(完整版)全站仪对边测量在跨河水准测量中的应用
中铁二十四局集团
福建铁路建设有限公司QC成果
全站仪对边测量
在跨河水准中的应用
中铁二十四局集团福建公司测量QC小组
2006年2月20日
目录
一、课题介绍 (1)
二、小组概况 (2)
三、选题理由 (3)
四、确定目标 (3)
五、方案选择 (4)
六、制定对策 (7)
七、实施阶段 (8)
八、效果检查 (12)
九、巩固措施和标准化 (13)
十、总结及今后的打算 (14)
十一、附录：小组活动记录一览表 (15)
P 2
P 1
P
S 1
S 2
D
图 1 对边测量原理
1
2
V 1
V 2
h
β
S
一、 课题介绍
1、 名词解释
(1) 全站仪对边测量：根据三角高程测量原理和余弦定理，用全站仪间接地测定远处两测点间的斜距、平距、高差，如图1所示。在P 点安置全站仪，测量P 至P 1、P 2的斜距S 1、S 2和竖直角α1、α2，以及水平角β，即可求得P 1P 2的平距D 和高差h 。
????
?---=-+=)
sin ()sin (cos cos cos 2cos cos 11122221212222
1221v S v S h S S S S D ααβαααα 制 图：洪 淮 斌 日 期：2004年12月16日
(2) 跨河水准：利用各种技术测量江河两岸水准点间高差的过程。
2、 工程概况
福州市湾边大桥是福（州）至厦（门）高速公路复线工程的配套控制工程，是福建省重点工程。大桥位于福州市湾边和闽侯县南屿，跨越
福州市两大河流之一的乌龙江，大桥全长1874m，其中跨江部分1500m，主航道宽约500m。
该桥桥位靠近闽江口，每天受两次潮汐影响，退潮时除主航道外均为沙滩，徒步可通行。主航道水深且急，徒步无法通行。
为了保证大桥施工放样的精度，保证大桥顺利合龙，必须对设置在两岸上的水准基点进行联测。
3、课题难点和特点
(1)河面宽：既使在完全退潮期间，河面宽度仍有500m左右；
(2)精度高：《规范》规定——桥梁高程施工控制网中，跨河两水准点间高差的中误差≯2mm；
(3)仪器少：公司没有跨河水准测量所需的高精度水准仪和特制觇牌；
(4)时间紧：建设单位要求在1月28日前举行开工典礼，为此项目部要求在1月21日前完成大桥的平面、高程控制测量及施工复测工作。
二、小组概况
1、小组概况
小组名称中铁二十四局集团福建公司测量QC小组
注册号FTJS:2005-010-012 小组类型创新型
登记日期2004年12月 1日成立日期2004年12月 1日
重新登记日期2005年 1月10日小组人数5人Q C教育时间平均48小时以上活动时间2004.12.10～2005.3.10 活动次数8次
制表：洪淮斌日期：2004年12月1日
2、主要成员
序姓名性别年龄职称文化程度组内职务及分工
1 洪淮斌男3
2 工程师大学组长
2 王澄男28 助工大学副组长
3 林凡男29 助工中专对策实施／记录整理
4 戴天荣男34 工程师大专对策实施／资料收集
5 刘传标男62 高工大学技术顾问
制表：洪淮斌日期：2004年12月1日
三、选题理由
(1)湾边大桥是福建省重点工程，业主、公司、项目部对该工程的施工提出了很高的要求；
(2)湾边大桥主桥为45+90+106+90+45m单肋拱加劲V型撑刚构－连续梁，引桥为预应力连续箱梁，高程控制是施工的关键之一；
(3)《规范》对跨河水准点间高差提出了很高的要求；
(4)公司目前没有配备跨河水准测量所需的高精度水准仪。
四、确定目标
1、活动目标
精确：跨河水准点间高差中误差＜2mm 活动目标
高效：按业主要求的时间完成测量
制图：洪淮斌日期：2004年12月13日
2、可行性分析
