高铁精测网测量培训讲义2011.4.10.doc

高铁精测网复测、加密测量技术培训讲义一、水准高程测量1、水准高程系统 我国解放后统一采用黄海高程系统，即56高程系，高程原水准点设在山东青岛验潮站，1985年该点高程进行修正，85系统高程为72.260m，56系统高程为72.289m，两者相差29mm，目前基本上都采用1985国家高程基准。2、各级水准测量精度指标（即测规对高程测量的限差规定）水准侧量等级每公里水准测量偶然中误差（mm）每公里水准测量全中误差（mm）限差（mm）检测已测段高差之差（即复测值与设计值不符值的限差往返测不符值附和路线或环闭合差左右路线高差不符值二等1.02.06L4L4L三等3.06.020L12L12L8L四等5.010.030L20L20L14L 要说明的是二等水准测量必须往返观测，不允许采用两台仪器同方向左右路线观测，三、四、五等既可以往返观测，亦可以左右路线观测，五等水准以后采用会越来越少了。如果是左右路线双置镜法观测，那么对于三等水准来讲，精度评定就是8L，L以公里代入，计算结果单位为毫米。 3、各级水准测量主要技术要求等级水准尺类型水准仪最低型号视距（m）前后视距差（m）前后视累积差（m）视线高度（m）数字水准仪重复测量次数光学数字光学数字光学数字光学数字二等铟瓦尺DS1503501.01.53.06.0下丝读数0.32.80.552三等双面尺DS275752.03.05.06.0三丝能读数0.351铟瓦尺DS1100100水准观测的测站限差（mm）项目等级基、辅分划（黑红面）读数之差基、辅分划（黑红面）高差之差检测间歇点高差之差上下丝读数平均值与中丝读数之差二等0.5（天宝无）0.7 1 3三等光学测微法 1 1.5 3中丝读数法 2 3 34、高程测量方法（1）、水准侧量方法。适用于各等级水准测量，采用往返观测。一般复测时采用附合水准路线，由一个已知点出发，最后附合到另一个已知点，控制测量时（加密测量）一般采用闭合水准路线，由一个已知点出发，最后回到该已知点上，由此计算增设的新水准点高程。三、四等水准的观测顺序一般都按“后前前后”操作，二等水准的观测顺序“奇”、“偶”数站交替进行，往测奇数站为后前前后，往测偶数站为前后后前，返测时与往测变换交替观测顺序。 仪器在使用前应及时检校，电子水准仪i角（水准管轴与视准轴不平行产生的夹角）指标差不超过15。（2）、三角高程测量方法，适用于三、四、五等水准测量。全站仪三角高程测量必须往返观测高差，取其平均值，一般隧道洞外高程复测常采用三角高程方法，与洞外导线网一并观测。注意：俯仰角不宜过大，边长不宜过长，避开早、晚时间观测，以减小大气垂直折光的影响，往返观测能够完全消除地球曲率的影响，但不能消除大气折光的影响，若想消除折光的影响，只能选择气象条件好的天气和时段，比如选择阴天观测，或者每天上午8时至11时，下午1时至4时进行观测，往返观测的时间间隔尽可能的短，采用两台全站仪对向同时观测往返高差，往返观测高差的较差一般较大，这项差值意义不大，只是检核是否有粗差出现，如果三角高程环闭合差、每公里测高差的偶然中误差、与已知高差的不符值等均满足规范要求，那么成果就是可靠的。光电测距三角高程测量限差要求（mm）测量等级对向观测高差较差附合或环线高差闭合差检测已测测段的高差之差三等25D12D20L四等40D20D30L注：D为测距边长，L为侧段间累计测距边长，以千米计。光电测距三角高程测量观测的主要技术要求等级仪器等级()边长（m）观测方式测距边测回数垂直角测回数指标差较差()测回间垂直角较差()三等 1 6002组对向观测2455四等2800对向观测2377 如果在困难山区或跨河水准由光电测距三角高程代替二等水准测量，那么需要做精密光电测距三角高程测量。要求所采用的全站仪的标称精度为0.5，1 mm+1PPm。反射镜和对中杆经过特殊加工安装，应用两台全站仪同时对向观测，不量取仪器高和棱镜高。精密光电测距三角高程的测量方法（示意图略）。应用两台高精度智能全站仪，在仪器把手上安置测距棱镜，设A、B为两已知水准点，设测站为1、2、3、4、N，距离为12、23、34是随意的。