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(yè)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(yōu)勢，成為鐵路中線測量的主要作業(yè)手段[2]。 具體操作方法:建立測區(qū)控制網(wǎng)，求解坐標轉換參數(shù)[3]，根據(jù)設計線位要素創(chuàng)建道路文件，按照《鐵路工程測量規(guī)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(yè)方式能夠有效提高測量速度，縮短項目周期。 就外業(yè)部分而言，相應的作業(yè)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(yōu)勢作了充分闡述，?；⒘諿6]等從轉換參數(shù)求解、作業(yè)過程規(guī)范化和儀器檢驗3 個方面，詳細介紹了作業(yè)前和作業(yè)中的質量控制措施。 但是在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中，相應的數(shù)據(jù)處理效率相對較低，需依靠人工方式對最后的數(shù)據(jù)進行復核。 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理方法主要存在以下幾點問題:

(1)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉換。

(3)數(shù)據(jù)質檢工作靠人工完成，容易出現(xiàn)因人為操作不當導致的不規(guī)范現(xiàn)象和質量問題。

針對上述問題，提出一種鐵路中線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)場信息。 既有作業(yè)方式為Excel 手動編輯作業(yè):對沿線測量數(shù)據(jù)進行逐段落檢查，然后進行數(shù)據(jù)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(yè)記錄屬性信息，將資料成果整理提交。

2.1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式，通過對不同數(shù)據(jù)的解析，實現(xiàn)中線樁數(shù)據(jù)、交叉測量點數(shù)據(jù)、地形測量點數(shù)據(jù)、質檢點數(shù)據(jù)的提取和拆分，用于后續(xù)各步計算。

表1 常用儀器型號的數(shù)據(jù)格式

2.2 中樁數(shù)據(jù)處理轉換

為改善原有放樣成果數(shù)據(jù)的處理方式，在吸收以往處理經(jīng)驗的基礎上，對傳統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程進行了改良(見圖1)，體現(xiàn)為以下3 點:

圖1 中樁數(shù)據(jù)成果流程

①將流程化的數(shù)據(jù)檢查和計算操作改用計算機編碼實現(xiàn)，實現(xiàn)樁號點自動提取、分組、粗差檢查、去重、內(nèi)插等操作，以替代電子表格大量的計算操作。

②建立外業(yè)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(tǒng)一建庫處理，達成統(tǒng)一規(guī)范的記錄格式。

③實現(xiàn)數(shù)據(jù)成果的一鍵式輸出，同時輸出問題處理報告，便于數(shù)據(jù)處理人員對原始和成果數(shù)據(jù)進行檢查。

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

2.3 交叉數(shù)據(jù)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(xù)橋梁、涵洞等重要工點設計提供參考依據(jù)[12]。

為實現(xiàn)交叉測量成果的自動化，依據(jù)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(shù)據(jù)信息。

以道路交叉為例，在外業(yè)測量時，可對交叉測量采樣點(按照預先定義的數(shù)據(jù)標注格式)進行數(shù)據(jù)標記，也可通過預處理進行檢查和修改(見圖2)。 在內(nèi)業(yè)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(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(jīng)過自動計算后的交叉成果，作業(yè)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(shù)據(jù)規(guī)范化管理

中線測量和交叉測量成果是橋梁、路基等專業(yè)開展后續(xù)設計的首要基礎資料。 目前，GPS-RTK 中線作業(yè)過程中的質量問題時有發(fā)生，嚴重時會引起勘測和設計的變更，造成經(jīng)濟損失，只有開展作業(yè)全過程的質量控制才能有效降低數(shù)據(jù)成果的質量風險[13]。 宋紀五[14]等對中線外業(yè)作業(yè)流程方面的質量控制做了系統(tǒng)分析，孫玉國[15]等對區(qū)域投影變形問題做了系統(tǒng)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(shù)據(jù)后處理環(huán)節(jié)質量檢查研究的關注程度不夠。 加強該環(huán)節(jié)過程中的質量控制，一方面能夠避免人為數(shù)據(jù)處理的疏漏，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的問題并開展補測工作;另一方面，可有效指導外業(yè)測量工作，對后續(xù)作業(yè)起到一定的指導和約束作用。

3.1 觀測數(shù)據(jù)質檢

傳統(tǒng)處理方式中，觀測數(shù)據(jù)的質檢工作主要靠人工完成，存在質檢不全面、粗差不易發(fā)現(xiàn)等問題。 新方法中，將質檢內(nèi)容通過算法編程實現(xiàn)，在中線數(shù)據(jù)處理時對數(shù)據(jù)進行逐項復核，生成數(shù)據(jù)處理報告。 主要質檢內(nèi)容如下。

(1)測量基本要求檢查

對當日觀測數(shù)據(jù)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(guī)范性檢查

①高程突變點檢查

引入數(shù)據(jù)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(xiàn)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(yè)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(shù)據(jù)銜接檢核

實現(xiàn)多組數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的銜接問題，及時發(fā)現(xiàn)作業(yè)中存在的質量問題。

表3 中線樁銜接數(shù)據(jù)檢核限差 mm

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

3.2 數(shù)據(jù)成果的標準化控制

在數(shù)據(jù)處理過程中，由于作業(yè)人員的技術水平差異，導致數(shù)據(jù)處理成果不規(guī)范的現(xiàn)象時有發(fā)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(xiàn)對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理報告

(1)數(shù)據(jù)文整格式規(guī)范化

實現(xiàn)數(shù)據(jù)成果輸出的標準化，嚴格控制數(shù)據(jù)成果輸出的標準性和規(guī)范性，避免數(shù)據(jù)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(huán)管理。 以項目為管理單位，將作業(yè)時間、作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)人員作為數(shù)據(jù)管理節(jié)點，存儲各階段的原始數(shù)據(jù)、質檢數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)，建立項目數(shù)據(jù)資料庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)成果的規(guī)范化管理。

4 計算結果分析

在算法研究的基礎上，研發(fā)了專用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行處理，并結合人工處理方式開展對比。

圖6 中線數(shù)據(jù)處理軟件界面

如表4 所示，在兩種作業(yè)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(shù)據(jù)預處理)，處理時間大為縮短。

表4 不同組數(shù)據(jù)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(xiàn)了從原始數(shù)據(jù)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(xiàn)，只需要少量的人工操作。 從處理效率來看，內(nèi)業(yè)時間大大縮短，在地形復雜地區(qū)的優(yōu)勢更為明顯。 從數(shù)據(jù)規(guī)范程度來看，采用統(tǒng)一格式和規(guī)范命名的方法，避免了不規(guī)范現(xiàn)象，提高了成果的精度。