(1)小组成员具有丰富的工程测量经验，扎实的理论基础；
(2)小组成员具有良好的团队精神和很强的创新能力；
(3)公司和项目部领导非常重视工程实施的每一个环节，并且在人员、设备等方面给予大力支持。
经过分析论证，小组成员一致认为此目标能够实现。
五、方案选择
1、制定方案
通过熟读《规范》、查阅各种专业测量书籍、向兄弟单位咨询，结合现场地形条件和以往的施工测量经验，我们初步拟定了三种可行的跨河水准测量方案。
跨河水准测量方案
编号测量方案所需的仪器设备
一传统的跨河水准测量S1或S0.5高精度水准仪，特制觇牌二光电测距三角高程测量全站仪或光电测距仪
三全站仪对边测量全站仪
制表：王澄日期：2004年12月17日2、方案比选
为了保证跨河水准测量方案经济可行、结果准确可靠，并能如期完成，我们运用头脑风暴法，对三个方案的优、缺点进行细致、全面的分析讨论，为下一步方案评估以及确保方案顺利实施打下坚实的基础。
跨河水准测量方案优、缺点对照表
优点缺点
方案一?《规范》及各专业书籍中对观
测的等级、方法、限差均有明确
规定，按部就班即可顺利完成测
量任务；
?有成熟的经验可供借鉴；
?结果的可靠性和准确性较高；
?需购置两台高精度水准仪；
?需专门制作观测用的觇牌；
?需两台仪器同步对向观测；
?测量操作较为繁琐，而且要求
严格，对观测者、立尺者均有较
高要求；
方
案二?不需要另购仪器，可直接利用
公司现有的仪器；
?可收集到相关的经验供参考；
?需对向观测，要求对向观测的
大气条件相同或相近，受天气尤
其是大气折光的影响很大；
?测量时间较长；
?测角的精度要求很高，远距离
的高差精度很难保证；
?可供参考的成功经验不多；
方案三?不需要另购仪器，可直接利用
公司现有的仪器；
?一次置镜即可完成观测，受天
气和环境条件的影响小；
?结果直接显示，人为误差小；
?测量操作简单、快捷；
?结果的可靠性和准确性较高；
?可供参考的资料很少；
?棱镜高度的量取误差较大；
?对全站仪的精度、稳定性、可
靠性要求较高；
制表：洪淮斌日期：2004年12月23日
3、方案分析及评估
为了保证测量结果准确可靠，并用最经济的方案顺利完成跨河水准测量任务，我们在对三个测量方案的优、缺点进行比较的基础上，进一
步对其可行性进行分析，并在小组内采用民主的方法对这三个方案进行评估，由此得出最终的结论。
方案评估时我们借鉴了加权平均的做法，经过充分的讨论，我们筛选出下4个因素作为测量方案评估的主要因素，并根据测量专业的特点确定了各因素的权重，具体如下：a——可靠性，权重为5；b——准确性，权重为4；c——易操作性，权重为2；d——经济性，权重为1。每个因素的满分为5分。
跨河水准测量方案评估表
可行性分析评估结论
方案一?多年总结形成的成熟的测量方
案，结果的可靠性、准确性都较
高，是跨河水准测量的首选；
?购置仪器需投入2～3万元，还
要制作专用的观测觇牌；
?测量过程较为繁琐；
?公司缺少这方面的成功经验；
洪王林戴刘得分
备选
a 5 5 4 4 5 115
b 5 5 4 4 5 92
c 2 2 1 2 4 22
d 1 1 1 1 2 6
合计235
方案二?在理论上是可行的，但影响因
素太多，包括大气条件等；
?测量结果的误差与距离成正
比，测量结果的精度不易保证；
?测量过程最为繁琐；
?无需增加投入；
洪王林戴刘得分
否定
a 3 3 3 2 2 65
b 3 3 3 3 2 56
c 4 3 3 3 2 30
d 5 5 5 5 4 24
合计175
方案三?在理论上是可行的；
?各影响因素的影响值可控制在
一定范围内；
?测量结果可靠性、准确性较高；
?测量方案简单，易于掌握；
?无需增加投入；
洪王林戴刘得分
首选
a 5 4 4 3 3 95
