陳艷君 張勇飛

【摘要】本文以武廣鐵路客運(yùn)專線高程控制網(wǎng)測量為例，主要介紹了三角高程測量的原理、對外業(yè)觀測方法及內(nèi)業(yè)計算方法進(jìn)行了探討，并就影響精度中的主要因素進(jìn)行了分析。結(jié)合在鐵路客運(yùn)專線控制網(wǎng)中的實(shí)踐，分析了應(yīng)用TCA2003 全站儀在三角高程測量精度及其替代二等水準(zhǔn)測量的可行性和可靠性，給出了智能全站儀精密三角高程測量替代二等幾何水準(zhǔn)測量的條件、減弱誤差的方法及提高精度的措施等。

【關(guān)鍵字】鐵路客運(yùn)專線；全站儀；精密三角高程法；二等水準(zhǔn)測量；研究

在鐵路客運(yùn)專線高程控制網(wǎng)測量過程中，需要有效利用歷史與現(xiàn)實(shí)成果資料，利用GPS 技術(shù)手段，將鐵路客運(yùn)專線測量控制成果有機(jī)梳理整合，建立鐵路客運(yùn)專線精密水準(zhǔn)網(wǎng)，并為鐵路客運(yùn)專線的地面沉降觀測設(shè)立沉降觀測基準(zhǔn)點(diǎn)及觀測初始值，同時為精化鐵路客運(yùn)專線大地水準(zhǔn)面模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對于不便水準(zhǔn)聯(lián)測的點(diǎn)位，（設(shè)置于山頭、房頂?shù)腉PS 點(diǎn)），確系要求連測三等高程時，采用精密三角高程的方法。

1、TCA2003全站儀

TCA2003全站儀是目前智能全站儀中的一款先進(jìn)設(shè)備（測角標(biāo)準(zhǔn)偏差0.5”；測距標(biāo)準(zhǔn)偏差1mm+1ppm；搜索標(biāo)準(zhǔn)偏差（200m范圍）1mm），主要功能及特點(diǎn)：①在一般條件下，單棱鏡可達(dá)2500m。②垂直軸裝有激光對點(diǎn)器，投在地面上的紅色激光點(diǎn)使儀器對中更加容易。③采用電子氣泡精確整平儀器，將用圖形和數(shù)字顯示垂直軸的縱、橫向傾斜量。④內(nèi)置的ATR 與望遠(yuǎn)鏡同軸安裝，并向目標(biāo)發(fā)射激光束，返回的激光束被儀器中的CCD 相機(jī)捕獲從而計算出反射光點(diǎn)中心的位置，驅(qū)動馬達(dá)步進(jìn)到棱鏡中心位置，并對水平角和垂直角進(jìn)行改正有效提高測距及測角精度.⑤具有馬達(dá)驅(qū)動，自動跟蹤、自動目標(biāo)識別（ATR）功能，可以實(shí)現(xiàn)測量的全自動化，集自動目標(biāo)識別、自動照準(zhǔn)、自動測角、自動測距、自動跟蹤目標(biāo)、自動記錄于一體的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動尋找并精確照準(zhǔn)目標(biāo)，在1 秒內(nèi)完成一目標(biāo)點(diǎn)的觀測，配合內(nèi)處理軟件，可以實(shí)現(xiàn)測量的內(nèi)外業(yè)一體化、全自動化?？傊甌CA2003 完全能達(dá)到三等水準(zhǔn)測量要求。

2、三角高程測量法

三角高程測量的基本思想是根據(jù)由測站向照準(zhǔn)點(diǎn)所測的垂直角（或天頂距）和它們之間的距離，計算測站點(diǎn)和照準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差。傳統(tǒng)方法也就是指的用經(jīng)緯儀進(jìn)行的三角高程測量方法。設(shè)A、B 為地面上的任意兩點(diǎn)，已知A 點(diǎn)的高程為HA，只要測量出A、B 兩點(diǎn)間的高差hAB，hAB=Stga+i-v 即可由公式HB=HA+hAB 得到B 點(diǎn)的高程HB。

在實(shí)際測量中三角高程（電磁波測距三角高程）通常是利用在測站上觀測目標(biāo)的垂直角a、距離S（改正后斜距）以及量取的儀器高i、覘牌高v 及球氣差f 計算，計算出它們的高差h。，h=S×sina+i-v+f ，（ 其中f=（ 1-k）（S×cosa）2/（2R））。即h =S.sinα+（1-k）（S.cosα）2/（2R）+i-v（大氣折光系數(shù)K，測區(qū)平均地球曲率半徑R）為了提高所測高差精度，通常都取兩點(diǎn)之間的對向觀測平均值h 平=（（S1×sina1+i1-v1+f1-（S2×sina2+i2-v2+f2））/2。

