王 曉 平

(上海市測(cè)繪院，上?！?00063)

1　概述

隨著水下資源的不斷開發(fā)，建筑物、構(gòu)筑物等除了從陸地向天空發(fā)展之外也開始往水下發(fā)展，水下需要精確定位的方面也越來(lái)越多。河道一般采用RTK加測(cè)深桿和測(cè)深錘的方法，水下地形測(cè)量方法一般有RTK、回聲測(cè)速儀配合驗(yàn)潮站進(jìn)行水位改正模式，也有無(wú)驗(yàn)潮站測(cè)水深的方式。

水下點(diǎn)位的精確測(cè)量一般海洋水下工程公司做得比較多，在碼頭建設(shè)等方面需求廣泛，一般也都需要施工來(lái)配合測(cè)量，否則測(cè)量工作難以開展，比較常見的測(cè)量?jī)x器設(shè)備還是高精度全站儀、GPS-RTK、鋼尺等。最傳統(tǒng)的方式還是利用測(cè)深桿、鋼尺等進(jìn)行測(cè)量，但安全、精度、工作強(qiáng)度和工作量都會(huì)受到很大的挑戰(zhàn)。本文將從一個(gè)碼頭基建項(xiàng)目的水下點(diǎn)位三維坐標(biāo)精準(zhǔn)測(cè)量介紹一種利用幾何關(guān)系來(lái)測(cè)量和計(jì)算的方法。

2　水下三維坐標(biāo)精確測(cè)定的難點(diǎn)

項(xiàng)目位于廣州市黃浦區(qū)東南部珠江口內(nèi)的北岸，需要對(duì)其布設(shè)于水下的探頭孔位坐標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)量。水下孔位分布于東西長(zhǎng)160 m，南北寬20 m范圍內(nèi)的水下。

其中縱向有40條軸線，橫向有7條軸線，共280個(gè)孔位。水深在落潮時(shí)約14 m～15 m，測(cè)區(qū)內(nèi)每12 h漲落潮一次，最高潮位與最低潮位相差約5 m。需要測(cè)量水下探頭孔位的三維坐標(biāo)，坐標(biāo)精度要求為±5 cm。

待測(cè)點(diǎn)位全部位于水下，無(wú)法直接目視或接觸，使用常規(guī)的測(cè)量手段便捷地獲得大量點(diǎn)位的精確坐標(biāo)?；A(chǔ)施工的時(shí)候也有誤差，水下點(diǎn)位也不在一個(gè)平面上。

3　測(cè)量方法上的創(chuàng)新

3.1　方法設(shè)想

針對(duì)本測(cè)區(qū)的特點(diǎn)和難點(diǎn)，主要思路還是想通過測(cè)量位于水面上的2點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)推算水下點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，水面上的測(cè)量容易保證精度，水面上的點(diǎn)和水面下的點(diǎn)發(fā)生聯(lián)系也不難，但這種關(guān)系必須要是穩(wěn)定、可靠而且可量算的。

因?yàn)槭┕r(shí)為了后期的方便就在一些孔位上拉了硬度較好的鋼絲，而且在孔位上扣鋼絲的設(shè)備非常便捷，于是用有定長(zhǎng)刻度的鋼絲扣在每一個(gè)水下孔上，刻度必須保證延伸出水面，一般設(shè)計(jì)在25 m左右，比水深大10 m以上。這樣在鋼絲上掛兩個(gè)棱鏡，一個(gè)棱鏡掛在刻度位置，利用空間幾何的原理推算出直線方程，根據(jù)鋼絲長(zhǎng)度就可以算出鋼絲末端的坐標(biāo)，即孔位的三維坐標(biāo)，就這樣，非接觸的間接測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)目的，并達(dá)到精度要求。

3.2　設(shè)備和軟件考量

要保證水面以上的測(cè)量精度，能高盡量高，且考慮到環(huán)境的復(fù)雜性，需要儀器有迅速捕捉和自動(dòng)觀測(cè)的能力。考慮到觀測(cè)的時(shí)效和同一根鋼絲兩個(gè)棱鏡對(duì)直線推導(dǎo)的關(guān)聯(lián)性，因?yàn)榇嬖阡摻z晃動(dòng)，所以要求兩臺(tái)全站儀分別對(duì)各自的目標(biāo)點(diǎn)位同時(shí)觀測(cè)，以保證水下點(diǎn)位的坐標(biāo)盡可能少受鋼絲繩的晃動(dòng)帶來(lái)的時(shí)間差影響。用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)控制2臺(tái)智能全站儀進(jìn)行同步觀測(cè)，并迅速對(duì)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)做出判斷并剔除不滿足條件的成果。

專門制作可在水面上縱向滑動(dòng)的測(cè)量輔助裝置，測(cè)量時(shí)需要在該裝置上固定一根裝有五組三面反射片的鋼絲繩，并且需要保證鋼絲繩在測(cè)量時(shí)處于嚴(yán)格伸直的狀態(tài)并盡可能減少鋼絲繩的晃動(dòng)量。

