基于移動智能平板的線路中線放樣程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡建國

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

在鐵路勘察設(shè)計(jì)中，中線放樣是十分重要的工作，常采用偏角法、極坐標(biāo)法和GNSS-RTK法等[1]。這些方法均采用傳統(tǒng)的全站儀或GNSS接收機(jī)作業(yè)，該作業(yè)模式野外工作強(qiáng)度大，效率低且專業(yè)化程度低。雖然已有學(xué)者基于PDA開發(fā)了一些基于全站儀進(jìn)行中線放樣的程序進(jìn)行鐵路勘測數(shù)據(jù)采集，在一定程度上提高了全站儀作業(yè)的效率[2]，但隨著移動互聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展，移動智能手機(jī)和平板等設(shè)備，憑借其輕便、智能、續(xù)航時間長、人機(jī)交互友好、可視化程度高以及能實(shí)現(xiàn)無線通信和GNSS快速定位導(dǎo)航等優(yōu)勢，已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)PDA，作為全站儀和GNSS接收機(jī)等傳統(tǒng)測繪儀器的手簿，甚至某些高精度智能平板本身就能作為外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工具[3-5]，極大優(yōu)化了傳統(tǒng)測繪的野外測量模式。另外，CORS網(wǎng)絡(luò)RTK作為當(dāng)今GNSS發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的建設(shè)當(dāng)中。其中，在鐵路方面，李濤[6]分析了高速鐵路CORS建設(shè)的必要性，提出了高速鐵路CORS建設(shè)的具體方案。張運(yùn)華[7]對CORS-RTK技術(shù)在鐵路定測中的應(yīng)用進(jìn)行研究和試驗(yàn)，得出其測量精度可達(dá)到平面高差±5 cm以內(nèi)。郭江[8]通過比較CORS系統(tǒng)測量和鐵路勘察控制網(wǎng)測量成果，證實(shí)CORS系統(tǒng)測量的平面坐標(biāo)精度可達(dá)厘米級，滿足鐵路勘察規(guī)范要求。

基于此，本文基于移動智能平板開發(fā)了一款鐵路勘測中線放樣程序，其支持4G通信、藍(lán)牙通信、多星定位、CORS網(wǎng)絡(luò)RTK等技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速采集和放樣點(diǎn)自動引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)測量工作的可視化、輕便化、自動化、智能化。

1 線路模型與控制點(diǎn)數(shù)據(jù)

1.1 線路模型建立

1.1.1 一般線型

鐵路線路受地形、地質(zhì)或技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素的影響，不能以一條直線延伸始終，而是隔一定距離就要改變方向，因此，鐵路線路由直線和曲線兩部分組成。鐵路曲線一般由緩和曲線、圓曲線等組成，線路任意一點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算采用交點(diǎn)法以“緩和曲線-圓曲線-緩和曲線”為基本型，其中緩和曲線可以不等長，線路示意如圖1所示。

圖1 線路示意圖

其交點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算格式如下：

起交點(diǎn)名，北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，里程<回車換行>

交點(diǎn)名，北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，[半徑，第一緩和曲線，第二緩和曲線，第一緩和起始半徑，第二緩和終止半徑]<回車換行>

…………

終點(diǎn)名，北坐標(biāo)，東坐標(biāo)

1.1.2 特殊線型

任何復(fù)雜的線路，都是采用3個基本曲線單元(直線、圓曲線、緩和曲線)首尾相連組合完成。當(dāng)線路存在不完全緩和情形時，上述的交點(diǎn)法數(shù)據(jù)格式已不能滿足需要，由幾個曲線組成1個卵形曲線，卵形曲線示意如圖2所示。

圖2 卵形曲線示意圖

像這種“直緩-緩圓-圓緩-緩圓-圓緩-緩直”的特殊曲線，考慮到兼容原有格式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)參數(shù)來完成不完全緩和情形。其格式如下：

起交點(diǎn)名，北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，里程<回車換行>

交點(diǎn)名，北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，[半徑，第一緩和曲線，第一緩和起始半徑，第二緩和終止半徑]<回車換行>