1为起始站，N为结束站，在A和B上架设对中杆棱镜，必须保证A、B两点上的棱镜杆高度一致，测站1的全站仪距离水准点A和测站N的全站仪距离水准点B的距离为1020m，第一站测量结束后，总是将后点上的全站仪搬站前移，而前点全站仪不动，必须注意的是：对向观测的边数一定是偶数条边。计算公式：hAB=-S1Asin1A+0.5（S12sin12-S21sin21）+0.5（S23sin23-S32sin32）+SNBsinNB。上式中已没有棱镜高和仪器高，一个测段中只要对向观测的边数是偶数，就不存在仪器高和棱镜高。精密光电测距三角高程测量的主要技术要求等级边长（m）测回数指标差较差()测回间垂直角较差()测回间测距较差（mm）测回间高差较差（mm）二等10025534S1005004500800680010008注：S为视线长度，以千米计。（3）跨河水准测量，根据跨河视线长度，可以选择采用光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法和测距三角高程法进行跨河水准测量，比较适用的是测距三角高程方法，该方法适用于各等级跨河水准测量，距离和垂直角的观测方法、测回数和限差应严格按规范要求执行。跨越较大河流或水域时，具体实施应参照国家一、二等水准测量规范（GB/T12897-2006）有关技术要求执行。5、水准测量有关精度计算。 外业、内业完成后，应进行精度统计、分析及评定。（1）、往返闭合差计算，这是一项硬性指标，如超限必须查找原因或重测。往返闭合差是直接衡量本身测量精度的高低及是否合格的重要指标。（2）、每千米水准测量高差的偶然中误差或全中误差。M=1/N/L各测段往返测高差不符值（mm）。L测段长度（km）。N测段数。全中误差等于偶然中误差的2倍。（3）、检测已测段高差之差（即复测值与设计值不符值的限差）。以二等水准为例，限差为6L，不超限采用原设计成果，超限采用复测成果。这一项是衡量实测精度与设计精度是否相符。二、平面控制网测量。本标段跨三个坐标投影带，采用WGS-84坐标系椭球参数（长半轴a=6378137.000，扁率f=298.257223563）。在坐标换带处附近的每个CPI、CPII控制点均有两套坐标果，而在线路中线上（本标段以左线为主）的换带里程已由设计院设定，计算线路逐桩坐标时，推算到换带里程处即停止。设计给出的线路换带里程桩号点也同样有两套坐标，线路构造物放样时，构造物在哪一带范围内，就应用哪一带的CPI、CPII及加密点进行放样。为了防止放样点出现错误，放样完毕后，在保持仪器建站的情况下再实测放样点的坐标，并做好记录。1、 平面控制网的布设。（1）、GPS网，客运专线无碴轨道工程测量均采用GPS控制网。布网原则分为三级。第一级为CPI，第二级为CPII，第三级为CPIII。CPI为基础平面控制网， CP主要是为勘测和施工提供基准，CP主要是为铺设无碴轨道和运营维护提供控制基准，这三级控制主要是为施工单位提供基准。对于设计院来讲，还有CP0和国家控制点。CPI点一般4km布设一个或一对，CPII点600800m布设一个，CPIII点60米布设一对，CPI点采用二等（B级）GPS网观测，CPII采用三等（C级）GPS网观测，CPIII采用后方交会方法施测，使用马达型全站仪加手簿来完成（也称测量机器人）。平面分级控制的关系：GD（国家点）CP0CPICPII加密点CPIII，逐级控制的关系是引进德国博格公司和旭普林公司的测量技术，由西南交大和铁二院加以研究推广应用。尤其是CPIII控制方法在无碴轨道工程中的应用是前所未有的。 PI和CPII网GPS测量作业技术要求GPS作业时其主要技术要求项 目CPCP静态测量卫星高度角（）1515有效卫星总数54时段中任一卫星有效观测时间（min）3020时段长度（min）9060观测时段数21数据采样间隔（S）1515PDOP 或GDOP68天线应严格整平对中，对中误差 1mm。每时段开机和关机前后各量一次天线高，三个方向天线高互差不大于2mm，取平均值作为最后的天线高。