何建權(quán)，吳 垠，夏 煒

（1. 湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074）

在高精度似大地水準精化模型建設(shè)中，項目最大的野外工作量當屬二等水準測量。常規(guī)方案采用的電子水準測量作業(yè)，不僅需測量往返高差，還必須選擇硬化路線進行，而且受地理條件、氣象條件限制，尤其在地形起伏較大的高山地區(qū)，工作效率的提高受到了極大的限制。因此，精密三角高程測量方法成為高精度似大地水準精化模型建設(shè)項目的首選，武漢大學(xué)自2007年開始研究該項技術(shù)以來，通過多個項目的實踐，證實該精密三角高程測量方法已達到國家二等水準測量精度要求[1]。

1 精密三角高程測量的應(yīng)用

1.1 精密三角高程測量的原理

精密三角高程測量，采用的儀器為全自動高精度的全站儀，利用筆記本電腦通過藍牙與全站儀（機器人）連接，建立界面化的操作，進行自動化的精密三角高程測量工作。通過測定的斜邊與對應(yīng)的垂直角計算測站間高差向前傳遞高程，從而得到控制點間的高差及路程。精密三角高程測量一個測段的數(shù)據(jù)采集完整流程如圖1所示[2]。

圖1 精密三角高程測量測段數(shù)據(jù)采集流程圖

三角高程測量的計算公式為：

起止點設(shè)置相同的覘標高，采取主站、輔站對向觀測方式，各測站累積高差求和后，會自動消除i項和v項。同時，由于主站、輔站對向觀測，p項和r項各測站正負相抵后取均值改正，也可有效的削弱球氣差f項的影響[3-4]。

1.2 精密三角高程測量在實踐生產(chǎn)中的應(yīng)用

我院作為應(yīng)用的實踐單位，先后在3個測區(qū)使用了該項技術(shù)。測區(qū)1：在湖北省似大地水準面檢核項目中，歷時近22 d共完成68 km（設(shè)計路線約為200 km）的二等水準測量工作，經(jīng)過水準各項改正，平差計算后，二等精密三角高程測量每千米偶然中誤差為0.58 mm（≤±1.0 mm），每千米全中誤差為0.97 mm（≤±2.0 mm）。測區(qū)2：在恩施市似大地水準面精化項目中，歷時近2個月共完成1 613 km（設(shè)計路線約為2 400 km）的二等水準測量工作，經(jīng)過水準各項改正，平差計算后，統(tǒng)計出該項目二等水準控制網(wǎng)精度為：每千米偶然中誤差為0.44 mm（≤±1.0 mm）；每千米全中誤差為1.16 mm（≤±2.0 mm）。測區(qū)3：在宜張高速（五峰段）大型構(gòu)筑物控制測量項目中，歷時近30 d共完成224 km（設(shè)計路線約為400 km）的二等水準測量工作，經(jīng)過水準各項改正，平差計算后，經(jīng)統(tǒng)計其結(jié)果如表1所示。

表1 宜張高速大型構(gòu)筑物高程控制測量精度統(tǒng)計

3 個測區(qū)均位于湖北省高山地區(qū)，利用精密三角高程測量技術(shù)，不必考慮山地局部起伏特征，可實現(xiàn)沿山頭“跳躍”式單程往返測量，很大程度減小設(shè)計的測量里程，且測量精度均能達到二等水準測量規(guī)范要求[5]。通過應(yīng)用與實踐，充分展示了精密三角高程測量在山區(qū)水準測量項目的優(yōu)勢，從實踐證明了精密三角高程測量在理論上的可行性[6]，但在實際生產(chǎn)作業(yè)方面，還有較多需要改進的地方。

2 精密三角高程測量中需改進事項

2.1 硬件設(shè)施的使用及改進

1）全站儀的使用及改進。全站儀要求采用全自動高精度的全站儀，例如，徠卡TS60 或徠卡TS30等，標稱測角精度不大于0.5″ 。使用前必須在當時的氣溫、氣壓、濕度條件下進行各項校正。對于精密三角高程測量來說，i角、傾斜補償?shù)男Ｕ龢O其重要。做好檢校工作后，想要測出高精度的成果，在觀測時還必須時刻關(guān)注TPS（氣溫、氣壓、濕度）改正，只有這樣才能保證所測斜邊長度的精度（該精度直接決定高差精度）。根據(jù)以往經(jīng)驗，冬天、陰天氣溫、氣壓、濕度變化緩慢的時段，TPS 變化緩慢，儀器設(shè)置參數(shù)次數(shù)較少；夏天、晴天氣溫、氣壓、濕度變化顯著的時段，TPS 變化明顯，儀器設(shè)置參數(shù)次數(shù)較頻繁，甚至15 min重新設(shè)置一次，這樣可大幅度提高測邊精度。

2）反射三角棱鏡的使用及改進。精密三角高程測量中所采用的三棱鏡應(yīng)為與儀器配套的精密三角棱鏡，且高低棱鏡安裝在全站儀把手支架上時，必須保持水平，要設(shè)有與儀器把手一致的卡口，以避免支架安裝在儀器上時，高低棱鏡中心不在同一鉛垂線上或支架前后俯仰、左右傾斜。支架材質(zhì)要采用隨溫度變化膨脹系數(shù)較小的合金材質(zhì)，減小高低棱鏡互差常數(shù)變化，可有效避免系統(tǒng)累計誤差的產(chǎn)生。

