鐵路中線測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理和質(zhì)檢方法研究

王大剛

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)，天津 300143)

1 概述

新建鐵路中線測(cè)量是將鐵路設(shè)計(jì)中線測(cè)設(shè)到地面的過(guò)程。 通常情況下，交叉測(cè)量工作(測(cè)量沿線道路、電線交叉等)與中線測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。 目前的測(cè)量方法主要有撥角法、極坐標(biāo)法和GPS-RTK 法等[1]。 其中，GPS-RTK 技術(shù)以作業(yè)靈活、厘米級(jí)的定位精度、實(shí)時(shí)獲取點(diǎn)三維坐標(biāo)、誤差不累積等優(yōu)勢(shì)，成為鐵路中線測(cè)量的主要作業(yè)手段[2]。 具體操作方法:建立測(cè)區(qū)控制網(wǎng)，求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)[3]，根據(jù)設(shè)計(jì)線位要素創(chuàng)建道路文件，按照《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》[4]的施測(cè)要求，進(jìn)行野外實(shí)地放樣并記錄測(cè)量成果。

GPS-RTK 作業(yè)方式能夠有效提高測(cè)量速度，縮短項(xiàng)目周期。 就外業(yè)部分而言，相應(yīng)的作業(yè)流程和質(zhì)量控制措施已比較成熟。 張興福[5]等對(duì)GPS-RTK 在中線測(cè)設(shè)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)作了充分闡述，?；⒘諿6]等從轉(zhuǎn)換參數(shù)求解、作業(yè)過(guò)程規(guī)范化和儀器檢驗(yàn)3 個(gè)方面，詳細(xì)介紹了作業(yè)前和作業(yè)中的質(zhì)量控制措施。 但是在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理效率相對(duì)較低，需依靠人工方式對(duì)最后的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理方法主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題:

(1)數(shù)據(jù)處理操作步驟多，過(guò)程繁瑣重復(fù)，用時(shí)較長(zhǎng)。

(2)需要使用多個(gè)軟件(Excel、AutoCAD、CASS)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

(3)數(shù)據(jù)質(zhì)檢工作靠人工完成，容易出現(xiàn)因人為操作不當(dāng)導(dǎo)致的不規(guī)范現(xiàn)象和質(zhì)量問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種鐵路中線數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理方法，圍繞設(shè)計(jì)中線成果轉(zhuǎn)換、交叉測(cè)量信息提取、數(shù)據(jù)自動(dòng)化質(zhì)檢3 個(gè)方面開(kāi)展算法設(shè)計(jì)。

2 中線測(cè)量成果和交叉測(cè)量成果自動(dòng)化處理

新建鐵路設(shè)計(jì)中線實(shí)地測(cè)設(shè)過(guò)程中，中線放樣點(diǎn)形成的縱斷面應(yīng)當(dāng)有效反映沿線地形變化，在重要地形、地物特征點(diǎn)處需進(jìn)行加樁[7]，對(duì)沿線道路、電線、管線等需進(jìn)行交叉測(cè)量，并記錄現(xiàn)場(chǎng)信息。 既有作業(yè)方式為Excel 手動(dòng)編輯作業(yè):對(duì)沿線測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行逐段落檢查，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和編輯，通過(guò)CASS 插件將點(diǎn)集合展繪到AutoCAD 中[8]，進(jìn)行交叉距離和方位角度量測(cè)，最后錄入外業(yè)記錄屬性信息，將資料成果整理提交。

2.1 數(shù)據(jù)文檔解析

目前，常用的GPS-RTK 接收機(jī)品牌主要有南方、華測(cè)導(dǎo)航、天寶等[9-11]，如表1 所示。 不同的儀器具有不同的數(shù)據(jù)格式，通過(guò)對(duì)不同數(shù)據(jù)的解析，實(shí)現(xiàn)中線樁數(shù)據(jù)、交叉測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)、地形測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)檢點(diǎn)數(shù)據(jù)的提取和拆分，用于后續(xù)各步計(jì)算。

表1 常用儀器型號(hào)的數(shù)據(jù)格式

2.2 中樁數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換

為改善原有放樣成果數(shù)據(jù)的處理方式，在吸收以往處理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行了改良(見(jiàn)圖1)，體現(xiàn)為以下3 點(diǎn):

圖1 中樁數(shù)據(jù)成果流程

①將流程化的數(shù)據(jù)檢查和計(jì)算操作改用計(jì)算機(jī)編碼實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)樁號(hào)點(diǎn)自動(dòng)提取、分組、粗差檢查、去重、內(nèi)插等操作，以替代電子表格大量的計(jì)算操作。

②建立外業(yè)地理要素備注符號(hào)庫(kù)，對(duì)中線測(cè)量中涉及到的地理、地形要素進(jìn)行統(tǒng)一建庫(kù)處理，達(dá)成統(tǒng)一規(guī)范的記錄格式。

③實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)成果的一鍵式輸出，同時(shí)輸出問(wèn)題處理報(bào)告，便于數(shù)據(jù)處理人員對(duì)原始和成果數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

