中铁十局集团有限公司济南勘察设计院 山东济南 250000
摘要：普通水准仪进行水准测量具有精度高、简单易操作等优点，但是当水准测量跨越江河时,视线将超出常规水准测量长度或前后视距相差很大，一方面水准尺读数的精度将会降低，另一方面水准仪 i 角误差及大气折光的影响也会急剧增大。普通光学三角高程测量受外界光照、气温变化、人为测量误差等影响严重，精度较低，不易操作。高精度全自动测量机器人具有测量精度高、可夜间作业、受外界光照、温度变化影响小、操作简单等优点。本文详细介绍了高精度测量机器人采用精密三角高程测量方法在跨河水准测量中的应用原理及方法，最后通过实例证明了高精度测量机器人在跨河水准测量中精度完全满足二等跨河水准测量精度要求。
关键词：测量机器人、三角高程测量、跨河水准测量、误差
1.引言
测量机器人又称全自动智能全站仪，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。它是在全站仪的基础上集成步进马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统，并配置智能化的控制系统及应用软件而发展形成的。在计算机和控制器的操纵下，它能够自动跟踪并且精确照准目标，并且传感器能够实时获取外界的温度、湿度、气压、距离等观测值，从而计算出准确的角度、距离、二维和三维等坐标信息。
传统的测距三角高程法进行跨河水准作业时采用人工观测，劳动强度大、作业效率低下，且需要人工量取仪器高、棱镜高增加了人为因素引起的误差。采用高精度测量机器人，使用精密三角高程测量进行跨河水准测量，大大减轻了作业人员的劳动强度，提高了作业效率和测量精度。
2.高精度测量机器人的跨河水准测量方法
精密三角高程跨河水准测量一般采用四边形法，该方法的优点是检核条件多，观测数据能够进行严密平差计算，可靠性高。四边形精密三角高程跨河水准测量方法是根据《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897—2006）中“测距三角高程法”进行改进，规范中测距三角高程法的测距和测角分开进行，基于高精度测量机器人距离测量和角度测量可以同时进行，并且用对中杆或者标准连接杆件代替水准尺，通过改进观测程序，不仅大大提高了观测效率，而且提高了观测精度和可靠性。该方法最大的优点是两台仪器同时对向观测，且测角和测距同时进行，所以可以最大程度减小球气差和大气折光的误差影响。又因为两台仪器同时对向观测，不需要量取仪器高和棱镜高，消除了人为量高的误差影响。
2.1 观测方法
精密三角高程跨河水准测量四边形法要求在跨河地段两岸分别布设两个点，如图1所示。随着观测顺序不同，4个点均作为仪器和对中杆架设点。其中，A、B与C、D间距离应基本相等，且一般不超过20m。
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图1 四边形法精密三角高程跨河测量埋点示意图
跨河水准观测前，应准备好通讯设备、温度气压湿度表，每完成一站测量后应记录当前温度、气压、湿度，同时输入仪器进行距离改正。若使用对中杆架设棱镜，观测前还应测出2根对中杆的高程不等值，在内业计算处理时予以改正。
一个完整跨河时段的观测程序如下：
（1）使用水准仪观测A与B、C与D之间的高差，精确求出A与B、C与D之间的高差hab和hcd。
（2）将两台仪器分别架设在A点、D点上（无需对中，只需精确调平），在B、C点上架设对中杆并精确对中整平。A点仪器观测本岸B点棱镜，D点仪器观测本岸C点棱镜，而后A、D点仪器分别同时观测对岸的C 、B点棱镜，可以计算出B、C点之间的高差hbc。
（3）D点仪器和C点棱镜不动，A点仪器和B点棱镜对换，B、D点仪器同时观测本岸的A、C点棱镜，而后分别同时观测对岸的C、A点棱镜，可以计算出A、C点之间的高差hac。
（4）A、B点棱镜和仪器不动，C、D点棱镜和仪器对换，B、C点仪器同时观测本岸的A、D点棱镜，而后分别同时观测对岸的D、A点棱镜，可以计算出A、D点之间的高差had。