观测时详细记录测站点号、日期、时段、天线高等。开机后经检查有关指示灯与仪表显示正常后，方可输入测站、观测单元和时段等控制信息。观测中应查看测站信息、接收卫星数、数据记录信号灯等情况，保证接收机工作正常，数据记录正确。观测中在接收机近旁禁止使用对讲机和手机。每日观测结束后，当天及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。GPS的数据处理是借助随机软件或商业软件运行来完成的，主要处理内容是基线解算和网平差，基线解算的流程：导入观测数据参数设置基线解算质量检核（评估）。参数设置首先选取与设计相一致的坐标系统，然后根据对应的选项输入椭球长半轴、扁率（由长半轴和短半轴计算得到）、中央子午线经度（由设计文件查得，独立网可自行选定）、投影高（由设计文件查得）、卫星高度角（一般选取15。）、星历（一般选广播星历）、基线解算类型等参数。将原始观测数据（DAT文件）转换为标准RINEX数据格式，采用天宝TGO或徕卡LGO进行基线向量解算。网平差的内容包括无约束平差（自由平差）和约束平差。网平差采用武测科傻COSAGPS数据处理软件进行平差计算。GPS网精度评定主要有以下几项：GPS网环闭合差，协方差项基线边的相对中误差，基线边方向中误差和点位中误差等。GPS测量精度指标控制网级别基线边方向中误差最弱边相对中误差二等1.31/180000三等1.71/100000四等2.01/70000可重复性测量精度和相邻点位的相对精度控制点等级同精度复测较差限差(mm)相邻点间坐标差之差的相对精度的限差(mm)二等201/130000三等151/80000四等151/50000注：表中相邻点间坐标差之差的相对精度计算式： dS/S=（X2AB+Y2AB）/S式中XAB=（XA-XB）复-（XA-XB）原YAB=（YA-YB）复-（YA-YB）原S相邻点间的二维平面距离； XAB，YAB相邻A点与B点间二维坐标差之差。（2）全站仪导线网测量。隧道洞外、洞内控制测量技术要求测量部位测量方法测量等级洞口联系边方向中误差（）测角精度（）适用长度（km）边长相对精度洞外导线测量二108201/200000 681/100000三18461/100000四251.51/80000GPS测量一10201/250000二1341/180000三1741/100000洞内导线测量二1.09201/100000隧道二等1.3691/100000三1.8361/50000四2.51.531/50000一级4.01.51/20000 导线网的布设主要有两种网型，多边形闭合环和菱形网。多边形闭合环 菱形网多边形网布设自由，不受地形限制，外业推进速度快，菱形网外业观测速度慢，每一站都要测2个角，导线点成对布设，两点的距离根据前后通视情况而确定，导线边尽可能拉长，一般不小于300m，在温福线霞浦隧道洞内最长边达800m，多边形网每一环布设6条边为宜，菱形网每一个环都是4条边，每环的理论角度都是3600，这两种网形是隧道控制测量成熟的经典的网形，洞外、洞内均适用，是八十年代京广线大瑶山隧道（14km）应用推广而来的。后来在大秦线军都山隧道，山西侯月线的云台山隧道等应用。温福铁路客专的霞浦隧道（13.1 km）的洞外、洞内均采用多边形导线网，精度达到1/1000000，取得了较好的贯通效果。对于本标段隧道洞内控制以闭合导线网为主，每次复测或控测以洞外GPS网长边为起算边，复测频率为隧道开挖施工每达到8001000进行一次中期复测（或换手复测），要注意斜井与正洞交叉处的联系边应尽可能布设长边。边长应往返测量取平均值，每站测距时必须考虑温度和气压的影响。水平角测量采用测回法，测回数按测量设计选定。如果需要进行洞内导线边长投影改化时，那么，在测边的同时观测高差，另一方面，通过洞内三角高程测量也可以检核洞内设置的水准点的高程是否正确。为什么要布设控制网？而不采用单导线控制？首先，控制网的检核条件多，容易发现粗差，为评定精度提供了必要的条件，单导线无论外业还是内业，都缺少检核条件，通过理论和实践证明导线网的精度比单导线的精度高2倍。 