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全站仪在高速公路高程控制测量中的应用重点分析

发表时间：2020/10/13 来源：《基层建设》2020年第19期作者：江卫民

[导读] 摘要：全站仪即全站型电子测距仪（Electronic Total Station），是一种集多种测量功能于一体的高精度测量仪器设备。

        中铁上海工程局集团市政工程有限公司上海 200000
        摘要：全站仪即全站型电子测距仪（Electronic Total Station），是一种集多种测量功能于一体的高精度测量仪器设备。在我国高速公路的管理方面，经常使用全站仪用于高程控制测量，用以探明地形，测绘路线，规划施工图形等。本文以高速公路施工中的高程控制测量为例，介绍全站仪在这一类场景中的实际应用重点和使用方式优化建议。
        关键词：全站仪；全站型电子测距仪；高速公路；高程控制测量；应用分析
        全站仪是一种利用光学、电磁波来进行测距、测高的测绘用仪器设备。全站仪是一种精度较高的测量仪器（相对大多数传统的光学测距仪器而言），一般用于大型、超大型工程的高程控制测量，如国土测绘，高速公路、桥梁、机场等施工设计测绘，复杂野外测绘，水文、海洋测绘等。我国目前主要采用三角高程测量法和大地四边形法进行高速公路高程控制测量，其中全站仪得到了广泛全面的应用[1]。
        一、高速公路高程控制测量的要求
        高速公路的高程控制测量指的是，在高速公路的施工区域开展的高度差测定以及水准测量。高速公路一般修建在远离城市的山区、荒野，工程区域较长，因此需要在高速公路施工区段的头尾测定高差，将两端高程连通确定，用于施工参照。我国《工程测量规范》规定高速公路高程测量应高于国家二等水准的测量精度要求（10 mm级）[2]，精度要求较高。此外，高速公路的施工区域远离城区，自然环境较恶劣，在进行测绘时有一定外部条件限制，且部分野外区域可能会对高光学测距仪器产生影响。在上述条件的限制下，我国目前的高速公路高程控制测量一般以高精度的电磁波全站仪测距为主[3]。
        二、全站仪在高速公路高程控制测量中的应用优势分析
        全站仪是高速公路高程控制测量中最为常见的仪器设备，测量中一般使用三角高程测量法来进行高程测量。有资料显示，使用圆棱镜（GPR1）的高精度全站仪在高程测量时测角精度可达0.5″，测距精度可达1 mm + 1 ppm，理论上已经达到三等精度标准，完全符合高速公路高程控制测量的要求。全站仪携带方便，操作简单，可用于各种环境的高程测量，而且全站仪只需要少数技术员即可操作，无需担心环境的限制，非常适合进行野外测量工作。而且全站仪可以实现自动展开、自动寻北、自动观测、自动记录、自动上传，这就减少了人为误差，也节省了大量人力成本，同时对操作人员的技术要求也有一定程度的降低[4]。
        三、全站仪进行高程控制测量的原理分析
        全站仪一般采用三角测量法进行高程测量，下面就简单介绍几种高程控制测量方法。
        （一）较短距离的两点间高程三角测量法
        对于间隔比较短（小于300 m）的两点（AB）之间高差测量，可使用简单的三角测量法。首先在基础点A点设置全站仪的测量仪器，记录仪器高度（i），并确定水平线，探明方位角。然后在待测高程的B点设置棱镜（一般用GGR1标准的圆棱镜），记录镜高（t），然后通过测量仪器计算斜距（s）和竖直角（α）。再根据已知A点高程（HA）即可算出B点高程（HB），公式如下：

（二）中距离的两点间高程两步式三角测量法
对于中距离（300 m～500 m）的两点（AB）间的高差测量，在简单三角测量难以满足条件的情况下，可采用两步式三角测量法。首先在AB两点中间（大致正中）的位置设置仪器记录仪器高度（i），并确定水平线，探明方位角。同时首先在已知高程的基础点A点设置棱镜，记录镜高（t），然后通过测量仪器计算斜距（sA）和竖直角（αA）。然后保持镜高不变的情况下，将棱镜设置于待测点B点，用仪器照准并计算斜距（sB）和竖直角（αB），根据上述条件即可算出B点高程（HB），公式如下：

