鐵路中線測量數據自動化處理和質檢方法研究

王大剛

(中國鐵路設計集團，天津 300143)

1 概述

新建鐵路中線測量是將鐵路設計中線測設到地面的過程。 通常情況下，交叉測量工作(測量沿線道路、電線交叉等)與中線測量同時進行。 目前的測量方法主要有撥角法、極坐標法和GPS-RTK 法等[1]。 其中，GPS-RTK 技術以作業靈活、厘米級的定位精度、實時獲取點三維坐標、誤差不累積等優勢，成為鐵路中線測量的主要作業手段[2]。 具體操作方法:建立測區控制網，求解坐標轉換參數[3]，根據設計線位要素創建道路文件，按照《鐵路工程測量規范》[4]的施測要求，進行野外實地放樣并記錄測量成果。

GPS-RTK 作業方式能夠有效提高測量速度，縮短項目周期。 就外業部分而言，相應的作業流程和質量控制措施已比較成熟。 張興福[5]等對GPS-RTK 在中線測設方面的技術優勢作了充分闡述，牛虎林[6]等從轉換參數求解、作業過程規范化和儀器檢驗3 個方面，詳細介紹了作業前和作業中的質量控制措施。 但是在內業數據處理過程中，相應的數據處理效率相對較低，需依靠人工方式對最后的數據進行復核。 現有的數據處理方法主要存在以下幾點問題:

(1)數據處理操作步驟多，過程繁瑣重復，用時較長。

(2)需要使用多個軟件(Excel、AutoCAD、CASS)進行數據轉換。

(3)數據質檢工作靠人工完成，容易出現因人為操作不當導致的不規范現象和質量問題。

針對上述問題，提出一種鐵路中線數據自動化處理方法，圍繞設計中線成果轉換、交叉測量信息提取、數據自動化質檢3 個方面開展算法設計。

2 中線測量成果和交叉測量成果自動化處理

新建鐵路設計中線實地測設過程中，中線放樣點形成的縱斷面應當有效反映沿線地形變化，在重要地形、地物特征點處需進行加樁[7]，對沿線道路、電線、管線等需進行交叉測量，并記錄現場信息。 既有作業方式為Excel 手動編輯作業:對沿線測量數據進行逐段落檢查，然后進行數據提取和編輯，通過CASS 插件將點集合展繪到AutoCAD 中[8]，進行交叉距離和方位角度量測，最后錄入外業記錄屬性信息，將資料成果整理提交。

2.1 數據文檔解析

目前，常用的GPS-RTK 接收機品牌主要有南方、華測導航、天寶等[9-11]，如表1 所示。 不同的儀器具有不同的數據格式，通過對不同數據的解析，實現中線樁數據、交叉測量點數據、地形測量點數據、質檢點數據的提取和拆分，用于后續各步計算。

表1 常用儀器型號的數據格式

2.2 中樁數據處理轉換

為改善原有放樣成果數據的處理方式，在吸收以往處理經驗的基礎上，對傳統內業數據處理流程進行了改良(見圖1)，體現為以下3 點:

圖1 中樁數據成果流程

①將流程化的數據檢查和計算操作改用計算機編碼實現，實現樁號點自動提取、分組、粗差檢查、去重、內插等操作，以替代電子表格大量的計算操作。

②建立外業地理要素備注符號庫，對中線測量中涉及到的地理、地形要素進行統一建庫處理，達成統一規范的記錄格式。

③實現數據成果的一鍵式輸出，同時輸出問題處理報告，便于數據處理人員對原始和成果數據進行檢查。

由圖1 可知，針對不同格式的數據，計算機自動進行放樣數據提取，結合測量區間資料，自動進行中樁提取、規則檢查，對處理結果進行標記和注記替換，輸出為標準數據格式(保留中間數據成果和數據處理報告)。

2.3 交叉數據處理

鐵路交叉測量是指鐵路線路與電線、管線、公(道)路之間交叉關系(平面關系和高程關系)的測量，以及交叉對象的幾何和物理屬性信息的獲取，是專線調查測量的重要基礎工作，可為后續橋梁、涵洞等重要工點設計提供參考依據[12]。

為實現交叉測量成果的自動化，依據地物標注信息自動提取交叉中心點并匹配交叉測量點的數據信息。

以道路交叉為例，在外業測量時，可對交叉測量采樣點(按照預先定義的數據標注格式)進行數據標記，也可通過預處理進行檢查和修改(見圖2)。 在內業處理過程中，按照里程和編號，自動對交叉點和角度計算點進行匹配，從而提取交叉角度、距離和道路(電線)屬性等信息，完成交叉測量成果的自動輸出，數據處理流程如圖3 所示。

圖2 交叉測量中樁點和方向點備注樣例

圖3 中線交叉測量示意

交叉角度計算方式為面向大里程方向右撥，采用向量法求解，根據交叉中心點和交叉外地形點的里程信息和坐標，采用向量法求解方位和交叉角度。

圖4 向量法求取交叉角度示意

如圖4 所示，A 為道路或電線和設計線位的交叉點，B 點為中線點，C 點為線外交叉測量點，根據A、B點里程確定向量起點和終點，設B 里程大于A，則確定向量和不在其直線AB 上的點C，由公式(1)求叉積

