一种远距离三角高程跨河水准测量方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910586284.X
(22)申请日 2019.07.01
(71)申请人 中铁大桥局集团第二工程有限公司
地址 210015 江苏省南京市鼓楼区燕江路
66号
(72)发明人 黄红林　庄小刚　秦环兵　李杰　
王坤　葛永飞　罗威　
(74)专利代理机构 南京君陶专利商标代理有限
公司 32215
代理人 沈根水
(51)Int.Cl.
G01C 5/00(2006.01)
(54)发明名称一种远距离三角高程跨河水准测量方法(57)摘要本发明涉及一种远距离三角高程跨河水准测量方法。

在河两岸各架设一台全站仪和两台三角对中杆棱镜，全站仪设于三角对中杆棱镜中点，四台三角对中杆棱镜形成一四边形，过两台全站仪同步测量目标棱镜的斜距和竖直角，计算出仪器与目标棱镜间的高差，再将两个高差进行差分，即可得到两个目标棱镜点之间的高差。

优点：1）利用测量机器人自动瞄准目标，自动观测，自动记录，两岸每边1-2人即可操作，导入数据利用软件自动计算高差，有效消除了地球曲率、大气折光对高差测量的影响，自动化层度高，测量精度高，测量效率高。

2）可以精确测量跨河距离100米至3500米两点间的高差，其测量精度能达
到二等水准的要求。

权利要求书2页 说明书4页 附图2页CN 110186426 A 2019.08.30
C N 110186426
A
1.一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是采用两台全站仪和四个三角对中杆棱镜，其中，四个三角对中杆棱镜高度设置相等，安置在河流两岸，形成一个四边形，两台全站仪分别安置在河流两岸，位于两侧三角对中杆棱镜中点，全站仪分别测量一侧同岸以及对岸的三角对中杆棱镜的竖直角度和距离，然后测量另一侧同岸以及对岸的三角对中杆棱镜的竖直角度和距离，最后根据所测数据，计算高差。

2.根据权利要求1所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是包括以下步骤：
(1)仪器校准；
(2)四边形选取；
(3)架设仪器，测量棱镜相关数据；
(4)高差计算。

3.根据权利要求2所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是所述步骤(1)仪器校准：观测前，校正两台全站仪的补偿器、水平轴倾斜误差、竖轴倾斜误差和自动照准误差，精确测定两棱镜的高度差，调整高度差小于0.5mm。

4.根据权利要求2所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是所述步骤(2)四边形选取：在河边稳固位置埋设四个固定桩作为标尺，分别为A标尺、B标尺、C标尺、D 标尺，A标尺、B标尺、C标尺、D标尺形成一个四边形，四边形短边相等，桩位高出水面5米以上。

5.根据权利要求2所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是所述步骤(3)架设仪器，测量棱镜相关数据，包括以下步骤：
1)将两台全站仪分别架设在A标尺B标尺、C标尺D标尺中点上，棱镜摆放在测点标尺上，分别观测本岸近标尺A标尺、C标尺，再分别观测对岸远标尺C标尺、A标尺，自动记录竖直角度和距离；
2)全站仪分别观测本岸近标尺B标尺、D标尺，再分别观测对岸远标尺D标尺、B标尺，自动记录竖直角度和距离，两台全站仪的测回数和观测组数完全相同，完成一个双向观测单测回数；
3)将两岸全站仪和棱镜对调，按步骤1)、2)观测另一个单测回数，这样两个单测回组成一个双向观测双测回。

6.根据权利要求5所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是所述步骤(3)架设仪器，测量棱镜相关数据中，在A标尺、B标尺、C标尺、D标尺所形成四边形距离200～500m处，埋设四个固定桩作为标尺，分别为E标尺、F标尺、G标尺、H标尺，所述E标尺、F标尺、G 标尺、H标尺形成一个四边形，四边形短边相等，桩位高出水面5米以上；重复步骤1)、2)、3)相关步骤，测量E标尺、F标尺、G标尺、H标尺所形成四边形的相关数据，确保测量精度。