…………

終點(diǎn)名，北坐標(biāo)，東坐標(biāo)

1.2 控制點(diǎn)數(shù)據(jù)

1.2.1 求解基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)

以經(jīng)典四參數(shù)法為例，選取4個及以上的控制點(diǎn)參與到水平、垂直校正。公共點(diǎn)平面殘差應(yīng)控制在1.5 cm以內(nèi)，高程殘差應(yīng)控制在3 cm以內(nèi)，東、北斜坡控制在30 ppm以內(nèi)。

1.2.2 單點(diǎn)高程校正法

求解基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)時，選取基準(zhǔn)站相鄰的控制點(diǎn)4個?？刂泣c(diǎn)順序?yàn)椋夯鶞?zhǔn)站控制點(diǎn)必須為首個，其余順序隨機(jī)。所有點(diǎn)水平參加校正，垂直校正僅選擇基準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行單點(diǎn)高程校正。

內(nèi)業(yè)選取合適的參數(shù)校正計(jì)算方法求解GPS轉(zhuǎn)換參數(shù)，導(dǎo)入智能移動設(shè)備。

2 程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述模型，在Android Studio平臺上，使用Java語言開發(fā)了基于移動智能平板的中樁放樣程序。

2.1 硬件平臺

本程序采用移動智能高精度平板作為硬件設(shè)備,該平板裝載Android 8.1智能操作系統(tǒng)、2.0 G八核處理器加上4 GB運(yùn)行內(nèi)存；同時具有GNSS+GLONASS+BDS多星定位技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重遮擋環(huán)境下的正常工作，同時支持厘米級、亞米級高精度外擴(kuò)模塊；在數(shù)據(jù)通信方面支持：4G全網(wǎng)通(移動、聯(lián)通、電信)網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi及無線(無線AP、Wapi)、藍(lán)牙(BlueTooth 2.0/4.0)、USB數(shù)據(jù)傳輸(TypeC，同時具有OTG功能)以及外置接口(串口、VBAT、GND)[9]；續(xù)航方面采用 10 000 mAh/3.7 V電池，可連續(xù)工作10 h以上，可基本滿足全天作業(yè)的使用要求，同時采用可拆卸式電池設(shè)計(jì)，方便電池即時更換，支持在線充電，保證作業(yè)的連續(xù)進(jìn)行。

2.2 程序的基本功能

(1)線路模型計(jì)算功能

可根據(jù)線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，自動計(jì)算出線路逐樁表，并生成線路圖形。在施測過程中，可根據(jù)任意點(diǎn)的樁號快速定位其坐標(biāo)信息以及該點(diǎn)在線路圖形上的具體位置。

(2)平板與儀器的通信功能

可實(shí)現(xiàn)平板與各種類型的GNSS接收機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙配對連接，連接后平板可作為GNSS接收機(jī)的手簿控制儀器進(jìn)行測量，同時儀器測量的數(shù)據(jù)也會實(shí)時傳輸回平板上。

(3)平板直接測量功能

支持CORS網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，在地勢開闊、GNSS衛(wèi)星信號好且測量精度要求不高的地段，可直接利用網(wǎng)絡(luò)RTK在平板上完成中線放樣數(shù)據(jù)的采集。

(4)坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫管理功能

可將需要用到的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過文件導(dǎo)入或手動輸入的形式錄入到坐標(biāo)數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)點(diǎn)位類型分為控制點(diǎn)、放樣點(diǎn)、其他測量點(diǎn)三類，以便測量人員在野外隨時調(diào)用這些點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。

(5)圖層導(dǎo)入功能

可根據(jù)作業(yè)需要，導(dǎo)入二維或三維地形圖，中線以及相關(guān)點(diǎn)位信息將會顯示于該圖層之上，為作業(yè)人員提供了更好的可視化效果。

