蔡建國

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

在鐵路勘察設計中，中線放樣是十分重要的工作，常采用偏角法、極坐標法和GNSS-RTK法等[1]。這些方法均采用傳統(tǒng)的全站儀或GNSS接收機作業(yè)，該作業(yè)模式野外工作強度大，效率低且專業(yè)化程度低。雖然已有學者基于PDA開發(fā)了一些基于全站儀進行中線放樣的程序進行鐵路勘測數(shù)據(jù)采集，在一定程度上提高了全站儀作業(yè)的效率[2]，但隨著移動互聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展，移動智能手機和平板等設備，憑借其輕便、智能、續(xù)航時間長、人機交互友好、可視化程度高以及能實現(xiàn)無線通信和GNSS快速定位導航等優(yōu)勢，已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)PDA，作為全站儀和GNSS接收機等傳統(tǒng)測繪儀器的手簿，甚至某些高精度智能平板本身就能作為外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工具[3-5]，極大優(yōu)化了傳統(tǒng)測繪的野外測量模式。另外，CORS網(wǎng)絡RTK作為當今GNSS發(fā)展的熱點技術(shù)之一，已經(jīng)被廣泛應用于各領(lǐng)域的建設當中。其中，在鐵路方面，李濤[6]分析了高速鐵路CORS建設的必要性，提出了高速鐵路CORS建設的具體方案。張運華[7]對CORS-RTK技術(shù)在鐵路定測中的應用進行研究和試驗，得出其測量精度可達到平面高差±5 cm以內(nèi)。郭江[8]通過比較CORS系統(tǒng)測量和鐵路勘察控制網(wǎng)測量成果，證實CORS系統(tǒng)測量的平面坐標精度可達厘米級，滿足鐵路勘察規(guī)范要求。

基于此，本文基于移動智能平板開發(fā)了一款鐵路勘測中線放樣程序，其支持4G通信、藍牙通信、多星定位、CORS網(wǎng)絡RTK等技術(shù)，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速采集和放樣點自動引導，實現(xiàn)測量工作的可視化、輕便化、自動化、智能化。

1 線路模型與控制點數(shù)據(jù)

1.1 線路模型建立

1.1.1 一般線型

鐵路線路受地形、地質(zhì)或技術(shù)、經(jīng)濟等因素的影響，不能以一條直線延伸始終，而是隔一定距離就要改變方向，因此，鐵路線路由直線和曲線兩部分組成。鐵路曲線一般由緩和曲線、圓曲線等組成，線路任意一點坐標計算采用交點法以“緩和曲線-圓曲線-緩和曲線”為基本型，其中緩和曲線可以不等長，線路示意如圖1所示。

圖1 線路示意圖

其交點坐標計算格式如下：

起交點名，北坐標，東坐標，里程<回車換行>

交點名，北坐標，東坐標，[半徑，第一緩和曲線，第二緩和曲線，第一緩和起始半徑，第二緩和終止半徑]<回車換行>

…………

終點名，北坐標，東坐標

1.1.2 特殊線型

任何復雜的線路，都是采用3個基本曲線單元(直線、圓曲線、緩和曲線)首尾相連組合完成。當線路存在不完全緩和情形時，上述的交點法數(shù)據(jù)格式已不能滿足需要，由幾個曲線組成1個卵形曲線，卵形曲線示意如圖2所示。

圖2 卵形曲線示意圖

像這種“直緩-緩圓-圓緩-緩圓-圓緩-緩直”的特殊曲線，考慮到兼容原有格式，系統(tǒng)設計了兩項參數(shù)來完成不完全緩和情形。其格式如下：

起交點名，北坐標，東坐標，里程<回車換行>

交點名，北坐標，東坐標，[半徑，第一緩和曲線，第一緩和起始半徑，第二緩和終止半徑]<回車換行>

…………

終點名，北坐標，東坐標

1.2 控制點數(shù)據(jù)

1.2.1 求解基準轉(zhuǎn)換參數(shù)

以經(jīng)典四參數(shù)法為例，選取4個及以上的控制點參與到水平、垂直校正。公共點平面殘差應控制在1.5 cm以內(nèi)，高程殘差應控制在3 cm以內(nèi)，東、北斜坡控制在30 ppm以內(nèi)。

1.2.2 單點高程校正法

求解基準轉(zhuǎn)換參數(shù)時，選取基準站相鄰的控制點4個?？刂泣c順序為：基準站控制點必須為首個，其余順序隨機。所有點水平參加校正，垂直校正僅選擇基準點，進行單點高程校正。

內(nèi)業(yè)選取合適的參數(shù)校正計算方法求解GPS轉(zhuǎn)換參數(shù)，導入智能移動設備。

2 程序設計與實現(xiàn)

