GNSS测量技术及长距离跨河水准测量施测步骤.pdf

90STONE2023No.8STONE工程勘察石材GNSS测量技术及长距离跨河水准测量施测步骤张小成（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州7 3 0 0 3 0）引言借助卫星导航系统的GNSS测量技术可简单、快速地测定地面点的椭球大地高（即参考点椭球沿其法线方向直到地表的距离）。水准测量法的原理是利用水准仪提供的水平视线，通过竖立在两点的水准尺上的读数，采用一定的计算方法，计算两点的高程，从而由一点的已知高程，推算另一点的高程。GNSS高程是以WGS-84参考椭球面为基准面的大地高，我国现行的高程系统是以似大地水准面为基准面的正常高。大地高与正常高之间的差距实际上就是两个基准面之间的差距即高程异常。由于各基准面的特性，高程异常值并非常量。为了将GNSS测定的大地高转换为正常高，以代替作业效率不高的几何水准测量，需要高精度的高程异常值，高程异常差的精度要与几何水准精度相适应。因此，将大地高转化为高精度的正常高的关键是高精度的求取相应精度的高程异常值，求取高程异常的方法也就是GNSS水准测量的方法。为了寻求GNSS高程代替常规水准高程的方法，必须清楚GNSS测量高程的误差来源。GNSS测量中影响观测精度的因素众多，与卫星系统有关的误差有测量原理误差、卫星钟差、卫星轨道偏差、相对论效应导致的误差等；与卫星信号传播有关的误差有电离层折射、对流层影响、多路径效应等；与接收终端设备相关的误差有天线相位偏差、接收机钟差、观测误差、载波相位观测整周未知数影响等。随着GNSS技术的不断完善和广泛应用，这些误差均有一定方法加以消除或减小。本文重点介绍在采取措施后获取高精度大地高，并将大地高转化为较高精度正常高的GNSS测量方法及长距离跨河水准测量施测步骤。1GNSS测量法1.1天文水准法天文水准是利用天文大地垂线偏差推算大地水准面差距或高程异常的方法。垂线偏差分量用天文经纬度和大地经纬度计算。利用CCD天顶摄影仪获得天顶星空的恒星像片坐标，守时记时和电子星表的应用可得到测点的天文经纬度，GNSSS测量确定测点的大地坐标，利用点距较近的垂线偏差数据和距离可以求得相当于四等水准精度的高程1.2重力位模型法利用卫星观测资料和重力测量资料，以球谐级数建立地球重力场模型和高程异常模型的方法，得到了广泛的利用。其优点在于适用于全球，只要给定待求点的地理位置，便可在计算机上计算出相应的大地水准面高程。它所确定的大地水准面高程属于地心参考系统，易于和GNSS测量基准相联合1.3GNSS高程拟合法GNSS高程拟合法是利用一定数量的已知高程点，从而利用已知大测正常高和大地高求取已知点的高程异常值，把测区的似大地水准面假想为平面、多项式曲面、多面函数曲面或其它数学曲面去拟合已知高程异常的点，再到拟合的曲面中内插求取其它点的高程作者简介：张小成（1 9 8 6 一），男，甘肃榆中人，中级职称。具体研究方向（专业）：涵洞、测量91石材2 0 2 3 年8 期SHICAI工程勘察材异常值，从而求取正常高。拟合方法需根据当地地形情况和已知点确定，在平原地区可采用零次多项式拟合，仅需确定一个参数，需要至少一个已知点；地形较复杂地区则需采用一次多项式拟合，需要确定三个参数，则至少需要三个已知点；地形复杂区域则需采用二次多项式拟合，需要确定留个参数，因此至少需要六个以上已知点；更复杂的区域则需要分区拟合或多曲面拟合，需要更多的已知点。为了减少内插误差，已知点尽量分布均匀。1.4区域似大地水准面精化成果平差法似大地水准面是我国高程系统的基准面。似大地水准面只是通过一定的数学关系对应于地面的一个几何曲面，是不具有物理意义的水准面。区域似大地水准面精化是综合利用水准成果、重力资料、地形资料、重力场模型，按照一定的分辨率，采用物理大地测量理论与方法，应用移去一恢复技术确定区域性精密似大地水准面。换句话说，利用区域似大地水准面精化成果和大地坐标求取正常高。以上几种GNSS测量方法中，天文水准法受天文观测条件及垂线偏差精度限制，重力位模型法受重力测量资料的精度和密度限制，这两种方法在工程测量中推广难度较大。采用足够精度和密度的水准控制点，GNSS高程拟合法普遍应用到工程测量中2长距离跨河水准测量施测步骤2.1选点与建标在长距离跨河水准测量中，需要具备较多的图形检核条件，应将跨河点布设呈大地四边形，见图1。