抵償高程面法在長度投影變形控制中的應(yīng)用

梁 剛 李維平 邵秋銘

(重慶市勘測院, 重慶 401121)

0 引言

線路工程中的勘測放樣是一項(xiàng)重要工作,主要作業(yè)內(nèi)容是把設(shè)計(jì)的線路位置通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位、邊角測量等方法標(biāo)定在擬建區(qū)域?qū)嵉厣蟍1]。但是由于長度投影變形的存在,使現(xiàn)場實(shí)際量測的邊長,與采用投影后坐標(biāo)進(jìn)行反算的理論邊長有差異,從而造成實(shí)地放樣出的點(diǎn)位與設(shè)計(jì)階段的圖上位置不符[2]。而且進(jìn)行放線線路越長,實(shí)地點(diǎn)位與圖上設(shè)計(jì)點(diǎn)位的偏差就越大,最后可能會(huì)引起線路設(shè)計(jì)方案的改變,造成設(shè)計(jì)階段工作無效,經(jīng)濟(jì)損失、時(shí)間消耗都很大[3]。

在城市測量中,按照《城市測量規(guī)范》的要求[4],投影的長度變形不得大于2.5 cm/km。在城市快軌、地鐵、高速鐵路工程測量中,對(duì)長度投影變形有著更為苛刻的要求。城市快軌、地鐵、跨座式單軌等項(xiàng)目要求實(shí)地水平距離改化到高斯平面上距離的投影變形不得大于15 mm/km,高速鐵路的要求更是提高到10 mm/km[5]。要想滿足長距離線路工程規(guī)范中規(guī)定的長度變形量限值,就要分析研究投影變形的特點(diǎn),定量地分析投影變形的大小,從而采取相應(yīng)的有效地處理方法,來控制長度投影變形量,以達(dá)到線路工程施工的精度要求[3-6]。

1 長度投影變形理論分析[7-10]

確定國家大地坐標(biāo)系的理論橢球面是一個(gè)光滑曲面,實(shí)際上它不可能展開成為一個(gè)真正的平面。在進(jìn)行高斯投影時(shí),雖然進(jìn)行了分帶處理,在投影后的長度仍然會(huì)發(fā)生改變。在研究投影變形量的組成時(shí),主要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)部分進(jìn)行分析,一是實(shí)際測量所得的空間距離歸算到所選擇參考橢球面這個(gè)過程引起的變形量計(jì)算;二是將參考橢球面到高斯投影面這個(gè)過程引起的變形。

1.1 實(shí)測邊長到參考橢球面上變形量的解算

ΔS1=-S·Hm/Rm

(1)

式中,ΔS1為空間距離改算到橢球面的變形量;S為歸算邊的長度;Hm為改邊兩個(gè)端點(diǎn)相對(duì)投影面高程的平均值;Rm為邊長地區(qū)的平均曲率半徑。

可見,若參考橢球面低于該歸算邊平均高程面時(shí),ΔS1為負(fù)值,也就是說實(shí)際測量的距離經(jīng)過改算后變短了,而且縮短的絕對(duì)值與平均高程成正比,隨平均高程增大而增大?，F(xiàn)列出Hm為50～4 000 m時(shí)變形比ΔS1/S的數(shù)值,如表1所示。

由表1所列及公式推導(dǎo)可知,如果僅考慮實(shí)地測量距離到參考橢球面上的變形,那么線路兩端參考橢球面的平均高程應(yīng)小于63.7 m,這樣才能在理論上使得投影長度變形的相對(duì)精度優(yōu)于1/100 000。

表1 投影長度變形相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)(相對(duì)于高差)

1.2 參考橢球面到高斯投影面邊長變形量的解算

(2)

為直觀了解投影帶邊緣某邊長投影精度隨著該邊到中央子午線距離的變化情況,將利用公式(2)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行列舉,如表2所示。

從表2中可以看出,在僅考慮橢球面到高斯投影時(shí)產(chǎn)生的投影變形,如果投影帶最遠(yuǎn)處到中央子午線小于28 km,該投影過程引起的變形值將小于1/100 000。也就是說,所選投影帶東西最寬不能大于56 km。

表2 投影長度變形相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)(相對(duì)于該邊到中央子午線距離)

1.3 長度投影的總變形量

(3)

從上文分析可知,如果參考橢球面低于該歸算邊平均高程面,這兩部分變形值可以抵消。在線路工程建設(shè)中,為了限制邊長投影變形,可以選擇多種方法。限于篇幅,本文主要對(duì)采用抵償高程面法減少投影變形的效果進(jìn)行分析。

2 抵償高程面法

選用抵償高程面法限制長度變形,就維持了中央子午線不變。該方法是選擇與線路穿越區(qū)域最接近的水準(zhǔn)面來作為該測區(qū)的投影面,由此產(chǎn)生的邊長改正量來抵消一部分高斯投影過程中的邊長變形量。

(4)

于是就有

(5)

(6)

在抵償坐標(biāo)系中,如果某條邊位于平均高程面上,而且其中點(diǎn)橫坐標(biāo)為y0,那么從前面的論述可知,改邊長的投影變形可以被完全抵償。對(duì)于其他位置的邊,設(shè)其兩端高程的平均值為Hs,中點(diǎn)坐標(biāo)為y0+Δy,如果想使長度變形值小于τ,即有

(7)

將式(6)代入上式得

(8)

若測區(qū)平坦,可忽略第一項(xiàng),于是可得以下兩式:

(9)

