楊 浩,李宗春,冉佳歡,劉忠賀,何 華
(信息工程大學(xué),鄭州 450001)
大地測(cè)量學(xué)中,垂線偏差定義為地面一點(diǎn)鉛垂線方向(或重力矢量方向)與相應(yīng)橢球面法線方向之間的夾角[1]。目前,對(duì)于垂線偏差的獲取,除了采用傳統(tǒng)的天文大地測(cè)量[2]以外,也可采用GNSS/水準(zhǔn)[3]、數(shù)字天頂攝影儀[4]、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)[5-6]、重力場(chǎng)模型[7-8]等方法。在大地測(cè)量中,用全站儀獲取的地面常規(guī)控制網(wǎng)觀測(cè)值是以測(cè)站大地水準(zhǔn)面鉛垂線方向?yàn)橐罁?jù),而GNSS測(cè)量值是以橢球面法線方向?yàn)橐罁?jù),因此在實(shí)際工程應(yīng)用中經(jīng)常要將以鉛垂線為基準(zhǔn)線的觀測(cè)成果轉(zhuǎn)換為以橢球面法線為基準(zhǔn)線的觀測(cè)成果,以便于平差計(jì)算[9-10]。由于垂線偏差的存在,在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí)難免會(huì)引入偏差,并影響控制網(wǎng)的精度及穩(wěn)定性。
垂線偏差對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響不可忽視,是制約三維控制網(wǎng)精度的主要原因之一。如何有效分析、確定和消除垂線偏差對(duì)三維控制網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了諸多研究。王文通等[11]對(duì)隧道橫向貫通測(cè)量中垂線偏差的影響展開(kāi)研究,并指出垂線偏差對(duì)觀測(cè)角度的影響取決于測(cè)站垂線偏差的大小、觀測(cè)方向的高度和方位角。Osada等[12]顧及垂線偏差的影響,提出利用精密大地水準(zhǔn)面模型改進(jìn)全站儀三維平差方法。Ding等[13]在采用局部笛卡爾坐標(biāo)系建立三維控制網(wǎng)時(shí),考慮到測(cè)量觀測(cè)值受局部重力場(chǎng)的影響,在觀測(cè)值歸算時(shí)顧及了地球曲率的影響,并加以改正。楊洪國(guó)等[14]在進(jìn)行平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時(shí),顧及垂線偏差對(duì)全站儀水平角的影響,結(jié)合重力場(chǎng)模型將全站儀水平角觀測(cè)值改化到以法線方向?yàn)闇?zhǔn)的觀測(cè)值,并與GPS數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理,取得較好的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。常曉華等[15]結(jié)合彈道飛行器質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型,系統(tǒng)地分析垂線偏差對(duì)彈道落點(diǎn)精度的影響,計(jì)算分析不同發(fā)射大地緯度、不同發(fā)射方位角下,由垂線偏差引起的彈道落點(diǎn)偏差的定量結(jié)果,并指出垂線偏差對(duì)彈道落點(diǎn)精度的影響較大,必須進(jìn)行修正以改善彈道落點(diǎn)精度。李建章[16]在研究精密三角高程控制網(wǎng)平差方法時(shí),考慮到垂線偏差的影響,對(duì)比分析了幾種高鐵CPⅢ精密三角高程控制網(wǎng)平差方法,并指出傳統(tǒng)差分法能較好地解決垂線偏差影響,而參數(shù)法可以有效地消除球氣差的影響,但其中包含的垂線偏差影響不容忽略,需要進(jìn)一步研究。郭迎鋼等[17]在分析工程測(cè)量平面控制網(wǎng)計(jì)算基準(zhǔn)面選定方法時(shí),基于垂線偏差的傳統(tǒng)改正公式系統(tǒng)分析了垂線偏差的影響與垂直角大小的關(guān)系,并指出隨著垂直角的增大垂線偏差的影響也會(huì)變大,此時(shí)必須對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行嚴(yán)格地歸算,以保證野外測(cè)量精度。朱曉等[18]以高海拔、大高差及貫通距離長(zhǎng)等特殊環(huán)境的川藏鐵路建設(shè)工程為研究背景,分析高原鐵路隧道洞內(nèi)旁點(diǎn)導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量精度與垂線偏差的關(guān)系,并指出在進(jìn)洞聯(lián)系邊控制點(diǎn)間高差較大時(shí)顧及垂線偏差影響,可提高隧道洞內(nèi)旁點(diǎn)導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量精度,從而有效減小隧道橫向貫通誤差。