可確定點C 位于直線AB 的左右側，通過公式(2)計算道路交叉角度

AgAB，AC為直線AB 與AC 的夾角，S 為式(1)中向

經過自動計算后的交叉成果，作業人員可對其他屬性信息進行補充和必要檢核，即完成交叉測量成果輸出，避免在AutoCAD 軟件中的大量操作。

3 自動質檢和數據規范化管理

中線測量和交叉測量成果是橋梁、路基等專業開展后續設計的首要基礎資料。 目前，GPS-RTK 中線作業過程中的質量問題時有發生，嚴重時會引起勘測和設計的變更，造成經濟損失，只有開展作業全過程的質量控制才能有效降低數據成果的質量風險[13]。 宋紀五[14]等對中線外業作業流程方面的質量控制做了系統分析，孫玉國[15]等對區域投影變形問題做了系統論證，測量前期準備工作和測量過程中質量控制的相關研究已相對較為成熟，但對數據后處理環節質量檢查研究的關注程度不夠。 加強該環節過程中的質量控制，一方面能夠避免人為數據處理的疏漏，及時發現數據中存在的問題并開展補測工作;另一方面，可有效指導外業測量工作，對后續作業起到一定的指導和約束作用。

3.1 觀測數據質檢

傳統處理方式中，觀測數據的質檢工作主要靠人工完成，存在質檢不全面、粗差不易發現等問題。 新方法中，將質檢內容通過算法編程實現，在中線數據處理時對數據進行逐項復核，生成數據處理報告。 主要質檢內容如下。

(1)測量基本要求檢查

對當日觀測數據進行基礎檢查，包括平面放樣誤差、采樣時間、直線段和曲線段樁距檢查、剔除粗差點和重復采樣點(如表2)。

表2 中線放樣要求

(2)測量規范性檢查

①高程突變點檢查

引入數據縱斷面突變點檢查，檢查中線縱斷面的高程突變點問題，在中線采集過程中，應當避免放樣缺失導致的高程突變，即在中線縱斷面上不應出現突變的銳角。 檢測方法:對任意一個中樁點和其前后中樁點，角度閾值小于75°時會被認定為突變點，需要檢查是否存在漏樁或高程問題。 設P 點為某中樁放樣點，A、B 分別為P 點的前后中樁放樣點，則該點在縱斷面上角度表示為

Cp表示∠APB 所構成夾角的余弦值，chAB表示A、B 兩點間的空間距離，MA和HA分別表示A 點的里程和高程。

②地物標注信息的檢查

對外業地物邊界采樣點進行標記檢測，對房屋、道路、溝渠等地物采樣點的信息完整性進行檢查，對河流溝底高程缺失進行標記，避免重要工點的高程信息遺漏。

(3)數據銜接檢核

實現多組數據的中線樁銜接自動檢核，限差如表3 所示，該檢核方法有助于及時發現外業觀測數據的銜接問題，及時發現作業中存在的質量問題。

表3 中線樁銜接數據檢核限差 mm

當日單組數據處理完成后，即時生成數據處理報告(如圖5 所示)，便于查找觀測數據存在的質量問題，對觀測區域數據質量有一個直觀的把握，便于及時進行必要的內業和外業處理，為數據質檢留存完整的歷史記錄。

3.2 數據成果的標準化控制

在數據處理過程中，由于作業人員的技術水平差異，導致數據處理成果不規范的現象時有發生，給項目工作的順利進行帶來一定的壓力。 采用軟件方法[16]實現對數據高效有序的分類管理，可以有效提高項目的完成質量。

圖5 數據處理報告

(1)數據文整格式規范化

實現數據成果輸出的標準化，嚴格控制數據成果輸出的標準性和規范性，避免數據資料混亂，降低項目管理成本。

(2)建立完善的項目管理機制

建立從項目開始到項目結束的閉環管理。 以項目為管理單位，將作業時間、作業內容、作業人員作為數據管理節點，存儲各階段的原始數據、質檢數據和成果數據，建立項目數據資料庫，實現數據成果的規范化管理。

4 計算結果分析

在算法研究的基礎上，研發了專用數據處理軟件(CRDC_MLDPROCESSOR)。 該軟件采用Qt 框架搭建圖形界面，軟件界面如圖6 所示。 選取某新建鐵路項目2 組測量數據進行處理，并結合人工處理方式開展對比。

圖6 中線數據處理軟件界面

如表4 所示，在兩種作業方式輸出成果一致的前提下，采取手動處理方式所用時間分別為118 min 和141 min，程序的運行時間均為秒級(前期需少量時間進行數據預處理)，處理時間大為縮短。

表4 不同組數據軟件和人工處理結果對比

從處理方式來看，該軟件為后臺處理，實現了從原始數據到各成果的自動化生成，其處理過程多采用計算機算法實現，只需要少量的人工操作。 從處理效率來看，內業時間大大縮短，在地形復雜地區的優勢更為明顯。 從數據規范程度來看，采用統一格式和規范命名的方法，避免了不規范現象，提高了成果的精度。