CN103499340B - 一种实现大高差高程竖直传递的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现大高差高程竖直传递的测量装置，包括棱镜盒、左侧平衡杆、水平杆支撑连接件、管水准器、第一固定螺旋装置、第二固定螺旋装置，右侧平衡杆、平衡锤、基座、三脚架，棱镜盒与左侧平衡杆的一端相连，所述左侧平衡杆的另一端通过水平杆支撑连接件与右侧平衡杆的一端相连，所述的右侧平衡杆的一端设置有管水准器，所述右侧平衡杆的另一端与平衡锤连接，第一固定螺旋装置和第二固定螺旋装置将右侧平衡杆固定在基座上的连接板上，基座下表面与三脚架相连；本发明还公开了所述测量装置的测量方法。本发明为传高装置的辅助，进行大高差高程传递测量，使得测量更简单，实施更容易，测量结果更加精确，传高装置设计简单，使用方便。

Description

一种实现大高差高程竖直传递的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于精密型全站仪距离测量和高程基准传递研究领域，特别涉及一种实现大高差高程竖直传递的测量装置及测量方法。

背景技术

近年来，随着经济、科技发展水平的提高，各式各样的高耸建筑物、大型桥梁塔柱、矿山竖井和隧洞工程不仅越来越多，高差也越来越大，其体形结构日益复杂，精度要求也越来越高。这对测量定位工作提出了更高的要求，其中高程基准点的高程传递是高大建筑物施工测控中必须解决的重要项目之一。常用的高程传递一般采用水准测量、悬挂钢尺（钢丝）法及三角高程测量的方法解决，前者测量原理与作业方式不适于大高差下高程基准的传递，后两者尽管理论上可以实现大高差传递，但由于受环境条件的影响大，一是方法不易实施，而且测量结果的精度和可靠性有时也难以保证。现代高新技术全站仪具有测量精度高，观测快捷、方便等优点。若能将该技术的测距功能应用于高程传递无疑可以解决大问题。

为了获得竖直方向的高差，必须有确定竖直方向的仪器，获得仪器中心到目标点之间在竖直方向上的精确长度，从而实现大高差的高程传递。为了有效地控制高程传递的精确性，必须分析竖直方向、测量仪器及外界环境等因素产生的影响，并通过系统误差改正、试验标定、理论推导、作业措施改进等手段提高竖直传高方法的测量精度。

发明内容

本发明针对背景技术的缺陷，提出了一种实现大高差高程竖直传递的测量装置及方法，在设计的传高装置的辅助下，与全站仪等仪器一起使用进行高程测量，使得测量更加简单，实施更加容易，测量结果更加精确，传高装置设计简单，使用方便，值得推广。

为了解决上述问题，本发明的技术方案如下；

一种实现大高差高程竖直传递的测量装置，包括棱镜盒、左侧平衡杆、水平杆支撑连接件、管水准器、第一固定螺旋装置、第二固定螺旋装置，右侧平衡杆、平衡锤、基座、三脚架，其中，棱镜盒与左侧平衡杆的一端相连，所述左侧平衡杆的另一端通过水平杆支撑连接件与右侧平衡杆的一端相连，所述的右侧平衡杆的一端设置有管水准器，所述右侧平衡杆的另一端与平衡锤连接，第一固定螺旋装置和第二固定螺旋装置将右侧平衡杆固定在基座上表面，基座下表面与三脚架相连。

本发明还公开了一种基于所述实现大高差高程竖直传递的测量装置的测量方法，当高程基准从上向下传递时，测量方法的具体步骤如下：

步骤1、将棱镜安装于传高装置的棱镜盒中，在位于高处的高程未知控制点附近架设传高装置，在位于低处的已知控制点附近架设全站仪，通过调节传高装置的位置来确定全站仪的架设位置，利用基座脚螺旋将水平杆整平，通过全站仪照准传高装置的棱镜中心，测量全站仪中心到棱镜中心的垂直距离；

