李 敏

(四川大学锦城学院土建系,四川 成都 611731)

近年来随着计算机应用的普及,利用计算机软件来实现各种功能成为主流,国内外开始对各种横断面测量的方法进行研究,对测量数据的处理算法进行研究,对与后续CAD和各种道路设计软件的无缝连接进行研究。主要以数字地面模型为基础,利用计算机处理,由全站仪采集记录的地形原始数据,建立沿公路走向的带状三角网数字地面模型,为公路路线设计提供纵、横断面地面线数据,并自动绘制等高线地形图、路线平面图,形成从数据采集与处理,路线设计与计算,各种设计图表输出的设计一体化系统。如南方测绘公路放样智能全站仪 NTS-660,此系列拥有大量应用测量程序和公路测量软件,具有较强公路与建筑放样功能的全能全站仪系统,一定程度上提高了公路横断面测量效率。杰科系统在道路施工测量上的应用也为横断面测量提供了很多方便。但是在国内,一些先进的测设方法没有得到普及,现有勘测手段的某些方面技术上缺乏先进性,在使用新仪器新设备上缺乏灵活性,我国的多数公路纵、横断面测量中,对 GPSRTK和全站仪的运用主要还是使用其自身功能,以其为基础的测设软件研究工作还不足,因此外业采集的数据有时得不到及时处理,自动化、集成化、系统化程度还很低,使得整个横断面测量的工作效率没有提上去。虽然也出现了一些勘测设计一体化系统,但是这些系统主要还是在利用全站仪自身的功能,功能单一,针对性不强,只适用于常规条件下的测量,而对山区高速公路的各种复杂情况就束手无策。纵横断面测量在速度、成本、与计算机辅助设计的结合等方面还是不能令人满意或满足需要。测设周期长、成本高、与设计衔接不良等后果,将直接影响设计质量和施工质量。因此,需要我们进一步的研究,以最大限度地提高山区高速公路纵横断面测量的效率,满足生产实际需要。

全站仪快速横断面测量系统是指在图上设计完后,已知线性元素及中桩点情况下,进行的纵横断面测量。本文主要对无中桩“四组合一”作业法,高机动性测站设置,测站精度效核与自动报警功能,根据设计数据自由产生中桩点坐标和横断面线方程,自由顺序中桩测量、自由顺序横断面测量,自由(无空间和时间限制)在全线任意位置增加中桩和横断面测点,处理各种测量数据等进行研究。

1 横断面数据采集的基本原理

由于不容易保证立镜点为满足要求的断面点,因此要决定哪些点可用、哪些点不可用。我们采用比较法来解决这个问题,即计算立镜点到中桩的距离D和立镜点到法线的距离d,如果 D≤LK(LK为横断面点至中桩点的最大允许距离),d≤ε(ε满足断面要求的允许偏离值),即为我们所需要的横断面点,直接用横断面记录手簿记录该点。

测量方法也是多样化的,除上述主要的测量方法外,还设计有对边测量功能(射线式对边测量),首先对中心点(基准点)即路线中桩进行测量,然后对路线两侧的碎部点测量,得到中心点至各端点的水平距离、高差等。道路纵横断面测量,主要使用全站仪实测法。GPS—RTK测量法主要适用于地形起伏较大、地表疏松、高程精度要求不太高(允许 3cm误差)的测区和地形条件十分复杂、不宜架设仪器的测区。

本系统的外业是基于 PDA的全站仪快速横断面测量,其数据采集界面如图 1。

2 无中桩“四组合一”作业

“四组合一”即是将增补、加密控制点组、中桩组、中平组、横断面组四组合一。这样能够最大限度的提高工作效率,大量减少工作人员和仪器,解决了以往中桩组等待增补、加密控制点组,中平组等中桩组,横断面组等中桩组、中平组的缺陷和弊病。而且我们还设计软件进行步步可靠性效核,使测量不仅快,而且满足要求。无中桩即是指突破了以往的先放样出中桩,再进行横断面测量,横断面测量和中桩可同时进行,可以任意设站测量横断面。而且有强大的测量数据处理软件对数据进行处理和可靠性效核。

图1 数据采集界面

3 高机动性测站设置

在进行具体的横断面测量时,由于通视条件复杂,需要有十分灵活的设站功能。考虑到这一需要,系统加强了测站设置功能。设站方法包括直接使用路线 3D控制点,3D自由支导线设站方法,3D后交设站方法,以及直接使用便于架设仪器的中桩点作为测站点。后视点的选择亦很灵活,可使用路线控制点、中桩点、交点等,同时应具有后视点的自动识别功能。高机动性能设站分为四个部分:已知控制点设站,即把所有已知 3D控制点在作业前自动输入 PDA计算机。当测站、后视点为已知控制点时,测站和后视点坐标可直接进入工作;3D自由支导线设站;3D后交设站;后视点自动识别,即测站点设置完成后,我们首先自动测定后视点的水平距离,测站设置程序能够自动对这个距离进行对比、查找,然后自动显示后视点的点号、距离和方位,非常方便。因此测站仪器架设位置灵活,不受限制,可将其架设于最佳的观测地点。

