全站仪在桥梁高程控制测量中的应用及精度分析

【摘要】本文论述桥梁高程控制测量的原理、设计方案、观测精度和精度分析等问题的基础上，依据跨河水准测量的特点，利用全站仪完成了高程控制网中的跨河水准测量，最后估算了跨河测距三角高程的精度。

【关键词】桥梁高程控制网；跨河水准；测距三角高程；全站仪

中图分类号：K928.78文献标识码： A 文章编号：

大型桥梁施工当中，特别是在一些地形特别复杂的地区，因为水气、温度、长距离、障碍等地理环境因素的影响，构筑物的高程控制是一个既难以解决又不得不重视难点，一直难以达到理想的范畴。但随着科学技术的进步，一些新设备的应用，使得这个问题得到了突破性的进步，取得了较好地解决效果。

运用经纬仪倾角法和倾斜螺旋法等传统光学测量方法，具有受气候影响大、受仪器自身精度和人员瞄准误差影响大、测量时间长等缺点，因此大型桥梁的高程控制必须采用高精度的水准测量完成。高程控制测量通常采用测距三角高程法，其基本原理是采用测距三角高程求高差的原理，用因瓦合金标尺加特制的觇板代替传统的三角高程测量中的三脚架加觇标的照准标志，以精确地获取站标的高度并利于经纬仪照准，以跨河水准的方法联测两岸的控制点高程，以指定的精度等级将本岸的高程传递到对岸，它在桥梁高程控制测量中具有重要意义。为了消除测站的仪器高误差，两岸同时对向观测。

电子型全站仪具有数据处理自动化、测量精度高、测量速度快、基本不受施工干扰等优点。尤其是笔者在桥梁施工中选用的TCA2003全站仪，具有高度自动化伺服马达驱动自动照准、CCD视频相机及测角、测边精度高等，在精密工程测量、变形监测、几乎是无容许限差的机械引导控制等应用领域中无可匹敌。一测回方向中误差为±0.5"，电子度盘的分辨率为0.1"，测距精度是±（1mm+1ppmm*D，D的单位千米）。被广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。采用全站仪代替传统的经纬仪倾角法和倾斜螺旋法进行测距三角高程跨河水准测量，在桥梁跨河水准测量中被广泛应用。

测距三角高程跨河水准测量的基本原理。

在跨度1.5～3Km的跨河水准测量中，最常用的方法测距三角高程法。这种方法允许河流两岸有一定的高差，对场地要求不高。根据跨河水准测量的特点，为保证精度要求，跨河地点的选择及其布设应尽可能完善以减弱各种误差的影响。跨河地点应尽量选择在路线附近河道的最狭窄处，以减弱折光差的影响，要求两岸地形尽量相似，高差要小，视线离开水面要有足够的高度，一般不应小于2～3m，还应避免从草丛和河滩的上方通过。跨河水准点应构成对称的图形，在施工工程中通常用大地四边形、等腰梯形、“Z”字形等。本文特意采用大地四边形作为跨河水准测量控制网。

平行四边形、等腰梯形及“Z”形，其中a、b为两时架设的全站仪，c、d两处位置是附带觇板的因瓦合金标尺，要求S1=S2，d1=d2，最好用两台仪器在两岸同时对向观测。这样布设和观测的基本目的是：使各种误差对两岸观测结果的影响大小接近，符号相反，这样在两岸观测结果的平均值可以予以较好的消除。在a处分别照准c、d两处的觇标，由三角高程测量的原理可以得到ac、ad的高差hac，had，利用闭合环acd的闭合条件，可以得到cd两点之间的高差hcd1。通过计算，消除了仪器量高所导致的误差，a、b两处的仪器高不再包含。同理，在b处也可以得到cd两点间的高差hcd1。在跨河水准测量前后，应分别以二等水准的方法观测，ac、bd间的高差，以检测同岸的点间是否发生沉降或变形，若能与第三点连测，效果会更好。