上述文獻(xiàn)大多基于觀測(cè)值歸算過(guò)程中垂線偏差的影響,或垂線偏差的傳統(tǒng)改正公式,對(duì)垂線偏差的影響展開(kāi)分析,公式推導(dǎo)過(guò)程繁瑣,分析不全面。文中以全站儀觀測(cè)值(斜距、水平角、垂直角)為研究對(duì)象,采用一種較為簡(jiǎn)單、直觀的方法,分析并推導(dǎo)出垂線偏差對(duì)各類觀測(cè)值及控制網(wǎng)點(diǎn)位偏差的影響,為工程控制網(wǎng)中觀測(cè)成果的轉(zhuǎn)換過(guò)程提供參考。
垂線偏差定義為地面一點(diǎn)鉛垂線方向與相應(yīng)橢球面法線方向之間的夾角,反映大地坐標(biāo)系與天文坐標(biāo)系間的差異。如圖1所示,以測(cè)站O為中心,作一輔助半球,以測(cè)站O為坐標(biāo)系原點(diǎn)以右手系原則,分別建立大地站心地平直角坐標(biāo)系O-xyz和天文站心地平直角坐標(biāo)系O-x′y′z′。
圖1 垂線偏差示意圖
大地站心地平直角坐標(biāo)系的定義為:以測(cè)站O為坐標(biāo)系原點(diǎn);z軸方向?yàn)橥ㄟ^(guò)測(cè)站O的法線方向,以指向大地天頂方向?yàn)閦軸正方向;x軸方向?yàn)榕c包含測(cè)站O的子午面相交方向,指向東方向?yàn)閤軸正方向;y軸垂直O(jiān)xz平面,以右手系原則定義,指向北方向?yàn)閥軸正方向。
天文站心地平直角坐標(biāo)系的定義為:以測(cè)站O為坐標(biāo)系原點(diǎn);z′軸方向?yàn)橥ㄟ^(guò)測(cè)站O的垂線方向,以指向天文天頂向上為z′軸正方向;x′軸方向?yàn)榕c包含測(cè)站O的天文子午面相交方向,指向東方向?yàn)閤′軸正方向;y′軸垂直O(jiān)x′z′平面,以右手系原則定義,指向天文北方向?yàn)閥′軸正方向。
圖1中,z和z′分別為測(cè)站O大地天頂方向(法線方向)和天文天頂方向(垂線方向),u即為垂線偏差,ξ、η分別為垂線偏差u在子午方向和卯酉方向上的分量。對(duì)于ξ和η的正負(fù)關(guān)系,若z′在z之北,則ξ的數(shù)值符號(hào)為正,若z′在z之東,則η的數(shù)值符號(hào)為正[10]。經(jīng)典的天文大地測(cè)量中垂線偏差的兩個(gè)分量(ξ,η)的求解式見(jiàn)式(1)、式(2)。
ξ=φ-B,
(1)
η=(λ-L)cosB.
(2)
式中:L,B分別為大地經(jīng)度和大地緯度;λ,φ分別為天文經(jīng)度和天文緯度。
由上述大地站心地平直角坐標(biāo)系和天文站心地平直角坐標(biāo)系的定義可知,由于垂線偏差的存在,天文站心地平直角坐標(biāo)系和大地站心地平直角坐標(biāo)系是不重合的,兩者的旋轉(zhuǎn)關(guān)系如圖2所示。
圖2 大地、天文站心地平直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖
由圖2可知,天文站心地平直角坐標(biāo)系和大地站心地平直角坐標(biāo)系的相互變換需要進(jìn)行三次旋轉(zhuǎn):
1)保持x軸不動(dòng),Oyz按右手準(zhǔn)則旋轉(zhuǎn)角度ξ,此時(shí)旋轉(zhuǎn)矩陣為Rx(-ξ),其中負(fù)號(hào)是由于其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn);
2)保持y軸不動(dòng),Oxz按右手準(zhǔn)則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度η,此時(shí)旋轉(zhuǎn)矩陣為Ry(η);
3)保持z軸不動(dòng),Oxy按右手準(zhǔn)則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度α,此時(shí)旋轉(zhuǎn)矩陣為Rz(α)。
其中,第三次的旋轉(zhuǎn)角α的值表示大地站心地平直角坐標(biāo)系繞z軸的最終旋轉(zhuǎn),以使當(dāng)?shù)卮蟮刈鴺?biāo)系和天文坐標(biāo)系重合,且α≈ηtanB,與ξ和η均為很小的值。因此,兩坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換為:
(3)
式中:Rx(-ξ),Ry(η),Rz(α)分別為繞x軸,y軸,z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣,表達(dá)式見(jiàn)式(4)~式(6)。
(4)
(5)
(6)
將式(4)~式(6)代入式(3),并顧及α≈ηtanB,結(jié)果見(jiàn)式(7)。
(7)
