静水面高程传递精度分析

方红军 方源

(1.浙江省第一测绘院,浙江杭州 310012;2.金华职业技术学院,浙江金华 321017)

静水面高程传递精度分析

方红军1方源2

(1.浙江省第一测绘院,浙江杭州 310012;2.金华职业技术学院,浙江金华 321017)

本文通过实例对四等水准测量遇到线路无法通行的特殊地段时如何进行线路布设和测量方法的选择等进行了探讨,并重点对长距离平静水面高程传递的精度进行了分析。

四等水准测量 静水面 高程传递

1 引言

水准测量有时会遇到线路无法通行的特殊地段,如我们在某高速公路四等水准测量作业就遇到这一特殊情况,我们测量至常山县新桥乡时,原本在1:1万老图上设计的四等水准路线是沿新桥乡芙蓉镇半源村的公路前进,路线是从新桥乡至芙蓉镇、半源村的一条唯一的公路,四周均为高山。但实地线路踏勘时,整个芙蓉镇范围已经搬迁并建成水库了,而新公路刚刚开始施工。因为在高速公路四等水准测量路线设计中规定高速公路隧道进出口必须要布设四等以上水准点,如图1中的ⅣHXJ133、ⅣHXJ134均布设在隧道口,其中ⅣHXJ133因老公路被水库淹没,水准路线只能从高山顶部沿山间小路进行联测。而这条水准路线唯一的前进路线需要翻越高差达600多米的陡峭高山(施测过程中统计测站前后视距平均仅为3.4米),这给水准测量工作带来了很大的困难。设计测量路线见图1。

图1 测量路线方案设计图

2 水准联测路线设计

测量之前我们经过对设想线路附近地形的考察,并再三对可能进行的一条高山地路线通行情况踏勘,选择了一条当地人翻越高山的小路作为测量的线路,将四等水准联测路线设计为:从起算点ⅢCS09～BM52～ⅣHXJ133～BM52～ⅣHXJ134……(正常水准路线前进方向)。同时,分别从三个水准点(ⅢC S 0 9、ⅣH X J 1 3 3、ⅣHXJ134),将高程联测到接近于静水面的三个相对应的固定的静水面高程传递点J1、J2、J3上。目的是利用水库水面比较平静、无风浪等有利条件对该特殊地段开展静水面高程传递试验,对静水面高程传递精度进行分析,并利用正常水准路线所测得高差对静水面传递高程进行检验。

表1 外业测段高差统计表

表2 三个固定点顶部至静水面的高度差统计表(单位:米)

3 静水面高程传递点设置

传递点的设置对高程传递的精度起到很大的影响。为此我们在实地经过多次反复仔细的选择,找到了图1中J1、J2、J3三个固定的静水面高程传递点点位,这三个点分别位于水库的三个角落,都是水库的一些小浅湾部位,水面近似于静止状态,离山上河流注入水库部位较远,对静水面高程传递较为有利。J1和J3点是利用水库码头台阶上的固定铁环桩头,J1点的固定铁环桩头露出在水面以上,J3点的固定铁环桩头在水面以下,J1和J3点分别选在水面上和水面下,主要是依据实地选择的固定铁环桩头位置是否便于直接量测至水面垂直高度和是否有利于观测时放置标尺;J2点采用大木桩打入水库边底部泥土中,木桩顶部钉入铁钉,木桩顶部的铁钉稍露出静水面,木桩周围用泥土堆砌成不封闭的环形区域,目的是让环形区域内部的水面不受水库水面波浪的影响,使木桩周围的水面更接近于静止水面。

4 四等水准测量

水准闭合环的施测包括两个部分:第一部分是陆地上常规四等水准的测量。为了提高精度和实验需要,使用高精度数字水准仪和专用铟瓦标尺按三等水准测量的要求施测。第二部分静水面传递部分,是采用钢卷尺分别量取J1、J2、J3三个固定点顶部至静水面的高差。

