计算：

$h=\frac{1}{2}S(\tan {\alpha }_1-\tan {\alpha }_2)+\frac{1}{2}(i_1+v_1-i_2-v_2)$

式中：S为跨海边的水平距离，α₁,α₂为垂直角，i₁,i₂为仪器高，v₁,v₂为目标(棱 镜)高。

观测高差限差验算公式如下：

本实施例中，跨海视线长度超过2km，则按下列标准进行外业观测成果的限差 验算：

每条边各测回高差的互差应不大于下式规定的限值：

式中：dH_限为测回间高差互差限值(mm)，M_Δ为相应等级的每千米水准测量的 偶然中误差(mm)，N为单测回的总测回数，S为跨海视线长度(km)。

由平行四边形或等腰梯形的4条边组成的独立闭合环的高差闭合差应不大于下 式计算的限值：

式中，M_W为每千米水准测量相应等级的全中误差限值(mm)。

测量成果：本实施例中，实际完成65个单测回的观测。经测回高差互差验算后， 选取其中48个符合限差规定的测回作为最后的成果，成果精度达到二等水准测量规 定要求。

上述实施例通过一系列的措施实现了跨海高程的精确传递测量，解决了现有技术 无法完成的海上高程传递难题。