對(duì)式(7)中矩陣進(jìn)行處理,結(jié)果見(jiàn)式(8)。
(8)
局部曲線球面坐標(biāo)系的建立如圖3所示,在目標(biāo)點(diǎn)M處以右手系原則建立局部曲線球面坐標(biāo)系M-TvTaTr,球心為測(cè)站點(diǎn)O,半徑為r,局部曲線球面坐標(biāo)系M-TvTaTr三軸Tv,Ta和Tr分別指向v,a和r增加的方向[20]。
圖3 大地站心地平直角坐標(biāo)系與目標(biāo)坐標(biāo)系關(guān)系示意圖
如圖3所示,某一目標(biāo)點(diǎn)M相對(duì)于測(cè)站O的大地方位角為a,垂直角為v,空間距離為r,則目標(biāo)點(diǎn)M在大地站心地平直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可用式(9)表示。
(9)
當(dāng)只考慮大地站心地平直角坐標(biāo)系(x,y,z)和局部曲線球面坐標(biāo)系M-TvTaTr間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系時(shí),可以得到兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)式(10)。
(10)
其中
(11)
對(duì)式(10)進(jìn)行微分,并結(jié)合式(9),結(jié)果見(jiàn)式(12)。
(12)
其中,H為度量矩陣[21],即:
(13)
結(jié)合式(9)~式(13),可以得到式(14)。
(14)
將式(14)中的矩陣相乘,在化簡(jiǎn)時(shí)只保留一次項(xiàng),可以得到最終的結(jié)果,見(jiàn)式(15)~式(17)。
da=ηtanB+(ξsina-ηcosa)tanv,
(15)
dv=ξcosa+ηsina,
(16)
dr=0.
(17)
式(15)~式(17)即文中推導(dǎo)出的垂線偏差對(duì)全站儀觀測(cè)值的影響公式,首先,由式(15)可知,水平方向觀測(cè)值在轉(zhuǎn)換過(guò)程中除了受到垂線偏差的影響,也受垂直角和緯度的影響,這主要是由于不同緯度的垂線偏差會(huì)有所變化,以及垂線偏差的求解與緯度有關(guān),具體請(qǐng)參考式(1)、式(2);此外,由式(16)可知,垂直角在轉(zhuǎn)換過(guò)程中主要受到垂線偏差的影響;最后,由式(17)可知,測(cè)站點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)間的距離在坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中不受垂線偏差的影響。
文獻(xiàn)[19]在分析工程測(cè)量平面控制網(wǎng)計(jì)算基準(zhǔn)面選定方法時(shí),考慮到基準(zhǔn)面對(duì)水平方向觀測(cè)值影響。以經(jīng)典的垂線偏差改正公式為基礎(chǔ),分析了垂線偏差的影響與垂直角大小的關(guān)系。經(jīng)典的垂線偏差改正式如式(18)所示。
δ=-(ξcosA-ηsinA)tanα.
(18)
式中:δ為垂線偏差改正數(shù);ξ和η為垂線偏差分量;A為測(cè)站到目標(biāo)點(diǎn)的大地方位角;α為目標(biāo)點(diǎn)的垂直角。
基于式(18),文獻(xiàn)[19]采用仿真試驗(yàn),分析了在垂線偏差較小(取ξ=5″,η=-3″),且垂直角v=1°時(shí),垂線偏差改正數(shù)與垂直角的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明,在垂直角較小時(shí),由垂線偏差引起的改正較小,可以不顧及此項(xiàng)改正;但是,隨著垂直角的增大,垂線偏差的影響也在變大。
不同于文獻(xiàn)[19]以及上述研究垂線偏差的文獻(xiàn),文中以全站儀觀測(cè)量斜距、水平角、垂直角為研究對(duì)象,通過(guò)幾種坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系,推導(dǎo)出垂線偏差對(duì)全站儀觀測(cè)值的影響公式。文中通過(guò)仿真試驗(yàn)就垂線偏差對(duì)水平角、垂直角及控制網(wǎng)點(diǎn)位偏差的影響,進(jìn)行更加具體的研究分析。
由式(15)可以看出,影響水平角的因素比較復(fù)雜,除了垂線偏差的影響,還有垂直角和大地方位角及緯度的影響。有關(guān)垂線偏差,在地勢(shì)平緩地區(qū),垂線偏差一般小于10″,但是在地形起伏復(fù)雜的山區(qū),垂線偏差數(shù)值較大,最大可為45″[10]。
