基于后方交會法的CPⅢ平面網(wǎng)自由設(shè)站觀測方法研究及系統(tǒng)開發(fā)

李科偉++帥明明

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.006

摘 要：在中國高速鐵路發(fā)展的今天，不管是對鐵路的施工還是營運期間，均需要進(jìn)行CPIII網(wǎng)測量，目前市面上的CPIII采集程序有些不足，在每站對12個方向目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)測量時，必須全部逐一學(xué)習(xí)，比較耗時，有待優(yōu)化改進(jìn)，特別是在營運時期的有限外業(yè)時間內(nèi)提高CPIII外業(yè)作業(yè)效率是非常必要的。該文采用已知兩點進(jìn)行后方交會法自由設(shè)站，已知坐標(biāo)批量導(dǎo)入作為學(xué)習(xí)值來迅速提高作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：后方交會 自由設(shè)站 CPⅢ測量 CPIII開發(fā)

中圖分類號：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（a）-0006-03

根據(jù)中國鐵路總公司統(tǒng)計，截至2016年年底，我國鐵路營運里程突破12.4萬km大關(guān)。在12.4萬km中，高速鐵路營運里程達(dá)到2.2萬km，居世界首位，使我國成為世界上高速鐵路營運里程最長、在建規(guī)模最大的國家。按照原鐵道部運輸局運基線路[2010]554號文“關(guān)于發(fā)布《高速鐵路運營沉降監(jiān)測管理辦法》的通知”第21條要求：“鐵路局應(yīng)組織對精測網(wǎng)進(jìn)行定期或不定期復(fù)測……。CPⅢ控制網(wǎng)及水準(zhǔn)基點一般每年復(fù)測一次，……”，為此需要對CPⅢ網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測。目前開通的諸如京滬、滬杭、滬寧、合蚌、武廣、滬昆等高速鐵路均開展了營運期的CPⅢ網(wǎng)復(fù)測工作。而營運期的CPⅢ網(wǎng)測量只能在天窗時間作業(yè)，天窗時間長度一般為3～4 h不等。在有限的外業(yè)時間內(nèi)如何提高作業(yè)效率，按時保質(zhì)完成測量工作非常重要。該文通過對CPⅢ網(wǎng)自由設(shè)站邊角交會觀測方法的研究，提出“重復(fù)利用上一自由設(shè)站的目標(biāo)學(xué)習(xí)值，采用后方交會原理對當(dāng)前設(shè)站點進(jìn)行自由設(shè)站定位，對新觀測目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)，在檢查氣象參數(shù)等其他設(shè)置后自動開始數(shù)據(jù)采集”的方法，并以此開發(fā)CPⅢ數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，迅速提高觀測效率，大大節(jié)省了項目成本。

1 原理與方法

現(xiàn)行《高速鐵路工程測量規(guī)范》要求，CPⅢ平面網(wǎng)測量應(yīng)采用自由設(shè)站邊角交會法施測，網(wǎng)形（以測站間距120 m為例）示意如圖1所示。目前出現(xiàn)的CPⅢ數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)大都按照“自由設(shè)站—目標(biāo)學(xué)習(xí)—自動觀測并精度控制—輸出觀測文件”循環(huán)往復(fù)的步驟進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。其中學(xué)習(xí)時，需要對12個觀測目標(biāo)逐一進(jìn)行學(xué)習(xí)。下一測站時，需要對觀測的12個目標(biāo)再次逐一進(jìn)行學(xué)習(xí)。這樣一來，在有限的天窗作業(yè)時間內(nèi)，外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率難免比較低。

該文提出的作業(yè)方法如下。

（1）未知CPIII點坐標(biāo)值的情況。

在自由設(shè)站點Z1對1～12號棱鏡進(jìn)行目標(biāo)學(xué)習(xí)，觀測完成后遷站至Z2點，在Z2點觀測5～16號目標(biāo)，其中5～12號目標(biāo)的學(xué)習(xí)值在上一測站時已獲取，采用5～12號目標(biāo)中任意2個目標(biāo)的學(xué)習(xí)值，如圖2所示，對當(dāng)前Z2設(shè)站點進(jìn)行后方交會設(shè)站定位，設(shè)站完成后對新觀測目標(biāo)13～16進(jìn)行目標(biāo)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)完成并檢查相關(guān)參數(shù)設(shè)置后開始自動數(shù)據(jù)采集工作。

（2）已知CPIII點坐標(biāo)值的情況。

在內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備工作時將批量已知的CPIII點的XYZ坐標(biāo)值保存為一個文本文件，然后將該文件拷貝到外業(yè)數(shù)據(jù)采集手簿中的程序目錄中，并將其導(dǎo)入CPIII點備選數(shù)據(jù)庫中，如圖3所示。在Z1站架站時，勾選備選數(shù)據(jù)中的1～12號點作為該站初始學(xué)習(xí)值，并從中選擇任意兩個點進(jìn)行后方交會，得到Z1點概略測站坐標(biāo)，然后檢查相關(guān)參數(shù)設(shè)置后即可開始自動數(shù)據(jù)采集工作。同理在Z2架站時，只需要選擇備選數(shù)據(jù)庫中的5～16號點作為初始學(xué)習(xí)值，再選擇其中任意2個點進(jìn)行后方交會設(shè)站后即可開始Z2站的自動數(shù)據(jù)采集工作。

