无棱镜全站仪在桥梁通航净空测量中的应用

无棱镜全站仪在桥梁通航净空测量中的应用黄志行王灵锋周小峰（浙江省河海测绘院，浙江杭州310020）摘要:通过对无棱镜测距的介绍，精度的分析，提出无棱镜测距全站仪的优势，在针对桥梁通航净空测量时候，对工程实践此类设备技术的应用有一定的参考价值。关键词：全站仪；无棱镜；桥梁净空测量；应用中图分类号：文献标识码：B文章编号：1问题的提出随着我国经济的不断发展，交通流量的不断增加，为方便交通，各地河流、航道上兴建大桥也日益增多。桥梁建设前期要先论证桥梁通航净空尺度，因为桥梁的建设是按高于此标准来建设的，而竣工后,桥梁在一定时间内会产生变形沉降。因此，在桥梁建成一定时候后必须经过通航净空测量，才能确保通航质量，保证来往船只的安全。桥梁净空测量是否准确直接影响到过往船只能否顺利通航，同时影响到大桥是否安全，是审批桥梁通航前不可缺少的一项重要工作。针对大桥净空测量，常规测量工具有测绳、钢卷尺、皮尺、测距仪、全站仪。由于人工不能直接量取桥底面高程，只能采用激光类仪器设备，随着无棱镜全站仪的问世及其测量精度的不断提高，为测量桥梁通航净空提供了一种很好的设备与方法。笔者在舟山大陆连岛工程中已竣工的响礁门、岑港大桥、桃夭门大桥通航净空测量工程中，采用无棱镜全站仪，使用三维极坐标法进行施测，证明采用此类测量技术能够节省大量的外业时间，对类似的项目具有很好的借鉴意义。2无棱镜全站仪全站仪是由电子经纬仪、光电测距仪微处理器与数据记录装置等部件组成，其测距功能需要棱镜反射信号。而无棱镜全站仪与一般全站仪不同之处在于它不需要棱镜反射就能测距，并通过所测得的距离、水平角度和天顶距自动计算得到照准点的三维坐标。2.1测距原理测距原理分脉冲法、相位法两种：脉冲法是根据测定仪器发射的高频率脉冲信号往返于被测距离的传播时间而获取距离值；而相位法则使用连续信号，以不同的频率来调制基本信号，测出发射和接收信号之间的相位差，从而求得被测距离。[1]以拓普康公司产品GPT-3002LN全站仪为例：GPT-3002LN全站仪采取了脉冲激光技术，拥有双光学系统：一种是无棱镜模式下的窄光束测量，使用稳定清晰的不可见的Ⅰ级激光（Ⅰ级激光在任何条件下，光弧不会超过最大允许范围，因此对人体健康无害）。另一种是有棱镜模式下的宽光束测量，可提供长距离测量，有效测距长达3000m。同时GPT-3002LN装有可见红色激光指示器，以确保瞄准点正好是被测点，方便了放样测量。GPT-3002LN在无棱镜模式下50米距离时的发射的光斑尺寸大小：长30mm，宽10mm，照准柯达灰度尺或白色表面有效测距达250M，在工程测量应用中精度相当高，GPT-3002LN全站仪精度指标见表1[2]。表1GPT-3002LN全站仪精度表型号角度测量精度距离测量精度测程（kM/p）测量模式GPT-3002LN±2″±3mm+2ppm×D3.0/1P有棱镜模式±5mm(D25M)0.25/NP无棱镜模式±10mm+10ppm×D1.2/LNP无棱镜超长模式2.2坐标计算原理普通全站仪进行三维坐标测量时需要输入测站数据：包括测站坐标(Xs、Ys、Hs)、仪器高i、棱镜高v和后视方位角αsb（或者后视坐标），从而求解出未知点坐标，参见图1[3]。图1全站仪坐标测量示意图则有：方位角为：αst=αsb+β未知点坐标为：Xt=Xs+Dst·cosαstYt=Ys+Dst·sinαstHt=Hs+i+Dst·sinαst-v当使用无棱镜全站仪进行无棱镜三维坐标测量时、棱镜高为0，直接照准观测目标,则有：未知点的高程为：Ht=Hs+i+Dst·sinαst2.3精度分析全站仪无棱镜测量是全站仪发展的方向，无棱镜测量技术作为测绘界的一项新技术应用于生产，其精度一直是人们最关心的问题。由于我们使用无棱镜全站仪时施测距离不超过250m，斜距的气象改正、加乘常数改正、倾斜改正、投影改正都非常小，其影响可忽略不计。