張建民 劉曉明
(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)
目前,既有鐵路測繪工作分為里程丈量、中線測量、縱斷面(中平)、橫斷面、水文測繪等幾部分。里程丈量主要采用傳統(tǒng)鋼尺丈量的方式,需要人員多,效率低,丈量精度難于提高,且丈量中鋼尺的導電性容易干擾軌道電路,引發(fā)行車事故;中平測量主要采用傳統(tǒng)水準測量方法,人員投入多,生產效率低;只有中線測量(平面測繪)工作在傳統(tǒng)的偏角法的基礎上,已實現(xiàn)全站儀任意置鏡坐標法的突破。況且,里程丈量、平面測繪、中平測量等工作需分開測量,造成多次重復上線,需要人員多,安全防護壓力大,綜合效率難于提高。
隨著我國鐵路不斷提速,行車速度、密度不斷提高,鐵路運營安全管理越來越嚴格,以傳統(tǒng)的鋼尺丈量既有線,常規(guī)水準測量中平方式已遠遠不能適應當前客觀條件。近幾年,GPS技術突飛猛進,平面、高程精度已分別能達到 10 mm+1×10-6D 和20 mm+1×10-6D,并可實現(xiàn)快速定位,接收機終端軟件功能也不斷完善,這使得利用GPS-RTK方法進行里程丈量、中平測量也成為可能。在保障勘測精度的前提下,利用GPS-RTK技術,將既有線里程丈量、平面測繪、中平等三道工序整合為一道工序,以最少的人員投入,最大程度的減少上線次數,縮短上線時間,提高綜合生產效率是必要的研究發(fā)展方向。
目前常用的GPS接收機主要有天寶R8 GNSS和徠卡GX1230GG兩種,均為雙頻、雙星儀器,其測量標稱精度大致相同。
靜態(tài):水平精度 5 mm+0.5×10-6D垂直精度 10 mm+0.5×10-6D
動態(tài):水平精度 10 mm+1×10-6D
垂直精度 20 mm+1×10-6D
與常規(guī)儀器測量不同,GPS RTK測量的各點位誤差是獨立的,只與已知點精度、點校正殘差及點位與基站的距離有關。根據經驗值,當測區(qū)范圍不大于20 km時,平面、高程點校正殘差均可控制在20 mm以內??紤]到RTK數據鏈信號傳播性能的局限,測點距基準站的距離一般不超過4 km。在不考慮已知點精度的情況下,根據儀器標稱精度計算的RTK測量點位中誤差為
考慮求參殘差為 ξH=ξV=±20 mm時,根據式δH2=δH2標+ξH2,計算最弱點點位中誤差為
《改建鐵路工程測量規(guī)范》1.0.3規(guī)定:改建鐵路坐標系統(tǒng)應采用國家坐標系或工程獨立坐標系,測區(qū)內投影長度變形值不宜大于25 mm/km;5.1.3(2)規(guī)定:里程應使用鋼卷尺丈量兩次,相對誤差在1/2000以內時,以第一次丈量的里程為準;5.1.4(4)規(guī)定:當既有線縱坡大于12‰時,用極坐標法測量推算的平距,應進行坡度改正后的斜距推算連續(xù)里程;5.3.5規(guī)定既有鋼軌面高程檢測限差不應大于20 mm。
既有鐵路初測階段一般要求全線布設不低于四等的GPS控制網,每8 km設置一對GPS點;要求全線布設不低于五等水準的高程控制網(設計行車速度≤120 km/h為五等水準,120~160 km/h為四等水準),水準點間距不大于2 km。
定測階段一般沿用初測里程和高程系統(tǒng),但應對水準點逐一檢測;平面控制網可按《改建鐵路工程測量規(guī)范》要求,視線路改建情況設置CPI和CPII控制網,控制網布設要求如表1。
表1 各級平面網布設要求
利用徠卡1230GG等GPS接收機的機載放樣程序,先測量標定的線路里程起始點坐標,沿線路前進方向移動流動站并對上一測點進行放樣,利用儀器顯示的偏移放樣點的距離反應里程變化,從而標定當前流動站位置的線路里程(如圖1)。對標定的線路里程點進行測量,得到線路上各里程點的平面坐標。
通過實測坐標計算相鄰測點的實際距離,可以與放樣里程進行比較,從而分析RTK放樣法丈量里程所能達到的相對精度。
圖1 里程放樣示意
將沿線GPS平面控制點納入線路基平水準路線(四、五等水準),平差得出各點較精確的正常高,在RTK測量坐標轉換時進行三維點校正,測量線路中心點坐標時將GPS流動站天線安置在RTK測量專用可調平對中方尺上(如圖2),從而在測得該點平面坐標的同時測得該里程點相應鋼軌面(直線左軌、曲線內軌)的高程。
通過設置不同密度的三維控制點,以及將沿線全部或部分水準點納入坐標轉換集,可分析RTK高程測量在不同技術條件下的精度水平。
圖2 RTK測量可調平方尺
(1)作業(yè)準備
東烏線全線按四等標準,每8 km設置一對GPS控制點,坐標系統(tǒng)采用國家標準3°帶坐標系;全線進行了四等水準貫通基平測量,全部GPS點納入四等水準路線,平差求得正常高。按不大于20 km原則分段進行三維坐標轉換求參,GPS點校正殘差均小于20 mm。
坐標轉換求參未加入沿線水準點。
(2)試驗情況