步骤2、在未知控制点附近架设水准仪，分别将第一、二水准尺放置在传高装置的水平杆支撑连接件的凸起圆点处和待定点处，分别记录第一、二水准尺的读数；

步骤3、在已知高程控制点处设置第三水准尺，测量全站仪视准轴水平时第三水准尺的读数；

步骤4、按照下列公式计算得出待定点处的高程：

H_B=H_A+a_A+D+h_上+c

其中，H_B为待定点处的高程，H_A已知高程点的高程，a_A为第三水准尺的读数，D为全站仪中心与传高装置一端的棱镜中心的垂直距离，多次测量得到的垂直距离的平均值，h_上为多次测量得到的第一、二水准尺读数之差的平均值，c为棱镜中心与传高装置的凸起圆点之间的高差；

当高程基准从上向下传递时，高程已知控制点与高程待定控制点位置相反。

作为本发明的进一步优选方案，所述的水平杆支撑连接件上部设置有管水准器与凸起圆点。

作为本发明的进一步优选方案，所述的基座包括连接板、三个脚螺旋和一个水平微动螺旋，其中，连接板包括上连接板、中连接板和下连接板，中连接板和上连接板固定连接，中连接板通过三个脚螺旋与下连接板连接，水平微动螺旋设置于上连接板下表面。

作为本发明的进一步优选方案，所述的全站仪采用精密型全站仪。

作为本发明的进一步优选方案，所述的水准尺为二等水准精度的水准尺。

作为本发明的进一步优选方案，所述的第三水准尺的读数采用经纬仪倾角法获得。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

第一、本发明设计的传高装置，结构简单，使用方便；

第二、本发明使用传高装置进行测试，精度高，可实现大高差的精密测量，使得测试更加简单，快捷，效率高；

第三、本发明实用方便，适合推广。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

1、棱镜盒，2、左侧平衡杆，3、水平杆支撑连接件，4、管水准器，5、第一固定螺旋装置，6、第二固定螺旋装置，7、右侧平衡杆，8、平衡锤,9、基座,10、三脚架；

图2是基于本发明所公开的装置的测量方法示意图；

图3是本发明的设置铅垂线的误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种实现大高差高程竖直传递的测量装置，及其对应的测量方法，如图1所示，包括棱镜盒、左侧平衡杆、水平杆支撑连接件、管水准器、第一固定螺旋装置、第二固定螺旋装置，右侧平衡杆、平衡锤、基座、三脚架，其中，棱镜盒与左侧平衡杆的一端相连，所述左侧平衡杆的另一端通过水平杆支撑连接件与右侧平衡杆的一端相连，所述的右侧平衡杆的一端设置有管水准器，所述右侧平衡杆的另一端与平衡锤连接，第一固定螺旋装置和第二固定螺旋装置将右侧平衡杆固定在基座上表面，基座下表面与三脚架相连。

基座包括连接板、三个脚螺旋和一个水平微动螺旋，其中，连接板包括上连接板、中连接板和下连接板，右侧平衡杆直接通过固定螺旋与上连接板固定；中部连接板与上部连接板通过两个连接表面内嵌的齿轮结构咬合固定在一起，并可以通过安装在上连接板下表面的水平微动螺旋控制上连接板的水平方向的移动；中连接板与下连接板通过三个角螺旋固定，可以通过调整角螺旋达到装置上部结构的水平；连接板的材料可以选用铝合金等不易变形的材料。

1、具体测量操作步骤

（1）仪器准备

实际测量需要准备的仪器有：精密型全站仪（测距精度优于2mm+2ppm*S）、弯管目镜、全站仪配套脚架、精密型棱镜（Leica，螺旋型）、传高装置（一套）、水准尺（两套，二等水准适用）、水准仪（二等水准精度）、水准仪配套脚架、对讲机等辅助设备。

测试已知高程点A和待定点B的高差，在A点附近T1点设置全站仪，在T1与B之间，与B点同一水平位置处设置棱镜装置，棱镜安置在一个可置平的横杆的一端上，横杆的另一端设有凸起水准点，用以架设水准尺或钢尺。

（2）测量步骤

根据改进示意图2及方法，目的是根据已知高程的A点通过全站仪竖直传高装置和方法获得上部结构处B点的高程。实际测量过程中分为上下两个作业小组，分别携带本小组需要的仪器到达指定测量地点，组装、架设仪器。具体过程为：

