黄玉强+工程测量

-1-参评论文工程测量一种数据处理技术在CPⅢ控制网三角高程测量代替精密水准测量中的应用摘要：测量过程中受仪器自身和外界环境影响，或多或少的存在一定的系统误差和偶然误差，使观测数据一次性合格闭合困难，本文主要从误差来源和误差分布规律入手，总结CPⅢ控制网三角高程测量代替精密水准测量误差产生原因和分布规律，通过对误差修正处理和距离加权平均值计算，进一步消弱其误差对观测数据的影响，提高数据处理后数据精度和可靠性。关键词：测量；误差；数据处理；CPⅢ控制网自由设站三角高程；1、工程概况某城际铁路设计时速为200km有砟铁路，沿线路方向50m～70m成点对形式布设CPⅢ控制网，并采用自由设站边角交会全圆观测法进行测设（一次建网，两次复测），以满足时速200km城际有砟铁路轨道平顺性检测和轨道精调及养护的需要，CPⅢ控制网精密水准测量采用自由设站三角高程测量替代，与平面测量同步进行。2、CPⅢ控制网测量主要工作目前国内CPⅢ控制点均采用精加工元器件和强制对中装置，实现高精度测量成果，满足轨道精调、轨道平顺性要求。CPⅢ控制网测量主要有以下几项工作：1、线下CPI、CPⅡ控制网平面和高程复测，更新控制点测量成果，为CPⅢ控制网平差计算提供起算基准。2、控制点加密：沿线路方向500m左右埋设强制对中装置。线上平面加密采用GPS按照原CPII同级扩展进行；线上高程点加密采用几何水准沿线路方向2km左右选择与线上平面加密点共点进行，桥梁地段采用不量仪器高、棱镜高中间设站三角高程的方法进行高程传递。3、CPⅢ控制网按照沿线路方向50m～70m成对布设在线路两侧。CPⅢ控制网平面测量，采用测量机器人自由设站边角交会法进行；传统CPⅢ控制网高程测量，采用精密水准按矩形环构网单程测量法进行。3、CPⅢ控制网自由设站三角高程代替精密水准测量方法-2-此次CPⅢ控制网测量使用徕卡TS30全站仪(0.5″，±(0.6mm+1ppm×D))，和德国sinningCPⅢ专用棱镜，棱镜常数为0.5mm，机载程序采用铁三院研制的多测回测角软件。CPⅢ控制网自由设站三角高程测量方法与CPⅢ平面网测量方法、测回数相同，均采用强制对中棱镜杆、自由设站边角交会全圆观测法，且CPⅢ平面网在测量时已经测了设站点到各CPⅢ点的天顶距和斜距，因此CPⅢ平面测量和三角高程测量可同步进行，只是CPⅢ平面网测量时，在考虑平面测量外业限差要求的同时考虑三角高程测量的外业限差要求，这里主要指竖盘指标差和竖直角互差，CPⅢ三角高程外业观测限差要求见:3-1。多个测站所形成的CPⅢ三角高程网见图3-1。表3-1CPⅢ控制网自由测站三角高程外业观测的主要技术要求全站仪标称精度测回数测回间距离较差测回间竖盘指标差互差测回间竖直角互差≤1″,1mm+2ppm≥2≤2mm≤13″≤9″图3-1多个测站CPⅢ控制网自由测站三角高程网示意图根据测得的天顶距和斜距，通过CPⅢ控制网测站平差软件计算出每个测站设站点相对于各观测点的高差，然后提取相邻CPⅢ点的相对高差、CPⅡ点与相邻CPⅢ点的相对高差，最后使用CPⅡ点高程进一步求得各CPⅢ点的高程。4、CPⅢ控制网自由设站三角高程测量误差源及误差影响分析众所周知，测量误差源主要有系统误差和偶然误差，我们可采用高精度测量设备和有利的观测条件来消弱其误差对外业观测质量的影响，而自由设站三角高程代替精密水准测量具有一定的局限性，受大气折光差、地球曲率影响较大。CPⅢ控制网测量，具有一定的特殊性，视线很短（一般不大于200m），切大致水平，地球曲率对天顶距影响很小；CPⅢ控制网观测尽量采用夜间或阴天进行，并且测量作业一般是连续作业，气象条件稳定，大气折光对竖直角影响微乎其微，可忽略不-3-计或全线解算一个折光系数。