確定了y0,也就確定了為限制邊長投影變形而確定的東西寬度。例如由y0=60 km,R=6 370 km,τ=1/100 000,代入式(9)可得Δy=6 km及Δy=-7 km,也就是要求線路穿越區(qū)中心往東最遠(yuǎn)距離要小于6 km,往西最遠(yuǎn)處距離要小于7 km,當(dāng)y0>60 km時(shí),對(duì)東西方向?qū)挾认拗聘鼑?yán)。由此可見,當(dāng)測區(qū)遠(yuǎn)離帶中央子午線,只有擬建線路較短、穿越區(qū)域不大的情況下,選用抵償坐標(biāo)系的方法才比較適合。

3 基于抵償高程面法的算例分析

3.1 抵償高程面選取方法[11-12]

在工程應(yīng)用中,需要選擇最恰當(dāng)?shù)牡謨敻叱堂?以獲取最好的變形抵償效果。常用的抵償高程面選取方法主要有三種:傳統(tǒng)方法、單位長度變形和最小法以及單位長度變形最小二乘法。

3.1.1傳統(tǒng)方法

該方法是選取y0=ymax,此時(shí)如果某條邊平行于橫坐標(biāo)為y0的縱坐標(biāo)軸,那么該邊的投影變形可以全部都被抵償。將y0=ymax帶入式(6),得到抵償高程面的高程為

(10)

這種方法適用于較小的測區(qū),但對(duì)大面積測區(qū)就有待改進(jìn)了。

3.1.2基于max{|ΔSi|}=min的方法

由于投影范圍內(nèi)每個(gè)位置的邊長變形是不相等的,我們可以選取一個(gè)抵償高程面,使投影范圍內(nèi)的各個(gè)邊投影至這個(gè)高程面上的單位長度(S=S0=1 km)的最大變形值得以最小,即max{|ΔSi|}=min。使用該方法時(shí)會(huì)遇到兩種情況,一種情況是擬投影的范圍位于3°帶中央子午線的某一側(cè)(兩側(cè)的投影變形情況一致),另一種是擬投影的范圍跨越了3°帶的中央子午線。

圖1 投影范圍位置示意圖

本文略去公式推導(dǎo)的過程,直接給出抵償高程面大地高的計(jì)算公式。對(duì)于第一種情況,基于前文的討論,推導(dǎo)出抵償高程面的大地高為

(11)

對(duì)于第二種情況,基于前文的討論,推導(dǎo)出抵償高程面的大地高為

(12)

在此約束條件下選取一個(gè)抵償高程面,使整個(gè)測區(qū)內(nèi)單位長度(S=S0=1 km)變形ΔSi的平方和達(dá)到最小,依此來確定抵償高程面。限于篇幅,本文也不再詳述推導(dǎo)過程,直接給出該準(zhǔn)則下抵償高程面的計(jì)算公式:

(13)

某鐵路建設(shè)項(xiàng)目,線路的平均高程Hm=2 km,地勢(shì)較為平坦,y∈[20 km,100 km],S=1 km,曲率半徑Rm=6 371 km,下面分別按照前文介紹的三種方法,首先計(jì)算項(xiàng)目范圍內(nèi)的抵償高程面,然后計(jì)算長度變形量。

根據(jù)三種方法計(jì)算長度變形的相對(duì)值隨ym的變化量,如表3及圖2所示。

表3 不同方法的長度相對(duì)變形值比較

圖2 不同方法長度變形情況

從表3和圖2中可以看出,方法1對(duì)長度變形量的限制效果最差,這種基于消除測區(qū)最大的高斯投影變形量的方法確定的抵償面,從結(jié)果數(shù)據(jù)可以看到,距離中央子午線越遠(yuǎn)的邊,其長度投影相對(duì)變形量反而越小,在y的最大處的投影變形為0;方法2和方法3對(duì)長度變形值的限制效果相差并不是很大,方法2的長度變形中誤差要略大于方法3的長度變形中誤差,但其長度變形的最大值要小于方法3的長度變形的最大值,并且變形值的變化更均勻。因此,方法2相對(duì)于方法3,其適用范圍會(huì)更大一些。由表3得出的長度變形中誤差，方法1為0.085 m，方法2為0.043 m，方法3為0.041 m。

4 結(jié)束語

在穿越較大區(qū)域的線路工程中,由于長度投影變形的存在,使得實(shí)測的距離與投影后坐標(biāo)反算的距離不符,這會(huì)對(duì)工程的施工放樣帶來很大的影響,本文介紹了投影變形的來源,并且描述了基于計(jì)算抵償高程面的方法減少投影變形步驟。通過算例,對(duì)比了三種選擇抵償投影面方法的應(yīng)用效果,最終選取了最合適的抵償面計(jì)算方法。

限制長度投影變形的方法很多,除抵償高程面法以外,還有平移中央子午線法、獨(dú)立坐標(biāo)系法、調(diào)節(jié)因子法、分段法等,各有優(yōu)點(diǎn),限于篇幅本文沒有一一介紹,在具體工程應(yīng)用中往往結(jié)合地理?xiàng)l件選擇某一種方法,或者綜合運(yùn)用多種方法。為了限制長度投影變形,有可能在一個(gè)工程中建立幾個(gè)坐標(biāo)系,但這種幾種方法的綜合運(yùn)用在有效地限制長度投影變形的同時(shí),也帶來了各種坐標(biāo)系之間進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問題,因此我們就要從工程的實(shí)際情況出發(fā)進(jìn)行綜合的考慮,對(duì)所選限制長度變形的方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化,以提高工程建設(shè)的綜合效率。