山区高速铁路二等三角高程测量新方法的应用研究

2013-04-14洪江华高洪涛刘成龙

铁道勘察 2013年6期

洪江华　高洪涛　刘成龙

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251；2.沪昆铁路客运专线湖南有限责任公司，湖南长沙　410000;3.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都　610031)

无砟轨道铁路及250 km/h 以上高速铁路高程控制测量要求采用二等水准测量。我国有相当一部分铁路为山区铁路，地形困难，高差起伏很大，用传统的几何水准测量方法不仅测量速度慢，而且测站数多，误差累积很大，降低了高程控制精度，甚至有些地区用几何水准不可能完成高程控制测量。而测量机器人相对于普通几何水准测量，具有观测方法简单、受地形条件限制较小、传递高程迅速、工作效率高等优点。因此，研究在山区利用三角高程测量进行二等水准测量作业是非常必要的。

1　三角高程测量精度分析

三角高程测量是根据由测站向照准点所观测的高度角和两点间的斜距，运用三角公式计算两点间的高差的方法。影响三角高程测量精度的误差主要有：仪器测角误差、仪器测距误差、大气折光系数、仪器高和棱镜高量取误差等。随着仪器测量精度的提高，采用测角、测距精度较高的全站仪(0.5″)可以有效的减少仪器的测角和测距误差。因此，在高精度三角高程测量中，制约测量精度的主要因素是大气折光系数的误差以及仪器高、棱镜高量取误差，如果能降低甚至消除这些误差，就能直接且有效提高三角高程测量精度。

2　三角高程测量新方法

2.1　作业方法

在与两个棱镜均通视的地方使用两台全站仪自由测站法架设全站仪，通过观测测站至两个棱镜间的高差，间接测量测段起终点间的往返测高差，如图1。

图1　不测量仪器高和觇标高同时对向观测

图2　强制对中定高棱镜装置

观测时应采用两台同型号全站仪同时对向观测，不量取仪器高和棱镜高，观测距离一般不大于1 000 m，最长不应超过1 200 m，竖直角不宜超过10°。测段起、终点观测时使用强制对中定高棱镜装置，如图2。

每次测量前，应进行气温、气压的测定，气温读至0.5 ℃，气压读至1.0 hPa。将测定的气温、气压输入全站仪，利用其内置程序对所观测的外业数据自动进行气象改正。

为使一个测段高差的三角高程测量，既能够实现同时对向观测，又能够使各测段的仪器和棱镜高能够相互抵消，可采用如图1所示的同时对向间接高差观测三角高程测量方法。图1中，A、N为放置在水准点上具有整平装置和棱镜高度固定的特制基座，Z1、Z2、…Zn为使用脚架安置的全站仪，B、C、…M为使用脚架和普通基座安置的棱镜。

2.2　数据处理原理

采用对向观测，A、B间的高差取两台全站仪测量所得高差的平均值，经推算，A点到B点的高差为

hAB=0.5[(SZ1BsinVZ1B-SZ1AsinVZ1A+

SZ2BsinVZ2B-SZ2AsinVZ2A)]+(ν0-νB)

(1)

上式(1)中S为斜距，V为竖直角，v为棱镜高。通过同时对向观测和取往返测高差平均值的方法，基本消除了仪器高、地球曲率和大气折光的影响。

同理，其他各段高差分别为

hBC=0.5[(SZ3CsinVZ3C-SZ3BsinVZ3B+

SZ4CsinVZ4C-SZ4BsinVZ4B)]+(νB-νC)

(2)

hCD=0.5[(SZ4DsinVZ4D-SZ4CsinVZ4C+

SZ5DsinVZ5D-SZ5CsinVZ5C)]+(νC-νD)

12月5日，大虹桥区域性分布式供能研讨会在上海虹桥绿地铂骊酒店召开，上海市燃气管理处领导及来自分布式供能领域的设计研究、工程建设、设备制造、设备运维等40余家单位共计60余人参加会议。

(3)

……

hN-1N=0.5[(SZn-1NsinVZn-1N-SZn-1N-1sinVZn-1N-1+

SZnNsinVZnN-SZnN-1sinVZnN-1)]+(νN-1-ν0)

