既有鐵路橫斷面數(shù)字化采集方法的研究

周世明 周玉輝 張獻州 豐立柱 莫 春

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031； 2.西南交通大學測量工程系, 四川成都 610031)

在鐵路建設過程中,既有線的測量是必不可少的,而其野外采集數(shù)據(jù)量大,受行車干擾大,若采用傳統(tǒng)的手工記錄方式,不但勞動強度大,而且不能實時查看所測數(shù)據(jù)是否與實際相符。而PDA(Personal Digital Assistant)由于體積小、重量輕、極易攜帶、速度快、內(nèi)存大、軟件和數(shù)據(jù)發(fā)展空間大等優(yōu)點,使得其在測量上有著廣闊的應用,本文針對不同的情況,介紹在PDA上開發(fā)的既有鐵路橫斷面數(shù)字化采集測量軟件。

1 采集軟件的開發(fā)

1.1 操作系統(tǒng)的選擇

選用Windows2000作為開發(fā)環(huán)境的操作系統(tǒng)；對PDA上的嵌入式操作系統(tǒng)采用微軟的Windows CE。本系統(tǒng)選擇.NET作為開發(fā)環(huán)境。

1.2 采集方法的研究

既有線橫斷面的采集有兩種常用方法：中線上置鏡法、中線外置鏡坐標法,以及斜交斷面采集方法。中線上置鏡法是比較傳統(tǒng)的橫斷面采集方法,置鏡中線上,測量平距和高差。中線外置鏡坐標法分為帶線位和不帶線位(又稱法線法或鋼軌定向法)。

帶線位斷面采集,即指通過測量既有線平面后,擬合出曲線要素,然后根據(jù)這些要素構成線路方程,指定里程就可以得到該中線點坐標,采用邊角后方交會得到置鏡點坐標,構成了線路坐標系,這樣就可以開始采集任意斷面了。需要注意的是采集哪個里程斷面數(shù)據(jù)時,就后視該里程,然后再進行斷面數(shù)據(jù)采集；因為既有線線位是擬合出來的,和實地還是有些差異。故采用任意點置鏡時要謹慎。

法線法采集(如圖1所示),即不帶線位既有線斷面采集,采用后視鋼軌兩點,確定出鋼軌的法線(即橫斷面方向)。該法需要利用方尺卡住鋼軌,這樣保證橫斷面線垂直于鋼軌,因為該兩點距離僅僅1.4 m左右,如果控制過長的斷面線數(shù)據(jù),要謹慎使用。

圖1 既有線法線法斷面采集示意

(1)設置鏡點A坐標為(0,0,0),建立測站坐標系。

(2)測量左軌點后,計算得到左軌點B坐標(X1,Y1,H1)。

(3)通過“方尺”卡住鋼軌后,測量右軌點C坐標(X2,Y2,H2)。

(4)左右軌點BC連線的中點即為鋼軌中線位置點D坐標(X3,Y3,H3),BC旋轉90°后得到線路方向線,若指定了線路走向,則可得到線路在D點處的切向方位角；然后,通過這幾個關鍵元素,模擬生成一段直線線位,這樣使不帶線位的橫斷面采集和帶線位橫斷面采集工作一致。

(5)如果左右軌點B或C高程已知(取較低點當作中樁高程),那么通過H測站+h儀器高=H目標+h棱鏡高,計算得到置鏡點A的高程。

斜交斷面采集,需要指定或實測斷面線與法線之間的夾角,然后和橫斷面的采集方法一致。

2 既有線橫斷面采集軟件功能介紹

2.1 既有線橫斷面的采集設站與后視

基本同新線橫斷面采集的設站與后視。設站可以通過格網(wǎng)坐標、里程、手動輸入或自由設站多種方式。

(1)格網(wǎng)坐標：選擇或輸入已知點坐標。

(2)里程：只需輸入相應里程,若偏移量為負,則表示左軌，右軌為正值。程序通過線位元素計算該里程處指定軌的平面坐標。

(3)自由設站：觀測兩個已知坐標點,通過邊角后方交會計算得到測站點坐標,基本同新線斷面的自由設站。

(4)法線斷面設站：通過鋼軌兩點確定斷面方向。下面以法線斷面法為例,講解其具體使用步驟。

第一步,輸入測站點名和儀器高后,點擊“法線斷面設站”,如圖2所示。

第二步,輸入里程、指定測站位置、觀測鋼軌后,“點擊”計算按鈕得到斷面方向(如圖3所示)。

圖2 法線斷面設站

第三步,開始斷面數(shù)據(jù)采集,如圖4、圖5所示,既有線法線法按上面1、2兩步操作,完成法線法斷面采集的橫斷面定向工作,然后繼續(xù)橫斷面的采集。

2.2 斜交斷面既有線橫斷面的采集

有些涵洞、跨線等存在斜交情況,需要測量出涵洞中心線放線,該方法需要線位元素。

圖5 中線上置鏡坐標法

圖6 與法線夾角

圖7 斜交斷面采集

(1)設站及后視

基本同新線橫斷面采集的設站與后視。設站可以通過格網(wǎng)坐標、里程、手動輸入或自由設站多種方式。

(2)與法線夾角

斜交斷面與某里程點法線之間的夾角,夾角可以是已知,也可以通過現(xiàn)場實測得出,如圖6所示,指定與法線夾角。

(3)斜交斷面采集

設置好斷面線和與法線夾角后,就可以開始斜交斷面的采集工作了,如圖7所示。垂距指實測點與斜交斷面線的垂直距離；偏距指實測點與該里程中樁之間的平距；高差指實測點與該里程中樁之間的高差。

3 結束語

該軟件實現(xiàn)了與全站儀等野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時通訊,直接將全站儀的數(shù)據(jù)傳到PDA中,免去手工輸入的繁瑣。另一方面在臺式機上開發(fā)一套相應的配套軟件,用來處理從PDA上下載的數(shù)據(jù),進行自動記錄及計算曲線整正資料。軟件在多條鐵路線路改造和既有線維護中得到應用,并取得了良好的經(jīng)濟效益。

[1] 張正祿.工程測量學的研究發(fā)展方向[J].現(xiàn)代測繪，2003,26(3)：3-6

[2] 張正祿,黃全義,羅年學,等.從“科傻”系統(tǒng)到全能型全站儀[J].東北測繪，1998,21(1)

[4] 張正祿,黃全義,羅年學,等.全站式地面測量工程一體化自動化系統(tǒng)研究[J].武漢測繪科技大學學報，1999,24(1)

[5] Andy Wigley，等.Microsoft.NET Compact Framework技術內(nèi)幕[M].北京：清華大學出版社，2003