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    結(jié)合智能全站儀的高速鐵路CPⅢ自動學習方法

    2018-05-04 07:02:06陳澤遠
    測繪通報 2018年4期
    關(guān)鍵詞:測站全站儀控制點

    陳澤遠

    (中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

    高速鐵路CPⅢ平面控制網(wǎng)是軌道控制網(wǎng),為軌道鋪設(shè)和運營維護提供基準數(shù)據(jù)[1]。高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)對CPⅢ平面控制網(wǎng)的精度要求非常高,為確保測量精度,CPⅢ控制網(wǎng)通常采用全圓方向觀測法按自由測站方式進行觀測,每個CPⅢ測站需觀測前后各3對共12個控制點。然而高速鐵路沿線的CPⅢ控制點非常密集,通常每1千米就有30多個控制點,使用測量機器人進行水平方向觀測時應(yīng)首先通過人工瞄準方式對12個CPⅢ目標控制點進行學習,記錄每個CPⅢ目標控制點的角度值和距離值,通過人工方式尋找CPⅢ目標控制點進行學習時需耗費大量的時間。

    按照CPⅢ布網(wǎng)和測量原理,每兩個測站之間有8個CPⅢ目標點為公共點;而按照平面坐標轉(zhuǎn)換原理,通過2個公共CPⅢ點可以建立兩個測站之間的平面轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此,尋找一種有效的計算方法,建立兩個測站之間的關(guān)系,實現(xiàn)僅通過人工學習2個公共CPⅢ點計算出其余6個公共點的角度和距離值,能夠減少大量的人工勞動,提高測量效率。本文通過平面坐標轉(zhuǎn)換[2]、三角高程測量方式實現(xiàn)高速鐵路CPⅢ平面控制網(wǎng)測量中公共目標點的自動學習。

    1 CPⅢ平面控制網(wǎng)

    CPⅢ平面控制網(wǎng)是沿鐵路軌道布設(shè)的為軌道鋪設(shè)和運營維護提供基準數(shù)據(jù)的控制網(wǎng),附合于高等級的CPⅠ、CPⅡ控制點上,一般在線下工程施工完成,并通過沉降變形評估之后布設(shè)和實施。CPⅢ平面控制網(wǎng)如圖1所示,圖中CPⅢ點對稱分布于線路兩側(cè),沿線每隔50~60 m布設(shè)一對控制點,點對之間的距離約為10~20 m,通常采用自由測站邊角交會法實施[3-4],圖中實心點為自由測站,兩個測站的距離為120 m,空心點為CPⅢ點,每個測站觀測前后各3對控制點的水平角度和水平距離。

    2 公共目標點角度的計算原理

    2.1 公共目標點水平角的計算

    CPⅢ平面控制網(wǎng)的測量通常是沿線路方向由小里程向大里程逐步推進觀測,兩相鄰測站的公共CPⅢ點如圖2所示,假設(shè)當前測站編號為B,前一測站的編號為A,測站A觀測編號1~12的CPⅢ點后遷站于B,測站B觀測編號5~16的CPⅢ點,兩個測站共有4對(8個)公共目標點,編號為5~12。

    圖1 CPⅢ平面控制網(wǎng)

    圖2 兩相鄰測站的公共CPⅢ點

    由于兩個測站存在8個公共點,可以為兩個測站分別建立獨立測站坐標系,然后通過平面坐標轉(zhuǎn)換建立兩個獨立測站坐標系的聯(lián)系,將測站A測量的8個公共CPⅢ點坐標轉(zhuǎn)換到測站B的獨立坐標系中。因此,測站B在進行CPⅢ點學習時,可以只學習任意2個公共CPⅢ點,然后通過平面坐標轉(zhuǎn)換建立測站A和B的轉(zhuǎn)換關(guān)系,其余6個公共點可通過坐標轉(zhuǎn)換計算出B坐標系的坐標,從而反算出水平角度。

    測站A測量完成后,以A點為原點(XA=0,YA=0),假定該坐標系中各個CPⅢ點的觀測水平角與A點到各個點的方位角相等來確定X軸,Y軸與X軸垂直,建立測站獨立坐標系,記為A坐標系,根據(jù)方位角和水平距離按照下式[5]計算

    (1)

    式中,DAi為測站A到CPⅢ點的水平距離;αAi為測站A到CPⅢ點的方位角。可以計算出各個CPⅢ點的獨立坐標,圖3給出了A坐標系的一個示意圖。

    測站B在進行CPⅢ點的學習時,可以從5~12號點中任意選擇2個進行觀測,假設(shè)在B站觀測了7、8兩個CPⅢ點,那么就可以將B點作為坐標原點(XB=0,YB=0),7和8兩個CPⅢ點的觀測水平角與方位角相等來確定X軸,Y軸與X軸垂直,建立B測站的獨立坐標系,記為B坐標系,公式如下

    (2)

    式中,DBi為測站B到CPⅢ點的水平距離;αBi為測站B到CPⅢ點的方位角??捎嬎愠?、8兩個點在B坐標系中的坐標,圖4 給出了A坐標系和B坐標系的關(guān)系。

    圖3 A坐標系

    圖4 A坐標系和B坐標系的關(guān)系

    (3)

    多次迭代可計算出A、B坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù),包括2個坐標平移參數(shù)和1個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

    最后通過3個轉(zhuǎn)換參數(shù)按照式(3)可計算出其余6個公共CPⅢ點在B坐標系中的坐標,按照坐標反算公式

    (4)

    計算出B點到其余6個公共CPⅢ點的水平角度值。

    2.2 公共目標點垂直角的計算

    相鄰兩測站公共CPⅢ點的垂直角可以使用全站儀三角高程測量的原理計算,按照上節(jié)所述,在測站A中,按照式(5)可計算出8個公共CPⅢ點的高程。

    Hi=HA+DAi·tanβAi+tB-vi

    (5)