①上下两个测量小组分别到达指定测量地点；

②上部测量小组首先安装传高装置，在靠近上部结构边缘的安全地带架设传高装置（上部结构边缘必须设置施工防护网，以保证人员及仪器安全），上部测量人员通过调节传高装置的横杆伸出距离来指导下部测量人员确定下部T₁处全站仪的架设位置；

③上下测量人员确定好仪器架设位置后，开始架设仪器并整平，做好开始测量的准备；

④下部测量人员首先照准传高装置的棱镜中心（TCA2003型全站仪可以自动搜索棱镜并照准），全站仪需要安装弯管目镜来实现天顶方向的目标观测，上下测量小组统一指令，同时开始测量；

⑤上部测量小组将水准尺分别放置在传高装置横杆上水准凸起处和待定点B处，通过二等水准测量方法分别得到两水准尺的读数为a_i、b_i（i＝1,2,…，n），对多次测量值取平均，可得两者高差h_上为：

⑥下部测量小组需要测量的数据包含两部分，第一个部分是全站仪中心到传高装置一端的棱镜中心的垂直距离D，在实际测量过程中，分别将全站仪竖盘调整为90°和270°进行距离测量，并进行多个测回的数据采集，最后取平均值；第二个部分是仪器视准轴水平时（即通过仪器中心的水平线）在已知高程点A处第三水准尺上的读数a₁，在实际测量过程中采用经纬仪倾角法（具体操作见国家一、二等水准测量规范——GBT12897-2006）获得水准尺上的读数，进行多次测量，并取平均可得过仪器中心的视准线在第三水准尺的读数为；

⑦在测量过程中，需要实时记录温度、气压、湿度等参数；

⑧按照公式H_B=H_A+a_A+D+h_上+c     （1）

即可求得上部结构B点处的高程H_B。其中c表示棱镜中心与传高装置的凸起圆点之间的高差，该值的确定方法见下文仪器常数的确定一节；对其他直接测量获得观测值（主要是垂直距离），需要进行误差改正以获取更为准确的竖直方向高程传递结果，具体的误差分析及改正处理见下节——测量数据误差分析及改正。

为了提高精度，可以选择不同时段进行多次观测。

2、测量数据误差分析及改正

在运用公式计算上部结构处B点的高程的过程中，需要对部分测量数据进行误差分析及改正处理，以便获得更加准确的高程传递。具体分析如下：

对（1）式进行微分，并进行误差传播，忽略已知点误差可得：

$m_{H_B}^2=m_{a_A}^2+m_D^2+m_c^2+m_a^2+m_b^2---\left(2\right)$

从上式可以看出，影响高程传递精度的因素主要有：测量距离的误差、常数测定误差、设置铅垂线的误差以及水准测量高差的误差。

（1）测量距离的改正

根据精密光电测距的原理，一般采用相位式测距仪，同时考虑测距仪设计的需要，测距公式为：

式中：—测相不足整周的相位；N—测相整周数；K—仪器固定常数；f_r、f—测距标称频率与实际频率。n_gr、n_g分别为仪器选定的参考气象条件下和实际测距气象条件下的大气折射率。由于显示的距离是按参考气象条件下的折射率与标称频率计算的，因此引起距离测量的系统误差，必须通过气象改正与频率改正，才能得到实际距离值。由于各厂家仪器所取的参考气象条件不同，所以气象改正公式也不同，以徕卡系列仪器为例，气象改正公式为：

${\mathrm{\ΔD}}_1=281.772-\frac{0.290646P}{1+\mathrm{\αt}}+\frac{0.04125e}{1+\mathrm{\αt}}---\left(4\right)$

式中，t—温度（℃），P—气压（hpa），e—湿度（hpa水蒸气压力），α—为空气膨胀系数， $\mathrm{\α}=\frac{1}{273.16}=0.003661.$