為了滿足批量數(shù)據(jù)導(dǎo)入需求，該采集系統(tǒng)設(shè)計有3種方式導(dǎo)入一測站的所有點學(xué)習(xí)值：①將某段線路所有CPIII點數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入備選庫，然后從中挑選一站的所有目標(biāo)點作為初始學(xué)習(xí)值；②將某段線路所有CPIII點數(shù)據(jù)經(jīng)過測站名編排后，批量導(dǎo)入備選庫，然后通過選擇測站名，就自動將該測站的所有目標(biāo)點數(shù)據(jù)作為初始學(xué)習(xí)值；③將一站數(shù)據(jù)保存為一個文本文件，直接將該文件中的全部數(shù)據(jù)導(dǎo)入作為一測站所有點的初始學(xué)習(xí)值。

考慮到批量導(dǎo)入學(xué)習(xí)值后，現(xiàn)場情況有變化，該采集系統(tǒng)提供修改、刪除、增加學(xué)習(xí)值的功能。并且具有選擇其中一個目標(biāo)方向點作為起始零方向后，對其他所有初始學(xué)習(xí)值點進(jìn)行自動順時針排序的功能。假設(shè)批量導(dǎo)入的Z1測站初始學(xué)習(xí)值點的順序為1、2、3、4、…、12，則以1號點為起始零方向排序后，將自動變?yōu)?、3、5、7、9、11、12、10、8、6、4、2的順序，如圖4所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

該采集系統(tǒng)用已知兩個學(xué)習(xí)值點，進(jìn)行后方交會時，是將平面坐標(biāo)和高程值分開計算的，首先計算平面坐標(biāo)，如圖5所示，A、B兩點為已知的CPIII學(xué)習(xí)值點，P點為全站儀自由架站點，d0為A、B兩點平面坐標(biāo)反算的平距。全站儀可以測量出PA、PB的距離分別為d1、d2，根據(jù)PA、PB兩個水平觀測角度值可以計算出夾角γ，然后根據(jù)余弦定理，計算出另外兩個夾角α、β。由于有誤差，三個角度之和不等于180°，先將角度誤差平均分配，得到α`、β`。

已知A、B兩點坐標(biāo)可以計算出方位角αAB，則AP邊的方位角αAP=αAB+α′，結(jié)合AP距離d1，根據(jù)坐標(biāo)正算原理，可以計算由A點推算的P點坐標(biāo)（Xp1，Yp1）；同理可以由B點推算出P點的坐標(biāo)（Xp2，Yp2），兩組X、Y坐標(biāo)分別取平均值作為測站點P的平面坐標(biāo)。

至于測站P點的高程值，采用三角高程計算原理，由A、B兩點的已知高程分別推算出P點的高程，然后求其平均高程值。有了測站坐標(biāo)值，就可以快速完成設(shè)站定向。

該采集系統(tǒng)采用Visual Basic 2008程序語言編制，在Windows mobile 5.0/6.0平臺上成功運行。在正式開始測量前的流程圖如圖6所示，這也是該系統(tǒng)的核心優(yōu)勢特點。

該采集系統(tǒng)還具有其他優(yōu)勢：如通訊端口支持?jǐn)?shù)據(jù)線連接和藍(lán)牙連接的切換；具有默認(rèn)超差等級參數(shù)及自定義限差參數(shù)設(shè)置；具有可視化電子氣泡顯示，測量過程中全站儀補償器超限提醒設(shè)置；具有干溫、氣壓、相對濕度（或濕溫）氣象改正參數(shù)設(shè)定、讀取功能；具有手簿上直接查看全站儀電量功能；測量過程中，具有嚴(yán)格的限差限制，各類超差報警提醒，保障測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠；如果屏幕背景光節(jié)電關(guān)閉，則本站所有測回測量結(jié)束后將自動點亮屏幕。為了該采集系統(tǒng)更加完善，正在著手增加精度評定功能，以實現(xiàn)在現(xiàn)場查看本站CPIII點新舊坐標(biāo)的精度，達(dá)到線路拼接處CPIII點的核查。

3 結(jié)語

該采集系統(tǒng)具有較多有點，用于高鐵CPIII控制點數(shù)據(jù)采集，更適合高鐵監(jiān)測、維護時期的CPIII復(fù)測數(shù)據(jù)采集。軟件操作簡單、易學(xué)；設(shè)站及錄入學(xué)習(xí)值高效、快捷；限差設(shè)置齊全，保證測量精度，大大提高野外數(shù)據(jù)采集的工作效率。

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