线下工程控制网加密测量点位的材质制作加工及规格尺寸应按设计院CPII点的标准埋设，点位应布设在施工干扰小、安全稳固、便于保护的地方。加密点选择应远离树木、房屋、大功率通信设备等。加密点实行统一编号，加密点的编号形式：标段号+JM+流水号（如三标一工区第一个加密点：JM1001）。采用GPS测量加密点时，边长布设应不短于300 m，隧道洞口包括斜井洞口加密网边长一般应大于500 m，观测时以边联结方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网，并与CPII联测构成附合网。采用全站仪测量加密点时，以附合导线形式为主，边长布设200400m为宜，导线应起闭于CPI或CPII控制点，导线附合长度大于2km时，应采用导线网方式布网，水平角观测精度按三等导线技术要求施测，导线成果计算应在方位角闭合差及导线全长相对闭合差满足要求后，采用严密平差方法计算。导线测量的主要技术要求等级测角中误差方位角闭合差导线全长相对闭合差测回数0.5级仪器1级仪器2级仪器二12n1/10000069隧道二等1.32.6n1/10000069三1.83.6n1/550004610四2.55n1/400003 46n测站数导线水平角测回法的技术要求导线 等级仪器等级半侧回归零差（）一测回内2C互差（）同一方向值各测回互差（）四等及以上0.5484169628139边长测量使用全站仪往返观测，应考虑温度和气压的改正，测前将气象参数输入仪器中。水平角观测采用测回法，按相应的导线精度要求施测，分别观测左右角，最后计算时划归同一侧角值取平均值。为什么要搞测回法观测？而不是单一的测一次角度？因为仪器的原因、气象的原因、人的因素等等。观测一次的结果不能代表真值，而观测多个测回取其算术平均值才能代表真值，有多余观测，方可计算精度。测量精度是以中误差为衡量标准，极限误差（简称限差）规定为中误差的2倍，中误差的概念是一组真误差平方和的算数平均值的平方根，写成表达式为：M=（n）,是根据最小二乘法原理推导而来的，真误差在实际工作难以求得，除了三角形、四边形等较规则的图形外，一般都不具备求解真误差的条件，那么，我们可以通过进行多余观测得到算术平均值，将算数平均值作为可靠值，即真值，所以，观测值减去真值等于真误差。导线全长的精度评定常常以相对误差或者相对中误差来衡量，若以绝对误差除以导线长度，则结果是相对误差，若以中误差除以导线长度，则结果是相对中误差，统称精度。2C值的控制：2/仪器2C互差不大于13/，1/级仪器不大于9/。2C绝对值，即盘左读数减盘右读数差值的大小不能说明什么，2C的意义主要是考量外业观测水平角质量的好坏，正常情况下，各测回2C值是有规律的，对同一台仪器来讲，假如2C值是-4/，那么各测回基本都是在-4/ 左右，这就说明仪器没问题，气象条件好，观测质量高。否则，质量不高，原因可能是仪器视准轴与横轴不垂直，需要效正，气象不佳有雾，成像不清晰等。气象不好，应停止观测，不能勉强观测。水平角测回法观测的技术要求中同一方向值各测回互差，1/级仪器不大于6/，2/仪器2C互差不大于9/。测站周角闭合差的限差导线等级二三四限差（）2.03.65.0 =2m 平差计算导线平差计算方法有严密平差、相关平差、简易平差（包括简易相关平差和近似平差），对于客专工程来讲，规范要求应采用严密平差计算。主要应用软件有武测的科傻、同济大学、西南交大等软件，严密平差与简易平差最终计算结果差别不大，只是严密平差更合理一些。实际数据处理时应采用严密平差计算方法。 精度评定导线环角度闭合差的限差f限=2mnm设计的测角中误差n导线环内角的个数导线网（环）测角中误差m=1/ Nf2/n=1/nf21/n1+ f22/n2+1.8/式中f导线环的角度闭合差N导线环的个数n每个导线环的角度个数。全线全长相对精度f1/55000（三等）最弱点点位中误差10，（提示哪个位置的点是最弱点）以上精度评定都合格，则说明成果是可靠的。