2.2 野外觀測大氣環(huán)境的選取

精密三角高程測量有效的避免了人為的觀測誤差，但受到自然條件影響較大，尤其是氣溫、氣壓、濕度引起的垂直大氣折光對其觀測精度影響較大。如何減小和規(guī)避這些誤差，除了上述儀器需改進外，也需要作業(yè)人員合理操作來規(guī)避這些誤差。

1）選擇垂直大氣折光較小的天氣進行觀測。冬季比夏季氣溫低，溫差變化小，垂直大氣折光較??；陰天或多云比晴天溫差變化小，垂直大氣折光較?。淮箪F、雨雪天氣雖然溫差不大，但固體小顆粒影響紅外光波測距精度，不適合精密三角高程測量。

2）選擇垂直大氣折光較小的路線進行觀測。一般情況下，晴天作業(yè)時，硬化路面上氣浪較大，植被蔥郁的耕地或山谷上方氣浪較小，應(yīng)適當?shù)倪x擇合適路線，避開垂直大氣折光較大的路線進行精密三角高程測量[7]。

2.3 不同地理環(huán)境下的改進

1）一般在國道、省道上，車流量和噪聲較大，造成空氣流動不規(guī)則，大氣密度也很不均勻，直接影響測量的精度。為了避免和減弱這類影響，沿國道省道進行精密三角高程測量時，應(yīng)努力做到以下4 點：①設(shè)站位置要穩(wěn)固，切忌在涵洞、橋梁上設(shè)站，避免儀器震動造成的誤差；②設(shè)站盡量在公路同側(cè)，在通視條件允許下，盡量遠離公路，削弱氣流造成的大氣折光對測量精度的影響；③如果不能遠離道路，應(yīng)適當縮短測站距離，多設(shè)站，削弱大氣折光的影響；④精密三角高程測量的視線高度盡可能高于路面，切忌緊貼路面，可以有效削弱路面氣浪（尤其晴熱天氣）對測距精度和測角的影響。

2）由于隧道內(nèi)車流量較大、且空氣流動不規(guī)則、大氣密度不均勻、光線不足、氣溫氣壓濕度與外界不一致等原因，所以在隧道內(nèi)進行精密三角高程測量前要合理設(shè)計測量方案，減少測量的返工工作量：①在隧道兩出口端外面30 m 以內(nèi)各設(shè)定一個間歇點，主站觀測時可根據(jù)需要分別設(shè)置隧道外、隧道內(nèi)的不同TPS 改正參數(shù)；②選擇車流較小的時間段進行觀測，有效削弱車流造成的影響；③采用多個強光手電筒，分別從左右照射棱鏡鏡頭、全站儀鏡頭，盡量使補光均勻；④選擇陰天或小雨雪天氣進行隧道內(nèi)精密三角高程測量，此時隧道內(nèi)外氣溫、氣壓、濕度與外界最接近，空氣密度等最接近，可有效避免折光造成的誤差。

3）在進行跨河精密三角高程測量時，須嚴格控制測量邊長不超過1 000 m，否則就要繞道處理。跨河測量前，必須設(shè)置固定的間歇點，避開正午（晴天氣溫變化急速的下午14：00左右）大氣折光最大的時間段，適合選擇陰天、日出后0.5～1 h內(nèi)或日落前0.5～1 h內(nèi)進行觀測。觀測視線高度盡可能高出水面，可以減小水汽蒸發(fā)和波浪折光對測距精度和測角的影響。

4）穿越高壓輸電線或其他具有強磁場效應(yīng)地區(qū)進行精密三角高程測量時，全站儀測距時發(fā)射的紅外線（電磁波），會受到磁場干擾，長距離測量時無法通過棱鏡原路反射回來，即使偶爾反射回來，由于多次測距互差較大，精度也會超標。所以，在這種情況下，一定要堅持避開原則或者縮減原則，重新選擇觀測線路，避開高壓輸電線或其他具有強磁場效應(yīng)地區(qū)。當無法避開強磁場效應(yīng)地區(qū)時，采取多設(shè)站，減小測站之間距離的方法進行穿越，距離控制在50 m之內(nèi)，盡可能減少測回數(shù)，快速穿越[8]。

3 結(jié) 語

目前，精密三角高程測量理論研究取得了極大的進步，在實踐中也得到了有效的驗證，經(jīng)過理論與實踐的不斷融合，技術(shù)可行性已日趨成熟。通過多個測區(qū)的實踐生產(chǎn)檢驗，精密三角高程測量相比常規(guī)二等水準測量，它既大大降低了勞動強度，也節(jié)省了項目時間和經(jīng)費開支，極大提高了工作效率，應(yīng)在實際生產(chǎn)中進行大力推廣與應(yīng)用。如果將儀器設(shè)備等配套的硬件設(shè)施加以改進，作業(yè)人員操作技能加以培訓(xùn)指導(dǎo)，精密三角高程測量的成果精度將可能更加可靠，其勢必逐步替代常規(guī)二、三等水準測量，尤其是在丘陵及山地覆蓋區(qū)域，精密三角高程測量優(yōu)勢顯著。