全站儀單人路線快速測量系統研究

李 敏

(四川大學錦城學院土建系,四川 成都 611731)

近年來隨著計算機應用的普及,利用計算機軟件來實現各種功能成為主流,國內外開始對各種橫斷面測量的方法進行研究,對測量數據的處理算法進行研究,對與后續CAD和各種道路設計軟件的無縫連接進行研究。主要以數字地面模型為基礎,利用計算機處理,由全站儀采集記錄的地形原始數據,建立沿公路走向的帶狀三角網數字地面模型,為公路路線設計提供縱、橫斷面地面線數據,并自動繪制等高線地形圖、路線平面圖,形成從數據采集與處理,路線設計與計算,各種設計圖表輸出的設計一體化系統。如南方測繪公路放樣智能全站儀 NTS-660,此系列擁有大量應用測量程序和公路測量軟件,具有較強公路與建筑放樣功能的全能全站儀系統,一定程度上提高了公路橫斷面測量效率。杰科系統在道路施工測量上的應用也為橫斷面測量提供了很多方便。但是在國內,一些先進的測設方法沒有得到普及,現有勘測手段的某些方面技術上缺乏先進性,在使用新儀器新設備上缺乏靈活性,我國的多數公路縱、橫斷面測量中,對 GPSRTK和全站儀的運用主要還是使用其自身功能,以其為基礎的測設軟件研究工作還不足,因此外業采集的數據有時得不到及時處理,自動化、集成化、系統化程度還很低,使得整個橫斷面測量的工作效率沒有提上去。雖然也出現了一些勘測設計一體化系統,但是這些系統主要還是在利用全站儀自身的功能,功能單一,針對性不強,只適用于常規條件下的測量,而對山區高速公路的各種復雜情況就束手無策。縱橫斷面測量在速度、成本、與計算機輔助設計的結合等方面還是不能令人滿意或滿足需要。測設周期長、成本高、與設計銜接不良等后果,將直接影響設計質量和施工質量。因此,需要我們進一步的研究,以最大限度地提高山區高速公路縱橫斷面測量的效率,滿足生產實際需要。

全站儀快速橫斷面測量系統是指在圖上設計完后,已知線性元素及中樁點情況下,進行的縱橫斷面測量。本文主要對無中樁“四組合一”作業法,高機動性測站設置,測站精度效核與自動報警功能,根據設計數據自由產生中樁點坐標和橫斷面線方程,自由順序中樁測量、自由順序橫斷面測量,自由(無空間和時間限制)在全線任意位置增加中樁和橫斷面測點,處理各種測量數據等進行研究。

1 橫斷面數據采集的基本原理

由于不容易保證立鏡點為滿足要求的斷面點,因此要決定哪些點可用、哪些點不可用。我們采用比較法來解決這個問題,即計算立鏡點到中樁的距離D和立鏡點到法線的距離d,如果 D≤LK(LK為橫斷面點至中樁點的最大允許距離),d≤ε(ε滿足斷面要求的允許偏離值),即為我們所需要的橫斷面點,直接用橫斷面記錄手簿記錄該點。

測量方法也是多樣化的,除上述主要的測量方法外,還設計有對邊測量功能(射線式對邊測量),首先對中心點(基準點)即路線中樁進行測量,然后對路線兩側的碎部點測量,得到中心點至各端點的水平距離、高差等。道路縱橫斷面測量,主要使用全站儀實測法。GPS—RTK測量法主要適用于地形起伏較大、地表疏松、高程精度要求不太高(允許 3cm誤差)的測區和地形條件十分復雜、不宜架設儀器的測區。

本系統的外業是基于 PDA的全站儀快速橫斷面測量,其數據采集界面如圖 1。

2 無中樁“四組合一”作業

“四組合一”即是將增補、加密控制點組、中樁組、中平組、橫斷面組四組合一。這樣能夠最大限度的提高工作效率,大量減少工作人員和儀器,解決了以往中樁組等待增補、加密控制點組,中平組等中樁組,橫斷面組等中樁組、中平組的缺陷和弊病。而且我們還設計軟件進行步步可靠性效核,使測量不僅快,而且滿足要求。無中樁即是指突破了以往的先放樣出中樁,再進行橫斷面測量,橫斷面測量和中樁可同時進行,可以任意設站測量橫斷面。而且有強大的測量數據處理軟件對數據進行處理和可靠性效核。

圖1 數據采集界面

3 高機動性測站設置

在進行具體的橫斷面測量時,由于通視條件復雜,需要有十分靈活的設站功能。考慮到這一需要,系統加強了測站設置功能。設站方法包括直接使用路線 3D控制點,3D自由支導線設站方法,3D后交設站方法,以及直接使用便于架設儀器的中樁點作為測站點。后視點的選擇亦很靈活,可使用路線控制點、中樁點、交點等,同時應具有后視點的自動識別功能。高機動性能設站分為四個部分:已知控制點設站,即把所有已知 3D控制點在作業前自動輸入 PDA計算機。當測站、后視點為已知控制點時,測站和后視點坐標可直接進入工作;3D自由支導線設站;3D后交設站;后視點自動識別,即測站點設置完成后,我們首先自動測定后視點的水平距離,測站設置程序能夠自動對這個距離進行對比、查找,然后自動顯示后視點的點號、距離和方位,非常方便。因此測站儀器架設位置靈活,不受限制,可將其架設于最佳的觀測地點。