在仿真試驗(yàn)中取垂線偏差分量ξ=5″、η=5″(需要注意的是,實(shí)際應(yīng)用中垂線偏差大小與點(diǎn)位地形直接相關(guān),這里的取值只是便于仿真試驗(yàn)分析),固定點(diǎn)位的大地緯度B=30°N,分析在不同的大地方位角(0°~360°)、不同的垂直角(1°、5°、10°、15°、20°、25°、30°)的情況下,垂線偏差對(duì)水平角的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4 ξ=5″,η=5″時(shí),垂線偏差對(duì)水平角觀測(cè)值的影響
由圖4可以看出,垂線偏差對(duì)水平角的影響隨方位角有規(guī)律變化,這種規(guī)律性變化主要是由于垂線偏差在任意方位的分量引起的;其次,垂線偏差對(duì)水平角的影響與垂直角有關(guān),具體表現(xiàn)為當(dāng)垂直角較小時(shí)(v=1°,圖中黑色無(wú)標(biāo)記點(diǎn)線條),垂線偏差對(duì)水平角的影響較小,此時(shí)的影響主要由式(15)中ηtanB項(xiàng)引起,隨著垂直角的增大,垂線偏差對(duì)水平角的影響也在逐漸變大,而且引起的水平角誤差已經(jīng)超過(guò)水平方向的觀測(cè)精度。
此外,在以上仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了一組試驗(yàn)用來(lái)分析較大垂線偏差對(duì)水平角的影響:取垂線偏差分量ξ=35″、η=35″,其余試驗(yàn)變量不變,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 ξ=35″,η=35″時(shí),垂線偏差對(duì)水平角觀測(cè)值的影響
由圖5可知,在垂線偏差較大時(shí),隨著垂直角的增大,水平角受垂線偏差影響較為嚴(yán)重,此時(shí)引起的水平角誤差已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)水平方向的觀測(cè)精度。
由式(16)可知,垂直角主要受垂線偏差影響。因此,在仿真試驗(yàn)中分別取(ξ=5″,η=5″)、(ξ=15″,η=15″)、(ξ=25″,η=25″)、(ξ=35″,η=35″)等4組垂線偏差數(shù)值,分析在不同方位角觀測(cè)值下垂線偏差對(duì)垂直角的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,圖中黑色虛線對(duì)應(yīng)的垂直方向改變量為0。
圖6 不同垂線偏差與方位角對(duì)垂直角的影響
由圖6可以看出,垂線偏差對(duì)垂直角的影響是十分嚴(yán)重的。在垂線偏差較小時(shí),垂線偏差對(duì)垂直角的影響隨方位角變化不明顯;隨著垂線偏差的變大,垂線偏差對(duì)垂直角的影響也隨之變大,而且數(shù)值變化較大,從圖中可以看出,其數(shù)值影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了垂直角的觀測(cè)精度。
相比于垂線偏差對(duì)水平角的影響,從圖4、圖6可以看出,在ξ=5″,η=5″時(shí),垂線偏差對(duì)水平角的影響數(shù)值在-2″~7″,而垂線偏差對(duì)垂直角的影響數(shù)值在-7″~7″。從圖5、圖6可以看出,在ξ=35″,η=35″時(shí),垂線偏差對(duì)水平角的影響數(shù)值在-8″~48″,而垂線偏差對(duì)垂直角的影響數(shù)值在-48″~48″。此外,實(shí)際測(cè)量中垂直角一般不會(huì)太大,垂線偏差對(duì)水平角的影響數(shù)值要比上面所提到的數(shù)值小。因此,就垂線偏差影響數(shù)值范圍來(lái)看,可以看出垂線偏差對(duì)垂直角的影響要大于垂線偏差對(duì)水平角的影響。
全站儀屬于空間球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)全站儀瞄準(zhǔn)某一目標(biāo)時(shí),通過(guò)其水平度盤和垂直度盤可以獲得水平方向和垂直角讀數(shù),通過(guò)測(cè)距模塊可以獲取儀器中心到目標(biāo)點(diǎn)的距離,從而建立起以儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的球坐標(biāo)系。因此,由式(9)可以得到目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于測(cè)站中心的位置。求全微分得到:
(19)
將式(15)~式(17)代入式(19),通過(guò)計(jì)算可以得到垂線偏差對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)位偏差影響。
(20)
式中:Δ為垂線偏差引起的控制點(diǎn)點(diǎn)位偏差;子午分量ξ和卯酉分量η都是以弧度為單位。