    式中,βAi為測站A到CPⅢ點的垂直角度;tA為測站A的儀器高;vi為目標點的棱鏡高。

    在測站B中,要計算測站B至其余6個公共CPⅢ點的垂直角,但此時測站B的高程未知,因此首先應(yīng)該計算B點的高程,按照三角高程測量原理[7],測站B的高程為

    HB=Hi-DBi·tanβBi-tB+vi

    (6)

    將測站B至7號點的水平距離、垂直角度和7號高程代入式(6)中,可得測站B的高程值。變換式(6)得

    βBi=arctan((Hi-HB-tB+vi)/DBi)

    (7)

    將B點高程HB和其余6個公共CPⅢ點的高程Hi分別代入式(7)中即可求得測站至各點的垂直角度值。

    3 自動學習的CPⅢ數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

    3.1 智能全站儀開發(fā)方式

    本文基于TS30智能全站儀平臺設(shè)計并開發(fā)了CPⅢ數(shù)據(jù)采集軟件[8-11],該儀器的標稱測角精度為0.5″,帶ATR自動照準功能,被廣泛應(yīng)用于高速鐵路CPⅡ和CPⅢ平面控制網(wǎng)的測量中,其測距精度可達到0.6 mm+1×10-6D。

    該儀器提供了GeoCOM接口開發(fā)方式,它是基于遠程過程調(diào)用(RPC)協(xié)議而建立的點對點通信協(xié)議。GeoCOM采用請求-響應(yīng)模式,客戶端向儀器發(fā)出請求后只有等到返回結(jié)果才能進行下一次操作。GeoCOM有3種開發(fā)方式[12-13]:ASCII協(xié)議方式、C/C++函數(shù)方式、VBA函數(shù)方式。本文采用ASCII協(xié)議方式進行二次開發(fā),ASCII協(xié)議方式的語法格式為

    ASCII協(xié)議請求語法:[]%R1Q,[,]:[][,,…]

    式中,:可選項,初始化行前導,用以清除接收緩存中的數(shù)據(jù);%R1Q:GeoCOM請求類型1;:RPC標識碼,范圍0~65 535;:可選項,事務(wù)的ID;[][,,…]:可選項,請求參數(shù);:命令行結(jié)束符,通常為回車換行,可在儀器中設(shè)置。

    ASCII協(xié)議響應(yīng)語法:%R1P,[,]:[,,,…]

    式中,%R1P:GeoCOM響應(yīng)類型1;:GeoCOM返回碼,返回0表示通信執(zhí)行成功;:可選項,事務(wù)的ID;:RPC的返回結(jié)果,0表示操作執(zhí)行成功;[][,,…]:可選項,請求參數(shù);:命令行結(jié)束符,通常為回車換行,可在儀器中設(shè)置。

    ASCII協(xié)議方式具有以下優(yōu)點:

    (1) 平臺、語言獨立性強,完全不依賴于某種特定語言,使用當前主流語言如Java、C/C++、C#等均能進行開發(fā)。

    (2) 每個命令和返回結(jié)果都是由簡單的ASCII碼組成的,易于理解,請求行和響應(yīng)行傳輸速度快。

    (3) 語法簡單,使用方便。

    3.2 CPⅢ點自動學習編程實現(xiàn)

    相鄰測站公共CPⅢ點自動學習是本文要解決的主要問題,采用C#語言,使用Visual Studio 2008開發(fā)了基于Windows Mobile 6.0操作系統(tǒng)的CPⅢ數(shù)據(jù)采集軟件[14-16],軟件實現(xiàn)了項目管理、CPⅢ點學習、CPⅢ點精密測量等功能。圖5為公共CPⅢ點自動學習的部分源代碼。

    4 工程應(yīng)用

    本文使用編寫的CPⅢ數(shù)據(jù)采集軟件在西成客專進行了數(shù)據(jù)采集,實測32測站,共383個CPⅢ控制點,公共點CPⅢ控制點248個,其中有186個點通過自動學習方式計算。為驗證本文所述方法的精度,在測量中記錄了軟件計算的學習角度和使用ATR精確照準后的測量角度,通過對學習角度值和精確測量角度值的對比,統(tǒng)計了本文方法的精度,結(jié)果見表1,水平角和垂直角的差值統(tǒng)計如圖6所示。

    表1 學習角度與精確測量角度差值統(tǒng)計

    圖5 CPⅢ點自動學習部分源代碼

    由表1可以看出,利用本文方法計算的公共CPⅢ點角度值與精確測量角度值的差值主要分布于1″~3″的區(qū)間內(nèi),最大不超過4″,實際測量時,配合全站儀的ATR自動照準功能能夠根據(jù)設(shè)置的搜索范圍精確找到CPⅢ目標點。

    5 結(jié) 語

    本文分析了CPⅢ平面控制網(wǎng)的布網(wǎng)方案和測量方式,提出了基于平面坐標轉(zhuǎn)換和三角高程測量原理利用相鄰兩個測站的2個公共點自動計算其余6個公共點的水平角度和垂直角度的方法,并基于智能全站儀使用GeoCOM方式開發(fā)了CPⅢ數(shù)據(jù)采集軟件。應(yīng)用該方法的算例表明,該方法可以有效計算公共CPⅢ點的角度值,配合帶有ATR自動照準功能的高精度全站儀能夠準確定位公共CPⅢ點,省略了大量外業(yè)工作,提高了外業(yè)數(shù)據(jù)的采集效率。

    圖6 計算值與精確測量值差值的統(tǒng)計

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