二、测距三角高程跨河水准测量的实施情况。

在跨河水准测量中，选取河边a、b、c、d四点，构成大地四边形，距离河水约5～10米，跨河的视线长度为6百米左右，同岸点间的距离约为10。图形中3个独立的闭合环由6条边组成，边长需多次测量，每次测4个测回。同时，要求控制观测值误差：垂直角指标差及同一标志垂直角的互差要小于8"、4"，同时进行两岸对向对测，观测2个测回，每测回观测四组，上、下午观测，具体观测指标如下表。

全站仪实施跨河水准观测的具体过程如下：

1）开始观测前，应详细记录时间、天气、气压、温度、湿度和成像效果等因素；

2）a、b两点设全站仪，c、d两点设标尺，分别对近标尺和远标尺进行同时观测；观测完成后，将b点的仪器移到d点，重复上述观测过程；然后再将a点的仪器移到c点，重复观测过程；再将d点的仪器移回b点，仍重复上述观测过程。以上工作最好在上午完成。

3）将两岸的人员和仪器对调，c、d设仪器，a、b设标尺，重复1的过程；

4）在对称的时间内重复1、2的过程，但仪器交换次序也应对调；

5）观测前后应测量ad、ab、cd、db的边长，往返测各测5测回取平均值。以上过程根据测量精度要求，可以进行多个时段测量。在全站仪实施跨河水准测量的过程中，照准标尺上某一整数分划（之所以取整数，完全是为了计算、读数和照准的方便），若情况许可应在垂直角为90°的附近寻找，垂直角差最佳为小于1°。

三、测距三角高程跨河水准测量计算公式及精度分析。

在跨河水准计算中，往、返测高差使用公式计算，计算后分别取中数。计算时要考虑到是同时对向观测，可不计算二差改正，也可用对向观测公式直接计算高差，计算公式为：

在两岸标尺上，觇板位置是放在同一位置（如2米处），L1=L2，所以上式又为：

对向观测的中误差为：

在测量中，各项误差具体分析情况：

1）测距中误差mD。水准测量各跨河测站点间的距离用TCA2003全站仪观测，mD=1mm+1*106D，跨河边长在400米左右时，mD则为1.4毫米。测距误差的影响m′与垂直角的大小有关，在对向观测高差误差中不是主要的影响因素。

2）垂直角观测中误差。使用TCA2003观测，取=±0.5″,垂直角观测中误差的影响与D的长短有关，在对向观测高差误差中是主要的一项误差,当边长为1000米时,可达1.71mm。具体操作程序为：垂直角按中丝法对向观测，每个跨河处观测4个时段，每时段观测2组，每组盘左盘右位置各照准觇板标志4次。

3）仪器测高中误差mi。测站仪器高是在测站点通过经纬仪观测水平视线在近标尺点上的标尺读数，通过两点间的已测水准高差进行计算, 取mi=±0.1mm，通过跨河4条边的边长和垂直角测量计算高差,4条边的高差经平差计算，最终得一处跨河水准的高

差。其高差中误差，以2倍中误差作为限差，与一等水准限差比较，。用各项中误差的取值和的算式，计算不同垂直角和边长的跨河水准(对向观测)高差的精度情况和一等水准测量限差。

通过上面分析可以发现，三角高程法跨河水准测量与三角高程测量有一个重要的共同点，就是高差中误差随垂直角增大而增大的量甚小,而随边长D的增大而增大的量较大，边长从200～1200m，中误差增大1.7mm；垂直角从1°～20°,中误差值增大0.2mm，边长是影响该方法测量精度的主要因素。大量数据表明，使用上列同等精度的仪器，同样的施测方法，测距三角高程法一等跨河水准测量边长宜控制在1000m以内。

四、结语。

全站仪的三角高程测量能够提供高精度的角度和距离测量，在多数情况下可以代替传统的水准测量进行高程控制测量或施工测量。在高差测量中，要尽量控制竖直角和观测距离在一定范围内。同时，当视线距离较小时，仪器高和棱镜高量测误差是全站仪三角高程的主要误差，可以采用适宜的测量技巧，这样会有利于高差精度的提高。

参考文献：

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