b 5 5 4 4 3 84
c 5 5 4 5 3 44
d 5 5 5 5 4 24
合计247
制表：洪淮斌日期：2004年12月23日
4、结论
经过综合分析和民主评估，方案三即全站仪对边测量方案以其较高的可靠性和准确性、实施简单、无需增加投入，并可充分挖掘全站仪的潜力等优点受到了小组成员的青睐，一致同意将该方案定为首选方案。
六、制定对策
方案确定后，我们应用5W1H方法，分析论证该方案实施中存在的问题和难点，并制定了相应的对策，具体如下表：
全站仪对边测量方案对策表
序问题对策目标措施负责人时间
1 测角精
度对测
量结果
影响大
提高角
度测量
精度
测角精度
的影响值
控制在可
接受的范
围内
使用经检定合格
的高精度的全站
仪；选择合适的
天气和地形；减
少仪器系统误差
洪淮斌
林凡
2004.12.31
～
2005. 1.20
2 棱镜高
度误差
大、棱
镜下沉
提高棱
镜量高
精度，
降低下
沉影响
误差控制
在1mm
以内
采用水准仪测量
棱镜高度；观测
过程中多次量取
棱镜高；优化对
边测量观测顺序
洪淮斌
王澄
2004.12.31
～
2005. 1.20
3 大气折
光、地
球曲率
及环境
的影响
降低影
响的程
度
将影响降
低到可接
受的程度
通过查阅资料、
现场调查，借鉴
他人成功经验；
优化跨河位置；
洪淮斌
戴天荣
2004.12.31
～
2005. 1.10
序 问 题 对 策 目 标
措 施 负责人 时 间
4 应观测多少测回，限差如何控制
确定观测的测回数和
限差计算公式
保证测量结果的准确性和可靠性
从理论上分析计算所需测回数；
通过查阅资料，确定观测限差的计算公式
洪淮斌 2004.12.31
～ 2005. 1.20
制 表：林 凡 日 期：2004年12月31日
七、 实施阶段
1、 实施一：制定措施，提高测角精度，保证成果精度
为了保证所制定的措施更有针对性，我们首先从对边测量的原理入手，运用误差理论对其进行分析。
根据全站仪对边测量原理，由误差传播定律可得，全站仪对边测量高差的中误差公式如下：
2
22
2
2
21222
12
2
2)sin (sin v
S
h
m m D D m m +++
+=αραα 其中，111cos αS D =，222cos αS D =。则由此可知，高差误差的主要来源是距离1D 、2D 和测角精度αm ，为此我们采取了如下措施： (1) 使用公司拥有的测角精度为1″的全站仪TOPCON GTS601。 (2) 确保仪器处于正常的合格状态：该仪器1个前刚刚经省计量检定站检定合格，各项技术指标均符合其标称值。
(3) 选择合适的天气施测对边测量：选择在风力微弱以及气温变化较小、呈像清晰稳定的阴天进行。
(4) 选择最佳的地形：经过多次实地踏勘，我们巧妙地利用北岸河堤
丁坝和码头这些有利地形（如图2），不仅缩短了跨河的距离，而且使前、后视边长接近，两岸临时水准点高程相近且与置镜点的高差都很小。这避免了观测过程中全站仪多次调焦所带来的影响，提高了测角、测距的
精度。
制 图：戴 天 荣 日 期：2005年 1月12日
(5) 观测时，全站仪微调螺旋最后旋转方向均为“旋进”，并严格按有关操作要求进行作业。
2、 实施二：采用水准仪量高法，提高棱镜高测量精度
如果采用钢尺按斜量法量取棱镜高度，其精度约为±2～3mm ，对于高精度的跨河水准来说，这个精度显然是无法接受的。同时，主航道南侧的临时水准点设在沙滩上，观测过程中棱镜的下沉是在所难免的，如
丁坝码头
乌龙江主航道
LBM 2
LBM 1
置镜点北岸(福州)
南岸(闽侯)
沙滩(退潮期间)
图 2 湾边特大桥跨主航道水准测量方案示意图
