长距离跨海高程传递测量在人工岛建设工程中的应用

王雪帆 广州市吉华勘测股份有限公司

单丹 中交广州航道局有限公司

海洋面积约占地球面积的71%，随着社会发展和人类科技的进步，“向海图强、向海而兴”已上升为国家战略，成为国策，开发利用海洋资源成为未来可持续发展的必由之路。沿海经济发达地区的土地资源、岸线资源供需日趋紧张，适合港口建设的优良岸线也基本开发完毕，海岛资源的开发、人工岛的建设越来越受到认可和重视。随着科技的发展、工程技术的进步、以及对海洋认识的不断深入，海上人工岛建设在生态环保、功能与规模、建设期和建成后的规划、测量监测研究是十分必要的。长距离跨海高程传递问题，长期以来都受到众多测绘科技工作者，特别是从事海洋大地测量学技术人员和研究人员的普遍关注，因此，从项目前期研究并解决该技术难题，具有较高价值和实际意义。

1.测区概况

海口湾南海明珠人工岛工程位于海口市西海岸，规划距离新国宾馆以北距海岸线约2.8Km处。项目在一期人工岛的基础上，扩大陆域面积为213.4公顷。测区属于热带海洋气候，年平均气温为24.1°C，各月均有降水，常风向为东北风，海口湾的潮汐属于不规则日潮混合潮，潮汐不等现象显著。根据《海口西填海工程波浪整体数学模型研究》结论，波浪绕射作用明显，在岛后方形成波影区，位于迎浪面的代表点，规划实施前后各向浪高变化很小，绝对变化多小于0.15m，相对变化多小于10%。

根据工程施工需要和现场水文特征，在收集并验证现有城市测量控制点基础上，进行了测量控制方案设计，向离岸海侧人工岛进行了跨海高程传递测量工作，将高程基准传递至人工岛测量工作点。

2.基本方法及原理

目前，跨海高程基准传递的方法有静力水准法、动力水准法、GΝSS水准法及常规大地测量法4种[1]。静力水准法是基于连通器原理，采用连通管的方式进行高程传递，因传递距离较长，在理想状态下还需要同时考虑气压差、水压差、密度差等因素对平衡的影响，操作复杂，且价格昂贵；动力水准法就是通常所说的验潮法，又称海洋动力学法，需要同时、同步在岛（礁）和岸侧进行较长时序连续、多次的潮位观测，虽操作简单，但容易受水文气象和海面地形差异影响；GΝSS水准法是利用大地高差与大地水准面差距离之差传递高程基准，该方法大地高由GΝSS确定，与水准高相差一个似大地水准面高。在求得高精度似大地水准面高相对差值，由下列公式便能求得相应精度的水准高差：

式（1）中，ΔΗ为大地高差；Δh为水准高差；ΔΝ为似大地水准面高差。

常规大地测量法有精密水准测量和三角高程测量两种，精密水准测量无法实现长距离高程传递，三角高程测量精度虽略低于水准测量，在能满足规范中相关要求条件下，在地形测量和工程测量中应用广泛。

3.控制网设计

根据已有资料情况和现场踏勘情况，决定采用动力水准法和常规大地测量法中的三角高程法来实施高程传递测量，并对两种方法进行对比和分析。该人工岛设计图呈“八卦”形，测区陆域形成区域呈“海马”状，形成孤立海岛状，经过现场踏勘，在“海马”脊背处选择视线条件、基础条件好的位置埋设高程控制点，同时建立动力水准观测点（站）。

4.三角高程测量法

实施三角高程控制测量中，由于距离较长，必须考虑地球弯曲和大气折光影响。通常把地球弯曲和大气折光对高差的影响分别成为“球差”和“气差”，简称“两差”，两差的综合改正称为“两差改正”。

因地球曲率和大气折光现象的存在，在三角高程测量中不可避免的受到“球差”和“气差”影响，随着“站点”和“观测点”距离不断增加，“球差”和“气差”对所测高差的影响也越来越大，而减小“球差”和“气差”对三角高程测量影响的最好方法是采取“双向观测”，即选取两点，分别设站，两台仪器相互观测竖角；若条件不满足时，只有一台仪器，可采取“单台对向观测”，往返测平均值测回间离散度得到改善[3]；同时宜多次往返观测，并选择气象变化不大的时段进行观测，减弱大气折光的影响，提高三角高程测量的高差精度。采用同一台仪器对向观测，其系统误差的主要来源是两测点在观测时折光差系数之差的影响，这种影响和双向观测时间间隔的长短，观测时天气的情况及视线的高度有关；时间间隔越短，天气状况越稳定，视线高度越高越有利[2]。

具体实施情况，如图3所示。具体方法：仪器置于1点，仪器高度为I1。2为照准点，砚标高度为V1，R为参考椭球面上1'2'的曲率半径。1A、GB分别为过1点和G点的水准面。GC是GB在B点的切线，GC为光程曲线。当位于G点的望远镜指向与GD相切的GE方向时，由于大气折光的影响，由D点出射的光线正好落在望远镜的横丝上。这就是说仪器置于1'点测得GE间的垂直角为a12。

由图3可明显地看出，1’号、2’号两地面点间的高差为：

式（2）中，AB为仪器高I1，D2为照准点的觇标高度V2；而CB和ED分别为地球曲率和折光影响。由于

K称为大气垂直折光系数。

由于1'、2'两点之间的水平距离S0与曲率半径R 之比值很小（当S0=3k m 时，S0所对的圆心角非常小），故可认为PC近似垂直于OM，即认为∠GCE=90°，这样DG/CE可视为直角三角形。则（2）式中的EC为：

