不稳定条件下远距离高精度跨海水准测量方法探索及实施

郭子珍，常建增，余成磊

(1. 河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003； 2. 中铁大桥局集团第五工程有限公司，江西 九江 332004；3. 徕卡测量系统贸易(北京)有限公司，上海 201203)



不稳定条件下远距离高精度跨海水准测量方法探索及实施

郭子珍1，常建增2，余成磊3

(1. 河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003； 2. 中铁大桥局集团第五工程有限公司，江西 九江 332004；3. 徕卡测量系统贸易(北京)有限公司，上海 201203)

一、项目概况

港珠澳大桥东接香港特别行政区，西接广东省珠海市和澳门特别行政区，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程。大桥全长约35.6 km，香港段长约6.0 km，粤港澳三地共同建设的主体工程长约29.6 km，跨海直线距离约27 km，沿工程设计中线建造了6个海上临时测量平台(如图1所示)。临时测量平台上的控制点与大桥两岸陆地的控制点共同构成了港珠澳大桥主体工程的施工测量控制网，并形成了需要进行跨海高程传递测量的15段二等跨海水准线路。这些水准线路长度介于0.3～6.4 km之间，跨距超过3 km的有6处，其中桥梁工程CB05标段靠近珠海市九洲港，涉及两段跨海水准线路，即九洲港码头—K33测量平台—K27测量平台，跨度分别约为2.3和6.3 km。

图1　海上临时测量平台

二、技术难点

相对于常规跨河水准，港珠澳大桥跨海水准有以下几个显著特点：

1) 点位不稳定。水准线路为连续跨海，多数跨海点布设在临时测量平台上，即便在平潮期，测量平台也会受风力、浪涌、船舶航行等因素影响，产生轻微晃动。

2) 视线跨距长。K33测量平台至K27测量平台跨距约6.3 km，远大于规范中3.5 km的最大跨距，也超出了一般全站仪的有效测程。

3) 精度要求高。工程要求高程控制网达到国家二等水准精度。

三、方案研究

结合测区实际情况及业主、设计单位、监理单位等各方意见，参照《国家一、二等水准测量规范》，本项目采取Leica GNSS与TS30全站仪相结合的三角高程法进行港珠澳大桥CB05标段K33平台与K27平台间的高程控制网复测，并针对其中的技术难点，对实施方案进行了专项设计。

1. 点位布设

在K27测量平台和K33测量平台上分别布设两个水准点(一个正式水准点、一个辅助水准点)，组成大地四边形，如图2所示。

图2　跨海水准点布设示意图

2. 距离获取

采用Leica GS10静态观测，数据处理后获得跨海点之间的水平距离。由于两个测量平台高出海平面的高度基本相等(俯仰角不超过±3′)，因此三角高程计算时，距离误差对最终高差的影响并不显著，通过LGO基线解算获得的跨海距离完全能够满足精度要求。

3. 垂直角观测

垂直角观测是整个跨海水准测量的重点和难点。

首先要解决远距离带来的通视和成像问题。海面上6.3 km的跨度内，影响通视的除了正常航行的船舶外，还有水汽、雾、云层及光照等陆上测量一般不会涉及的因素；同时为减少大气折光对观测视线的影响，需在夜里气象条件相对稳定的平潮期进行观测，用特制的跨海水准标志灯代替普通觇标，解决目标成像问题。

其次要应对测量平台晃动引起的瞄准和读数问题。一是被动选择在海面相对平静的平潮期进行观测；二是开发基于徕卡TS30测量机器人的跨海水准数据采集软件，实现瞄准、记录同步，并根据平台晃动幅度和周期设置数据采集数量及采样间隔，剔除粗差后求出的最或然值作为一次读数，从而削弱平台晃动带来的影响。

4. 系统误差的消除与减弱

除了距离误差，三角高程测量的误差源还包括照准误差、仪器量高误差、觇标量高误差、大气垂直折光误差、仪器本身带来的系统误差、观测人员操作习惯引起的系统误差等。

照准误差是与操作员技术水平、仪器本身精度及观测时的周围环境等多种因素有关的偶然误差，无法避免和消除，但可通过选用高精度仪器设备、提高操作人员的技术水平、选择合适的观测时段及增加多余观测等手段减弱其影响。在高精度三角高程测量中，应固定仪器高、觇标高或直接在计算中将其消除，避免引入因量高带来的误差。大气垂直折光误差是三角高程测量中的主要误差源，作业时通过对向同步观测的方法予以削弱，并且可以根据两跨海点与参考椭球中心组成的三角形内角和为180°这一约束条件，进一步削弱剩余折光差的影响。对于长距离的三角高程测量，由仪器本身结构和观测人员操作习惯引起的系统误差不容忽视，每个观测时段需要进行人员、设备的互调，以削弱此类误差的影响。

四、实测结果

根据上述设计方案，借助为本项目专门开发的全站仪机载跨海水准测量软件，严格按照《国家一、二等水准测量规范》的观测程序和要求，对港珠澳大桥CB05标段K33平台与K27平台间的高程控制网进行了70个双测回的观测。

规范中给出了两个检验观测成果内符合精度的指标，即每条边各单测回高差间互差限差dH限和用同一时段各条边高差计算的环线闭合差限差W，计算公式如下

(1)

(2)

式中，MΔ为每千米水准测量的偶然中误差限值，单位为毫米(mm)；N为双测回的测回数；s为跨河视线长度，单位为千米(km)；MW为每千米水准测量的全中误差限值，单位为毫米(mm)。

参照该方案，港珠澳大桥的各跨海水准测量线路都进行了专项设计，并取得了良好的测量成果，整体的海上贯通测量精度达到了国家二等水准测量要求。

五、结束语

GPS与全站仪相结合的三角高程法将距离和角度分开观测，较好地解决了全站仪测程不足的问题，同时缩短了每测回角度观测所需时间，对于确保对向观测同步和减弱大气垂直折光差十分有利。

通过专用机载软件，将稳定条件下先瞄准再记录的基于时间点的数据采集模式调整为瞄准、记录同步进行的基于时间段的数据采集模式，有效解决了不稳定条件下的读数问题。

实测结果达到了预期精度要求，对类似的长距离跨海水准测量具有一定的参考价值。

(本专栏由徕卡测量系统和本刊编辑部共同主办)

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