仪器内部晶体元件老化等引起仪器晶体振荡器实际频率与标称频率不同，从而产生距离差值，为频率改正：

${\mathrm{\ΔD}}_f=\frac{(f_r-f)}{f}D---\left(5\right)$

频率误差影响在精密测距中是不容忽视的，作业前后应及时进行频率检校。实际工作中将残余频率误差归入乘常数进行改正，可通过仪器鉴定获取。

由于棱镜相位中心与几何中心不一致产生仪器固定常数，因此距离测量后也必须进行仪器固定常数改正。

对（4）式微分并进行误差传播，则有：

式中，m_a、(m_b·D)分别代表测距仪的固定误差与比例误差。

可见，影响测距精度的因素主要有：真空光速误差、大气折射率误差、频率误差、测定相位的误差和仪器常数误差。真空光速误差根据国际大地测量与地球物理协会(IUGG)1975年十一届年会推荐的真空光速c=299792458m±1.2m/km，其相对误差：4×10^-9，对测距的影响完全可以忽略不计。频率误差、测定相位的误差和仪器常数误差对于精密鉴定的测距仪器，可以控制在较小的范围。在电磁波测距中大气折射率的求定是影响测距精度的重要误差源之一。与大气折射有关的因素很多，主要有大气密度、温度、水蒸气密度、气压等。大气折射率的求定一般采用模型计算法。通过测定大气气象元素，利用数学模型进行大气折射率的计算。这种方法的误差主要是气象元素的测定误差，主要包括气象仪器误差、气象元素的测量误差、气象元素的代表性误差。前两者可以通过使用质量稳定可靠、高精度的气象仪表并定期送检和正确操作使用仪器的方法使之控制在较小范围。由于测线上各点的空间位置、分布不同，气象条件不同，沿线的大气折射率也不同，因此测线的大气折射率应是沿光程的平均折射率，但实际上难以沿测线各点测定气象元素并积分计算平均折射率，一般采用测线两端或一端的气象元素代替平均折射率，从而产生气象代表性误差。气象代表性误差主要以比例误差的形式影响测距误差，通常1℃的温度误差对距离的影响约为10^-6。对于竖直传高，传递的高度一般在500米以内，这个距离对于全站仪测距来说是较短的，而且取两端所测温度平均值其误差可以控制在0.5℃，因此该项影响可以忽略。

由于现代全站仪采用了大量的独特新技术，使全站仪的精度和稳定性得到很大提高。对测角、测距误差进行多项自动改正或补偿，使其测量精度可以控制在其标称精度之内。

（2）设置铅垂线造成的距离误差

在图3中，P点和Q点应严格在同一铅垂线上，但实际操作时不可能完全做到这一点，两点的实际位置总会有所偏差，如图3所示。

理论位置为P点，Q与P在同一铅垂线上，全站仪实际照准位置为P点，测距读数为D，实际高差为：

H＝Dcosα     （7）

将上式微分，并用误差代替，设置铅垂线的误差为：

$\mathrm{\ΔH}=-D\sin \mathrm{\α}\frac{\mathrm{\Δ\α}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}=-R\frac{\mathrm{\Δ\α}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}---\left(8\right)$

可见设置铅垂线的误差与棱镜位置及P点、Q点的高差有关。设铅垂线有3分的角度偏差，对于500米的高程传递产生0.4mm的偏差。对于有自动补偿功能的全站仪而言，这项误差影响很小，可以根据仪器的功能进行自动改正。

（3）水准测量的误差与近距离三角高程测量的误差

对于水准测量的精度，瞄准和读数误差是主要的误差来源。为了减小以上误差，可以缩短视距长度。大量试验资料表明，用精密水准仪，每次标尺读数误差为：

m_读＝±（0.014+0.0014L）mm     （9）

L为视距长度，以米为单位。一般传递距离不超过20米，采用基辅读数，则高差中误差可以控制在0.05mm内。

所以在实际应用中，可以将T1与A点的距离设置的很近，采用三角高程测量的方法，其测量精度可以达到优于0.2mm。

（4）常数的测定与误差分析

①试验室测量法

在仪器制造过程中，精密测定横杆上水准凸点与配套棱镜几何中心的距离。棱镜的相位中心与棱镜几何中心的偏差可采用专用试验场测定。这种方法的测量精度较高。但是该种方法实际操作起来较为困难，且由于实际应用条件与试验场的不同，而不能完全使用试验场测定的结果。在实际应用中主要采用第二种方法——精密高差比较法。