7.根据权利要求2所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是所述步骤(4)高差计算：DQ6、DQ9为岸上陆地水准点，用水准仪将DQ6与点A、B，DQ9与点C、D进行联测，形成过河水准闭合环，计算四边形高差闭合差，进行高差计算。

8.根据权利要求6所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是所述步骤(4)高差计算，还包括：DQ7、DQ10为岸上陆地水准点，用水准仪将DQ7与点E、F，DQ10与点G、H 进行联测，形成过河水准闭合环，计算四边形高差闭合差，进行高差计算，所得结果与A标
尺、B标尺、C标尺、D标尺所形成四边形计算结果比较，与陆地水准点联测，进行整体平差。

9.根据权利要求2所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是所述高差计算方法为：
已知点A的高程为H a，B为待定点，待求高程为H b，S0、S1、S2、S3分别为四边形的短边和对角线长度，则A、B两点高差公式为：
同理，A、D两点高差公式为：
将两式相减，由一台仪器测得跨河点B、D间的高差为：
由此推算，由另一台仪器测得跨河点D、B间的高差为：
由于S0、S1、S2、S3分别为四边形的短边和对角线长度，
将(3)、(4)两式相减，即可得跨河点B、D间的高差为：
H bd＝(S1*tgα1+S2*tgα2-S0*tgα0-S3*tgα3)/2 式(5)；
上述公式中：i为仪器高度，即EF长度；R为参考椭球半径；α为竖直角；S0为水平距离PC，
与椭球半径垂直；EC为地球曲率差值，其值为M为实际视线的切线与椭球半径的延长线
交点；N为受到大气折光后实际视线与棱镜的交点；MN为大气折光差，其值为NB为棱
镜高度ν。

10.根据权利要求1所述的一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其特征是测量操作时，仪器视线应高于水面5米，气候环境条件是阴天、无雨、无雾、无风。

一种远距离三角高程跨河水准测量方法
技术领域
[0001]本发明是一种远距离三角高程跨河水准测量方法，属于工程测量技术领域。

背景技术
[0002]随着国家高速铁路的跨越式发展，高铁建设及城市桥梁建设对工程测量的精度要求和效率要求越来越高。

路桥建设领域中各种跨越大江大河、跨山区的桥梁的出现，对工程测量仪器和测量方法提出了巨大的挑战。

传统的跨河水准测量方法有光学测微法、经纬仪倾角法和倾斜螺旋法，这三种方法的缺点是跨河距离短、存在人员操作系统误差、人工作业测量效率低下、不能全天候作业、测量作业受环境气候影响大，测量精度低下。

而高精度测量机器人的出现，能很好地解决以上的难题。

发明内容
[0003]本发明提出的是一种远距离三角高程跨河水准测量方法，其目的在于针对现有高程跨河水准测量方法存在的跨河距离短、存在人员操作系统误差、人工作业测量效率低下、不能全天候作业、测量作业受环境气候影响大，测量精度低下等缺陷，提出一种利用高精度的全站仪和三角对中杆棱镜，通过两台全站仪同步测量两个目标棱镜的斜距和竖直角，计算出仪器与目标棱镜间的高差，再将两个高差进行差分，得到两个目标棱镜点之间的高差的测量方法，方法简单，精度较高。

[0004]本发明的技术解决方案：一种远距离三角高程跨河水准测量方法，采用两台全站仪和四个三角对中杆棱镜，其中，四个三角对中杆棱镜高度设置相等，安置在河流两岸，形成一个四边形，两台全站仪分别安置在河流两岸，位于两侧三角对中杆棱镜中点，全站仪分别测量一侧同岸以及对岸的三角对中杆棱镜的竖直角度和距离，然后测量另一侧同岸以及对岸的三角对中杆棱镜的竖直角度和距离，最后根据所测数据，计算高差。

[0005]测量操作时，仪器视线应高于水面5米，气候环境条件是阴天、无雨、无雾、无风。

[0006]测量方法具体包括以下步骤：
[0007](1)仪器校准；
[0008](2)四边形选取；
[0009](3)架设仪器，测量棱镜相关数据；
[0010](4)高差计算。

