基于测量机器人的精密三角高...技术研究——以广州地区为例_贾东杰.pdf

2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:贾东杰，吴辉 基于测量机器人的精密三角高程跨河水准测量关键技术研究 以广州地区为例J 城市勘测，2023(1):151154文章编号:16728262(2023)0115104中图分类号:P258文献标识码:B基于测量机器人的精密三角高程跨河水准测量关键技术研究 以广州地区为例贾东杰1*，吴辉2，3*收稿日期:20220122作者简介:贾东杰(1989)，男，硕士，工程师，主要从事精密工程测量、城市轨道交通测量等技术管理工作。Email:1171953379 qqcom基金项目:广东省城市感知与监测预警企业重点实验室基金项目(2020B121202019)(1.广州地铁集团有限公司，广东 广州510330;2.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州510060;3.广东省城市感知与监测预警企业重点实验室，广东 广州510060)摘要:针对广州地区跨河水准测量频繁、测量效率低的问题，为实现“大跨度”跨河水准的精密测量，通过测量机器人的主辅站法和四边形法精密三角高程测量技术，结合广州市城市轨道交通第三期建设规划(20172023 年)线路设计等项目中的跨河水准实验，大大削弱了大气折光的影响，同时降低了测量对现场条件的要求，简化了作业过程，提升了作业效率，测量精度满足 国家一、二等水准规范 要求。关键词:大跨度;精密三角高程测量;四边形法;主辅站法1引言城市轨道交通是城市公共交通的主干线，客流运送的大动脉，是城市的生命线工程。高水平、高质量的测绘技术及服务在城市轨道交通工程中的综合应用具有重要现实意义。轨道交通高程基准建设通常采用二等水准测量方式，而广州地处珠江三角洲冲积平原、河网密集，跨河水准测量是跨越江河水域进行精密高程传递的主要手段，同时也是决定水准测量效率的重要因素。常规跨河水准测量方法光学如:测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法等1，存在“观测流程复杂、观测条件要求高、耗时时间长”的特点，难以运用到“大跨度”跨河水准测量。基于测量机器人的精密三角高程测量方法是国内外研究热点，主要采用主辅站法和四边形法 2。本研究通过测量机器人上固定棱镜的改装方式实现跨河对向观测，大大削弱大气折光的影响，同时降低了测量对现场条件的要求，且无须人工观测和仪器高量测，简化了作业过程，提高了作业效率。依托测量机器人在长距离测量方面的优势，该方法可以实现“大跨度”跨河水准的精密测量，在一定程度上拓展了测量机器人的应用领域 4。2主辅站法精密三角高程测量主辅站法精密三角高程测量指在高程传递路线中，观测起、末点的仪器称为主站仪器，另一台为辅站仪器;在一个测段上采用两台改装后的高精度测量机器人进行观测，起、末点采用同一台仪器对同一高度的对中杆进行观测，起、末点观测距离为 20 m左右;线路传递过程中仪器交替前行，两台仪器对向观测边长一般不大于 1 000 m，路线传递对向观测边数为偶数。采用主辅站法精密三角高程测量每测段最长线路一般不大于 10 km2。主辅站法精密三角高程测量一个测段的传播如图 1 所示。图 1主辅站法示意图城市勘测2023 年 2 月图 1 中，A、B 间高差为:hAB=hA1+h1N+hNB(1)仪器在位置 1 对 A 点棱镜进行观测，平距为 D1A，在位置 N 对 B 点棱镜进行观测，平距为 DNB，VA、VB分别为对中杆棱镜中心与起、末水准点之间垂直距离，1A、NB为观测垂直角，受仪器轴系误差影响，在精密三角高程代替二等水准测量里，观测垂直角不得超过106。当 D1A20 m，DNB20 m时，可以不考虑球气差和垂线偏差等影响，则 hA1、hNB分别为:hA1=D1Atan1A(2)hNB=DNBtanNB(3)在位置 1，2N 上仪器照准中心与其把手上棱镜中心之间高差为 V1，V2Vn。