洞外控制测量误差对洞内横向贯通精度影响值的估算，以及洞内控制测量设计。 对于长大隧道而言，洞外网测量对洞内横向精度影响值估算，以及洞内测量设计都是必要的，目的是为了确保隧道能够正确贯通。洞外控制网若是GPS网，那么影响洞内贯通精度的主要因素有以下几项。一是隧道长度，二是隧道进、出口定向边方向中误差。 M2外=（S12m1/）2+（S22m2/）2m1进口端定向边的方向中误差m2出口端定向边的方向中误差洞外控制网若采用全站仪导线网，那么影响洞内贯通精度的主要因素有两项，一是测角误差，二是测距误差，测角误差影响较大，测距误差影响较小。精度估算计算式：由测角误差引起的M外= m外/R2x外m外测角精度，可取实测的精度，也可取设计的Rx外角项投影垂线长1弧度的秒数=180/3600206265由测边误差引起的ML外=fD/Ddy2外dy外边长投影在贯通面上的长度fD/D测边精度，可取实测值，也可取设计值洞外测量对洞内的总影响为：M外=M2外+M2L外45mm（RX外和dy外的长度可由坐标计算求出，也可在CAD中得出）。另外一项是洞外高程测量误差对洞内高程影响估算。计算式：Mh外=Mw外L18mmMw外洞外水准测量每公里测量高差的偶然中误差L两开挖洞口间长度，以km计、洞内控制测量设计平面控制测量设计。根据测规的要求，47km隧道洞内测量误差分配值为50，设计洞内导线测角所要达到的测角中误差和洞内导线边应布设的长度，以及要使用的仪器级。另外，就是高程测量设计，高程测量设计主要是指长大隧道，一般水准路线长度大于5km应进行高程设计，由实践经验证明，洞内高程测量误差几乎为零。隧道贯通误差规定项目横向误差（mm）高程误差(mm)两开挖洞口间长度4477101013131616191920洞外贯通中误差3040455565758018洞内贯通中误差4050658010513516017洞外、洞内总和50658010012516018025贯通限差10013016020025032036050、隧道洞内布网施测注意事项点位要求埋深埋稳，先期点位用砼包刻十字的钢筋，后期洞内应布设CPII点。CPII点位应埋设不锈钢，洞内CPII的点位间距为300600m。隧道进口处和斜井进入正洞处的控制定向边长尽可能拉长，洞外定向边长不宜小于500m，斜井与正洞交叉处的定向边不宜小于300m。洞内导线控制测量时，要在通视条件好的情况下进行。及时通风排烟，必要时应停止施工，为控制测量提供有利条件。当整座隧道全部贯通后，达到洞内CPII导线测量时，那么可按规范要求施测。隧道洞内CPII导线测量主要技术要求控制网级别附和长度（km）边长（m）测距中误差（mm）测角中误差（）相邻点位坐标中误差（mm）导线全长相对闭合差方位角闭合差限差对应导线等级备注CPIIL2300-60031.87.51/550003.6n三等单导线CPII2L7300-60031.87.51/550003.6n三等导线网CPIIL7300-60031.351/1000003.6n隧道二等导线网三、轨道控制网（CPIII）平面测量高速铁路在线下工程完成后进行CPIII点的安装和测量，CPIII平面网测量采用自由测站边角交会法施测。CPIII控制点的定位精度要求表（mm）控制点可重复性测量精度相对点位精度CPIII后方交会测量51CPIII网形式如下图测站（自由站点）CPIII控制点向CPIII点进行的测量（方向、角度和距离）1、仪器要求全站仪必须满足如下精确度要求：角度测量精确度：1，距离测量精确度：1mm+2ppm使用带目标自动搜索及测量的自动化全站仪，如：Leica （徕卡）系列的：TCA1201，TCA1800，TCA2003，TRIMBLE S6等，每台仪器应至少配12套棱镜，使用前应对棱镜进行检测。2、测量方法CP控制网采用自由设站边角交会方法测量，自由测站的测量，从每个自由测站，将以2 x 3个 CP III点为测量目标，每次测量应保证每个点测量3次。