由圖1 可知，針對(duì)不同格式的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行放樣數(shù)據(jù)提取，結(jié)合測(cè)量區(qū)間資料，自動(dòng)進(jìn)行中樁提取、規(guī)則檢查，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記和注記替換，輸出為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(保留中間數(shù)據(jù)成果和數(shù)據(jù)處理報(bào)告)。

2.3 交叉數(shù)據(jù)處理

鐵路交叉測(cè)量是指鐵路線路與電線、管線、公(道)路之間交叉關(guān)系(平面關(guān)系和高程關(guān)系)的測(cè)量，以及交叉對(duì)象的幾何和物理屬性信息的獲取，是專線調(diào)查測(cè)量的重要基礎(chǔ)工作，可為后續(xù)橋梁、涵洞等重要工點(diǎn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[12]。

為實(shí)現(xiàn)交叉測(cè)量成果的自動(dòng)化，依據(jù)地物標(biāo)注信息自動(dòng)提取交叉中心點(diǎn)并匹配交叉測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

以道路交叉為例，在外業(yè)測(cè)量時(shí)，可對(duì)交叉測(cè)量采樣點(diǎn)(按照預(yù)先定義的數(shù)據(jù)標(biāo)注格式)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)記，也可通過(guò)預(yù)處理進(jìn)行檢查和修改(見(jiàn)圖2)。 在內(nèi)業(yè)處理過(guò)程中，按照里程和編號(hào)，自動(dòng)對(duì)交叉點(diǎn)和角度計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行匹配，從而提取交叉角度、距離和道路(電線)屬性等信息，完成交叉測(cè)量成果的自動(dòng)輸出，數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。

圖2 交叉測(cè)量中樁點(diǎn)和方向點(diǎn)備注樣例

圖3 中線交叉測(cè)量示意

交叉角度計(jì)算方式為面向大里程方向右撥，采用向量法求解，根據(jù)交叉中心點(diǎn)和交叉外地形點(diǎn)的里程信息和坐標(biāo)，采用向量法求解方位和交叉角度。

圖4 向量法求取交叉角度示意

如圖4 所示，A 為道路或電線和設(shè)計(jì)線位的交叉點(diǎn)，B 點(diǎn)為中線點(diǎn)，C 點(diǎn)為線外交叉測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)A、B點(diǎn)里程確定向量起點(diǎn)和終點(diǎn)，設(shè)B 里程大于A，則確定向量和不在其直線AB 上的點(diǎn)C，由公式(1)求叉積

可確定點(diǎn)C 位于直線AB 的左右側(cè)，通過(guò)公式(2)計(jì)算道路交叉角度

AgAB，AC為直線AB 與AC 的夾角，S 為式(1)中向

經(jīng)過(guò)自動(dòng)計(jì)算后的交叉成果，作業(yè)人員可對(duì)其他屬性信息進(jìn)行補(bǔ)充和必要檢核，即完成交叉測(cè)量成果輸出，避免在AutoCAD 軟件中的大量操作。

3 自動(dòng)質(zhì)檢和數(shù)據(jù)規(guī)范化管理

中線測(cè)量和交叉測(cè)量成果是橋梁、路基等專業(yè)開(kāi)展后續(xù)設(shè)計(jì)的首要基礎(chǔ)資料。 目前，GPS-RTK 中線作業(yè)過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起勘測(cè)和設(shè)計(jì)的變更，造成經(jīng)濟(jì)損失，只有開(kāi)展作業(yè)全過(guò)程的質(zhì)量控制才能有效降低數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)[13]。 宋紀(jì)五[14]等對(duì)中線外業(yè)作業(yè)流程方面的質(zhì)量控制做了系統(tǒng)分析，孫玉國(guó)[15]等對(duì)區(qū)域投影變形問(wèn)題做了系統(tǒng)論證，測(cè)量前期準(zhǔn)備工作和測(cè)量過(guò)程中質(zhì)量控制的相關(guān)研究已相對(duì)較為成熟，但對(duì)數(shù)據(jù)后處理環(huán)節(jié)質(zhì)量檢查研究的關(guān)注程度不夠。 加強(qiáng)該環(huán)節(jié)過(guò)程中的質(zhì)量控制，一方面能夠避免人為數(shù)據(jù)處理的疏漏，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的問(wèn)題并開(kāi)展補(bǔ)測(cè)工作;另一方面，可有效指導(dǎo)外業(yè)測(cè)量工作，對(duì)后續(xù)作業(yè)起到一定的指導(dǎo)和約束作用。

3.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)檢

傳統(tǒng)處理方式中，觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)檢工作主要靠人工完成，存在質(zhì)檢不全面、粗差不易發(fā)現(xiàn)等問(wèn)題。 新方法中，將質(zhì)檢內(nèi)容通過(guò)算法編程實(shí)現(xiàn)，在中線數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐項(xiàng)復(fù)核，生成數(shù)據(jù)處理報(bào)告。 主要質(zhì)檢內(nèi)容如下。