4 測站校核

建站時應進行測站校核,在橫斷面測量過程中,也應定期進行測站校核,以防止從數據錄入、控制點尋找到儀器碰動等環節未發現的粗差和其它一些誤差。進行全站儀橫斷面測量的測站數據的可靠校核包括相鄰點效核、控制點效核、邊長效核、角度效核等。為了提高測站的可靠性,測量系統必須得包括已知控制點為測站的校核;3D自由支點法設站的校核;3D后方交會法設站的校核功能。

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5 橫斷面方向的自動確定

在進行橫斷面測量時,我們首先要確定的是橫斷面方向,如何確定?我們采取的是橫斷面方向判斷的程序化。道路線形經常遇到直線、圓曲線、緩和曲線三種情形,這三種線形的橫斷面方程的求取比較簡單,我們按橫斷面方程便可以設計出如何判斷斷面點是否在橫斷面上的程序。對于一些特殊線形,我們從曲線元的曲率變化出發,來推導適用于各種曲線線形的中樁坐標的通用數學模型,從而得出適用于各種線形的通用橫斷面的方程。橫斷面的方向確定后,以立鏡點到橫斷面方程的距離是否小于滿足斷面要求的允許偏離值來判斷該立鏡點是否是我們所需要的橫斷面點。

6 同一橫斷面任意順序測量

在具體測量過程中,為了提高工作效率,我們還設計有能夠支持同一橫斷面上以任意順序測量的斷面點數據的程序。因此,在具體操作過程中我們在測量同一橫斷面時可以不按斷面點到中樁點的距離大小順序進行測量,我們只需要將測量完的數據輸入到我們的系統中自動計算橫斷面點到中樁點的距離,自動排序(排序是按照橫斷面點到中樁點的距離左負右正由小到大的原則進行),自動形成我們需要的橫斷面數據文件,如表1格式的橫斷面數據文件。

7 不同橫斷面任意順序測量

在實際的測量工作中,我們考慮到若能在一個站點上同時測量多個橫斷面,并且測量順序可以任意;或者由于地形原因,在某些測站點上觀測到若干橫斷面的部分橫斷面點,而在其他一些測站點上觀測到上述若干橫斷面的剩余橫斷面點,不必單測量一個橫斷面就架設多次儀器,而是在一個測站上測量完它所能測量的點,這樣可以減少我們的設站數,減少很多煩瑣重復的功能,大大提高測量效率,是系統的創新點之一。因此,我們將系統設計為能夠支持將這些雜亂的橫斷面數據進行自動化的分配和排序功能。首先按中樁排序,同一中樁下再按平距排序。

舉例:下面是在站點 CZ13測得的中樁號為 1100(1429.490,4775.255,8.02)和1120(1431.894,4795.110,9.20)的橫斷面數據,由于各種原因,為了加快測量速度,兩個橫斷面點是以任意順序測量的,測量的原始數據見表2。

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經過我們 CSSS3.0系統處理后,自動形成的橫斷面數據文件如表3和表4。

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8 快速確定線路加樁

在線路測設過程中,對重要的位置需設置加樁。加樁一般分為兩種,已知里程的加樁和已知位置的加樁。對已知位置的加樁,傳統的方法采用逐步趨近法,先估計加樁點的里程,然后用極坐標法把估計里程的點放到地面上,再與實際相比較,修改估計的里程,這樣反復多次直到與實際相符。這種方法速度非常的慢,盲目性大,對于一些需精確確定的加樁產生的誤差較大。為了提高效率,全站儀快速橫斷面測量系統將加強這方面的功能,能夠自動幫助我們找到加樁點的位置。對于第一種加樁,只需要通過已知的里程和相應的公式計算出加樁點的坐標。對于后一種加樁,先判斷它位于哪兩個路線主點之間,然后用逐步趨近法搜索該加樁點所對應的中線點里程,即可得出該加樁點的里程和坐標及距路線中線的距離,上述判斷和搜索過程均用程序實現,簡便快速。

9 結束語

程序每一部分功能完成后,及時在外業生產中進行測試,而且在按照規范操作的基礎上,盡量以方便外業為主。全站儀快速橫斷面測量系統,在按照常規方法進行橫斷面測量的同時,加強了其測量過程中可能遇到的多種困難的測量功能。高機動性能的設站,橫斷面方向判斷的程序化,同一橫斷面任意順序測量,不同橫斷面任意順序測量,快速確定任意線路加樁等,這些都能大大提高測量山區高速公路的橫斷面測量效率,減少人力物力財力,減少勞動強度,具有廣闊的應用前景。并且還首度提出無中樁“四組合一”作業法,同一橫斷面任意順序測量,不同橫斷面任意順序測量等,將會給橫斷面的測量帶來全新的體檢,同時也為研究帶來很大的啟發性。在以后的工作中,我們還將實踐與理論進一步結合,改進我們的系統,使全站儀快速橫斷面測量系統更加人性化。

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