鐵路工程測量方法與實施步驟研究

封欽

摘 要:本文基于筆者多年從事鐵路工程測量的相關工作經驗,以GPS RTK技術在鐵路線路測量中的應用為研究背景,深度探討了GPS RTK技術用于鐵路工程測量的必要性、作業流程和優點,論文結合筆者參與的具體工程實例進行了剖析,給出了具體的操作流程,全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華,相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:GPS RTK線路測量定線測量斷面測量定位測量

中圖分類號:TB22 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(b)-0036-02

在鐵路工程測量中,常規地面測繪技術主要利用電子全站儀、水準儀等地面測量儀器,配合其他測量工具(如皮尺、塔尺等)進行。這種測量模式存在著作業人員和儀器設備多、野外工作量大、工作效率低、測量誤差累積、現場測量成果不直觀、自動化程度較低等諸多缺點。這些問題在工程測區內的通行、通視條件差時更顯突出。相比之下,近年來出現的GPS-RTK定位技術具有實時、快速、精度好、所需控制點少、外業工作量小、自動化程度高等優點,從而能有效地克服常規地面測量技術不能很好解決的通行、通視等困難。顯然,RTK技術為鐵路工程測量開辟了一種全新的、高效的測量模式。本文結合某鐵路工程測量實踐,闡述了GPS-RTK技術應用于工程測量中的原理、作業流程和技術要點,通過試驗分析,總結出了具體應用中應注意的主要問題,對類似工程具有一定的參考價值。

1RTK定位原理、方法及作業流程

1.1 GPS-RTK技術的工作原理

GPS-RTK是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術,它能夠實時地提供觀測點在指定坐標系中的三維定位結果,并達到厘米級精度。GPS-RTK定位由基準站和流動站兩部分組成。基準站一般選設在視野開闊、地勢較高的高等級已知控制點上,它主要是對GPS衛星進行連續跟蹤觀測,并通過數據鏈實時地將載波觀測數據及基準站信息發送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據,還要采集GPS觀測數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理,同時給出厘米級定位結果。

1.2 GPS-RTK定位的作業流程

作業流程如圖1所示。

(1)基準站的設置。根據工程需要在當地收集高等級已知控制點,并對收集到的控制點進行必要的檢測,以保證起算數據準確可靠。多數情況下,收集的已知控制點不便于工程直接使用,此時要在測區內布設若干控制點,聯測坐標與高程。RTK定位測量時,在選定的基準站上安置接收機,正確配置參數。(2)坐標系統轉換。一般工程項目的建設都是在地方獨立坐標系中進行,因此需要計算坐標轉換參數。利用控制點(至少三個)進行RTK參數修正(必須解得七參數),求出坐標轉換參數后,利用測量控制器即可實時解算出定位點的工程獨立坐標。3)流動站測量定位。坐標轉換參數確定無誤后,即可在測區根據工程需要進行相關的測量定位放樣和測繪工作。

1.3 GPS-RTK測量技術的主要優點

(1)可大幅度地減少控制測量的工作量。在常規地面測量中,一般按“先控制,后碎部”的原則,首先逐級布設測區控制網,然后再利用控制點進行碎部測量。而GPS-RTK技術則可免除繁瑣復雜的分級控制測量工作,只需在測區布設少量控制點以建立基準站即可滿足需要。(2)可全天候作業。在任何時間任何地點,只要能同時接收到4顆GPS衛星的信號,并滿足一定的幾何圖形條件,即能進行正常作業。(3)可根據要求精度來設置。實踐表明:當觀測條件良好時,采用性能良好的雙頻接收機觀測2s～5s即可得到厘米級的定位結果,并且測量誤差不會逐點積累,能顯著降低外業返工率。(4)測量過程直觀。采用RTK進行測量定位放樣時,利用流動站接收機的測量控制器能直觀地對測量過程進行有效控制,能及時查看坐標定位精度,這是常規測量技術無法實現的。(5)在地形起伏大、植被茂密的地區進行測量時,RTK技術能很好地解決測量過程中因通行、通視不便而造成的難題。

2工程概況

某12km鐵路工程項目穿過一省級森林公園,沿線地形復雜、山體高差較大(最大值達400m)、植被茂密、荊棘叢生。該鐵路工程由隧道、橋梁、路基等分項工程組成,其中隧道11座,共長12901m(左、右線合計);特大、大、中橋13座,共長7359m(左、右線合計),匝道橋長5030m;橋、遂連接路線長約1500m。工程所處的特殊地理地形條件和工程自身的復雜性,對工程測量工作提出了很高的要求,同時,項目工期要求十分緊迫,又進一步加大了測量工作的難度。

3測量方法與步驟

3.1 基準站設置

由于收集到的已知控制點距線路較遠,因此在線路附近按規范要求布測了15個平面兼高程控制點,用作GPS基準站。平面控制網按C級GPS靜態相對測量精度施測,并按三等精度聯測水準高程。相鄰控制點平均間距大約為1km,最大間距為3km左右。