3、誤差估算

從上式可以看出影響高差h 的精度有測距邊S、垂直角a、儀器高i、覘牌高v、球氣差影響f。

3.1 測距邊、儀器高誤差

采用高精度全站儀測距精度（經(jīng)加常數(shù)、乘常數(shù)及氣象改正后斜距）能夠達(dá)到毫米級，對向觀測的S 邊相差毫米級，對h 毫米級的精度產(chǎn)生影響很小，可以對S 的誤差可不計。V、i 是直接量取的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際測量經(jīng)驗(yàn)，儀器高和棱鏡高在用經(jīng)過檢驗(yàn)的量桿在觀測前后各量測兩次，觀測前后量取的數(shù)據(jù)較差不大于2mm，取中數(shù)后觀測前后中數(shù)較差不大于1mm，測量前后中數(shù)的中誤差能夠保證1mm 精度。

3.2 垂直角誤差

影響精度的主要誤差是垂直角的測定誤差；如果采用高精度的全站儀，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤照準(zhǔn)（采用TCA2003 全站儀具有自動目標(biāo)識別（ATR）功能），可提高垂直角觀測精度。

3.3 球氣差

球氣差影響主要是確定K 值和R 值。R 值對一個測區(qū)來說是一個常數(shù)；K 可根據(jù)大量的三角高程測量數(shù)據(jù)中推算出來，然后取平均值。一般取經(jīng)驗(yàn)值0.11。

由于空氣密度變化不均勻，觀測視線產(chǎn)生折射。此時視線呈正弦變化，對向觀測的垂直角都是向大或小變化，取中數(shù)也不能完全消除折光的影響。因此在觀測中應(yīng)采取以下措施：①應(yīng)盡可能提高觀測視線高度。②選擇陰天微風(fēng)的天氣情況下觀測，并盡可能在9 時至15 時之間觀測。③采用專用測角覘牌并適當(dāng)增加觀測測回數(shù)，垂直角觀測采用中絲法對向觀測。④應(yīng)盡量在上下坡時縮短測距邊，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)測距邊不應(yīng)超過800m。

4、武廣鐵路客運(yùn)專線測繪中作業(yè)步驟及計算方法

4.1 作業(yè)方法

控制網(wǎng)中有九處三角高程測量，采用TCA2003 全站儀測量（標(biāo)稱精度0.5”±（1+1ppm）。執(zhí)行《三、四導(dǎo)線測量規(guī)范》CH/T2007-2001 規(guī)范的技術(shù)要求。設(shè)計精度為三等。連測GPS 點(diǎn)時，在水準(zhǔn)路線上該點(diǎn)的前后設(shè)置兩個臨時水準(zhǔn)點(diǎn)BM1、BM2。首先三等水準(zhǔn)直接測定BM1 到BM2 的直接高差，然后用三角高程測量BM1-GPS 點(diǎn)-BM2 間的高差，互差應(yīng)≤±8K。

4.2 技術(shù)要求

三等三角高程測量的視線傾角不應(yīng)超過10°，一般要求在5°之內(nèi)，視線長不應(yīng)超過600m，視線高度及離開障礙物的距離大于1.5m。前后視線長度較差小于20m，前后視線長度累積差小于40m。往返距離較差要小于2（a+b.D*10-6）。

三角高程測邊時要同步測量測站與鏡站的干濕溫及氣壓，測距3 個測回。采用通風(fēng)干濕溫度表及空盒氣壓表。溫度0.2℃，氣壓0.5mmHg（或50Pa）。一測站同時段觀測的始未，測距邊兩端的平均值。

垂直角觀測時要采用專用測角覘牌。垂直角觀測采用中絲法對向觀測，每一測回分別在盤左盤右兩位置照準(zhǔn)目標(biāo)，進(jìn)行兩次垂直度盤讀數(shù)。垂直角觀測技術(shù)要求見表1。三角高程高差進(jìn)行折光改正及地球曲率系統(tǒng)改正。

結(jié)束語

由于電磁波測距儀的快速發(fā)展，高精度智能化全站儀的出現(xiàn)，儀器無需人工操作，效率高。使測角和測距及照準(zhǔn)精度有了很大提高，根據(jù)實(shí)測表明，邊長在1KM 范圍內(nèi)，垂直角小于15°（地形條件允許的條件下，盡量降低視線垂直角），電磁波測距角高程完全可以代替二等水準(zhǔn)測量。解決了武廣鐵路客運(yùn)網(wǎng)中位于山頂及房頂上的點(diǎn)難以進(jìn)行直接二等水準(zhǔn)的問題。如果縮短邊長或提高垂直角的測定精度，還可以進(jìn)一步測定高差的精度。常規(guī)測量中，用三角高程測量代替二等水準(zhǔn)測量在理論上和實(shí)踐中是完全可行的，特別是在控制測量中布設(shè)高程網(wǎng)的同時，整體考慮組織實(shí)施三角高程測量，這樣可以大幅度提高作業(yè)效率。

參考資料

[1]孔祥明.控制測量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2011

[2]張正祿.工程測量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2010

[3]溫宇斌.建筑物沉降觀測的實(shí)踐及探討[J].測繪通報，2011