根據(jù)上述模型，在Android Studio平臺上，使用Java語言開發(fā)了基于移動智能平板的中樁放樣程序。

2.1 硬件平臺

本程序采用移動智能高精度平板作為硬件設備,該平板裝載Android 8.1智能操作系統(tǒng)、2.0 G八核處理器加上4 GB運行內(nèi)存；同時具有GNSS+GLONASS+BDS多星定位技術(shù)，能實現(xiàn)嚴重遮擋環(huán)境下的正常工作，同時支持厘米級、亞米級高精度外擴模塊；在數(shù)據(jù)通信方面支持：4G全網(wǎng)通(移動、聯(lián)通、電信)網(wǎng)絡、Wi-Fi及無線(無線AP、Wapi)、藍牙(BlueTooth 2.0/4.0)、USB數(shù)據(jù)傳輸(TypeC，同時具有OTG功能)以及外置接口(串口、VBAT、GND)[9]；續(xù)航方面采用 10 000 mAh/3.7 V電池，可連續(xù)工作10 h以上，可基本滿足全天作業(yè)的使用要求，同時采用可拆卸式電池設計，方便電池即時更換，支持在線充電，保證作業(yè)的連續(xù)進行。

2.2 程序的基本功能

(1)線路模型計算功能

可根據(jù)線路設計數(shù)據(jù)，自動計算出線路逐樁表，并生成線路圖形。在施測過程中，可根據(jù)任意點的樁號快速定位其坐標信息以及該點在線路圖形上的具體位置。

(2)平板與儀器的通信功能

可實現(xiàn)平板與各種類型的GNSS接收機進行藍牙配對連接，連接后平板可作為GNSS接收機的手簿控制儀器進行測量，同時儀器測量的數(shù)據(jù)也會實時傳輸回平板上。

(3)平板直接測量功能

支持CORS網(wǎng)絡RTK服務，在地勢開闊、GNSS衛(wèi)星信號好且測量精度要求不高的地段，可直接利用網(wǎng)絡RTK在平板上完成中線放樣數(shù)據(jù)的采集。

(4)坐標數(shù)據(jù)庫管理功能

可將需要用到的坐標點數(shù)據(jù)通過文件導入或手動輸入的形式錄入到坐標數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)點位類型分為控制點、放樣點、其他測量點三類，以便測量人員在野外隨時調(diào)用這些點進行作業(yè)。

(5)圖層導入功能

可根據(jù)作業(yè)需要，導入二維或三維地形圖，中線以及相關(guān)點位信息將會顯示于該圖層之上，為作業(yè)人員提供了更好的可視化效果。

(6)坐標系統(tǒng)庫管理功能

該程序預設了CGCS2000、WGS84、西安80、北京54等常用坐標系統(tǒng)，也可以支持用戶自定義坐標系統(tǒng)。在進行作業(yè)時，用戶可根據(jù)需要從坐標系統(tǒng)庫中選擇或新建合適的坐標系統(tǒng)。

(7)實時移動導航

在放樣作業(yè)過程中，實景二維或三維地形圖上會實時顯示目前平板或GNSS接收機的位置，并會實時計算出目前位置至待放樣點的距離信息和方向信息，指揮測量人員達到測量位置。

2.3 程序的運行流程

中線放樣作業(yè)流程如圖3所示。該程序運行步驟如下：

圖3 中線放樣作業(yè)流程圖

(1)工程項目參數(shù)設置?？蛇x擇新建工程，也可打開已有工程文件，新建工程需輸入工程名稱(默認為當前日期)、工程存儲路徑并設置測量精度。

(2)GNSS參數(shù)設置。包括坐標系統(tǒng)的命名，目標橢球的選擇，投影方式的設置以及坐標轉(zhuǎn)換方法的設置，也可以從坐標系統(tǒng)管理庫中直接選擇已有的坐標系統(tǒng)。

(3)地形圖讀取。選擇存儲在平板中的二維或三維地形圖，加載到程序中，配合放樣作業(yè)的進行。

(4)控制點數(shù)據(jù)讀取。手動添加控制點信息或讀取控制點文件，也可從已有的坐標點庫中選擇控制點。

(5)中線設計數(shù)據(jù)讀取。讀取中線設計數(shù)據(jù)，設置中線樁距，自動生成線路圖形并計算出逐樁表。

(6)測量模式選擇。

①平板測量模式：適用于地勢開闊、GNSS衛(wèi)星信號好且測量精度要求不高的地段，可直接用千尋網(wǎng)絡CORS網(wǎng)絡RTK在平板上完成中線測量，該模式可不用連接GNSS接收機。