4.1 测段数据统计

陆地上的常规四等水准测量,仪器使用高精度数字水准仪和专用铟瓦标尺进行观测。观测之前都按照国家三四等水准测量规范进行了严格的检校。测量路线根据水准路线前进方向和多节点环的具体情况,将整个测量工程布设为四个闭合环,共七个测段,第一测段是从J1到ⅢCS09,第二测段是从ⅢCS09到BM52,第三测段是从BM52到ⅣHXJ133,第四测段是从ⅣHXJ133到J2,第五测段是从ⅣHXJ133到BM52,第六测段是从BM52到ⅣHXJ134,第七测段是从ⅣHXJ134到J3。测段路线如图1所示。四个闭合环内四等水准测量七个测段的外业测段高差观测值,经过统计、概算,具体高差数据情况见下表1。

4.2 固定点顶部至静水面高度量取

由于芙蓉水库上每天有四趟轮渡航班,时间分别是上午的7:00、11:00和下午的14:00、17:00。渡轮航行引起的湖水波浪对固定点顶部至静水面高差的量取精度有较大的影响,为此我们选择渡轮航行波浪对固定点顶部至静水面高差影响最小的时段,再选择气温和天气都比较好的日子进行测量。测量当天分别派出3组人员,在固定点J1、J2、J3处按约定的同一时刻(分别是上午9:00、9:10和下午16:00、16:10)量取固定点顶部至静水面的高度,每个点共量取了4组数据,该4组数据较差不超过5mm,取4组数据的平均值作为固定点顶部至静水面高差。3个固定点至静水面高差数据统计如下表2。从表中我们得到J1、J2、J3这3个固定点至静水面高差数据为:J1至水面:+0.164米;J2至水面:+0.034米;J3至水面:-0.352米。

5 环闭合差计算

水准测量路线结合静水面高程传递共组成四个闭合环,环闭合统计见表3,四等水准路线联测和计算略图见图2。

表3 环闭合统计表

图2 四等水准路线联测和计算略图

6 精度分析

图2所示的三个节点四个闭合环的四等水准闭合环是一组虚拟的闭合环,实际的水准路线在ⅣHXJ134水准点处继续往西联测,即图2中前进方向,组成虚拟闭合水准环的目的是为了对静水面高程传递的精度进行分析和验证。从表3和图2中可以看出:三个四等水准闭合环及大环的环闭合差均符合四等水准限差,L为环线公里数)要求,而且即使按三等水准计算限差也完全符合要求,并且精度都良好。由于四等水准测量使用的仪器为高精度数字水准仪和专用铟瓦标尺,数据观测、记录、黑红面数据限差、前后视距差、测站数据计算与统计及测段数据累积均由仪器和专用软件自动完成,只要有任何一项指标超限,就必须从前一个水准点或固定点开始重新观测,具有很高的观测精度。因此,所有七个测段的四等水准观测数据都是可靠的。而且水准线路累积差也很小。如在图2四等水准路线联测和计算略图中:闭合环BM52～ⅣHXJ133～BM52的环线距离为4.8公里,但其联测路线的总高差近1000米(BM52并非最高点,BM52至ⅣHXJ133水准点之间还需要翻越一座山峰),但整个闭合环的闭合差仅为7mm,观测精度非常高。

另外,按照水平面代替水准面引起的距离误差公式计算可知,在10km范围内可以不必考虑地球曲率的影响,而本静水面高程传递中最远两点J1至J3的水面间距也只有6.7km。

因此,在本三个节点四个闭合环的虚拟水准闭合路线中,各虚拟闭合环的环闭合差主要来自水面波动误差。水面波动的原因主要是水库渡轮在航行中产生的波浪传递到各固定点的不同影响和风浪的影响。但计算结果证明还是完全满足三、四等水准测量精度要求。

并且,从后续水准路线平差结果来看,使用虚拟水准闭合路线数据平差计算得到的三座点:BM52固定点、ⅣHXJ133水准点、ⅣHXJ134水准点的高程与采用正常水准路线观测数据平差计算后的高程成果较差均小于5mm。

7 结语

在特殊地段进行三、四等水准测量时,如遇到高山、水库等线路无法通行的情况,可以利用水面静止条件较好的山塘水库,采用静水面高程传递方法进行高程测量,来代替局部或个别高程测量测段路线,其高程测量精度完全可以达到三、四等水准的精度。但在采用该方法作业时,宜设法设置联测其它点作为检核条件,以保证成果的可靠性。