徕卡TM50全站仪在跨河水准测量中的应用

施云江1,  ,张宇2,  ,程林3

摘要：结合5年来18次跨河水准测量数据，论述了徕卡TM50全站仪在跨河水准测量中的测量方法、成果精度统计分析等问题。

关键词：跨河水准测量 TM50全站仪 精度分析

引言：当水准线路跨越江、河、峡谷时，因无法采用传统的方法进行观测，就必须采用跨河水准的测量方法。目前绝大部分工程仍采用经纬仪倾角法、测距三角高程法、光学测微法、倾斜螺旋法等进行跨河水准测量，需要人工进行观测。这一方面对观测人员的技术水平有较高要求，另一方面观测速度慢、劳动强度大、成果精度也较差。

随着高精度测距仪的发展更新及普及越来越快，精度越来越高，观测速度越来越快，利用当今世界上最先进、精度最高的徕卡TM50全站仪，根据现有的《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）规定中跨河水准测量的要求，采用三角高程法进行跨河水准测量，对于减少人工工作量、降低工作强度、提高观测精度具有重要意义，且符合现有的相关规范要求。本文以某水电站安全监测工程为例，结合5年来大量的跨河水准测量数据，论述了徕卡TM50全站仪应用于跨河水准的原理，测量方法、精度分析等。

1、跨河水准测量方案

跨河水准观测墩选在河床相对较窄，两岸高差相差不大的部位（选择西南地区某一水电站的跨河水准场地和观测数据为为例），见图1。

图1  跨河水准示意图

如图1所示，在两岸河边选取A、B、C、D四点，构成大地四边形。两岸距离河边425m，跨河视线长度为1003m，同岸观测墩间距8.3m～8.4m。

同岸测点间高差测定：将同岸的两个测点作为一个测站，使用DiNi电子水准仪和其配套的铟瓦水准标尺，按水准测量I等精度要求进行往返观测。

距离测量：测站间的距离及跨河距离均使用全站仪按国家一二等水准测量规范进行观测。

垂直角观测：用2台全站仪采用全自动观测方法进行观测。全站仪使用Leica TM50全站仪，其测角精度为±0.5″，测距精度为0.6mm+1ppm*D。采用徕卡公司配套的圆棱镜。

测量步骤：跨河水准观测采用两岸对向异午观测，由于同岸高差已采用直接水准的方式进行测定，故仅需观测对岸测点的棱镜。观测步骤如下：

表1垂直角观测步骤

	步骤1	步骤2	步骤3	步骤4
测站	A、C	A、D	B、D	B、C
镜站	B、D	B、C	A、C	A、D

两岸仪器完成表1中4个步骤后则完成1个测回，两岸仪器对调后重复表1观测步骤则完成1个双测回；按《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）要求，本次跨河水准需要观测36测回，半测回组数为8组，分8个时段进行观测。

在1测回中对AC进行了垂直角往返观测，通过三角高程测量原理可得出AC的高差：

hAC=DAC×Tan(αAC)＋iA－lC

hCA=DCA×Tan(αCA)＋iC－lA

A到C之间的平均高差h=（hAC＋hCA）/2

式中hAC为A到C的直觇高差，D为A到C间的平距（经过气象、加乘常数修正及边长归算后的距离），αAC为A到C的垂直角，i为仪器高，l为棱镜高。

表2跨河水准高差计算表1

边名		平距D	垂直角			仪器高(m)	棱镜高(m)	往测高差(m)	往返测高差中数(m)
起	至		°	′	″			返测高差(m)
A	C	1033.33683	0	0	-2.15	0.2350	0.2366	-0.01237	0.03236
C	A		0	0	-15.45	0.2365	0.2362	-0.07710

同理可以求出hAD，hBC，hBD，与水准仪测定的同岸测点hAB、hCD组成4个闭合环，精确求出A点到D点的高差。

表3  跨河水准高差计算表2

边名	AC	AD	BD	BC
各单测回高差间互查限值(mm)	10.98
各单测回高差间互查(mm)	6.61	7.21	5.41	5.60
各测回往返测高差中数平均值(m)	0.03186	-0.05023	0.07471	0.15641
边名	AB	CD
水准仪测定高差（m）	-0.12502	-0.08167
闭合环	ADC	ACB	ADB	ABDC
闭合环限差（mm）	1.44	1.45	1.45	1.45
实际闭合差（mm）	-0.42	0.47	0.08	-0.50
边名	AD
高差中数(m)	-0.05016

3、跨河水准精度分析

5年多来，在西南某水电站安全监测工程中，利用徕卡TM50全站仪在多个跨河水准场地进行了多次的跨河水准测量工作，跨河水准的相关参数及精度见下表4。

 表4跨河水准测量相关参数及精度统计表

序号	观测 时间 （年/月）	跨河距离（Km）	大地四边形闭合环精度（4个）		与跨河水准测段相关联的 水准环线精度
					环线闭合差		每公里 偶然中误差
			最大实测值（mm）	限差值（mm）	实测值（mm）	限差值（mm）	实测值（mm）	限差值（mm）
1	2015/12	1.03	0.43	±1.44	-2.77	±3.24	±0.37	±0.45
2	2016/12	1.03	0.63	±1.45	1.29	±3.22	±0.37	±0.45
3	2017/07	1.03	-0.34	±1.44	-2.16	±3.36	±0.36	±0.45
4	2017/12	1.03	-0.40	±1.44	1.57	±3.33	±0.32	±0.45
5	2018/07	1.03	0.65	±1.44	2.16	±3.33	±0.31	±0.45
6	2018/12	1.03	-0.50	±1.45	3.24	±3.31	±0.34	±0.45
7	2019/07	1.03	-0.73	±1.44	1.48	±3.30	±0.36	±0.45
8	2019/12	1.03	0.59	±1.45	2.79	±5.17	±0.37	±0.45
9	2020/07	1.03	-0.74	±1.45	1.05	±3.30	±0.39	±0.45
10	2015/12	0.87	1.20	±1.33	2.53	±4.88	±0.36	±0.45
11	2016/12	0.87	-0.58	±1.33	-0.93	±4.88	±0.31	±0.45
12	2017/12	0.87	-1.08	±1.33	-1.82	±4.86	±0.39	±0.45
13	2018/12	0.87	1.25	±1.33	-0.66	±4.75	±0.42	±0.45
14	2019/12	0.87	1.15	±1.33	0.46	±4.74	±0.33	±0.45
15	2018/12	0.70	-0.33	±1.20	-1.28	±16.63	±0.39	±0.45
16	2019/12	0.70	-0.72	±1.20	5.47	±16.49	±0.32	±0.45
17	2018/12	0.42	-0.84	±0.93	-0.66	±4.75	±0.42	±0.45
18	2019/12	0.42	-0.59	±0.94	0.46	±4.74	±0.40	±0.45

上表显示：18次跨河水准测量观测成果和与之相关联的水准环线精度全部满足规范要求。

4、结论

⑴在峡谷、河流等特殊地段，无法使用常规水准测量方法时，根据现有的《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）的要求，采用两台高精度全站仪，用测距三角高程法，在河流两岸对向异午跨河水准观测，可以满足一等水准测量的精度要求。

⑵此方法不但在精度上完全满足现有规范要求，而且很大程度地降低了观测员劳动强度和观测技术难度，提高了观测速度和工作效率。

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