②精密高差比较法

若上下两点间的高差为H_AB，采用全站仪传高测量读取a_A、D、a、b，根据（1）式，则常数c为：

c_i＝H_AB-a_A-D-a+b     （10）

具体做法如下：选择一个具有一定高度的合适检测场所，上下选择若干点对（设为n），能方便进行几何水准测量，如高架桥等处。采用精密水准测量（国家一、二等水准测量）测定水准点对间的高差。利用垂直传高装置测量这些点间的高差，利用式（10）分别计算常数，并采用式（11）计算平均值作为最或是值，采用式（12）进行精度评定。

$c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i}{n}---\left(11\right)$

$m_c=\±\sqrt{\frac{\left[\mathrm{vv}\right]}{n(n-1)}}---\left(12\right)$

式中，v＝c_i-c。经对苏通大桥北引桥10对点的高差测量，常数为43.1mm，

m_K≤±0.5mm。

（5）精度可靠性分析

将以上误差综合，对各项误差改正后得到每项测量项目的测量精度，由公式（2）即可估算高程传递综合误差。例如传递垂直300m的距离，采用1mm+1*D*10^-6精度的全站仪。估算高程传递误差为：

$\begin{array}{c}{m}_{H_B}=\sqrt{m_{a_A}^2+m_D^2+m_K^2+m_a^2+m_b^2}\\ =\sqrt{{0.2}^2+1+{(300000*{10}^{-6})}^2+{0.04}^2+{0.5}^2}\\ =1.2\mathrm{mm}\end{array}---\left(13\right)$

可见，采用这种方法进行高程传递，对于300米的高度精度优于2mm，完全满足传高精度的要求。

3、工程实际应用与分析

（1）、工程背景

苏通大桥位于长江下游，江苏省东南部的南通市和苏州（常熟）市之间，桥梁总长8146m，为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主跨度1088m，为世界同类桥梁之最。索塔采用倒Y型结构设计而成，设计高度为300.4m（相对于承台），其中下塔柱和横梁为混凝土空心箱梁断面，上塔柱采用钢锚箱—混凝土组合结构。设计规范要求：塔顶高程精度必须达到±10mm，下横梁的顶面高程必须达到±10mm。由于索塔高度大，且均位于远离长江岸边的深水区域，再加上施工场地及其狭窄以及外界恶劣环境的影响，传统的高程传递方法已经无法满足索塔高程传递的测控要求，必须寻求新的解决方法。经过理论研究及专家论证，决定采用全站仪竖直高程传递方法及自行研制的高程传递配套装置来实现索塔高程的从下到上传递。

（2）、应用过程

在具体实施该方法高程传递工作之前，为了测量仪器常数以及验证该技术方法的精度，首先在苏通大桥北引桥进行了试验。在桥下以及桥面共布设24个点，其中桥下8个，桥面16个，共组成16对高程传递组。以桥下SZ1水准点为起算点按二等水准测量将24个点连成闭合水准路线，水准路线共1.2km，闭合差为0.26mm，满足二等水准的要求。然后进行了严密平差处理。分别对16对点进行高程传递，其中10对点作为棱镜常数的检测。6对点作为验证，结果见表1。

表1水准测量高差与全站仪传递高差比较

点对	水准高差hL(m)	传递高差hT(m)	hL-hT(mm)
				D1-U1	5.87654	5.87542	1.12
D1-U4	6.23566	6.23479	0.87
				D5-U9	8.87352	8.87478	-1.26
D6-U11	9.22351	9.22489	-1.38
				D7-D14	10.86746	10.86842	-0.96
D8-U16	11.12485	11.12622	-1.37

从表1可见，二者最大相差1.38mm，最小为0.87mm。而且差值大小符号无明显系统性。可以将该方法应用到苏通大桥索塔高程传递工作中。

为了满足苏通大桥建设的需要，在引桥区、主墩附近试验桩、承台等处建有国家二等水准网。为了满足施工的需要，水准基准分阶段传递到施工面。苏通大桥工程施工测量以全站仪（TC2003、TCA2003）三维坐标放样法为主。由于受大气折光的影响，高程精度较平面精度低，可用于节段坐标的计算。为了控制桥塔高程误差的累计，每隔10个节段（45米左右）以及关键部位如横梁、合龙段、钢混段、封顶前都进行高程传递。

