全站儀單人路線(xiàn)快速測(cè)量系統(tǒng)研究

李 敏

(四川大學(xué)錦城學(xué)院土建系,四川 成都 611731)

近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及,利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能成為主流,國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)各種橫斷面測(cè)量的方法進(jìn)行研究,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理算法進(jìn)行研究,對(duì)與后續(xù)CAD和各種道路設(shè)計(jì)軟件的無(wú)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(xiàn)設(shè)計(jì)提供縱、橫斷面地面線(xiàn)數(shù)據(jù),并自動(dòng)繪制等高線(xiàn)地形圖、路線(xiàn)平面圖,形成從數(shù)據(jù)采集與處理,路線(xiàn)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(cè)繪公路放樣智能全站儀 NTS-660,此系列擁有大量應(yīng)用測(cè)量程序和公路測(cè)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(cè)量效率。杰科系統(tǒng)在道路施工測(cè)量上的應(yīng)用也為橫斷面測(cè)量提供了很多方便。但是在國(guó)內(nèi),一些先進(jìn)的測(cè)設(shè)方法沒(méi)有得到普及,現(xiàn)有勘測(cè)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(guó)的多數(shù)公路縱、橫斷面測(cè)量中,對(duì) 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(cè)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(shí)得不到及時(shí)處理,自動(dòng)化、集成化、系統(tǒng)化程度還很低,使得整個(gè)橫斷面測(cè)量的工作效率沒(méi)有提上去。雖然也出現(xiàn)了一些勘測(cè)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(duì)性不強(qiáng),只適用于常規(guī)條件下的測(cè)量,而對(duì)山區(qū)高速公路的各種復(fù)雜情況就束手無(wú)策?？v橫斷面測(cè)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(mǎn)意或滿(mǎn)足需要。測(cè)設(shè)周期長(zhǎng)、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(cè)量的效率,滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際需要。

全站儀快速橫斷面測(cè)量系統(tǒng)是指在圖上設(shè)計(jì)完后,已知線(xiàn)性元素及中樁點(diǎn)情況下,進(jìn)行的縱橫斷面測(cè)量。本文主要對(duì)無(wú)中樁“四組合一”作業(yè)法,高機(jī)動(dòng)性測(cè)站設(shè)置,測(cè)站精度效核與自動(dòng)報(bào)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(xiàn)方程,自由順序中樁測(cè)量、自由順序橫斷面測(cè)量,自由(無(wú)空間和時(shí)間限制)在全線(xiàn)任意位置增加中樁和橫斷面測(cè)點(diǎn),處理各種測(cè)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(mǎn)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,即計(jì)算立鏡點(diǎn)到中樁的距離D和立鏡點(diǎn)到法線(xiàn)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(mǎn)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(cè)量方法也是多樣化的,除上述主要的測(cè)量方法外,還設(shè)計(jì)有對(duì)邊測(cè)量功能(射線(xiàn)式對(duì)邊測(cè)量),首先對(duì)中心點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))即路線(xiàn)中樁進(jìn)行測(cè)量,然后對(duì)路線(xiàn)兩側(cè)的碎部點(diǎn)測(cè)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(cè)量,主要使用全站儀實(shí)測(cè)法。GPS—RTK測(cè)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(cè)區(qū)和地形條件十分復(fù)雜、不宜架設(shè)儀器的測(cè)區(qū)。

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

2 無(wú)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(cè)量不僅快,而且滿(mǎn)足要求。無(wú)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(cè)量,橫斷面測(cè)量和中樁可同時(shí)進(jìn)行,可以任意設(shè)站測(cè)量橫斷面。而且有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)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(dòng)性測(cè)站設(shè)置

在進(jìn)行具體的橫斷面測(cè)量時(shí),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(cè)站設(shè)置功能。設(shè)站方法包括直接使用路線(xiàn) 3D控制點(diǎn),3D自由支導(dǎo)線(xiàn)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(cè)站點(diǎn)。后視點(diǎn)的選擇亦很靈活,可使用路線(xiàn)控制點(diǎn)、中樁點(diǎn)、交點(diǎn)等,同時(shí)應(yīng)具有后視點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別功能。高機(jī)動(dòng)性能設(shè)站分為四個(gè)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(dòng)輸入 PDA計(jì)算機(jī)。當(dāng)測(cè)站、后視點(diǎn)為已知控制點(diǎn)時(shí),測(cè)站和后視點(diǎn)坐標(biāo)可直接進(jìn)入工作;3D自由支導(dǎo)線(xiàn)設(shè)站;3D后交設(shè)站;后視點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別,即測(cè)站點(diǎn)設(shè)置完成后,我們首先自動(dòng)測(cè)定后視點(diǎn)的水平距離,測(cè)站設(shè)置程序能夠自動(dòng)對(duì)這個(gè)距離進(jìn)行對(duì)比、查找,然后自動(dòng)顯示后視點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)、距離和方位,非常方便。因此測(cè)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(guān)測(cè)地點(diǎn)。