3.2 坐標轉換參數的確定

由于本項目所在區域地理環境的特殊性,采用常規測量方法很難在短時間內完成如此大工作量的測量工作,因此必須應用先進的GPS-RTK技術。使用的儀器為Trimble 5700型GPS接收機,轉換參數的確定有兩種方法。

(1)利用RTK設備中測量控制器在現場進行測算,首先從平面控制點中選擇至少三個點(三個點均要有高程),將其準確的當地坐標輸人控制器中,然后在現場進行逐點定位測量,觀測時間不少于5min,當三個點測量完成后,既可利用測量控制器中的自帶軟件計算出坐標轉換參數。通過實踐證明這種方法在現場花費時間較多,并不實用。(2)利用步驟1中得到的各個控制點的大地經緯度和測算出的當地坐標,在內業中計算得到坐標轉換參數,直接將參數輸人測量控制器。實踐證明,這種方法算得的參數準確、花費時間較少。

得到參數后,在現場對控制點進行檢核測量,每個檢查點上觀測3s。將GPS靜態觀測成果與RTK觀測成果進行對比,對比結果見表1。

由表1可得知,RTK定位成果能滿足鐵路工程中一般測量工作的精度需要。

3.3 分項測量

(1)普通控制測量。在收集的已知點或利用相對靜態技術加密的GPS控制點上,采用RTK技術連續觀測3min～5min加密測設部分控制點,滿足局部區域使用全站儀進行分項工程測量的需要。

(2)定線放樣。預先在測量控制器中輸人線路中線的曲線要素,即可自動生成線路圖。在整個放線過程中,控制器實時顯示測點里程和偏移距,從而指導線路放線工作。

(3)地形測繪。利用RTK進行沿線及各工點局部地形測繪,因為一臺基準站可以同時供多個流動站使用,因此外業測量中可以分若干小組同時開展工作,能顯著提高測圖效率。采用這種技術可獨立地完成絕大部分的地形測繪工作,當測點位于高山密林且地勢特別低洼處時,GPS信號嚴重受阻,則可采用RTK與全站儀相結合的方法測繪局部地形,即利用RTK技術測設必要的圖根點,再設全站儀進行碎部測量。實踐證明:RTK技術與常規地面技術的合理組合是解決復雜條件下地形測繪的一條切實可行的途徑。

(4)縱、橫斷面測量。本工程包括了隧道、橋梁和路基等多個分項工程,縱、橫斷面測量工作量大、工期緊、精度要求高,且現場地形情況十分復雜,若采用常規的地面測量方法,不僅效率低,而且很難保證測繪成果質量。本項目中采用RTK技術進行工程地形斷面測繪,達到了靈活、高效和質優的效果。

(5)專業調查與測繪。本項目設計中要求進行橋梁、隧道、路基等各個專業的調查和測繪工作,比如改河改溝調查、涵洞調查,被交叉道路(管線)調查,線路附近重要建(構)筑物調查等,這些工作不僅要進行實地調查,還要進行必要的測繪。采用RTK作業就能真正做到需要什么測量什么,避免了常規方法作業時頻繁支點和搬站的勞累,提高了工效,保證了成果質量。

4結語

GPS RTK技術的引進和應用,導致了鐵路工程測量模式的一次根本性變革和發展。實踐證明,RTK技術能顯著提高測量效率、縮短工期、降低成本,同時具有精度可靠、方便實用和靈活多變的突出優點,它為復雜地形條件下的鐵路工程測量開辟了一條嶄新的和切實可行的技術途徑。在山區復雜地形條件下進行鐵路測量時,應采取有效措施克服RTK技術的不足,以提高測繪成果精度和作業效率。

在地形起伏較大、森林茂密的山區或建筑密集的城區,基站與流動站之間的數據鏈通訊難度顯著加大,RTK的最佳作業半徑往往比標稱的有效作業半徑小許多,因此,一般認為作為基準站控制點的點間距應在標稱半徑的2/3以內,考慮到鐵路工程的復雜性,作者認為相鄰控制點間距宜小于標稱半徑的1/2倍,且RTK作業半徑宜控制在5km～8km以內。

同時,基準站應盡可能設在地勢較高處。利用RTK進行工程測量時,控制點的數量比以往大大減少,各測點坐標均依據基準站解算而得,與傳統作業模式相比,其測量檢核條件也明顯減少,因此,必須采取已知點校準、重復測量等手段來檢查測量成果的精度及其可靠性,作業過程中必須通過GPS接收機控制器實時監控基準站和流動站的定位質量,同時必須嚴格遵守GPS測量中的相關技術規定,以確保測量成果的質量。

RTK技術具有很多優點,但同時也存在著一些缺點和不足,因此在實際測量中的質量控制是一個不容忽視的問題。作者認為,制定RTK測量方面的技術規范乃當務之急,值得有關部門高度重視。

參考文獻

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