4　測(cè)量的具體流程設(shè)計(jì)與實(shí)施

水下點(diǎn)位坐標(biāo)測(cè)量的主要流程為：

實(shí)際上，甘肅道地中藏醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)較好，部分產(chǎn)地企業(yè)已經(jīng)具有醫(yī)藥基礎(chǔ)研究和醫(yī)藥專利，但專利自用率不高，專利閑置較多，專利發(fā)展規(guī)劃缺乏[13]，這更加證明，以高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)、研發(fā)周期長(zhǎng)為特征的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)，必須向經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)和專業(yè)智力密集的地區(qū)聚集，而蘭州生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)基地的發(fā)展確實(shí)有條件擔(dān)當(dāng)這一使命。因此，一方面要充分利用甘肅道地中、藏醫(yī)藥資源優(yōu)勢(shì)，以好藥材保證好藥品；另一方面要進(jìn)一步增強(qiáng)與國(guó)內(nèi)外知名醫(yī)藥企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的聯(lián)合協(xié)作，在區(qū)域性大尺度空間逐步形成從道地中、藏醫(yī)藥資源產(chǎn)地到醫(yī)藥產(chǎn)品市場(chǎng)的覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的廣泛聯(lián)動(dòng)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)。

在已建碼頭上建立設(shè)站(圖1中測(cè)站1，測(cè)站2，測(cè)站的三維坐標(biāo)已知)。

鋼絲按一定比例線段安裝目標(biāo)點(diǎn)(圖1中的P1上，P2下)，P1安裝在鋼絲固定刻度上。

兩臺(tái)全站儀同時(shí)測(cè)量P1，P2的三維坐標(biāo)，求解(實(shí)時(shí))水下安裝定位點(diǎn)P點(diǎn)三維坐標(biāo)。

移動(dòng)引張鋼絲，P1，P2測(cè)量三組坐標(biāo)，求解三次水下定位點(diǎn)坐標(biāo)，最后，用三次坐標(biāo)值解取其算術(shù)平均值，中間有粗差或者某1個(gè)超過平均值±2.5 cm的，則加測(cè)，以最終平均值作為水下安裝定位點(diǎn)P點(diǎn)三維坐標(biāo)(X，Y，H)。

圖1中(P1上和P下連線)是在待安裝探頭井中點(diǎn)上固定并引一根強(qiáng)度高的鋼絲；鋼絲從水下向水面引張。

5　精度控制和質(zhì)量保證

5.1　精度控制措施

為了保證精度提升數(shù)據(jù)的可靠性，觀測(cè)過程中做了大量的改進(jìn)以做到精度保證：

兩臺(tái)全站儀同時(shí)觀測(cè)，以消除儀器測(cè)量時(shí)的前后時(shí)差，減小風(fēng)力的影響，確保觀測(cè)的上下兩個(gè)反射片和水下待測(cè)點(diǎn)始終在一條直線上；

在全站儀內(nèi)設(shè)置好測(cè)量模式，每一組數(shù)據(jù)都要測(cè)量三次然后取平均值，如果其中一次的數(shù)據(jù)相差較大則要重新測(cè)量，直至三次測(cè)量的結(jié)果相差較小后才計(jì)算保存為最后的結(jié)果；

每一個(gè)水下的待測(cè)點(diǎn)觀測(cè)三組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的空間直線方程不同，即水下的待測(cè)點(diǎn)保持不動(dòng)而將鋼絲繩上端分別掛在不同的三個(gè)滑輪上，盡量垂直以減少水流影響。三組數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果相互之間的差別不能超過本次項(xiàng)目限差要求；

為了減小上下兩段的比例誤差，盡可能把上段兩個(gè)反射片的距離加大，這樣就可以將上下兩段的比值提高，使直線方程更精確，從而提高測(cè)量精度。

在測(cè)量的過程中每天均需復(fù)測(cè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，以檢查控制點(diǎn)是否有位移，也可增加自由設(shè)站模式，減少對(duì)點(diǎn)誤差(因?yàn)闆]造觀測(cè)墩)，用5個(gè)～6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行后方交會(huì)，剔除粗差后得到測(cè)站坐標(biāo)，再以其中一個(gè)加密控制點(diǎn)為后視進(jìn)行觀測(cè)。

5.2　其他質(zhì)量保證措施

固定測(cè)量人員和儀器以盡可能減少誤差，固定時(shí)間段按基本相同的路線，以減少溫度、濕度的影響，用相同的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，以減少不同方法間的系統(tǒng)誤差。

儀器除了法定計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)合格并在有效期內(nèi)方可使用，在每天測(cè)量之前均應(yīng)對(duì)所使用的儀器進(jìn)行自檢，并詳細(xì)記錄自檢情況。

對(duì)棱鏡安裝位置和鋼絲保持常態(tài)化檢查，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)、測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)措施，避免受到施工影響。

6　比較與結(jié)論

進(jìn)行抽檢，部分復(fù)檢和校核成果如表1所示。

表1　抽檢坐標(biāo)對(duì)比表

表1表明，這種方法能夠精確測(cè)定水下建(構(gòu))筑物的三維坐標(biāo)，能夠保證坐標(biāo)在±5 cm的限差內(nèi)。