(6)坐標(biāo)系統(tǒng)庫管理功能

該程序預(yù)設(shè)了CGCS2000、WGS84、西安80、北京54等常用坐標(biāo)系統(tǒng)，也可以支持用戶自定義坐標(biāo)系統(tǒng)。在進(jìn)行作業(yè)時，用戶可根據(jù)需要從坐標(biāo)系統(tǒng)庫中選擇或新建合適的坐標(biāo)系統(tǒng)。

(7)實(shí)時移動導(dǎo)航

在放樣作業(yè)過程中，實(shí)景二維或三維地形圖上會實(shí)時顯示目前平板或GNSS接收機(jī)的位置，并會實(shí)時計(jì)算出目前位置至待放樣點(diǎn)的距離信息和方向信息，指揮測量人員達(dá)到測量位置。

2.3 程序的運(yùn)行流程

中線放樣作業(yè)流程如圖3所示。該程序運(yùn)行步驟如下：

圖3 中線放樣作業(yè)流程圖

(1)工程項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置?？蛇x擇新建工程，也可打開已有工程文件，新建工程需輸入工程名稱(默認(rèn)為當(dāng)前日期)、工程存儲路徑并設(shè)置測量精度。

(2)GNSS參數(shù)設(shè)置。包括坐標(biāo)系統(tǒng)的命名，目標(biāo)橢球的選擇，投影方式的設(shè)置以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法的設(shè)置，也可以從坐標(biāo)系統(tǒng)管理庫中直接選擇已有的坐標(biāo)系統(tǒng)。

(3)地形圖讀取。選擇存儲在平板中的二維或三維地形圖，加載到程序中，配合放樣作業(yè)的進(jìn)行。

(4)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取。手動添加控制點(diǎn)信息或讀取控制點(diǎn)文件，也可從已有的坐標(biāo)點(diǎn)庫中選擇控制點(diǎn)。

(5)中線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)讀取。讀取中線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)置中線樁距，自動生成線路圖形并計(jì)算出逐樁表。

(6)測量模式選擇。

①平板測量模式：適用于地勢開闊、GNSS衛(wèi)星信號好且測量精度要求不高的地段，可直接用千尋網(wǎng)絡(luò)CORS網(wǎng)絡(luò)RTK在平板上完成中線測量，該模式可不用連接GNSS接收機(jī)。

②RTK的手薄測量模式：適用于地物多、GNSS衛(wèi)星信號弱且測量精度要求高的地段，平板可作為RTK的手薄，進(jìn)行中線測量。

(7)儀器連接設(shè)置。若為RTK手簿測量模式則必須進(jìn)行儀器連接，打開平板藍(lán)牙對可連接藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行掃描，選擇GNSS接收機(jī)進(jìn)行連接。

(8)線路中線測量。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算出的里程表，平板自動引導(dǎo)測量人員至放樣點(diǎn)，誤差在設(shè)定精度范圍以內(nèi)時測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存；若需要進(jìn)行加樁點(diǎn)測量，可在界面上選擇加樁功能，直接輸入加樁點(diǎn)里程，會自動顯示出該點(diǎn)坐標(biāo)，以及在圖上顯示出目前至該點(diǎn)的距離和方位信息；同時，可以隨時修改放樣間距以及放樣精度。

(9)成果導(dǎo)出。測量作業(yè)完成后，可從程序中導(dǎo)出多種格式的dat、csv、txt、xlsx等成果文件。

3 應(yīng)用分析

以某高速鐵工程項(xiàng)目為例，在定測階段采用中海達(dá)Qpad X8智能GIS平板及開發(fā)的鐵路勘測中線放樣程序，基準(zhǔn)站采用“千尋知寸”位置服務(wù)，完成了約 50 km的中線測量工作，從工作效率、測量流程、精度等方面進(jìn)行比較總結(jié)。

