李 敏

(四川大學(xué)錦城學(xué)院土建系,四川 成都 611731)

近年來隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及,利用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)各種功能成為主流,國內(nèi)外開始對各種橫斷面測量的方法進(jìn)行研究,對測量數(shù)據(jù)的處理算法進(jìn)行研究,對與后續(xù)CAD和各種道路設(shè)計(jì)軟件的無縫連接進(jìn)行研究。主要以數(shù)字地面模型為基礎(chǔ),利用計(jì)算機(jī)處理,由全站儀采集記錄的地形原始數(shù)據(jù),建立沿公路走向的帶狀三角網(wǎng)數(shù)字地面模型,為公路路線設(shè)計(jì)提供縱、橫斷面地面線數(shù)據(jù),并自動繪制等高線地形圖、路線平面圖,形成從數(shù)據(jù)采集與處理,路線設(shè)計(jì)與計(jì)算,各種設(shè)計(jì)圖表輸出的設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)。如南方測繪公路放樣智能全站儀 NTS-660,此系列擁有大量應(yīng)用測量程序和公路測量軟件,具有較強(qiáng)公路與建筑放樣功能的全能全站儀系統(tǒng),一定程度上提高了公路橫斷面測量效率。杰科系統(tǒng)在道路施工測量上的應(yīng)用也為橫斷面測量提供了很多方便。但是在國內(nèi),一些先進(jìn)的測設(shè)方法沒有得到普及,現(xiàn)有勘測手段的某些方面技術(shù)上缺乏先進(jìn)性,在使用新儀器新設(shè)備上缺乏靈活性,我國的多數(shù)公路縱、橫斷面測量中,對 GPSRTK和全站儀的運(yùn)用主要還是使用其自身功能,以其為基礎(chǔ)的測設(shè)軟件研究工作還不足,因此外業(yè)采集的數(shù)據(jù)有時得不到及時處理,自動化、集成化、系統(tǒng)化程度還很低,使得整個橫斷面測量的工作效率沒有提上去。雖然也出現(xiàn)了一些勘測設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng),但是這些系統(tǒng)主要還是在利用全站儀自身的功能,功能單一,針對性不強(qiáng),只適用于常規(guī)條件下的測量,而對山區(qū)高速公路的各種復(fù)雜情況就束手無策?？v橫斷面測量在速度、成本、與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的結(jié)合等方面還是不能令人滿意或滿足需要。測設(shè)周期長、成本高、與設(shè)計(jì)銜接不良等后果,將直接影響設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工質(zhì)量。因此,需要我們進(jìn)一步的研究,以最大限度地提高山區(qū)高速公路縱橫斷面測量的效率,滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。

全站儀快速橫斷面測量系統(tǒng)是指在圖上設(shè)計(jì)完后,已知線性元素及中樁點(diǎn)情況下,進(jìn)行的縱橫斷面測量。本文主要對無中樁“四組合一”作業(yè)法,高機(jī)動性測站設(shè)置,測站精度效核與自動報警功能,根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自由產(chǎn)生中樁點(diǎn)坐標(biāo)和橫斷面線方程,自由順序中樁測量、自由順序橫斷面測量,自由(無空間和時間限制)在全線任意位置增加中樁和橫斷面測點(diǎn),處理各種測量數(shù)據(jù)等進(jìn)行研究。

1 橫斷面數(shù)據(jù)采集的基本原理

由于不容易保證立鏡點(diǎn)為滿足要求的斷面點(diǎn),因此要決定哪些點(diǎn)可用、哪些點(diǎn)不可用。我們采用比較法來解決這個問題,即計(jì)算立鏡點(diǎn)到中樁的距離D和立鏡點(diǎn)到法線的距離d,如果 D≤LK(LK為橫斷面點(diǎn)至中樁點(diǎn)的最大允許距離),d≤ε(ε滿足斷面要求的允許偏離值),即為我們所需要的橫斷面點(diǎn),直接用橫斷面記錄手簿記錄該點(diǎn)。

測量方法也是多樣化的,除上述主要的測量方法外,還設(shè)計(jì)有對邊測量功能(射線式對邊測量),首先對中心點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))即路線中樁進(jìn)行測量,然后對路線兩側(cè)的碎部點(diǎn)測量,得到中心點(diǎn)至各端點(diǎn)的水平距離、高差等。道路縱橫斷面測量,主要使用全站儀實(shí)測法。GPS—RTK測量法主要適用于地形起伏較大、地表疏松、高程精度要求不太高(允許 3cm誤差)的測區(qū)和地形條件十分復(fù)雜、不宜架設(shè)儀器的測區(qū)。