在不考虑以上误差的情况下，对GPT-3002LN无棱镜全站仪测距精度进行了测试，每次测量距离增加，测量位置改变（墙面质的一样）。用全站仪分别测量ABCD、EF、GH间高差，高差值为三次测量结果取平均；钢卷尺测量读数为两次量取结果取平均，比对成果见表2。表2精度比对统计表编号测距(m)起点名终点名全站仪无棱镜模式测取起终点高差(m)钢卷尺量取起终点高差(m)较差(m)110.2AB1.6441.647-0.003262.18CD0.1500.151-0.0013141.58EF1.5731.5650.0084215.10GH2.4352.4180.017由上表可以看出长距离下GPT-3002LN无棱镜全站仪采集的数据精度较高，最大较差为0.017m,。但需要注意的是全站仪照准点位置对测量结果有很大影响；且随着距离的增大，光圈随着放大，很难准确照准所测位置，在控制测距的基础上，在大桥通航净空施测过程中可以采用该仪器。3工程应用在舟山大陆连岛工程中已竣工的响礁门、岑港大桥、桃夭门大桥通航净空测量工程中，成功应用无棱镜全站仪测量技术，解决了桥梁通航净空测量中由于大桥底太高人员无法到达等难题。3.1外业施测：施测当日天气晴朗，桥体表面反射程度较好。采用GPT-3002LN无棱镜全站仪的“LNP模式”进行施测，测量模式为“精测”。首先将测站转移到大桥底部附近，由于桥底没有阳光直射的影响，为测量数据的高精度提供了保障。而无棱镜全站仪的特点是“所瞄即所测”，故对照准点的位置有严格要求。首先对桥梁底部轮廓按断面法施测，且所测点的距离不得超过无棱镜全站仪的有效测程（控制在200m以内）。经现场勘察，确定采用岑港大桥、响礁门大桥的施测范围为大桥两侧桥底边沿最低部位，桃夭门大桥的施测范围为处于桥面底部的钢轨。以响礁门大桥为例子，施测范围如图2所以示：图2响礁门大桥首先在测站上架好无棱镜全站仪，在同一测站对照准位置反复施测，将精度高的测量值保存到无棱镜全站仪上。在一个测站测完一组数据之后，保存数据，同时转移测站，就刚才照准的同一位置继续进行施测，对所测数据进行对比，最后将数据保存到无棱镜全站仪上。在外业施测过程中，有几点值得注意：1）在仪器操作时，免棱镜模式下棱镜高度必须设置为0；2）若大桥跨度较长的，应分别在大桥的两岸设测站，减少长测距观测，并对重叠位置所测数据进行比对，像桃夭门大桥设计净空宽280m，在其两岸设测站，可以消除由于观测距离过长带来的误差。3）为了确定找出要对桥梁通航净空范围，首先应确定净空范围的中心位置，因此在外业过程中桥孔中间部分应反复加密施测，寻找最高点（岑港大桥除外，详见下文）。3.2内业处理桥梁的通航净空常指大桥通航净空范围内，从设计通航水位（或设计洪水位）至桥跨结构最下缘的净空高度。通航净高计算公式:“通航净高=通航桥孔顶高-历史最高通航水位”通航净高点的范围是根据每座大桥自己的设计通航净宽来确定的，而具体通航净空范围中心点通过实际测量数据可以确定。通过对桥梁通航净空的反复加测，可以确定桥底部最高点为通航净空范围中心点，而岑港大桥为简支T梁桥，桥面底部高程从左岸起到右岸逐渐降低，则确定桥孔的中心为通航净空范围中心点。GPT-3002LN无棱镜全站仪具有自动记录所测数据功能，外业完成后，利用跟仪器配套的“T-COM”程序把仪器内存的数据下载到计算机里面，再用MicorsoftExcel软件进行数据处理，将所测的外业资料进行全面检查、校核，对重叠测点进行平差处理，无误后进行测点的间距和高程计算。编译成断面脚本文件，并保存为txt格式，再通过本院在AutoCAD2004上二次开发的程序运行断面脚本文件，自动生成通航净空断面图（详见图3）,同时计算各大桥通航净高。操作流程图详见图4。dddbcaddd准基程高家国(米)起点距(米)80706050403020100300250200150100500-50-100-150-200-250-300水位说明：起点距以大桥桥孔顶部最高点c为准，a、b为为通航净宽范围点，A侧为涨潮方向，B侧为落潮方向向左岸为正，向右岸为负。