（三）复杂情况下的跨区域高程多点测高法
在部分情况下，两点测高无法满足正常的工程测绘要求，需要实现工程测绘网，此时可用大地四边形法进行跨区域的水准测量网络控制，具体测量方法为取同侧区域S1内两点AB，S2内两点CD，并使AC同边，DB同边，形成A—B—D—C四边形。在AD两点设置全站仪，BC两点设置棱镜，根据三角测量法求出AC、AB的高差HAC，HAB，即可求出BC的高差HBC。公式如下：

        其中，k为球气差系数，R为地球半径，此方法可消除仪器高的影响，减少误差，同时可加入更多点形成测量网，测量效果更好[5]。
        四、以成资渝高速公路路面二标的高程控制测量为例介绍全站仪的实际应用情况
        成资渝高速公路路面二标工程的测绘高程控制地区位于丘陵地带，设计施工走向从西向东，地理位置为东经104.57︒，北纬30.05︒。区域内地形多高低丘陵，地势不平。由于树木比较多，测量视野较差，且由于河流流过，空气中水汽较多，可能对仪器精度产生一定影响。工程施工的区段测量长度约有40公里，道路区段宽度最宽处达46米，设计采用双向六车道，无隧道修建要求，有桥梁修建要求。桥梁设计长度482.1米，宽34米。因此该工程的测绘高程控制要点有两个，一为进行超长距离和超大面积的高程控制测量，二为精确测定大桥两端的高程。
        我单位采用瑞士徕卡公司（Leica）生产的进口全站仪，型号为Nova MS50 0.5＂ R1000系列，其精度标准为方向误差±0.15＂，电子度数仪分辨率0.05＂，测距精度mS为±（0.05mm + 0.5ppmm × D），其中D的基本单位为公里（km）。该设备可高速自动化测量，能够自动嗅探周边测量标点，且具有1000 m内免棱镜测量的功能，可用于多种复杂环境下，测量速度快，精度高，减少设站次数，增加测绘效率。
        我单位在实际测量中采用跨区域高程多点测高法，以1000米为基准设立多个测量基站，采用高程测量控制建模技术寻找理想的测量标点位置。其中水准测量用大地四边形法，高程测量用三角测量法，全部测绘任务均为野外作业。在本单位全体同仁的努力下，在10月内即圆满完成全部测量任务。
        结束语
        随着我国城乡经济的快速发展，高速公路修建面积逐渐扩大，高速公路高程控制测量工作也排上日程，高速公路工程项目随处可见。对高速公路工程而言，高速公路高程控制测量的水平会影响项目的质量和利润，是高速公路施工单位必须注重的核心环节。本文首先介绍我国高速公路高程控制测量中的几种常见测量环境管理方法，分剖其利弊，然后对我国目前实行的高速公路高程控制测量中存在的实际应用问题进行讨论，并给出改进意见。
        高速公路高程控制测量是一门覆盖面大，领域交错广，社会效益高的重要工程问题，我国在高速公路高程控制测量方面的研究还处在起步发展阶段，不仅基础理论偏弱，在实践中也经常遇到各种问题。笔者在实际工作中发现，通过合理的仪器使用策略可以有效的提高高速公路高程控制测量的工作质量，对施工管理工作的研究有着积极正面的推动作用。受限于笔者的经验不足，本文仅在使用全站仪的测量方法和实际应用方面做出一定探讨，更多基础理论和实践方面的研究还有待同仁深入探索发掘。
        参考文献：
        [1]曾小伟.全站仪在桥梁高程控制测量中的应用及精度解析[J].工程建设与设计，2019（16）：109-110.
        [2]石国琦.道路选定线勘测数字化技术应用研究[D].吉林大学，2017.
        [3]宋玉敏，刘新民，孙佳秀，陈文鹏.GPS、全站仪在高速公路测量中的应用[J].水利规划与设计，2013（09）：48-49+67.
        [4]王慧超，孙莹.全站仪中间自由设站法三角高程测量浅析[J].北京测绘，2011（01）：52-54.
        [5]吴飞，庞建国.全站仪在高速公路高程控制测量中的应用[J].中国新技术新产品，2010（22）：72.