4 測(cè)站校核

建站時(shí)應(yīng)進(jìn)行測(cè)站校核,在橫斷面測(cè)量過(guò)程中,也應(yīng)定期進(jìn)行測(cè)站校核,以防止從數(shù)據(jù)錄入、控制點(diǎn)尋找到儀器碰動(dòng)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(cè)量的測(cè)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(zhǎng)效核、角度效核等。為了提高測(cè)站的可靠性,測(cè)量系統(tǒng)必須得包括已知控制點(diǎn)為測(cè)站的校核;3D自由支點(diǎn)法設(shè)站的校核;3D后方交會(huì)法設(shè)站的校核功能。

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5 橫斷面方向的自動(dòng)確定

在進(jìn)行橫斷面測(cè)量時(shí),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(xiàn)形經(jīng)常遇到直線(xiàn)、圓曲線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)三種情形,這三種線(xiàn)形的橫斷面方程的求取比較簡(jiǎn)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(duì)于一些特殊線(xiàn)形,我們從曲線(xiàn)元的曲率變化出發(fā),來(lái)推導(dǎo)適用于各種曲線(xiàn)線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)足斷面要求的允許偏離值來(lái)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(cè)量

在具體測(cè)量過(guò)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(cè)量的斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)的程序。因此,在具體操作過(guò)程中我們?cè)跍y(cè)量同一橫斷面時(shí)可以不按斷面點(diǎn)到中樁點(diǎn)的距離大小順序進(jìn)行測(cè)量,我們只需要將測(cè)量完的數(shù)據(jù)輸入到我們的系統(tǒng)中自動(dòng)計(jì)算橫斷面點(diǎn)到中樁點(diǎn)的距離,自動(dòng)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(dòng)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(cè)量

在實(shí)際的測(cè)量工作中,我們考慮到若能在一個(gè)站點(diǎn)上同時(shí)測(cè)量多個(gè)橫斷面,并且測(cè)量順序可以任意;或者由于地形原因,在某些測(cè)站點(diǎn)上觀(guān)測(cè)到若干橫斷面的部分橫斷面點(diǎn),而在其他一些測(cè)站點(diǎn)上觀(guān)測(cè)到上述若干橫斷面的剩余橫斷面點(diǎn),不必單測(cè)量一個(gè)橫斷面就架設(shè)多次儀器,而是在一個(gè)測(cè)站上測(cè)量完它所能測(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)得的中樁號(hào)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(cè)量速度,兩個(gè)橫斷面點(diǎn)是以任意順序測(cè)量的,測(cè)量的原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

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經(jīng)過(guò)我們 CSSS3.0系統(tǒng)處理后,自動(dòng)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(xiàn)路加樁

在線(xiàn)路測(cè)設(shè)過(guò)程中,對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量系統(tǒng)將加強(qiáng)這方面的功能,能夠自動(dòng)幫助我們找到加樁點(diǎn)的位置。對(duì)于第一種加樁,只需要通過(guò)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(duì)于后一種加樁,先判斷它位于哪兩個(gè)路線(xiàn)主點(diǎn)之間,然后用逐步趨近法搜索該加樁點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的中線(xiàn)點(diǎn)里程,即可得出該加樁點(diǎn)的里程和坐標(biāo)及距路線(xiàn)中線(xiàn)的距離,上述判斷和搜索過(guò)程均用程序?qū)崿F(xiàn),簡(jiǎn)便快速。

9 結(jié)束語(yǔ)

程序每一部分功能完成后,及時(shí)在外業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行測(cè)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(cè)量系統(tǒng),在按照常規(guī)方法進(jìn)行橫斷面測(cè)量的同時(shí),加強(qiáng)了其測(cè)量過(guò)程中可能遇到的多種困難的測(cè)量功能。高機(jī)動(dòng)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(cè)量,不同橫斷面任意順序測(cè)量,快速確定任意線(xiàn)路加樁等,這些都能大大提高測(cè)量山區(qū)高速公路的橫斷面測(cè)量效率,減少人力物力財(cái)力,減少勞動(dòng)強(qiáng)度,具有廣闊的應(yīng)用前景。并且還首度提出無(wú)中樁“四組合一”作業(yè)法,同一橫斷面任意順序測(cè)量,不同橫斷面任意順序測(cè)量等,將會(huì)給橫斷面的測(cè)量帶來(lái)全新的體檢,同時(shí)也為研究帶來(lái)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(cè)量系統(tǒng)更加人性化。

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