試驗對K68+200~K294+800共計226.6 km中樁進行了GPS-RTK三維坐標采集,共采樣3 308個點,平面計算及撥距計算均滿足專業(yè)設計要求。
同時全部中樁采用五等中平測量進行了復測。
對全部測點的RTK采集高程和五等中平進行了比較,高程較差在20 mm以內的有1 702個,占總數的44.7%,高程較差在50 mm以內的有3272個,占總數的85.9%,高程較差超過100 mm的有56個,占總數的1.5%。
(1)作業(yè)準備
在北京樞紐勘測項目中,選取了某單線作為試驗線。
首先沿線按每4 km設置一對四等GPS控制點,坐標系統(tǒng)采用工程獨立坐標系,高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準。
全線進行了四等水準貫通控制測量,水準點間距不大于2 km,全部GPS點納入四等水準路線,平差求得各GPS點四等水準高程(如圖3所示)。
圖3 北京樞紐某線控制點布網
(2)試驗情況
首先按4 km一對GPS點進行點校正,采用RTK對中樁高程進行了采集,并與水準高程進行了比較。
對K1+000-K13+150共計12.15 km中樁進行了測量,共采樣392個點。對全部測點的RTK采集高程和五等中平高程進行了比較,高程較差在20 mm以內的有208個,占總數的53.1%,高程較差在50 mm以內的有 343個,占總數的 87.5%,高程較差超過100 mm的有6個,占總數的1.5%。
用四等GPS靜態(tài)測量的方法將沿線水準點與GPS點聯(lián)測成網,坐標系三維轉換求參時將水準點全部作為求參點,并將全線分為兩個測區(qū),每個測區(qū)范圍均不大于10 km,平面、高程轉換殘差均小于20 mm。
本次試驗完成K1+600~K12+400共計10.8 km測繪,共丈量里程212段,經理論距離與實測坐標反算距離比較只有17段未能滿足1/2000限差,占總段數的8%,且均為20m距離。
高程測量有效采樣179個,與水準高程較差在20 mm以內的有110個,占總數的61.5%,較差在50 mm以內的有174個,占總數的97.2%,較差沒有超過100 mm的。
通過在生產項目中的實驗驗證,在目前的軟硬件基礎上,將里程丈量、中線測量、中平測量合并為一個工序的GPS-RTK一體化既有線測繪,在操作上是可行的,作業(yè)流程如圖4。
圖4 GPS-RTK一體化既有線測繪流程圖
(1)里程丈量
通過大量生產實驗數據分析,GPS-RTK放樣法里程丈量在直線地段完全滿足1/2000的測量精度,且可利用盡量放樣遠點的方法進一步提高丈量精度。
在曲線地段,由于設計需要現(xiàn)場標定整20m樁號,RTK放樣距離短,從理論上講無法完全滿足1/2000的丈量精度,但由于RTK測量誤差的獨立性,從一個較長段落來看,丈量精度還是可靠的,完全滿足中線測量和整個曲線撥距計算要求。
綜合直線和曲線段,宏觀的分析該方法的丈量精度,滿足設計精度要求。
(2)中線測量
RTK中線測量的精度經生產驗證,完全滿足平面測繪的精度指標,且由于RTK測量誤差不積累的特性,宏觀精度明顯優(yōu)于偏角法平面測繪。
(3)中平測量
GPS-RTK中平測量,由于受儀器測量精度制約,目前在將水準點全部參與點校正的最佳條件下,也只能達到5 cm的檢測精度,無法達到規(guī)范要求的2 cm檢測精度。但5 cm的精度,對于部分等級較低的線路、專用線以及沒有改建工程的設計相關線路,已經足夠滿足。在勘測設計階段,應根據設計需求,針對不同線路確定具體的勘測精度。
GPS-RTK一體化既有線測繪經濟指標如表2所示。
表2 RTK一體化既有線測繪與傳統(tǒng)測量方法工效對比
由表2可以看出,GPS-RTK一體化既有線測繪的綜合作業(yè)效率為傳統(tǒng)作業(yè)手段的兩倍甚至更高,外業(yè)作業(yè)人員勞動強度大大降低。
同時,RTK方法測量數據在外業(yè)測量終端上已進行了部分處理,導入計算機即為半成品,且全部為電子數據,內業(yè)數據處理作業(yè)量也大大減少。
由于綜合作業(yè)效率提高,上線時間相應縮短,上線人數和班組減少,安全防護風險大大降低。
綜上所述,在一定的技術條件(平面、高程控制網的精度、密度等)支持下,GPS-RTK三維一體化測繪能夠提高既有線測繪綜合作業(yè)效率,能夠客觀上降低作業(yè)人員勞動強度和安全風險,具有很好的可行性。
GPS-RTK里程丈量及中線平面測量精度能夠滿足勘測設計要求;但中平測量受測量誤差的制約,可以達到5 cm的檢測精度要求,對于部分等級較低的線路、專用線以及沒有改建工程的相關鐵路,已經滿足要求,但若要完全達到規(guī)范要求的2 cm檢測精度,還需進行進一步深入的研究。
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