大橢圓線橢球高斯投影在高速鐵路工程中的應用

馮黎剛，姚德新，金立新

(1. 蘭州交通大學測地學院，甘肅 蘭州 730070; 2. 甘肅鐵道綜合工程勘察院，甘肅 蘭州 730000)

隨著高速鐵路等長線工程建設越來越多，對其基礎及軌道的施工精度的要求也越來越高。在高速鐵路線路測量中，存在測區(qū)遠離中央子午線與平均高程較大的問題，若直接使用傳統(tǒng)的橫軸高斯投影方法對測區(qū)控制點進行投影轉換，就會使得投影時投影長度變形值很大。另外，對于東西跨度較長的高鐵線路，為了控制邊長的投影變形，往往需要劃分較多投影帶，建立眾多的獨立坐標系，不僅使得數據轉換時的計算量突增，而且容易給整條鐵路施工帶來不便?；谶@種情況，本文基于最小二乘估計、非線性規(guī)劃最優(yōu)理論等相關數學方法提出一種處理線路測區(qū)的控制點數據的方法——大橢圓線橢球高斯投影法，并通過工程實例檢驗其在東西走向長線工程中的優(yōu)越性、實用性。

1 基礎橢球(E0)向大橢圓橢球(E1)的轉換

1.1 建立大橢圓線橢球

所謂基礎橢球向大橢圓線橢球的轉換，其實質就是根據基礎橢球的幾何參數求解大橢圓橢球的幾何參數[1-4]。首先找出沿線路延伸方向附近過原點的大橢圓線，將基礎橢球經過旋轉、變形[5-6]建立以大橢圓線為中央子午線的新橢球；其次，根據控制點在E0中的坐標和幾何參數求E1的幾何參數。在基礎橢球中，某一點的空間直角坐標與大地坐標的轉換關系為[7]

(1)

式中，N為大地緯度B對應的卯酉圈曲率半徑；e為基礎橢球第一偏心率。

大橢圓橢球與基礎橢球間的轉換模型如圖1所示，已知QMQ′為基礎橢球上某一線路附近的大橢圓，線路測區(qū)內一點P(Bi，Li，Hi)的空間直角坐標為P(Xi，Yi，Zi)。設γ=(m1，m2，m3)為大橢圓的法向量，根據空間平面的點法式方程得大橢圓所在的平面方程為

m1Xi+m2Yi+m3Zi=0

(2)

然后以大橢圓QMQ′為中央子午線建立大橢圓線橢球，則由式(2)得到關系式

(3)

(4)

由式(4)求得λ、μ，從而解出大橢圓的法向量之間的比例關系。

在大橢圓QMQ′中，Q點為大橢圓的極點，M點為大橢圓與基礎橢球赤道面的交點，則OM為長半軸，OQ為短半軸，將橢圓繞OQ旋轉便可得到所需的大橢圓線橢球E1。作OU垂直O(jiān)Q和OM組成的大橢圓面，即可建立以OM為X1軸、OU為Y1軸、OQ為Z1軸的大橢圓線橢球的空間直角坐標系O-X1Y1Z1。坐標系轉換具體表現形式如圖1所示。

圖1 大橢圓橢球與基礎橢球轉換模型

1.2 求解大橢圓線橢球的幾何參數

從上文可知，Q點既是大橢圓的極點又是基礎橢球上的一點，因此它既滿足大橢圓的平面方程又滿足基礎橢球的方程。

當Q為基礎橢球上的一點時，由大地測量學的知識可知，地球基礎橢球是經過適當選擇的旋轉橢球，方程為

(5)

當Q點為大橢圓面的極點時，所滿足的方程為

m1X+m2Y+m3Z=0

(6)

結合式(5)、式(6)可得化簡后的方程為

(1-e2+λ2)X2+1-e2+μ2Y2+2λμXY=

a2(1-e2)

(7)

因Q點為大橢圓的極點，即大橢圓的最高點，因此上述問題可看作在一定的約束條件下求目標函數Z=λX+μY的最值問題,根據二次曲線不變量法可以判定出式(7)所代表的曲線為橢圓，且以式(7)為約束條件。

依據相關數學理論，上述問題屬于一個非線性規(guī)劃模型，根據非線性規(guī)劃模型約束最優(yōu)化方法中的拉格朗日乘子法可以求出目標函數Z最大值及取最大值時X和Y的值，即

(8)

在基礎橢球的空間幾何關系中，大橢圓面QMQ′是經過原點的，那么以大橢圓面為中央子午線建立的大橢圓線橢球的長半軸長度與基礎橢球的長半軸長度是一致的，即a1=a,而短半軸b1的長度可以根據Q點在基礎橢球中的三維坐標值求出，即

(9)

大橢圓線橢球E1的第一偏心率平方為

(10)

大橢圓線橢球E1的第二偏心率平方為

(11)