本系統(tǒng)的外業(yè)是基于 PDA的全站儀快速橫斷面測量,其數(shù)據(jù)采集界面如圖 1。

2 無中樁“四組合一”作業(yè)

“四組合一”即是將增補(bǔ)、加密控制點(diǎn)組、中樁組、中平組、橫斷面組四組合一。這樣能夠最大限度的提高工作效率,大量減少工作人員和儀器,解決了以往中樁組等待增補(bǔ)、加密控制點(diǎn)組,中平組等中樁組,橫斷面組等中樁組、中平組的缺陷和弊病。而且我們還設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行步步可靠性效核,使測量不僅快,而且滿足要求。無中樁即是指突破了以往的先放樣出中樁,再進(jìn)行橫斷面測量,橫斷面測量和中樁可同時進(jìn)行,可以任意設(shè)站測量橫斷面。而且有強(qiáng)大的測量數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可靠性效核。

圖1 數(shù)據(jù)采集界面

3 高機(jī)動性測站設(shè)置

在進(jìn)行具體的橫斷面測量時,由于通視條件復(fù)雜,需要有十分靈活的設(shè)站功能?？紤]到這一需要,系統(tǒng)加強(qiáng)了測站設(shè)置功能。設(shè)站方法包括直接使用路線 3D控制點(diǎn),3D自由支導(dǎo)線設(shè)站方法,3D后交設(shè)站方法,以及直接使用便于架設(shè)儀器的中樁點(diǎn)作為測站點(diǎn)。后視點(diǎn)的選擇亦很靈活,可使用路線控制點(diǎn)、中樁點(diǎn)、交點(diǎn)等,同時應(yīng)具有后視點(diǎn)的自動識別功能。高機(jī)動性能設(shè)站分為四個部分:已知控制點(diǎn)設(shè)站,即把所有已知 3D控制點(diǎn)在作業(yè)前自動輸入 PDA計(jì)算機(jī)。當(dāng)測站、后視點(diǎn)為已知控制點(diǎn)時,測站和后視點(diǎn)坐標(biāo)可直接進(jìn)入工作;3D自由支導(dǎo)線設(shè)站;3D后交設(shè)站;后視點(diǎn)自動識別,即測站點(diǎn)設(shè)置完成后,我們首先自動測定后視點(diǎn)的水平距離,測站設(shè)置程序能夠自動對這個距離進(jìn)行對比、查找,然后自動顯示后視點(diǎn)的點(diǎn)號、距離和方位,非常方便。因此測站儀器架設(shè)位置靈活,不受限制,可將其架設(shè)于最佳的觀測地點(diǎn)。

4 測站校核

建站時應(yīng)進(jìn)行測站校核,在橫斷面測量過程中,也應(yīng)定期進(jìn)行測站校核,以防止從數(shù)據(jù)錄入、控制點(diǎn)尋找到儀器碰動等環(huán)節(jié)未發(fā)現(xiàn)的粗差和其它一些誤差。進(jìn)行全站儀橫斷面測量的測站數(shù)據(jù)的可靠校核包括相鄰點(diǎn)效核、控制點(diǎn)效核、邊長效核、角度效核等。為了提高測站的可靠性,測量系統(tǒng)必須得包括已知控制點(diǎn)為測站的校核;3D自由支點(diǎn)法設(shè)站的校核;3D后方交會法設(shè)站的校核功能。

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5 橫斷面方向的自動確定

在進(jìn)行橫斷面測量時,我們首先要確定的是橫斷面方向,如何確定?我們采取的是橫斷面方向判斷的程序化。道路線形經(jīng)常遇到直線、圓曲線、緩和曲線三種情形,這三種線形的橫斷面方程的求取比較簡單,我們按橫斷面方程便可以設(shè)計(jì)出如何判斷斷面點(diǎn)是否在橫斷面上的程序。對于一些特殊線形,我們從曲線元的曲率變化出發(fā),來推導(dǎo)適用于各種曲線線形的中樁坐標(biāo)的通用數(shù)學(xué)模型,從而得出適用于各種線形的通用橫斷面的方程。橫斷面的方向確定后,以立鏡點(diǎn)到橫斷面方程的距離是否小于滿足斷面要求的允許偏離值來判斷該立鏡點(diǎn)是否是我們所需要的橫斷面點(diǎn)。