CPIII控制点距离为60m左右，自由测站间距一般约为120 m，自由测站点到CP III点的最远距离不大于180m，CPII平面网应附合于CPI、CPII控制上，每600m左右联测一个CPI或CPII点，每个CPIII点至少应保证有三个自由测站的方向和距离观测量。每次测量开始前在全站仪初始行中输入起始点信息并填写自由测站记录表，每一站测量3组完整的测回。应记录于每个测站：温度、气压以及CPI、CP II点上的目标点的棱镜高测量，并将温度、气压改正输入每个测站上。对于线路有长短链时，应注意区分重复里程及标记的编号。3、水平角测量的精度要求方向观测各项限差根据测量规范的要求不应超过下表的规定，观测最后结果按等权进行测站平差。距离的观测应与水平角观测同步进行，并由全站仪自动进行。CPIII方向测量法水平角测量精度表仪器类 型仪器等级测回数半测回归零差2C互差同一方向值各测回互差DJ050.52696DJ113696注：DJ05为一测回水平方向中误差不超过0.54、平面测量可以根据测量需要分段测量，分段测量的区段长度不宜小于4km，区段间重复观测不应少于6对CPIII点，区段接头处不允许设在车站范围内。其测量范围内的CPII点应一并联测，区段之间衔接时，前后区段独立平差重叠点坐标差值应小于3 mm。与上一级CP II 控制点联测时应保证8001000米的间隔联测一个。（1）与上一级CP II 控制点联测，一般情况下应通过2个或以上线路上的自由测站，见下图。联测高等级控制点时，应最少观测3个完整测回数据（其精确度应在5毫米误差以下）。CP II 控制点与CPII控制点联测示意图测站（自由站点）CPIII控制点向CPIII点进行的测量（方向、角度和距离） （2）为了使相邻重合区域能够满足CPIII网络的测量高均匀性和高精确度，每个重合区域至少要有3到4对CP III点（约为180米的重合）。桥梁段须与已有的独立的施工控制网相连接。通过选取适当的CP II点和CPIII 特殊网点，来保证形成均匀的过渡段。5、 内业数据处理在自由设站CPIII测量中，测量时必须使用与全站仪能自动记录及计算的专用数据处理软件，采用软件必须通过铁道部相关部门正式鉴定。四、大地坐标系统及分带投影改化我国的坐标系统有北京54坐标系、西安80坐标系、WGS84坐标系与2000椭球体参数坐标系。云桂铁路设计院选择的坐标系统是WGS-84椭球体参数，长半轴a=6378137.000m,扁率f=1/298.257223563，这两个参数是表示地球的椭球体形状和大小的，各坐标系统原理是一样的，只是参数有所改动，每过几年或十几年由国家测绘局修正参数并发布。无碴轨道工程测量要求精度高，由于地球表面是个椭球曲面，地面上的测量数据需要投影到施工平面上，但曲面上的几何图形投影到平面上时，不可避免会产生变形，国家3带高斯投影坐标系每带总宽是333.6km，半带宽度是166.8km，在每带边缘的边长投影变形值达到340/km，等于1/2941的精度，这样就满足不了无碴轨道的精度要求。想要解决这一问题，就要建立工程独立坐标系，取任意中央子午线经度，将高斯系统变形，我们知道高斯投影是将地面实测边长进行两次改化，首先将实测边长投影到椭球面上，导线边长则变短，然后再投影到高斯平面上，导线边长则变长了，两者变形符号相反的特性，就存在着一定的抵偿地带，根据客专工程通过的地区的高程状况，选择一个合适的投影面。客专规范要求，CPI网边长投影后的变形值控制在10/km，即1/100000，即投影长度变形不大于1/100000（包括高程改化、高斯投影变形之和）。要想做到这一点，在设计一条客专线路时应划分多个投影带，每带选择合适的投影面高度，再就是人为的任意选取任意带中央子午线的位置，采用任意中央子午线较窄宽度带，常常是取1带的宽度，即每100km左右就换带，在高海拔地区设计上取0.5带的宽度，即3050 km左右就换带，高程投影面的选取尽可能接近测区平均高程面。测边高程投影改化计算式：D。= D1-（H-H。）/RD。改化后的边长D 实测边长H 测边平均高程H。投影面高程R 地球曲率半径，取6371000m由计算式可知，若保证投影变形不大于10mm/kM，投影变形不低于1/10000