何减少这方面的影响这也是我们应考虑和研究的问题。
(1)经过查阅资料和论证，我们采用水准仪法测量棱镜的高度，将其精度提高到±0.2mm。具体做法如下：
在离棱镜2.5～3.5m处安置水准仪，用直尺（毫米刻划）的零点对准棱镜觇牌中心，用水准仪读出直尺上的读数，估读至0.1mm。对边观测前、后及观测半数测回时各读取一次直尺的读数，取其平均值；移去棱镜后，立即在转点上立水准尺，并用直尺对准水准尺的整数刻划，用水准仪读出直尺上的读数，估读到0.1mm，再加上水准尺的整数刻划。这两个数值之差即为棱镜高。
(2)对边测量观测前、后及观测到半数测回时各用水准仪测量一次棱镜，取其平均值。
(3)对边测量的观测顺序进行优化调整：奇数测回的观测顺序为“后－前－前－后”，偶数测回的观测顺序为“前－后－后－前”。
3、实施三：优化跨河方案，减少大气、环境的影响
全站仪对边测量的基本原理还是三角高程测量，因此大气折光、地球曲率等因素对测量结果的影响是不容忽视的。为此，我们采取了如下措施：
(1)查阅大量的资料，借鉴三角高程测量的成功经验。
(2)采用推荐的大气折光系数0.13，并输入全站仪中实时进行改正。
(3)测量全站仪仪器中心附近的温度（读记至0.2℃）和大气压（读记至1Pa），并输入全站仪中实时进行改正。
(4)观测前打开仪器箱半小时以上，以使仪器温度与环境温度一致。
(5)前后视边长、高差相近，减少地球曲率、大气折光的影响。
(6) 两岸的临时水准点到水边的距离、距水面的高度相近，保证前后视线通过的环境相近，降低环境条件的影响。
4、 实施四：理论分析计算，确定对边测量的测回数和限差
由于规范中没有全站仪对边测量用于跨河水准测量的资料，仅有光电测距三角高程应用于四、五等测量的资料。为了保证测量成果的可靠性和准确性，我们从理论上进行分析计算。 (1) 测回数的确定：
我们拟采用的全站仪测角精度为1″，测距精度为2mm+2ppm ，根据现场情况，前、后视的竖直角均不会大于5°，距离均不大于600m ，分析时我们取?==521αα，m D D 60021==，根据对边测量高差的中误差计算公式有：
mm m h 14.42.021265
.206)6002()5.022()5sin 2(22
2
22
2
=?+??+?+???= 也就是说，在此条件下，全站仪对边测量观测一测回的高差值的中误差为4.14mm ，如果观测5个测回，其高差中误差为mm 85.1514.4=，就完全能够满足《规范》中“桥梁高程施工控制网中，跨河两水准点间高差的中误差不应大于2mm ”的要求。 (2) 测量限差的确定
《规范》规定光电测距三角高程对向观测较差的限差为：
mm D dh 2.215.03030==＝限
《规范》规定水准仪跨河水准测量各测回高差互差的限差为：
mm S N M dh 97.165.040.344=??=??=?限
经过分析比较，我们采用后者作为高差观测一测回较差的限差。
八、 效果检查
1、 实测结果
根据分析论证结果，我们于2005年1月20日组织实测，经过计算和验证，测量取得了成功。测量结果如表1所示。
湾边大桥对边测量(跨河水准)成果表
测回 对 边 测 量 结 果 棱 镜 高 度
高 差
（m ）
dD dh 高 差互 差 高 差
均 值
LBM1 LBM2 1 402.6840 1.3912 -10.0 1.3962
402.6748 -1.4012 2 402.6766 1.3948 -6.0 1.3978
402.6672 -1.4008 3 402.6840 1.3900 -8.6 1.3943
402.6772 -1.3986 4 402.6814 1.3880 -9.2 1.3926