6 同一橫斷面任意順序測量

在具體測量過程中,為了提高工作效率,我們還設(shè)計(jì)有能夠支持同一橫斷面上以任意順序測量的斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)的程序。因此,在具體操作過程中我們在測量同一橫斷面時可以不按斷面點(diǎn)到中樁點(diǎn)的距離大小順序進(jìn)行測量,我們只需要將測量完的數(shù)據(jù)輸入到我們的系統(tǒng)中自動計(jì)算橫斷面點(diǎn)到中樁點(diǎn)的距離,自動排序(排序是按照橫斷面點(diǎn)到中樁點(diǎn)的距離左負(fù)右正由小到大的原則進(jìn)行),自動形成我們需要的橫斷面數(shù)據(jù)文件,如表1格式的橫斷面數(shù)據(jù)文件。

7 不同橫斷面任意順序測量

在實(shí)際的測量工作中,我們考慮到若能在一個站點(diǎn)上同時測量多個橫斷面,并且測量順序可以任意;或者由于地形原因,在某些測站點(diǎn)上觀測到若干橫斷面的部分橫斷面點(diǎn),而在其他一些測站點(diǎn)上觀測到上述若干橫斷面的剩余橫斷面點(diǎn),不必單測量一個橫斷面就架設(shè)多次儀器,而是在一個測站上測量完它所能測量的點(diǎn),這樣可以減少我們的設(shè)站數(shù),減少很多煩瑣重復(fù)的功能,大大提高測量效率,是系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。因此,我們將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能夠支持將這些雜亂的橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化的分配和排序功能。首先按中樁排序,同一中樁下再按平距排序。

舉例:下面是在站點(diǎn) CZ13測得的中樁號為 1100(1429.490,4775.255,8.02)和1120(1431.894,4795.110,9.20)的橫斷面數(shù)據(jù),由于各種原因,為了加快測量速度,兩個橫斷面點(diǎn)是以任意順序測量的,測量的原始數(shù)據(jù)見表2。

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經(jīng)過我們 CSSS3.0系統(tǒng)處理后,自動形成的橫斷面數(shù)據(jù)文件如表3和表4。

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8 快速確定線路加樁

在線路測設(shè)過程中,對重要的位置需設(shè)置加樁。加樁一般分為兩種,已知里程的加樁和已知位置的加樁。對已知位置的加樁,傳統(tǒng)的方法采用逐步趨近法,先估計(jì)加樁點(diǎn)的里程,然后用極坐標(biāo)法把估計(jì)里程的點(diǎn)放到地面上,再與實(shí)際相比較,修改估計(jì)的里程,這樣反復(fù)多次直到與實(shí)際相符。這種方法速度非常的慢,盲目性大,對于一些需精確確定的加樁產(chǎn)生的誤差較大。為了提高效率,全站儀快速橫斷面測量系統(tǒng)將加強(qiáng)這方面的功能,能夠自動幫助我們找到加樁點(diǎn)的位置。對于第一種加樁,只需要通過已知的里程和相應(yīng)的公式計(jì)算出加樁點(diǎn)的坐標(biāo)。對于后一種加樁,先判斷它位于哪兩個路線主點(diǎn)之間,然后用逐步趨近法搜索該加樁點(diǎn)所對應(yīng)的中線點(diǎn)里程,即可得出該加樁點(diǎn)的里程和坐標(biāo)及距路線中線的距離,上述判斷和搜索過程均用程序?qū)崿F(xiàn),簡便快速。

9 結(jié)束語

程序每一部分功能完成后,及時在外業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行測試,而且在按照規(guī)范操作的基礎(chǔ)上,盡量以方便外業(yè)為主。全站儀快速橫斷面測量系統(tǒng),在按照常規(guī)方法進(jìn)行橫斷面測量的同時,加強(qiáng)了其測量過程中可能遇到的多種困難的測量功能。高機(jī)動性能的設(shè)站,橫斷面方向判斷的程序化,同一橫斷面任意順序測量,不同橫斷面任意順序測量,快速確定任意線路加樁等,這些都能大大提高測量山區(qū)高速公路的橫斷面測量效率,減少人力物力財力,減少勞動強(qiáng)度,具有廣闊的應(yīng)用前景。并且還首度提出無中樁“四組合一”作業(yè)法,同一橫斷面任意順序測量,不同橫斷面任意順序測量等,將會給橫斷面的測量帶來全新的體檢,同時也為研究帶來很大的啟發(fā)性。在以后的工作中,我們還將實(shí)踐與理論進(jìn)一步結(jié)合,改進(jìn)我們的系統(tǒng),使全站儀快速橫斷面測量系統(tǒng)更加人性化。

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