[0011]所述步骤(1)仪器校准：观测前，校正两台全站仪的补偿器、水平轴倾斜误差、竖轴倾斜误差和自动照准误差，精确测定两棱镜的高度差，调整高度差小于0.5mm。

[0012]所述步骤(2)四边形选取：在河边稳固位置埋设四个固定桩作为标尺，分别为A标尺、B标尺、C标尺、D标尺、E标尺、F标尺、G标尺、H标尺，A标尺、B标尺、C标尺、D标尺形成一个四边形，E标尺、F标尺、G标尺、H标尺形成一个四边形，两个四边形距离200～500m，四边形短边相等，桩位高出水面5米以上。

[0013]所述步骤(3)架设仪器，测量棱镜相关数据，包括以下步骤：
[0014]1)将两台全站仪分别架设在A标尺B标尺、C标尺D标尺中点上，棱镜摆放在测点标尺上，分别观测本岸近标尺A标尺、C标尺，再分别观测对岸远标尺C标尺、A标尺，自动记录竖直角度和距离；
[0015]2)全站仪分别观测本岸近标尺B标尺、D标尺，再分别观测对岸远标尺D标尺、B标尺，自动记录竖直角度和距离，两台全站仪的测回数和观测组数完全相同，完成一个双向观测单测回数；
[0016]3)将两岸全站仪和棱镜对调，按步骤1)、2)观测另一个单测回数，这样两个单测回组成一个双向观测双测回。

[0017]所述步骤(3)架设仪器，测量棱镜相关数据中，在A标尺、B标尺、C标尺、D标尺所形成四边形距离200～500m处，埋设四个固定桩作为标尺，分别为E标尺、F标尺、G标尺、H标尺，所述E标尺、F标尺、G标尺、H标尺形成一个四边形，四边形短边相等，桩位高出水面5米以上；重复步骤1)、2)、3)相关步骤，测量E标尺、F标尺、G标尺、H标尺所形成四边形的相关数据，确保测量精度。

[0018]所述步骤(4)高差计算：DQ6，DQ7，DQ9，DQ10为岸上陆地水准点用水准仪将DQ6与点A、B，DQ7与点E、F，DQ9与点C、D，DQ10与点G、H进行联测，形成过河水准闭合环，计算两个四边形高差闭合差，进行高差计算。

[0019]所述高差计算方法为：
[0020]已知点A的高程为H a，B为待定点，待求高程为H b，S0、S1、S2、S3分别为四边形的短边和对角线长度，α为竖直角，则A、B两点高差公式为：
[0021]
[0022]同理，A、D两点高差公式为：
[0023]
[0024]将两式相减，由一台仪器测得跨河点B、D间的高差为：
[0025]
[0026]由此推算，由另一台仪器测得跨河点D、B间的高差为：
[0027]
[0028]由于S0、S1、S2、S3分别为四边形的短边和对角线长度，
[0029]将(3)、(4)两式相，即可得跨河点B、D间的高
差为：
[0030]H bd＝(S1*tgα1+S2*tgα2-S0*tgα0-S3*tgα3)/2 式(5)。

上述公式中：i为仪器高度，即EF长度；R为参考椭球半径；α为竖直角；S0为水平距离PC，
与椭球半径垂直；EC为地球曲率差值，其值为M为实际视线的切线与椭球半径的延长线
交点；N为受到大气折光后实际视线与棱镜的交点；MN为大气折光差，其值为NB为棱
镜高度ν。

[0031]本发明的有益效果：
[0032]1)利用测量机器人自动瞄准目标，自动观测，自动记录，两岸每边1-2人即可操作，导入数据利用软件自动计算高差，有效消除了地球曲率、大气折光(球气差)对高差测量的影响，自动化层度高，测量精度高，测量效率高。

[0033]2)可以精确测量跨河距离100米至3500米两点间的高差，其测量精度能达到二等水准的要求。

附图说明
[0034]附图1是跨河三角高程实测图。

[0035]附图2是跨河三角高程测量示意图。

[0036]附图3是三角高程测量原理图。

具体实施方式
[0037]如附图1所示，一种远距离三角高程跨河水准测量方法，实施时，在河两岸各架设一台测量机器人和三角对中杆棱镜，将两棱镜高度严格设置相等，两台仪器需同步观测，测回数也相同。

