新建鐵路航測橫斷面的獲取方法與精度控制

姚正國

1 現狀分析

目前,新建鐵路橫斷面的測繪完全由野外實測,勞動強度大,工作效率低,成本高。特別在險峻山區,由于施測難度大,直接影響勘測設計的進度。這越來越不適應現代工程建設的需求。特別受野外環境的影響,直接影響勘測設計的進度。

航測法采集線路橫斷面可以大大減少野外勘測工作量;可以不受時間、氣候、環境等條件限制,特別在海外項目、熱帶叢林地區、高山險峻地區等困難地區,把人力從外業工作中解放出來;可以充分發揮現有航測設備的功能,拓寬航測應用領域;可以充分利用現有測制1∶2 000地形圖的航攝資料和控制成果,減少工作量,降低成本;采集成果數字化,有利于全面實現“勘測設計一體化”。

航空攝影測量技術的發展,特別是數字攝影測量技術的應用、外業控制測量和空中三角測量的可靠性及精度的提高,使數字攝影測量技術在采集線路橫斷面中的應用成為可能。因此,在線路中線設計好的前提下,使用航測儀器在室內采集線路的橫斷面,并將成果應用于路基、橋涵、隧道等工程設計專業,這將是數字攝影測量在鐵路勘察設計中深入應用的又一個新的切入點。

2 JX-4C斷面采集方案的確定

2.1 專用斷面采集模塊(方案一)

JX-4C數字攝影測量工作站針對鐵路、公路領域的應用設計了專用的斷面采集模塊。該模塊依據線路曲線參數方程,準確無誤地繪出設計線路的中線。

以曲線長l為參數的緩和曲線上任一點的坐標,可由定積分求得:

以li為參數的圓曲線的參數方程為:

JX-4C將曲線參數設置在曲線要素文件中,包括:起點里程、各交點坐標、曲線半徑、緩和曲線長度,程序根據曲線要素文件中的參數,自動繪出線路中線。

當需要采集線路某里程處的橫斷面時,只需要輸入該點里程,程序即驅動立體模型到該點,并根據設定的交角鎖定立體模型僅在需要采集橫斷面的方向移動,如此反復,就可以進行線路橫斷面的數據采集。

采集過程中,為了提高數學精度,可以把立體模型放大一定的倍數。斷面數據采集完成后,可以根據需要輸出為多種不同的文本格式。針對該文件格式,用自編的程序把文本中的斷面數據展繪成直觀的斷面圖形,保存為AutoCAD或其他繪圖文件格式,以進行不同需要的數據處理,提供給設計專業使用。

該方案需要把曲線參數編入曲線要素文件中。曲線要素存放在設計專業提供的中線線條及水平單數據中,因此需要數據采集作業員從中分析、提取需要的曲線數據,然后編制曲線要素文件。由于需要采集的橫斷面數量較多,分析初始數據的工作量較大,且容易出現錯誤,效率較低,實踐證明該方案實用性不高。

2.2 非專用斷面采集模塊(方案二)

隨著軟件功能的不斷完善,JX-4C數字攝影測量工作站還提供了一個自動安置手輪運動角度的功能。在向量測圖模塊下用鼠標拾取需要采集的橫斷面的線條,系統自動計算該斷面的角度并將該角度自動安置,使X,Y手輪中的一個按該角度運動,此時該手輪運動的方向就是斷面的方向,量測時只需要配合腳盤就可以進行橫斷面采集。該方案不需要復雜的曲線參數,只需要把設計專業提供的中線和橫斷面線條導入JX-4C系統中,即可方便地進行斷面的采集,實踐證明該方案簡單易行。

3 精度分析

3.1 攝影資料及掃描影像的質量

目前大多采用國際上先進的航攝相機如RC-30,RMK TOP等,攝影質量有了大幅提高,提高了成像清晰度。掃描儀使用國際上先進的 DSW600高精度掃描設備,其定位精度可達到1 μ m～2 μ m 。