因此，位置 1、位置 2上两仪器照准中心之间的高差 h12为:h12=05(D12tan12V2+M12+f12)+(V1D21tan21+M21+f21)(4)上式中，12、21为位置 1、位置 2 的垂直观测角，M21、M12、f12、f21为两仪器在位置 1 与位置 2 时对向观测的垂线偏差和球气差改正值。根据三角高程严密计算公式，在非高山地带可以不考虑垂线偏差影响;球差可以通过对向观测取均值抵消;在气象条件变化均匀时段进行同时段对向观测，可基本忽略气差的影响5。因此，式(4)可简化为:h12=05(D12tan12D21tan21)+(V1V2)(5)高程传递时候，将 1 位置上的全站仪迁至 3 位置，对向观测位置 2 的棱镜，两仪器照准中心高差为:h23=05(D23tan23D32tan32)+(V2V3)(6)在一个测段高程传递过程中，V1=V3，V2=V4，VA=VB，则:hAB=D1Atan1A+05(D12tan12D21tan21)+DNBtanNB(7)式(7)即为基于测量机器人的精密三角高程测量传递公式，式中消除了球差，消减了气差影响，同时避免了量取仪器高和对中杆高带来的误差。上述观测中，1、3、N 位置上观测的仪器称为主站，主站仪器观测起末水准点，2、4、6N1 位置上观测的仪器称为辅站。采用两台改进后的高精度测量机器人进行同时段对向观测，极大地削减了球气差的影响，避免了丈量仪器高和对中杆高带来的误差影响5。3四边形法精密三角高程测量四边形法精密三角高程测量主要用在跨河水准测量中，该方法根据 国家一、二等水准测量规范6 8.9节“测距三角高程法”进行改进。四边形法精密三角高程测量采用高精度测量机器人(测角精度 0.5，测距精度不低于为 1+1pp)同步开展测角和测距，不仅提高了观测效率，同时提高了测量精度和可靠性。该方法要求在跨河地段两岸按照图 2 所示的图形进行选点，A、B、C、D 四点均作为跨河点进行埋桩，随着观测顺序不同四点均可作为仪器和对中杆架设点。其中，A 与 B 之间、C 与 D 之间距离大致相等，均为10 m左右。图 2四边形法示意图一个跨河时段的观测程序如下:(1)首先观测 A 与 B、C 与 D 之间的高差，精确求出 AB、CD 之间的高差值;(2)其次在 A、C 点设站(无须对中)，B、D 点分别架设强制对中杆，精确对中整平，保持对中杆高度一致。同步开展同向和对向观测，计算出 BD 之间高差hBD值;(3)A 点仪器不动，C 点仪器和 D 棱镜调换，同步开展同向和对向观测，计算出 BC 之间高差 hBC值;(4)D 点仪器不动，A 点仪器和 B 棱镜调换，同步开展同向和对向观测，计算出 AC 之间高差 hAC值;(5)B 点仪器不动，D 点仪器和 C 棱镜调换，同步开展同向和对向观测，计算出 AD 之间高差 hAD值。按照 国家一、二等水准测量规范 技术要求进行平差计算高程，并评定精度。此外，四边形法在跨河两岸分别使用对中杆加高低棱镜作为照准目标，故而测251第 1 期贾东杰，吴辉.基于测量机器人的精密三角高程跨河水准测量关键技术研究 以广州地区为例前需测定对中杆棱镜的零点不等差，待计算高差时进行改正7。4精密三角高程数据处理系统精密三角高程测量方法主要是通过建立表格联动的方式进行数据处理，具有“人工干预度大、处理流程烦琐”的弊端5。本文通过分析研究精密三角高程测量中的数据格式、数据处理原理和流程，提出数据自动化处理方法，并研制基于测量机器人的精密三角高程数据处理系统，如图 3 所示。图 3数据处理系统该系统具备自动处理高低棱镜观测值、附合路线高程计算、跨河路线高差计算、自动生成观测要求的记录格式、自动计算规范要求的限差及检查、自动平差、判断数据是否合格等功能，使得数据处理和资料归档一体化，提高作业效率、降低出错概率、降低人工成本。(1)自动化整理原始观测数据精密三角高程测量有地面段测量和跨河段测量，通过对原始观测数据的分析，进行有序的自动化整理。