棱镜摆放在测点上，而对仪器的位置和高度没有限制，但两岸仪器与棱镜的距离则应大致相等。

观测时，仪器先同步观测同岸的棱镜，然后同步观测对岸的棱镜，两台仪器自动照准目标，自动观测，自动记录数据，测回数则根据跨河距离和精度等级而定。

然后将两岸的仪器和棱镜互换，进行相同步骤的操作。

最后将观测数据导入电脑，利用专业软件计算两岸点间的高差。

[0038]测量时，四边形的两条短边近似相等，两个反射棱镜的高度严格相等，仪器要架设在短边的中间位置。

两台仪器要同步观测，同步记录，测回数和测量周期要相同。

仪器视线应高于水面5米，气候环境条件是阴天、无雨、无雾、无风。

[0039]附图2所示，其具体步骤为：
[0040]1、观测前，校正2台仪器的补偿器(l,t)、水平轴倾斜误差(a)竖轴倾斜误差(i)和自动照准误差(ATR),精确测定两棱镜的高度差，调整高度差小于0.5mm。

2、准备工作：在河边稳固位置埋设八个固定桩ABCDEFGH，形成两个四边形，两个四边形距离200～500m，四边形短边近视相等，桩位高出水面5米以上。

3、将全站仪分别架设在AB，CD中点上，分别观测本岸近标尺A、C，再分别观测对岸远标尺C、A，自动记录竖直角度和距离。

4、仪器分别观测本岸近标尺B、D，再分别观测对岸远标尺D、B，自动记录竖直角度和距离。

两台仪器的测回数和观测组数完全相同，这样完成一个双向观测单测回数。

5、将两岸仪器和棱镜对调，按步骤3,4观测另一个单测回数，这样两个单测回组成一个双向观测双测回。

6、重复步骤3,4,5，测量四边形EFGH。

7、用水准仪将DQ6与点A、B，DQ7与点E、F，DQ9与点C、D，DQ10与点G、H进行联测，形成过河水准闭合环。

8、计算两个四边形高差闭合差，进行水准网平差计算。

[0041]如附图3所示，高差计算方法为：
[0042]已知点A的高程为H a，B为待定点，待求高程为H b，S0、S1、S2、S3分别为四边形的短边
和对角线长度，则A、B两点高差公式为：
[0043]
[0044]同理，A、D两点高差公式为：
[0045]
[0046]将两式相减，由一台仪器测得跨河点B、D间的高差为：
[0047]
[0048]由此推算，由另一台仪器测得跨河点D、B间的高差为：
[0049]
[0050]由于S0、S1、S2、S3分别为四边形的短边和对角线长度，
将(3)、(4)两式相，即可得跨河点B、D间的高差为：
[0051]H bd＝(S1*tgα1+S2*tgα2-S0*tgα0-S3*tgα3)/2 式(5)。

上述公式中：i为仪器高度，即EF长度；R为参考椭球半径；α为竖直角；S0为水平距离PC，
与椭球半径垂直；EC为地球曲率差值，其值为M为实际视线的切线与椭球半径的延长线
交点；N为受到大气折光后实际视线与棱镜的交点；MN为大气折光差，其值为NB为
棱镜高度ν。

[0052]实施例1
[0053]一种远距离三角高程跨河水准测量方法，包括以下步骤：
[0054]1、选择一个跨河四边形，四边形两短边大致相等，点位离水面高度5米以上。

[0055]2、选择阴天、无雨、无雾、无风的天气实施测量。

[0056]3、将两台全站仪架设在两短边中点上，两个棱镜摆放在四边形长边两点上，高度严格相等。

[0057]4、两台仪器同步测量短边棱镜，记录数据，测回数和周期相同。

[0058]5、两台仪器同步测量长边棱镜，记录数据，测回数和周期相同。

[0059]6、两岸仪器和棱镜调换，重复步骤3,4,5。

[0060]7、重复步骤3,4,5,6测量另一个四边形。

[0061]8、导出数据，计算高差。

图1
图2
图3。