为了验证高程传递的精度情况，对横梁点（距离1076m）采用多测回对向三角高程测量按二等跨河水准测量的方法进行施测，最后高差平均值与高程传递高差进行比较，偏差为3.26mm，可见满足国家二等水准测量的精度。

（3）、结论

全站仪竖直传递高程技术，利用其高精度的测距功能，实现高程传递。通过自主研制配合高程传递工作用的高程传递装置，解决了高程传递基准点之间不在同一条铅垂线的问题。经过理论分析与试验验证，该项技术可以达到国家二等水准的精度标准，可以很好地解决大高差的竖直高程基准传递问题，满足建筑物高程施工控制的需要。

Claims (7)

1. 一种实现大高差高程竖直传递的测量装置，其特征在于：包括棱镜盒、左侧平衡杆、水平杆支撑连接件、管水准器、第一固定螺旋装置、第二固定螺旋装置、右侧平衡杆、平衡锤、基座、三脚架，以及安装于棱镜盒中的棱镜；其中，棱镜盒与左侧平衡杆的一端相连，所述左侧平衡杆的另一端通过水平杆支撑连接件与右侧平衡杆的一端相连，所述的右侧平衡杆的一端设置有管水准器，所述右侧平衡杆的另一端与平衡锤连接，第一固定螺旋装置和第二固定螺旋装置将右侧平衡杆固定在基座上表面，基座下表面与三脚架相连。

2. 如权利要求1 所述的一种实现大高差高程竖直传递的测量装置，其特征在于：所述的水平杆支撑连接件上部设置有管水准器与凸起圆点。

3. 如权利要求1 所述的一种实现大高差高程竖直传递的测量装置，其特征在于：所述的基座包括连接板、三个脚螺旋和一个水平微动螺旋，其中，连接板包括上连接板、中连接板和下连接板，中连接板和上连接板固定连接，中连接板通过三个脚螺旋与下连接板连接，水平微动螺旋设置于上连接板下表面。

4. 基于权利要求1 所述的一种实现大高差高程竖直传递的测量装置的测量方法，其特征在于，当高程基准从上向下传递时，测量方法的具体步骤如下：

步骤1、将棱镜安装于传高装置的棱镜盒中，在位于高处的高程未知控制点附近架设传高装置，在位于低处的已知控制点附近架设全站仪，通过调节传高装置的位置来确定全站仪的架设位置，利用基座脚螺旋将水平杆整平，通过全站仪照准传高装置的棱镜中心，测量全站仪中心到棱镜中心的垂直距离；

步骤2、在未知控制点附近架设水准仪，分别将第一、二水准尺放置在传高装置的水平杆支撑连接件的凸起圆点处和待定点处，分别记录第一、二水准尺的读数；

步骤3、在已知高程控制点处设置第三水准尺，测量全站仪视准轴水平时第三水准尺的读数；

步骤4、按照下列公式计算得出待定点处的高程：

H_B=H_A+a_A+D+h_上+c

其中，H_B为待定点处的高程，H_A已知高程点的高程，a_A为第三水准尺的读数，D为全站仪中心与传高装置一端的棱镜中心的垂直距离，多次测量得到的垂直距离的平均值，h_上为多次测量得到的第一、二水准尺读数之差的平均值，c 为棱镜中心与传高装置的凸起圆点之间的高差；

当高程基准从上向下传递时，高程已知控制点与高程待定控制点位置相反。

5. 根据权利要求4 所述基于一种实现大高差高程竖直传递的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的全站仪采用精密型全站仪，其测距精度优于2mm+2ppm*S。

6. 根据权利要求4 所述基于一种实现大高差高程竖直传递的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的水准尺为二等水准精度的水准尺。

7. 根据权利要求4 所述基于一种实现大高差高程竖直传递的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的第三水准尺的读数采用经纬仪倾角法获得。