(4)

依据式(1)～式(4)求和，可计算测段hAN的总高差为

hAN=hAB+hBC+hCD+......hN-1N

(5)

转点处的棱镜既为前一双测站的前视点，又为后一双测站的后视点，在一个测段的高差中，即式(5)中没有了仪器高和棱镜高，所以按本方法进行三角高程测量，无需测量仪器高和棱镜高。数据处理时，A、N点为实际联测的水准点，B、C……N-1为中间双测站的转点。

3　三角高程测量新方法的验证

3.1　数据采集

选取某山区高速铁路长大隧道洞口水准点间两测段BM1-BM2、BM3-BM4高差测量为例，利用2台TS30，搭载机载自动测量和记录程序，采用中间法三角高程测出两个水准点之间的高差，可获得每测段高差往返测不符值以及两个水准点间的高差，并与水准高差进行比较。外业三角高程测量技术要求参照表1。

表1　精密光电测距三角高程测量观测的主要技术要求

注：S为视线长度，单位为km。

3.2　内符合精度验证

外业测量时，每个双测站间的高差均采用了往返测的方法进行测量，也就是说同一段高差均有两个观测值。对比上述两个测段每个双测站间的往返测高差，以验证三角高程测量的内符合精度，统计结果见表2和表3。从表2和表3中的统计结果可见，总计15个测段的三角高程往返测高差的较差均小于二等水准的相应限差要求，说明按本文的方法进行三角高差测量，其内符合精度可达到二等水准的要求。

表2　BM1-BM2三角高程往返测高差统计

3.3　外符合精度验证

表3　BM3-BM4三角高程往返测高差统计

表4　三角高程测量与水准测量高差较差比较

从表4可见，两个测段的三角高程高差与水准高差的较差均小于限差要求，说明按本文的方法进行三角高差测量，其精度可达到二等水准的要求。此外，从表4和上述水准及三角高程的施测情况还可知，水准测量的路线长度均比三角高程测量的路线长度长得多，水准测量的测站数更比三角高程测量的测站数多得多，可见相对于山区二等水准测量而言，三角高程测量比水准测量的效率高得多。

4　结论

综上所分析，采用测量机器人和双测站同时对向间接高差观测的新方法，既消除了大气折光和地球曲率的影响，还实现了不量仪器高和觇高程。理论分析和工程实践证明，该方法不但可以达到二等高程测量的精度，而且测量效率相对于传统的水准测量高得多。根据本文提出的方法和总结观测试验的情况，三角高程测量新方法具有以下主要特点：

①可实现真正的同时对向观测，每一双测站的高差均是由同时对向观测高差计算获得，可有效地消除大气折光和地球曲率的影响。

②在测段高差测量中，不论是奇数双测站，还是偶数双测站，均不需量测仪器和觇高程。

③可以达到二等水准测量的精度，为二等高程控制测量提供了新方法。

④一次双测站的高差测量，测量范围可在100～1 200 m之间，不但可在平原地区适用，而且在精密水准测量困难的水网和复杂山区使用，更能够体现该方法的优越性和高效率。

⑤无需改装全站仪，测站和棱镜的位置选择灵活，两棱镜间无需通视和用棱镜作为测段内高差传递的转点，使得该方法不但方便适用，而且操作简单、易于推广。

[1]赖鸿斌，梅熙，等.山区二等三角高程测量方法的应用研究[J].铁道工程学报，2012(6)

[2]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，2006(1):5-8

[3]孙永利，刘成.一种三角高程测量新方法的应用研究[J].铁道工程学报，2008(12):1-4

[4]GB/T 12897—2006国家一、二等水准测量规范[S]

[5]白雪含.探讨三角高程测量代替二等水准测量的方法[J].山西建筑，2008(21):346-348

[6]洪江华.雪峰山长大隧道群平面GPS控制网的布测与精度分析[J].铁道勘察，2012(1)

[7]马少君.三角高程导线计算实用软件[J].铁道勘察，2009(6)