将各项代入（5）式，则A、B两地面点的高差为：

式（6）中就是单向观测计算高差的基本公式。式（6）中垂直角a12，仪器高i和觇标高v，均可由外业观测得到。S0为实测的水平距离。在实际操作工程中转化为斜距及以下公式：

由图3几何关系可得：

4.1 对向观测精度分析

直觇观测公式：

反觇观测公式：

式（11）中表明：三角高程采用双向观测法在气象条件稳定时可以不考虑地球曲率及大气折光的影响,与单台对向观测法比较有明显的优势。因此，单台对向观测法在往返观测时可以将棱镜高度设个定值，这式中可以表示为：

4.2 单台仪器对向观测精度

如图2所示，L1、L2至GPS4的距离分别是2.8km和3.3km,视线距离海面的高差为3～5m，通过测量L1与GPS4、L2与GPS4的高差，采用四等水准的方法测量L1与L2两点的高差形成闭合环路。

L1、L2为已知点，L1高程为4.972m，L2高程为3.724m。采用四等附和水准测量对L1-L2高差进行校核。L1-GPS4;L2-GPS4采用三角高程测量，对向观测有效观测达到8个测回，以8测回平均值为观测结果。

L2-GPS4：

高差互查=0.053<40√D=40＊√2.8=0.067

L1-GPS4：

高差互查=0.064<40√D=40＊√3.3=0.073。

附和线路L2-L1闭合差=4.972-3.724-(1.978-0.741)=0.007<20√D=0.049

=2.83mm<10mm(四等水准)

表1 高差观测数据

经过平差计算得出高程GPS4=5.708m。

4.3 影响因素分析

采用单台全站仪固定觇标高度对向观测的方法，主要影响因素体现在以下方面：

1）仪器标称精度因素。测距精度和竖直角观测精度对观测结果的影响。

2）大气折光系数K 对测量精度的影响。垂直折光是一个与测量时的气象条件、观测时视线高度、视线经过处地表条件相关的量。垂直折光对竖直角影响的最好情况为1''～2'',近地表处的K值变化范围为-1～+1之间[2]。

3)“球差”对测量精度的影响。当采用单台对向观测时其值与观测点位跨度成正比，本工程中其值为0.4mm;采用对向观测时该系统误差可以抵消，忽略不计。

4)“球差”使所测高差减小，“气差”使所测高差增大。因此，在实施中应进行“加入‘球差’减去‘气差’”的改正，即“两差改正”。

5)量取仪器高、觇标高对测量精度的影响。观测前多次、不同角度量取仪器高、觇标高，且每次量取精度不低于1mm,取三次观测值的均值为结果，多次观测互差不大于2mm。同时在操作工程中可固定棱镜高，当对向观测时其值可以抵消。

5.动力水准法

动力水准法即验潮法，根据陆海潮汐一致的性质，实现跨海高程基准的传递。短时验潮法，近似的认为在一定海域范围内，同一时间内海域各位置平均海平面时相同的，同时、同步在陆岸、海侧进行验潮并记录水尺零点与验潮水准点的水准观测高差，即可实现陆海高程传递，该方法适用于水面开阔，潮差较小，宜选平潮期间观测。

实施过程中，在新国宾馆码头和人工岛一期工程设置A、B两验潮点，两处验潮点间距2.8km。由于人工岛一期的阻挡，两验潮点间涨落潮存在一定的时间差，故选择只在高低平潮期进行观测，取4次观测的值的平均值为A、B两点的高差。由于采用人工验潮的方法，选择在海面比较平静、涌浪较小的平潮期进行观测，尽量减小读数误差。

根据表2、表3、表4三个观测时段水位观测表统计：最大高差值为1.38m，最小高差为1.35m，高差互差为0.03m，满足《水运工程测量规范》（JTS131-2012）中跨水面高程测量高低潮法推算高差互差限差0.04m的要求。

表2 观测时段1

表3 观测时段2

表4 观测时段3

表5 三角高程法内符合精度检查结果

表6 动力水准法内符合精度检查结果

以各组高低潮平均值推算高差的平均值，最终推算求得水位点GC1与GC2高差为-1.37m。

L2=3.724m

GC1=3.724-0.766=2.958m

GC2=GC1+1.37=4.328m

GPS4=GC2+1.379=5.707m

由以上两小节比对可知，采用三角高程对向观测与验潮法高程传递所得结果一致（相差1mm），且两种方法精度都较高，满足工程施工需要。

6.内符合精度检查

内符合精度，是指仪器多次测量对比的较差，通常使用RMS值的大小来评价其内符合精度，越小越稳定。

7.结语

本文介绍了对向观测三角高程测量和高低潮验潮法两种高程传递的方法在工程中的运用，着重讨论了三角高程测量。对传递结果进行了精度评价，且两种方法的精度都满足规范要求，表明两种方法传递的高程基准都可以满足工程建设的需要。但在工程实际操作过程中需注意对向观测三角高程测量适宜用于测区天气状况良好、空气能见度高、温度稳定的情况下，选用高精度仪器，测量效率明显高于验潮法，选用验潮法最好选择在高低平潮期观测，有助于避免读数误差，同时在超远距离采用验潮法时需注意潮时差的影响。