下面就对地球曲率影响和大气折光差影响进行计算分析:地球曲率影响公式：221DR（4-1）大气折光差影响公式：22-DRK（4-2）式中，R为地球平均半径，D为平距，K为大气折光系数CPⅢ控制网测量，一般均是重复4对CPIII点，离仪器设站点大致距离分别为30m、90m、120m左右，根据地球曲率影响公式，得影响值分别为：0.071mm、0.635mm、1.764mm，根据大气折光差影响公式取平原地区K=0.115，得影响值分别为：-0.008mm、-0.073mm、-0.203mm。则联合影响分别为：0.062mm、0.562mm、1.561mm，根据距离加权平均值公式（5.2-2）计算，此联合影响对每个CPⅢ点影响为0.366mm。从计算结果来看，此联合影响较小，并且为系统性误差，可在下步数据处理时进一步消减。5、CPⅢ控制网自由测站三角高程数据处理首先采用铁三院开发的CPⅢ数据处理一体化软件TSDI_HRSADJVER5.5.3进行自由设站三角高程数据预处理，然后提取相邻点高差文件，由于仪器自动照准误差以及地球曲率和大气折光引起的系统误差客观存在，造成所测高差存在一个综合的系统误差，因此需对提取的相邻点高差进行系统修正。对系统修正后的不同测站所测高差进行互差检核（3mm），利用检核合格的高差数据按距离加权平均计算相邻点的高差距离加权平均值，并构建平差文件。采用铁二院水准平差软件进行CPⅢ高程网平差处理，采用铁三院CPⅢ数据处理一体化软件TSDI_HRSADJVER5.5.3进行复核。5.1、高差系统误差修正系数的确定每公里选取3个相邻测站所测的高差文件，测站名分别设为：1S、2S、3S；不同测站选取4个同名观测点。以1S测站为例：同名观测点分别设为11PS、21PS、31PS、41PS；测站点与观测点距离分别设为11PLS、21PLS、31PLS、41PLS；11PS至31PS、21PS至41PS高差分别设为311hSPP、421hSPP。测站2S、3S同名观测点、相邻两点距离和高差命名规则以此类推，然后根据式5.1-1分别计算每个测站的高差系统误差修正系数iK。设：A313311PPhS-PPhS；其中313311PPhS-PPhS代表1S、3S两测站同名观测点11PS点-4-至31PS点、13PS点至33PS点高差之差；BLL1131PSPS；其中1131PSPSLL代表在1S测站31PS点到11PS点的距离；CPSPS3313LL；其中1333PSPSLL代表在3S测站33PS点到13PS点的距离；则系统误差)(iCBAK(5.1-1)根据公式（5.1-1）每公里计算2个系统误差修正系数iK，然后把所算得的所有系统误差修正系数iK取平均值得出最接近真值的系统误差修正系数K。5.2相邻两个CPⅢ点高差的计算首先使用系统误差修正系数k把每个测站CPⅢ点相对于设站点的三角高差进行系统性修正，计算公式见5.2-1。然后把修正后两相邻CPⅢ点的三角高差相减，求得两相邻点的相对高差。Lkhhi(5.2-1)其中h为修正后设站点相对于观测点的三角高差，ih为使用自由设站三角高程数据预处理后的三角高差，L为设站点到观测点的距离。不同测站同名观测点的相对高差平均值计算，首先对不同测站同名观测点相对高差互差进行检核，规范要求不大于3mm，然后利用检核合格的高差数据按距离加权平均值的方法计算相邻点的高差中数，距离加权平均值根据式5.2-2计算。设相邻测站测站点到观测点的距离为iL、1iL，这里的距离指该测站到两个相邻点距离的和，因为水准网平差过程中使用的距离为实际观测线路的长度，及前后视距的和；相邻测站两同名CPⅢ观测点的相对高差为ih、1ih；权值iiiLLP、1iP=1iiLL则高差平均值计算公式为：)hh1ii1i1iiiPPPPh（）（平均值(5.2-2)5.3高程控制网平差计算根据测站点到两相邻CPⅢ点间的距离和处理后两相邻CPⅢ点的相对高差，构成水准线路平差文件，然后使用铁二院水准平差软件进行高程网平差计算。