②RTK的手薄測量模式：適用于地物多、GNSS衛(wèi)星信號弱且測量精度要求高的地段，平板可作為RTK的手薄，進行中線測量。

(7)儀器連接設置。若為RTK手簿測量模式則必須進行儀器連接，打開平板藍牙對可連接藍牙設備進行掃描，選擇GNSS接收機進行連接。

(8)線路中線測量。根據(jù)設計數(shù)據(jù)計算出的里程表，平板自動引導測量人員至放樣點，誤差在設定精度范圍以內(nèi)時測量，并進行數(shù)據(jù)保存；若需要進行加樁點測量，可在界面上選擇加樁功能，直接輸入加樁點里程，會自動顯示出該點坐標，以及在圖上顯示出目前至該點的距離和方位信息；同時，可以隨時修改放樣間距以及放樣精度。

(9)成果導出。測量作業(yè)完成后，可從程序中導出多種格式的dat、csv、txt、xlsx等成果文件。

3 應用分析

以某高速鐵工程項目為例，在定測階段采用中海達Qpad X8智能GIS平板及開發(fā)的鐵路勘測中線放樣程序，基準站采用“千尋知寸”位置服務，完成了約 50 km的中線測量工作，從工作效率、測量流程、精度等方面進行比較總結(jié)。

3.1 放樣測量

(1)控制網(wǎng)參數(shù)設置，控制點校正，明確主站控制點。

(2)在平板上打開1∶2 000地形圖，顯示中線測量線位。

(3)實時顯示目前GIS平板在圖上的位置，并導航指揮測量人員達到測量位置。

(4)導航達到測量位置后開始測量：

①輸入里程冠號：K,DK,D1K……；

②里程間距：等距：20 m、50 m……,遞增+，遞減-；

③輸入起點測量里程；

④導航移動至該測量點時測量；

⑤測量后顯示X,Y,H數(shù)據(jù)(X,Y為理論坐標，H為實測高程)，備注(房邊、道路、溝坎……)；

⑥保存，完成測量；

⑦放樣點測量完成后，在放線地形圖中線上以“高程數(shù)據(jù)點”顯示。

(5)成果輸出。

3.2 放樣精度統(tǒng)計

在勘測中，采用全站儀坐標法測量一段中線，并與采用中海達Qpad X8智能GIS平板測量成果從坐標、高程進行對比，分析其精度，放樣精度統(tǒng)計如表1所示。

表1 中樁三維坐標檢查表

根據(jù)表1精度統(tǒng)計結(jié)果，檢測值三維坐標均小于10 cm，滿足鐵路工程測量規(guī)范對中樁測量精度的要求[10]。

4 作業(yè)特點

基于移動智能平板的中線放樣程序，其作業(yè)模式既保證了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率，又很好地實現(xiàn)測量工作的可視化、輕便化、自動化、智能化。該作業(yè)模式有以下幾個特點：

(1)可根據(jù)設計數(shù)據(jù)，利用線路模型，計算出中線上任意一點在線路坐標系的坐標并生成線路圖形，顯示在二維或三維地形圖上并能在地形圖上提供位置服務，使得測量作業(yè)更加具體和直觀。

(2)實現(xiàn)了平板與GNSS接收機的無線藍牙通信，平板可作為其手簿，使得數(shù)據(jù)采集更加方便和智能。

(3)利用多星定位、CORS網(wǎng)絡RTK技術(shù)，可以不依賴于其他測繪儀器，直接使用智能平板完成數(shù)據(jù)采集，進一步減輕了外業(yè)工作的負擔。

(4)能實時定位當前測量人員的位置，提供移動位置服務，自動引導測量人員準確到達放樣點進行數(shù)據(jù)采集，有效減少了放樣時實際位置的調(diào)整次數(shù)和時間，極大提高了作業(yè)效率，經(jīng)統(tǒng)計其工作效率提高30%左右。

5 結(jié)論

(1)基于移動智能平板的中線放樣程序，其設計思想符合當前測繪領(lǐng)域逐步從傳統(tǒng)人工作業(yè)、數(shù)字作業(yè)模式轉(zhuǎn)型為數(shù)字智能、移動采集、高度可視化的作業(yè)模式，能夠有效提高野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和效率，能很好地減輕測量人員的作業(yè)強度和負擔。

(2)采用移動智能平板進行鐵路放樣測量，其精度滿足鐵路工程測量規(guī)范要求。

(3)移動智能設備逐步取代傳統(tǒng)的測量模式，隨著移動智能平板在鐵路勘測領(lǐng)域的應用，必將提高移動測繪技術(shù)在鐵路勘測領(lǐng)域的技術(shù)水平。

隨著移動智能設備、多星定位技術(shù)、COSR網(wǎng)絡RTK、5G/6G移動通信技術(shù)的進一步發(fā)展，未來會有更多、更全面、更專業(yè)的移動智能測繪設備和軟件系統(tǒng)服務于測繪以及鐵路勘測設計領(lǐng)域,以提高鐵路勘測設計信息化建設，并進一步改善測量人員的作業(yè)條件，真正做到外業(yè)測量的可視化、輕便化、自動化、智能化。