通過上述公式即可求出大橢圓橢球的基本幾何參數，如長半軸、短半軸及偏心率等，基本完成大橢圓橢球的構建。

2 大橢圓橢球空間直角坐標的計算

由空間解析幾何的知識可知，基礎橢球與大橢圓橢球空間直角坐標系之間的轉換屬于一種正交變換，其變換矩陣可由大橢圓線上的點在E0中的緯度、經度、大地方位角的方向余弦表示，然后利用大橢圓的法向量來表示經緯度及大地方位角的方向余弦。因此可得到基礎橢球空間坐標O-XYZ與大橢圓橢球坐標O-X1Y1Z1間轉換關系式[1]為

(12)

將基礎橢球的空間直角坐標轉換為大橢圓橢球的空間直角坐標后，還需要將其轉換成大橢圓線橢球的大地坐標。在解決大橢圓橢球空間坐標向大地坐標的轉換問題時，Bowring提出的改進算法[8]是最佳的，對于任何位置上的點，計算的大地緯度精度均高于10-7，公式為

(13)

通過式(13)即可計算出點在大橢圓橢球的經緯度及大地高。

3 變形大橢圓橢球(E2)的構建

3.1 變形大橢圓橢球的大地坐標

將基礎橢球旋轉建立大橢圓橢球E1后，還不能直接進行高斯投影。因為當測區(qū)內有的點在大橢圓橢球上的大地高過大時，直接進行投影會導致投影的綜合變形過大，反而使得改進的方法失去其在減小投影變形中的優(yōu)越性。因此，為了減小投影時的橫坐標ym及點的大地高，通常要對大橢圓橢球進行橢球變換。常見的橢球變換方法有膨脹法、平移法和變形法[9-10]。本文采用變形法對大橢圓橢球進行變換得到變形大橢圓橢球E2。

對于大橢圓橢球的變換模型，一般采用廣義大地坐標微分公式[7]進行分析和研究。橢球變形法不會引起大地經度的變化，但對大地緯度和大地高有較大的影響，且會使得橢球的長軸半徑和扁率有一定的變化。由地球橢球基本幾何參數之間的關系可知：e2=2α-α2?de2=21-αdα，因此廣義大地坐標微分公式可簡化為

(14)

通過式(14)并結合點在E1中的大地坐標即可求出點在變形大橢圓橢球E2上的大地坐標。

3.2 變形大橢圓橢球向高斯面的投影變形

取一個圓柱(或橢圓柱)橫套在E2外面，并保證E2的中央子午線(即大橢圓線)與圓柱面(或橢圓柱面)相切，然后將圓柱面(橢圓柱面)展開成平面，即得到所需的E2的橫軸高斯投影，相對于基礎橢球E0來說屬于斜軸高斯投影。

高斯投影屬于橫軸橢圓柱等角投影，在其投影過程中主要存在兩方面的長度變形：一是將地面的觀測長度歸算至參考橢球面上而產生的高程化改正；二是參考橢球面上的長度投影到高斯面上而產生的投影長度變形。投影過程中長度的綜合變形[7,11-12]為

(15)

式中，R為歸算邊方向法截弧的曲率半徑；Hm為測區(qū)邊兩端點的平均大地高程；ym為測區(qū)邊投影后兩端點的橫坐標平均值；S為參考橢球面上的長度。

4 實例分析

現取某段高速鐵路的CPI控制點數據。該高鐵線路走向為東西方向，線路測區(qū)位于東經109°38′—121°20′、北緯31°09′—32°02′。已知線路部分CPI控制點在WGS-84橢球中的空間直角坐標和大地坐標見表1。

表1 CPI在WGS-84中的大地坐標

根據《高速鐵路工程測量規(guī)范》的內容，測區(qū)內控制網的投影長度變形值在投影過程中不能超過10 mm/km。如果按照常規(guī)的高斯投影方法，則該段控制網至少要劃分為3個投影帶才能滿足要求，投影帶劃分方法和投影過程中產生的綜合變形見表2。

從表2可以看出，采用傳統(tǒng)的高斯投影方法時，不僅要對測區(qū)進行分帶處理，而且綜合長度變形值也是勉強符合規(guī)范要求。

表2 投影帶劃分及其綜合變形

下面用大橢圓橢球的方法來解算分析同一問題，具體步驟如下：

(2) 以CPI 127點為基準點，令ΔH=12 m對大橢圓橢球進行變形，解得長半軸和第一偏心率的改變量為：da≈ΔH=12 m，de2=-0.000 000 005 752。從而可以求得控制點CPI 127—CPI178在變形大橢圓橢球E2的大地坐標，然后對E2橢球進行橫軸高斯投影，投影結果及其長度變形結果見表3。

表3 大橢圓變形橢球投影結果

5 結 語

通過實例對兩種投影方法的結果進行分析比較后可以看出，大橢圓線橢球高斯投影的方法在投影時最大長度變形值不超過5 mm/km，而傳統(tǒng)高斯投影法的長度變形值在8～10 mm/km之間。因此，可以看出大橢圓線橢球高斯投影法在解決東西方向鐵路線路投影變形問題時不僅避免了投影分帶，而且其精度要優(yōu)于傳統(tǒng)的高斯投影方法。

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