3.1 放樣測量

(1)控制網(wǎng)參數(shù)設(shè)置，控制點(diǎn)校正，明確主站控制點(diǎn)。

(2)在平板上打開1∶2 000地形圖，顯示中線測量線位。

(3)實(shí)時顯示目前GIS平板在圖上的位置，并導(dǎo)航指揮測量人員達(dá)到測量位置。

(4)導(dǎo)航達(dá)到測量位置后開始測量：

①輸入里程冠號：K,DK,D1K……；

②里程間距：等距：20 m、50 m……,遞增+，遞減-；

③輸入起點(diǎn)測量里程；

④導(dǎo)航移動至該測量點(diǎn)時測量；

⑤測量后顯示X,Y,H數(shù)據(jù)(X,Y為理論坐標(biāo)，H為實(shí)測高程)，備注(房邊、道路、溝坎……)；

⑥保存，完成測量；

⑦放樣點(diǎn)測量完成后，在放線地形圖中線上以“高程數(shù)據(jù)點(diǎn)”顯示。

(5)成果輸出。

3.2 放樣精度統(tǒng)計(jì)

在勘測中，采用全站儀坐標(biāo)法測量一段中線，并與采用中海達(dá)Qpad X8智能GIS平板測量成果從坐標(biāo)、高程進(jìn)行對比，分析其精度，放樣精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 中樁三維坐標(biāo)檢查表

根據(jù)表1精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，檢測值三維坐標(biāo)均小于10 cm，滿足鐵路工程測量規(guī)范對中樁測量精度的要求[10]。

4 作業(yè)特點(diǎn)

基于移動智能平板的中線放樣程序，其作業(yè)模式既保證了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率，又很好地實(shí)現(xiàn)測量工作的可視化、輕便化、自動化、智能化。該作業(yè)模式有以下幾個特點(diǎn)：

(1)可根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用線路模型，計(jì)算出中線上任意一點(diǎn)在線路坐標(biāo)系的坐標(biāo)并生成線路圖形，顯示在二維或三維地形圖上并能在地形圖上提供位置服務(wù)，使得測量作業(yè)更加具體和直觀。

(2)實(shí)現(xiàn)了平板與GNSS接收機(jī)的無線藍(lán)牙通信，平板可作為其手簿，使得數(shù)據(jù)采集更加方便和智能。

(3)利用多星定位、CORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，可以不依賴于其他測繪儀器，直接使用智能平板完成數(shù)據(jù)采集，進(jìn)一步減輕了外業(yè)工作的負(fù)擔(dān)。

(4)能實(shí)時定位當(dāng)前測量人員的位置，提供移動位置服務(wù)，自動引導(dǎo)測量人員準(zhǔn)確到達(dá)放樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，有效減少了放樣時實(shí)際位置的調(diào)整次數(shù)和時間，極大提高了作業(yè)效率，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其工作效率提高30%左右。

5 結(jié)論

(1)基于移動智能平板的中線放樣程序，其設(shè)計(jì)思想符合當(dāng)前測繪領(lǐng)域逐步從傳統(tǒng)人工作業(yè)、數(shù)字作業(yè)模式轉(zhuǎn)型為數(shù)字智能、移動采集、高度可視化的作業(yè)模式，能夠有效提高野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和效率，能很好地減輕測量人員的作業(yè)強(qiáng)度和負(fù)擔(dān)。

(2)采用移動智能平板進(jìn)行鐵路放樣測量，其精度滿足鐵路工程測量規(guī)范要求。

(3)移動智能設(shè)備逐步取代傳統(tǒng)的測量模式，隨著移動智能平板在鐵路勘測領(lǐng)域的應(yīng)用，必將提高移動測繪技術(shù)在鐵路勘測領(lǐng)域的技術(shù)水平。

隨著移動智能設(shè)備、多星定位技術(shù)、COSR網(wǎng)絡(luò)RTK、5G/6G移動通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來會有更多、更全面、更專業(yè)的移動智能測繪設(shè)備和軟件系統(tǒng)服務(wù)于測繪以及鐵路勘測設(shè)計(jì)領(lǐng)域,以提高鐵路勘測設(shè)計(jì)信息化建設(shè)，并進(jìn)一步改善測量人員的作業(yè)條件，真正做到外業(yè)測量的可視化、輕便化、自動化、智能化。