C图1 大地四边形布设示意图为减小测线上的大气折光不均匀对垂直角测量的影响，要求两岸观测墩处的地形、地貌近似，高差不大；同时为保证往、返测线穿过同一个大气介质，需在每个观测墩面设置两个强制对中装置，分别安置仪器和规标，如图2 所示：A、B、C、D 为仪器安置点，A-1、B-1、C-1、D-1 为标安置点2.2规灯的设计及高度标定为提高垂直角观测精度，在长距离跨河水准测量中采用特制的灯作为观测目标，并且在设计中应注意以下几点。1）灯杆与灯筒相连处应采用弧形设计，并且弧度严格吻合，防止灯筒滑动；2）灯杆下端采用基座固定，并且保证观测时灯杆下端与强制对中连接螺丝上端严密接触；3）采用卤钨杯灯（5 0 W）作为发光部，可防止观测时测灯出现散光及目标模糊现象；4）战灯电源应具备足够的蓄电量，并且设计调控装置，在保证测量工作顺利进行的同时能够在不同的光照条件下调节灯的亮度。灯上下标志高度的标定在室内进行。方法为：采用线纹尺在灯杆连接孔之间进行往返观测，往测顺序为：上孔上沿一上孔下沿一下孔上沿一下孔下沿；返测顺序与往测顺序相反。以往返测高度的均值作为灯高度标定的最终成果。A-1B-1ABCDD-1图2 A、B、C、D 仪器安置点图2.3仪器的选择及高度标定在长距离跨河水准测量中需采用两台测角精度为0.5”的全站仪同时进行对向观测。仪器高度的标定选在固定两点间（高差为一等水准测量成果），利用钢92STONE2023No.8STONE工程勘察石材瓦水准标尺在测前、测中、测后分三次进行标定。首次标定时需用胶布将仪器脚螺旋固定，取三次标定结果中数作为全站仪高度标定的最终成果。计算方法如式1、式2 所示：当全站仪中丝位于标尺分划线上时：k下i-10/2+h+-k/2(1)上+下式中，为照准标尺的分划读数；h为测站点至立尺点高差；k为标尺分划线宽；下和上分别为分划上、下边缘垂直角绝对值。当全站仪中丝位于标尺两分划线之间时：k下j=10/2+h+(2）上+下式中，k为标尺相邻分划线间隔；上为上分划线上、下边缘垂直角中数的绝对值；下为下分划线上、下边缘垂直角中数的绝对值。2.4足距离测量全站仪的测程往往难以满足长距离跨河水准测量的测距要求，且测距误差并非三角高程测量的主要误差来源，因此采用GPS测量法。考虑到多路径效应对观测结果的影响，应采用流圈天线，并保证每时段观测时间4h。利用三维无约束平差求得的平面坐标反算观测平距2.5垂直角测量顾及大气折光的影响，在垂直角测量时采用多光段、多测回的方法加以克服。但应舍弃规范中“组”的概念，每次盘左、盘右观测即对应一个垂直角，观测限差在相邻两垂直角之间执行，不在“组”之间执行。两台仪器对向观测时，应使用通信设备，每测回观测开始时间严格同步，结束时间差不大于1 5 S。观测程序为：1）在A、C点架设仪器，A-1、C-1 架设灯，两岸同步观测对岸灯，并测定垂直角；2）A 点仪器和A-1点规灯不动，将C点仪器和C-1点灯迁至D点和D-1点，两岸同步观测对岸灯，并测定垂直角；3）D 点仪器和D-1点灯不动，将A点仪器和A-1点灯迁至B点和B-1点，两岸同步观测对岸灯，并测定垂直角；4）B点仪器和B-1点规灯不动，将D点仪器和D-1灯重新迁至C点和C-1点，两岸同步观测对岸灯，并测定垂直角。至此第一个仪器位置的观测结束，两台仪器共完成4个单测回。观测时盘左依次照准灯上标志、下标志，盘右按相反次序照准下标志、上标志，上、下标志垂直角分别计算高差。半数测回结束后观测员、仪器及灯一同调岸。2.6直接水准测量直接水准测量一方面作为高程系的引人使用，另一方面可作为高程传递的检核。按照一等水准要求测量同一观测墩仪器安置点和灯安置点（螺丝顶端）间、同岸仪器安置点间及仪器安置点和固定点间的高差，并以此作为计算和检核的基准。2.7限差验算同一条测线各双测回的互差限差应符合式（4）规定的限值：dH限=4MVNxS(3)式中，M为每千米水准测量的偶然中误差，单位为mm；N为双测回的测回数；S为跨河视线长度，单位为km。用同一光段的各条测线高差计算图形闭合差，结果应不大于式（5）规定的限值：W=6xM,VS(4)式中，M.为每千米水准测量的全中误差，单位为mm;S为跨河视线长度，单位为km。3小结GNSS测量法成本低、效率高，随着其技术不断完善，其应用范围将会更加广泛，发展前景将更加广阔，在可预见的将来，GNSS测量技术肯定会取代现有落后水准测量技术，最终使得测量技术有质的飞跃。