以式(20)為仿真試驗(yàn)依據(jù),通過(guò)三個(gè)仿真試驗(yàn),分析在不同垂線偏差、不同垂直角和不同方位角情況下控制網(wǎng)點(diǎn)位偏差受垂線偏差的影響。
仿真試驗(yàn)一:固定方位角為135°、垂直角v=1°及大地緯度B=30°N,分別設(shè)置4組垂線偏差分量值(ξ=5″,η=5″)、(ξ=15″,η=15″)、(ξ=25″,η=25″)、(ξ=35″,η=35″)和不同的距離值(0~1 000 m),試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
圖7 點(diǎn)位偏差隨距離和垂線偏差的變化
由圖7可以看出,垂線偏差對(duì)坐標(biāo)計(jì)算的影響是不可忽略的,且隨著距離的增加,由垂線偏差引起的點(diǎn)位偏差數(shù)值在線性增加;此外,隨著垂線偏差的增大,點(diǎn)位偏差在迅速變大,當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)點(diǎn)位偏差已達(dá)到厘米級(jí)(圖中黑色虛線(細(xì))),甚至達(dá)到dm級(jí)(圖中黑色虛線(粗))。因此,在地勢(shì)起伏較大的地區(qū),須考慮垂線偏差的影響,并采用正確的方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
仿真試驗(yàn)二:固定方位角(a=135°)、垂線偏差(ξ=5″,η=5″)及大地緯度(B=30°N),分析在不同距離(0~1 000 m)和垂直角(1°、5°、10°、15°、20°、25°、30°)情況下垂線偏差對(duì)點(diǎn)位偏差的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
圖8 點(diǎn)位偏差隨距離和垂直角的變化
由圖8可以看出,在垂直角較小、短距離范圍內(nèi)由垂線偏差引起的點(diǎn)位偏差在mm級(jí);隨著垂直角和距離的增加,垂線偏差引起的點(diǎn)位偏差也在不斷地變大,達(dá)到了cm級(jí)(圖8中黑色虛線)。
仿真試驗(yàn)三:固定觀測(cè)距離(r=100 m)、垂直角(v=1°)及大地緯度(B=30°N),分析不同方位角(0°~360°)情況下點(diǎn)位偏差隨垂線偏差的變化,試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。
圖9 點(diǎn)位偏差隨方位角和垂線偏差的變化
由圖9可以看出,在垂線偏差較小時(shí),點(diǎn)位偏差隨著方位角的變化不是很明顯;隨著垂線偏差的增大,點(diǎn)位偏差隨著方位角的變化明顯,且變化程度更加劇烈。此外,圖9中方位角約為135°和315°時(shí)垂線偏差的影響最小,在方位角約為45°和225°時(shí)垂線偏差的影響最大,因此,垂線偏差對(duì)點(diǎn)位的影響與方位角有著密切的關(guān)系。另外,由圖9可知,在垂線偏差較大時(shí),垂線偏差的影響達(dá)到了cm級(jí)(圖9中黑色虛線)。
文中基于垂線偏差的定義,通過(guò)建立大地站心地平直角坐標(biāo)系、天文站心地平直角坐標(biāo)系和局部曲線球面坐標(biāo)系,分析坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中,垂線偏差對(duì)全站儀觀測(cè)值斜距、水平角、垂直角的影響規(guī)律,進(jìn)而推算得出控制點(diǎn)坐標(biāo)受垂線偏差的影響程度,然后通過(guò)仿真試驗(yàn),對(duì)不同情況下垂線偏差引起的三維控制網(wǎng)點(diǎn)位偏差進(jìn)行分析。
1) 垂線偏差對(duì)全站儀觀測(cè)值的影響可以歸納為:垂線偏差對(duì)斜距觀測(cè)值沒(méi)有影響,對(duì)垂直角觀測(cè)值的影響大于對(duì)水平角觀測(cè)值的影響。
2) 除了垂線偏差對(duì)控制網(wǎng)點(diǎn)位偏差的影響,垂直角過(guò)大也會(huì)影響控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差。因此,為了有效削弱垂線偏差的影響,在控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)、選點(diǎn)以及整置儀器和照準(zhǔn)目標(biāo)時(shí),要盡量保證視線水平或接近水平。
3) 對(duì)于全站儀三維控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理,須考慮垂線偏差的影響,尤其是在垂線偏差較大的地區(qū),其影響可以達(dá)到cm級(jí)甚至dm級(jí)。對(duì)此,可以考慮將垂線偏差作為參數(shù)納入平差模型中,通過(guò)平差計(jì)算有效減弱垂線偏差對(duì)觀測(cè)值的影響,從而提高平差結(jié)果的精度和可靠性。