（5）C、D点仪器和棱镜不动，A、B点仪器和棱镜对换，A、C点上的仪器同时观测本岸的B、D点，而后分别同时观测对岸的D、B点棱镜，可以算出B、D点之间的高差hbd。
至此，一组观测完成，如图2所示。如需多组观测，应重复以上步骤。
图2 四边形法精密三角高程跨河水准测量顺序图
通过以上观测顺序，可以得到4条跨河边的高差，然后结合AB边和
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最后通过严密平差计算，计算出每条跨河边的平差后高差值，并进行精度评定。
2.2 测回数的确定
根据《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897—2006）要求，基于高精度测量机器人的精密三角高程跨河水准测量，以跨河视距长度确定对应的观测时段数、测回数与限差。
精密三角高程跨河测量的观测时段和测回数按表1要求执行。
表1 精密三角高程跨河测量的观测时段和测回数
2.3 跨河水准测量限差
采用四边形法精密三角高程进行跨河水准测量时，垂直角观测限差、距离测量限差、以及每边各双测回的高差互差、环线闭合差应满足下列要求。
（1）各组距离观测和垂直角观测的限差按表2执行。
表2 三角高程跨河水准测量中各组垂直角观测、距离观测限差
2.4 跨河水准测量注意事项
基于高精度测量机器人的精密三角高程跨河水准测量过程中，应注意以下事项：
（1）跨河水准测量宜在风力微和，气温变化小的阴天进行。观测前30min，应先将仪器置与露天阴影下，使仪器与外界气温趋于一致，观测时应用测伞遮蔽阳光。
（2）观测过程中若气温变化大，应重新设置仪器的大气改正值，再重新进行观测。气象条件急剧变化时应停止观测，视线内影像跳动剧烈时禁止观测。
（3）每次观测前应检查对中杆棱镜安装是否紧密到位，观测前应准确测定两根对中杆的高度差。
（4）对向观测应同时进行观测，若对向观测时间间隔超过30min，应重新进行观测。
（5）观测过程中应随时注意仪器和对中杆的水准气泡是否居中，超出范围应重新整平观测。
（6）跨河水准测量采用的全部测回数，上、下午应各占一半，如有夜间观测时，白天与夜间测回数之比应接近1.3：1。
3.应用实例
3.1 工程概况
新建郑州至济南高速铁路在长清境内跨越黄河，设计水准控制网等级为二等，黄河水面宽度约300~400米。根据施工需要，采用高精度测量机器人进行三角高程跨河水准测量。在河面较窄且地势平坦处，在两岸河堤上分别布设2处强制对中墩CQ9、CQ10、CQ11、CQ12，组成大地四边形，跨河处水面宽度约300米。
3.2 项目实施
跨河水准测量过程中投入徕卡TS60高精度测量机器人两台、天宝DINI03电子水准仪1台、强制对中杆2个、徕卡0常数圆棱镜2个、电子温度气压计2个、对讲机2部。按上述步骤、方法实施跨河水准观测。
3.3 观测质量分析
经计算，4条跨河水准边的单测回高差互差、闭合环高差闭合差统计见表3、表4。
表3 跨河水准边各测回高差互差
经计算，本次跨河水准测量，每公里水准测量的偶然中误差为0.86mm/Km，满足 《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897—2006）中二等水准每公里水准测量偶然中误差应小于1mm的要求。
采用高精度测量机器人三角高程跨河水准测量，显著降低了劳动强度，提高了工作效率，成果符合二等水准要求。
4.结束语
本文对高精度测量机器人进行精密三角高程跨河水准测量进行了详细的论述，通过改进观测程序，实现了同时对向观测，最大程度的消弱了球气差的影响，不量取仪器和棱镜高，消除了人为误差因素，显著提高了测量质量，降低了劳动强度。通过工程应用和精度分析，进一步验证了这一方法的高效性和可行性，效果显著。故在一般跨河水准测量中，可以参考文中提出的方法。
【参考文献】
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