4 测站校核

建站时应进行测站校核,在横断面测量过程中,也应定期进行测站校核,以防止从数据录入、控制点寻找到仪器碰动等环节未发现的粗差和其它一些误差。进行全站仪横断面测量的测站数据的可靠校核包括相邻点效核、控制点效核、边长效核、角度效核等。为了提高测站的可靠性,测量系统必须得包括已知控制点为测站的校核;3D自由支点法设站的校核;3D后方交会法设站的校核功能。

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5 横断面方向的自动确定

在进行横断面测量时,我们首先要确定的是横断面方向,如何确定?我们采取的是横断面方向判断的程序化。道路线形经常遇到直线、圆曲线、缓和曲线三种情形,这三种线形的横断面方程的求取比较简单,我们按横断面方程便可以设计出如何判断断面点是否在横断面上的程序。对于一些特殊线形,我们从曲线元的曲率变化出发,来推导适用于各种曲线线形的中桩坐标的通用数学模型,从而得出适用于各种线形的通用横断面的方程。横断面的方向确定后,以立镜点到横断面方程的距离是否小于满足断面要求的允许偏离值来判断该立镜点是否是我们所需要的横断面点。

6 同一横断面任意顺序测量

在具体测量过程中,为了提高工作效率,我们还设计有能够支持同一横断面上以任意顺序测量的断面点数据的程序。因此,在具体操作过程中我们在测量同一横断面时可以不按断面点到中桩点的距离大小顺序进行测量,我们只需要将测量完的数据输入到我们的系统中自动计算横断面点到中桩点的距离,自动排序(排序是按照横断面点到中桩点的距离左负右正由小到大的原则进行),自动形成我们需要的横断面数据文件,如表1格式的横断面数据文件。

7 不同横断面任意顺序测量

在实际的测量工作中,我们考虑到若能在一个站点上同时测量多个横断面,并且测量顺序可以任意;或者由于地形原因,在某些测站点上观测到若干横断面的部分横断面点,而在其他一些测站点上观测到上述若干横断面的剩余横断面点,不必单测量一个横断面就架设多次仪器,而是在一个测站上测量完它所能测量的点,这样可以减少我们的设站数,减少很多烦琐重复的功能,大大提高测量效率,是系统的创新点之一。因此,我们将系统设计为能够支持将这些杂乱的横断面数据进行自动化的分配和排序功能。首先按中桩排序,同一中桩下再按平距排序。

举例:下面是在站点 CZ13测得的中桩号为 1100(1429.490,4775.255,8.02)和1120(1431.894,4795.110,9.20)的横断面数据,由于各种原因,为了加快测量速度,两个横断面点是以任意顺序测量的,测量的原始数据见表2。

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经过我们 CSSS3.0系统处理后,自动形成的横断面数据文件如表3和表4。

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8 快速确定线路加桩

在线路测设过程中,对重要的位置需设置加桩。加桩一般分为两种,已知里程的加桩和已知位置的加桩。对已知位置的加桩,传统的方法采用逐步趋近法,先估计加桩点的里程,然后用极坐标法把估计里程的点放到地面上,再与实际相比较,修改估计的里程,这样反复多次直到与实际相符。这种方法速度非常的慢,盲目性大,对于一些需精确确定的加桩产生的误差较大。为了提高效率,全站仪快速横断面测量系统将加强这方面的功能,能够自动帮助我们找到加桩点的位置。对于第一种加桩,只需要通过已知的里程和相应的公式计算出加桩点的坐标。对于后一种加桩,先判断它位于哪两个路线主点之间,然后用逐步趋近法搜索该加桩点所对应的中线点里程,即可得出该加桩点的里程和坐标及距路线中线的距离,上述判断和搜索过程均用程序实现,简便快速。

9 结束语

程序每一部分功能完成后,及时在外业生产中进行测试,而且在按照规范操作的基础上,尽量以方便外业为主。全站仪快速横断面测量系统,在按照常规方法进行横断面测量的同时,加强了其测量过程中可能遇到的多种困难的测量功能。高机动性能的设站,横断面方向判断的程序化,同一横断面任意顺序测量,不同横断面任意顺序测量,快速确定任意线路加桩等,这些都能大大提高测量山区高速公路的横断面测量效率,减少人力物力财力,减少劳动强度,具有广阔的应用前景。并且还首度提出无中桩“四组合一”作业法,同一横断面任意顺序测量,不同横断面任意顺序测量等,将会给横断面的测量带来全新的体检,同时也为研究带来很大的启发性。在以后的工作中,我们还将实践与理论进一步结合,改进我们的系统,使全站仪快速横断面测量系统更加人性化。

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