分别计算测量高差、高差均值及对向观测高差均值，并对其不符值进行分析。(2)自动化搜索水准闭合环或附和路线自动搜索水准闭合环或附和路线，并分别计算闭合差，对各个闭合差之间的不符值进行分析。(3)自动化平差计算根据上述组成的闭合环或附和路线进行严密平差，进行对中杆不等差改正，得到更精确的高差值。(4)自动化生成归档资料自动生成过程表格、成果表格及评查报告，该系统减少人为干预，提高了数据处理效率，提高了数据成果的可靠性，降低了人工成本，提高了经济效益。5工程应用在广州市城市轨道交通第三期建设规划(20172023 年)线路设计等前期研究三号线东延段、五号线东延段、七号线二期、十号线、十二号线、十四号线二期二等水准控制网测量工程等项目中，采用该技术(图4)，跨河水准效率提高 2 倍，每千米水准测量的偶然中误差最大值为 087 mm，优于国家一、二等水准规范6 规定的限值(1 mm)。图 4轨道交通二等水准控制网该项目共有二等水准网中共有跨河水准测量 10处，主要采用四边形法、主辅站法进行观测，各跨河测段、观测方法等如表 1 所示。表 1跨河水准测量精度统计表序号跨河测段跨河长度/m观测方法中误差/mm1II1224II1228250四边形法0872II108II1011340四边形法0383II1018II1023720四边形法0324II569II6711 093四边形法0845II1010II1225102主辅站法0006II765II768201主辅站法0007II1234II1239243主辅站法0608II1237II1241253主辅站法0109II763II139711主辅站法03010II124II13111250主辅站法012351城市勘测2023 年 2 月续表 1最小中误差102000最大中误差1 09308710 个跨河段中误差在 1/3 限差内的有 6 条，占总数的 60%，最大中误差为 087 mm。6总结针对广州地区地质地貌，通过轨道交通建设研究基于测量机器人的精密三角高程测量方法并研发了后处理系统。利用对仪器的改装以及测量方法的改进，实现了两台高精度测量机器人跨河观测，大大削弱了大气折光的影响，同时降低了测量对现场条件的要求，且无须人工观测和仪器高量测，简化了作业过程，提高了作业效率。依托测量机器人在长距离测量方面的优势，实现了“大跨度”跨河水准的精密测量，在一定程度上拓展了测量机器人的应用领域。参考文献 1孔宁，林鸿，欧海平等 基于自动照准全站仪的精密三角高程测量代替二等水准测量的研究与应用J 测绘通报，2016(2):107109 2徐亚明，施斌，王代雄等 一种改进的三角高程法在跨海高程传递中的应用 J 测绘通报，2013(S1):111113 3张腾飞，陈永军，张传帅等 精密三角高程在长距离一等跨河水准测量中的应用J 测绘与空间地理信息，2018，41(9):203206 4吴迪军，熊伟，李剑坤 精密三角高程跨河水准测量的改进方法 J 测绘通报，2010(3):46+20 5张正禄，邓勇，罗长林等 精密三角高程代替一等水准测量的研究J 武汉大学学报信息科学版，2006，31(1):58 6GB/T 128972000 国家一、二等水准测量规范 S 7王天应，余锐 轨道交通 GNSS 控制网融合与衔接问题研究 J 工程勘察，2020，48(3):3840+55 8孙伟，乔炜 武汉市轨道交通 4 号线二期工程 GPS 控制网的建立及精度分析 J 测绘工程，2011，20(6):7375+78 9刘冠兰，李东宇，丁文宏 精密三角高程测量在宽水域跨河水准中的应用 J 工程勘察，2010，38(10):7174 10 张艳，李晓莉，高飞 应用精密三角高程测量实现跨河水准的研究 J 合肥工业大学学报自然科学版，2007，30(10):13451348esearch on Key Technology of Precision Triangular Elevation Cr