3.2 外業控制點的精度

外業相片控制點在D級GPS控制網的基礎上采用GPS測量的方法進行外控點的平面和高程測量。

經過幾個測區的實踐,當像控點與最近參考站的距離一般不大于5 km時,像控點相對于四等GPS點的平面中誤差:σ=0.104 m;外控點對最近外業高程點的高程精度中誤差不大于0.1 m。

3.3 空中三角測量的精度

空中三角測量采用Helava全數字自動空中三角測量進行,采用嚴密的區域網平差算法,實際作業表明其加密精度還是比較高的。

3.4 采集精度

我們使用JX-4C數字攝影測量工作站進行橫斷面的數據采集。直接導入Helava的空三加密成果,無需再次進行人工量測定向,因此不會帶來定向的度損失。在立體觀測時,安排經驗豐富的作業員進行數據采集,盡量減小人工量測誤差。

4 質量控制措施

1)進行空三加密時,將GPS點、水準點等作為控制點一起進行平差計算,提高加密精度。還可以在提供中樁點成果后,進行二次加密,進一步提高加密精度。2)檢查定向殘差,減小跨平臺誤差。將Helava空三成果導入JX-4C系統后,檢查每個定向點是否切準立體,檢查定向殘差是否滿足精度要求,對超限者要查明原因由主管人員處理并記錄。如由上工序引起需返回上工序檢查并修改,重新提交加密成果。3)讀取中樁點高程,消除系統差。在向量測圖模塊下,立體讀取每個像對中樁點高程,與外業實測中樁高程比較,記錄殘差,分析殘差是否具有系統差特征。如果有系統差,通過人為差改正的方法消除,將立體模型的高程面調整到與外業實測高程面一致。如果分析結果表明殘差沒有規律性,需將定向點的殘差加入一起分析,并對可能影響中樁高程的定向點進行檢查和修測。4)立體放大采集,提高觀測精度。由于我們直接使用制作1∶2 000鐵路航測圖的航片采集橫斷面,其攝影比例尺為1/8 000～1/10 000,這種比例尺的航片直接采集橫斷面,觀測細微地貌會有些困難,可以采取將立體放大一倍或兩倍的辦法采集,以提高人的觀測精度,從而保證橫斷面的精度。5)樹木遮擋區域的處理。a.部分地段樹木間隙分布,地面不是完全被遮擋,稍有經驗的作業員能夠準確判讀地面高度,進行比較精確的觀測,這種情況對觀測精度的影響不是很大。b.樹木茂密,地面完全被遮擋的地段,即使有經驗的作業員也無法精確判讀地面高度,我們將這些地段采集的斷面做好標記,提供給設計專業參考,如果不能滿足設計精度要求,可由外業補測解決。

5 結語

用航測方法測繪的線路橫斷面,絕大多數精度良好,基本滿足設計要求。但由于目前鐵路勘測項目設計周期都很短,難以選擇最有利的攝影季節和攝影時間,影響攝影質量,從而影響了航測橫斷面的精度;在樹木覆蓋等困難地區,地面高度難以判別,也對航測橫斷面的精度造成直接影響;目前航攝比例尺一般為1/8 000～1/10 000,在條件許可的情況下,可通過提高航攝比例尺來提高航測方法測繪橫斷面的精度,例如在平原地區可采用1/4 000～1/6 000甚至更大的航攝比例尺;今后可在西北地物覆蓋稀疏地區繼續進行航測橫斷面的嘗試,以進一步提高航測橫斷面的精度,為新建鐵路勘測設計服務。

[1]張祖勛,張劍清.數字攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社,1997.

[2]李清岳,陳永奇.工程測量學(修訂版)[M].北京:測繪出版社,1995.

[3]中國四維測繪技術北京公司.JX-4C數字攝影測量工作站操作手冊[Z].