水准线路图见5.3-1：-5-CP301CP305CP307CP309CP311CP313CP315CP302CP304CP306CP308CP310CP312CP314CP316CP303CP201CP202图5.3-1水准线路图6、工程实例以某城际铁路25公里CPⅢ控制网测量工作为实例，采用上述测量方法和数据处理手段对所测的CPIII控制网进行处理，通过对相邻测站同名观测点高差系统误差修正前和修正后高差较差进统计对比（详见表6-1），发现修正后的数据能很好的满足规范要求。同时为检验修正后数据的可靠性，使用精密水准仪采用矩形环构网单程测量法进行3公里的数据采集，平差处理后与自由设站三角高程法高程成果进行对比。通过对比发现两种不同的测量方法，高程较差最大为1.4mm，较差在1mm以内数据占86.7%（详见表6-2），成果可靠。表6-1高差较差对比统计表系统误差修正后系统误差修正前高差较差0～0.75mm0.75～1.5mm1.5～3mm≥3mm0～0.75mm0.75～1.5mm1.5～3mm≥3mm段数7354961480148371469391百分比%53.336.010.70.010.726.934.028.4表6-2高程较差对比统计表范围0～0.5mm0.5～1mm1～1.5mm1.5～2mm个数4632120百分比%51.135.613.30.07、总结分析通过以上测量方法、数据处理手段和工程实例数据分析可知，使用系统误差修正技术对CPⅢ控制网平面测量过程中三角高程观测质量不好的数据进行修正处理，又根据CPⅢ控制网平面测量设站次数多，每次至少搭接4对CPⅢ控制点，多余观测数据多，可将修正处理后的高差进行对比分析，剔除粗差，然后根据合格的相对高差按照距离加权平均值的方法计算高差中数，最后根据上叙水准线路图构成平差文件，计算每个CPⅢ点高程。该技术手段大大消弱了系统误差对观测值的影响，在对仪器系统误差修正的同时也是对大气折光差、地球曲率对观测值影响的进一步消弱；使用距-6-离加权平均值技术方法确定高差中数，最终使得用平面测三角高程数据代替传统几何水准称为一种可行的方法。本文从测量过程中入手，总结误差产生和分布规律，使用技术手段进行消弱处理，从而达到提高数据精度的目的。使用该技术手段、计算公式，处理后观测结果完全可以满足城际铁路测量规范要求，该项目CPⅢ控制网测量也一次性通过CPⅢ控制网评估单位的评估。采用本方法可大大提高数据精度和可靠性，降低测量返工工作量，提高工作效率，降低测量成本。参考文献:[1]中华人民共和国铁道部.TB10601-2009高速铁路工程测量规范[S].北京：中国铁道出版社，2009.[2]中华人民共和国铁道部.铁建设[2006]158号，客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南[M].北京：中国铁道出版社，2006.[3]中国铁路总公司.新建时速200km客货共线有砟轨道铁路轨道控制网测设补充规定[S].北京：中国铁道出版社，2013.[4]陈永奇.工程测量学[M].北京：测绘出版社，1995.[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T12897-2006，国家一、二等水准测量规范[S].北京：国家测绘局，2006.[6]田锡波,田山,于长帅,高志伟.全站仪三角高程中点法在大西客运专线桥墩测量中的应用[J].铁道标准设计，2011(S1).[7]武汉测绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础[M].北京：测绘出版社，1996.