桥墩墩桥墩桥墩桥最高水位线桥孔顶高剖面线桥墩线图3大桥通航净空断面图图4流程图4结语本文针对无棱镜全站仪在桥梁通航净空测量工程中的应用进行了分析，总结了外业观测经验（详见3.1）。作者在三座不同类型大桥的通航净空测量工程中采用无棱镜全站仪，不仅节省了大量的外业时间，还改进了传统测量方法，针对三座大桥的各自特点，最终确定了三座大桥的实际通航净空范围，对以后类似的工程项目有着深刻借鉴意义。另外在实践中我们发现无棱镜测量的精度随距离、气象条件、反射物体的属性的变化有关系。测量利用无棱镜全站仪采集数据通过T-com传输程序将数据传送入计算机利用Excel软件对数据比对、平差，整理编制成断面脚本文件，并保存为txt格式AutoCAD2004内利用程序运行断面脚本文件，生成通航净空断面图对断面图进行修饰，计算通航净空高完成内业外业开始的精度很大程度上取决于数据采集质量。使用无棱镜全站仪采集数据相当于地形跑尺，一定要观测特征点且注意观测角度，视线没有任何障碍,而且不同质的的材料反射程度是不一样的的，对测量的精度也有一定的影响[4]。相比使用常规测量工具，使用无棱镜全站仪测得更快、测得更准，技术上有着多方面的优越性能和先进性，但测绘专业人员在应用这一技术的同时，要针对具体测量工程，开动脑筋，勇于创新，按规范要求进行施测，才能获得更优质的测量成果和创造出更高的经济效益。参考文献[1]杨瑞芳等.对无棱镜测距全站仪的几点思考[J].平顶山工学院学报,2007(7):44-45.[2]北京拓普康商贸有限公司.GPT-3100N脉冲全站仪技术指标[s]2007:[3]崔师宏.应用全站仪进行三角高程测量的新方法[J].新疆有色金属,2007(3):9-10.[4]万金涛.无棱镜测量技术在宜万线溶洞横断面测量的应用[J].铁道勘测与设计2007(4):1-3、11.[5]任庆慧．无反射棱镜全站仪及其在工程测量中的应用[J]．铁道勘察，2005(1)：41—43．[6]岳建平．无反射棱镜全站仪测距性能测试[J]．测绘工程，2005(6)：37—38．黄志行（1984-），男，浙江省河海测绘院助理工程师，大学本科，主要从事工程测量与海洋测绘工作。《浙江水利科技》审稿意见表稿名无棱镜全站仪在桥梁通航净空测量中的应用作者姓名黄志行，王灵锋，周小峰电话号码工作单位浙江省水利河口研究院邮政编码310020通信地址收稿日期审稿意见︵请用√表示︶题名√1.切题2.不明确3.过长或太大4.文题不符摘要1.简明扼要√2.基本符合要求3.未用第三人称书写4.过长5.过短关键词√1.选词符合要求2.太多3.太少4.选词不当事实材料√1.有证明信2.无证明信3.取材可靠4.有失实之处5.有抄袭现象实验设计√1.有创造性2.合理3.不合理4.有错误技术方法√1.有创新2.有改进3.常规方法4.有缺陷实验结果1.有新成果√2.有新见解3.他人可重复4.问题较多数据处理√1.数据可靠2.计算有误图表安排1.图（）表（）重复2.图（）表（）与文重复3.图（）表（）与文不符4.图（）表（）可删去5.图（）表（）可合并讨论部分1.论点明确2.与结果重复√3.重点不突出4.离题过远名字术语√1.规范2.不规范3.统一4.不统一计量单位1.法定单位2.法定与非法定单位混用3.国际符号与中文符号混用4.组合单位中的斜线“/”多于1条具体意见︵请按页和按段写出︶1、第三部分是重点，最好再加点笔墨，更详细的描述无棱镜全站仪在该工程中的应用；2、结语部分，要求紧扣题目，总结无棱镜全站仪在桥梁通航净空测量中的优势、操作要点，而无需描述无棱镜全站仪其他的优点。3、文中粉红色内容文字描述需重新组织，可以将操作步骤做成流程图；4、局部文字已在文中修改；5、建议作者重新修改后出版。评价意见︵请用√表示︶政治方面√1.无错误2.有错误3.无泄密问题4.有泄密问题学术方面1.有新成果√2.有新经验3.有新见解4.有