(1)測(cè)量基本要求檢查

對(duì)當(dāng)日觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)檢查，包括平面放樣誤差、采樣時(shí)間、直線段和曲線段樁距檢查、剔除粗差點(diǎn)和重復(fù)采樣點(diǎn)(如表2)。

表2 中線放樣要求

(2)測(cè)量規(guī)范性檢查

①高程突變點(diǎn)檢查

引入數(shù)據(jù)縱斷面突變點(diǎn)檢查，檢查中線縱斷面的高程突變點(diǎn)問(wèn)題，在中線采集過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)避免放樣缺失導(dǎo)致的高程突變，即在中線縱斷面上不應(yīng)出現(xiàn)突變的銳角。 檢測(cè)方法:對(duì)任意一個(gè)中樁點(diǎn)和其前后中樁點(diǎn)，角度閾值小于75°時(shí)會(huì)被認(rèn)定為突變點(diǎn)，需要檢查是否存在漏樁或高程問(wèn)題。 設(shè)P 點(diǎn)為某中樁放樣點(diǎn)，A、B 分別為P 點(diǎn)的前后中樁放樣點(diǎn)，則該點(diǎn)在縱斷面上角度表示為

Cp表示∠APB 所構(gòu)成夾角的余弦值，chAB表示A、B 兩點(diǎn)間的空間距離，MA和HA分別表示A 點(diǎn)的里程和高程。

②地物標(biāo)注信息的檢查

對(duì)外業(yè)地物邊界采樣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記檢測(cè)，對(duì)房屋、道路、溝渠等地物采樣點(diǎn)的信息完整性進(jìn)行檢查，對(duì)河流溝底高程缺失進(jìn)行標(biāo)記，避免重要工點(diǎn)的高程信息遺漏。

(3)數(shù)據(jù)銜接檢核

實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的中線樁銜接自動(dòng)檢核，限差如表3 所示，該檢核方法有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的銜接問(wèn)題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)作業(yè)中存在的質(zhì)量問(wèn)題。

表3 中線樁銜接數(shù)據(jù)檢核限差 mm

當(dāng)日單組數(shù)據(jù)處理完成后，即時(shí)生成數(shù)據(jù)處理報(bào)告(如圖5 所示)，便于查找觀測(cè)數(shù)據(jù)存在的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)觀測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)質(zhì)量有一個(gè)直觀的把握，便于及時(shí)進(jìn)行必要的內(nèi)業(yè)和外業(yè)處理，為數(shù)據(jù)質(zhì)檢留存完整的歷史記錄。

3.2 數(shù)據(jù)成果的標(biāo)準(zhǔn)化控制

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，由于作業(yè)人員的技術(shù)水平差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理成果不規(guī)范的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給項(xiàng)目工作的順利進(jìn)行帶來(lái)一定的壓力。 采用軟件方法[16]實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)高效有序的分類管理，可以有效提高項(xiàng)目的完成質(zhì)量。

圖5 數(shù)據(jù)處理報(bào)告

(1)數(shù)據(jù)文整格式規(guī)范化

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)成果輸出的標(biāo)準(zhǔn)化，嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)成果輸出的標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性，避免數(shù)據(jù)資料混亂，降低項(xiàng)目管理成本。

(2)建立完善的項(xiàng)目管理機(jī)制

建立從項(xiàng)目開(kāi)始到項(xiàng)目結(jié)束的閉環(huán)管理。 以項(xiàng)目為管理單位，將作業(yè)時(shí)間、作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)人員作為數(shù)據(jù)管理節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)各階段的原始數(shù)據(jù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)，建立項(xiàng)目數(shù)據(jù)資料庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)成果的規(guī)范化管理。

4 計(jì)算結(jié)果分析

在算法研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了專用數(shù)據(jù)處理軟件(CRDC_MLDPROCESSOR)。 該軟件采用Qt 框架搭建圖形界面，軟件界面如圖6 所示。 選取某新建鐵路項(xiàng)目2 組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并結(jié)合人工處理方式開(kāi)展對(duì)比。

圖6 中線數(shù)據(jù)處理軟件界面

如表4 所示，在兩種作業(yè)方式輸出成果一致的前提下，采取手動(dòng)處理方式所用時(shí)間分別為118 min 和141 min，程序的運(yùn)行時(shí)間均為秒級(jí)(前期需少量時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理)，處理時(shí)間大為縮短。

表4 不同組數(shù)據(jù)軟件和人工處理結(jié)果對(duì)比

從處理方式來(lái)看，該軟件為后臺(tái)處理，實(shí)現(xiàn)了從原始數(shù)據(jù)到各成果的自動(dòng)化生成，其處理過(guò)程多采用計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)，只需要少量的人工操作。 從處理效率來(lái)看，內(nèi)業(yè)時(shí)間大大縮短，在地形復(fù)雜地區(qū)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。 從數(shù)據(jù)規(guī)范程度來(lái)看，采用統(tǒng)一格式和規(guī)范命名的方法，避免了不規(guī)范現(xiàn)象，提高了成果的精度。