402.6770 -1.3972 5 402.6792 1.3930 -9.6 1.3978
402.6762 -1.4026 6 402.6798 1.3986 -9.4 1.4033
402.6802 -1.4080
均值 402.6781 ±19.8 1.3970 1.4265 1.5092 1.3143
制 表：林 凡 日 期：2005年 1月20日
实测D 1＝501.3638m ，D 2＝458.6422m ，436101'''?-=α，537002'''?-=α，则实测的高差中误差为：
mm
m h 31.32.021265.206)6422.4583638.501()5.022()5370sin 43610(sin 2
22222
2
2
=?+?++?+?'''?-+'''?-=' mm mm m m h
h 235.16
31
.36
<=='=
计算结果表明，测量结果满足规范要求，达到了我们预期的目标。我们的测量结果同时也通过了监理单位的验证。
2、经济效益
通过此次QC活动，一方面节省了购置高精度水准仪的费用2万多元；另一方面，本方案大大缩短了水准路线的长度，仅用时一个半小时就完成了全桥的高程控制测量，大大提高了工作效率。
3、技术效益
通过此次QC活动，我们对全站仪的应用有了进一步的认识，改变了一些组员“全站仪就是测角、测距和坐标放样的工具”的片面看法。同时，总结出一种新的跨河水准测量方法，这让我们在今后的工程实践中又多一种选择。
4、社会效益
我们的跨河水准测量方案得到了监理单位的好评，监理单位对我们的工作态度、业务能力给予了充分肯定。
本次QC活动的成功，极大地鼓舞了小组的每一个成员，增强了大家的自信心，也进一步增强了团队的凝聚力和创造力，培育了小组成员勇于开拓、敢于创新的精神。
九、巩固措施与标准化
我们已将本次测量的方案形成《作业指导书》，并被收编到公司的《工程施工测量指导书》中，在公司内推广。另外还撰写发表论文一篇“全站仪对边测量技术在跨河水准中的应用”，详细介绍了测量的实施、精度的控制以及测量中应注意的事项，供广大同行在类似工程中借鉴。
十、总结及今后打算
通过本次QC活动，完成了我们制定的“精确、高效”的目标，为湾边大桥的如期顺利开工创造了有利条件；进一步挖掘和发挥了施工单位的常规武器——全站仪的功能；增强了小组成员对QC知识的了解和应用，以及综合运用专业知识的能力。从小组的自我评分表也可以看出每个组员对本次活动的真正体会！
小组自我评分表
项目
质量改
进意识解决问
题能力
QC知识
水平
顾客满
意程度
团队
精神
自我评价活动前（分） 2 2 2 4 3
活动后（分） 4 4 4 5 5
制表：洪淮斌日期：2005年3月10日
这次QC活动虽然达到了预期的目标，结果令人满意，但我们在实施过程中也发现了一些问题，比如：棱镜高度的量取方式虽然精度高，但操作略嫌麻烦，而且这各方法需要的人员、工具也较多，有没有更合适的方法呢？还有能否采用GPS（全球卫星定位系统）实现跨河水准测量呢？这些将是我们测量QC小组今后要重点攻关课题！
附：
小组活动记录一览表
序号活动时间活动内容
参加
人数
主持人
1 2004.12.10 确定课题、人员分工、活动计划 5 洪淮斌
2 2004.12.1
3 确定活动目标及目标可行性分析 5 洪淮斌
3 2004.12.17 提出各种测量方案 5 洪淮斌
4 2004.12.23 研究、分析、确定最佳测量方案
5 洪淮斌
5 2004.12.31 制定对策，研究实施方案 5 洪淮斌
6 2005. 1.20 方案实施 5 洪淮斌
7 2005. 1.21 实施效果检查 5 洪淮斌
8 2005. 3.10 制定巩固措施及活动总结 5 洪淮斌
制表：洪淮斌日期：2005年3月10日