既有铁路横断面数字化采集方法的研究

周世明 周玉辉 张献州 丰立柱 莫 春

(1.中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031； 2.西南交通大学测量工程系, 四川成都 610031)

在铁路建设过程中,既有线的测量是必不可少的,而其野外采集数据量大,受行车干扰大,若采用传统的手工记录方式,不但劳动强度大,而且不能实时查看所测数据是否与实际相符。而PDA(Personal Digital Assistant)由于体积小、重量轻、极易携带、速度快、内存大、软件和数据发展空间大等优点,使得其在测量上有着广阔的应用,本文针对不同的情况,介绍在PDA上开发的既有铁路横断面数字化采集测量软件。

1 采集软件的开发

1.1 操作系统的选择

选用Windows2000作为开发环境的操作系统；对PDA上的嵌入式操作系统采用微软的Windows CE。本系统选择.NET作为开发环境。

1.2 采集方法的研究

既有线横断面的采集有两种常用方法：中线上置镜法、中线外置镜坐标法,以及斜交断面采集方法。中线上置镜法是比较传统的横断面采集方法,置镜中线上,测量平距和高差。中线外置镜坐标法分为带线位和不带线位(又称法线法或钢轨定向法)。

带线位断面采集,即指通过测量既有线平面后,拟合出曲线要素,然后根据这些要素构成线路方程,指定里程就可以得到该中线点坐标,采用边角后方交会得到置镜点坐标,构成了线路坐标系,这样就可以开始采集任意断面了。需要注意的是采集哪个里程断面数据时,就后视该里程,然后再进行断面数据采集；因为既有线线位是拟合出来的,和实地还是有些差异。故采用任意点置镜时要谨慎。

法线法采集(如图1所示),即不带线位既有线断面采集,采用后视钢轨两点,确定出钢轨的法线(即横断面方向)。该法需要利用方尺卡住钢轨,这样保证横断面线垂直于钢轨,因为该两点距离仅仅1.4 m左右,如果控制过长的断面线数据,要谨慎使用。

图1 既有线法线法断面采集示意

(1)设置镜点A坐标为(0,0,0),建立测站坐标系。

(2)测量左轨点后,计算得到左轨点B坐标(X1,Y1,H1)。

(3)通过“方尺”卡住钢轨后,测量右轨点C坐标(X2,Y2,H2)。

(4)左右轨点BC连线的中点即为钢轨中线位置点D坐标(X3,Y3,H3),BC旋转90°后得到线路方向线,若指定了线路走向,则可得到线路在D点处的切向方位角；然后,通过这几个关键元素,模拟生成一段直线线位,这样使不带线位的横断面采集和带线位横断面采集工作一致。

(5)如果左右轨点B或C高程已知(取较低点当作中桩高程),那么通过H测站+h仪器高=H目标+h棱镜高,计算得到置镜点A的高程。

斜交断面采集,需要指定或实测断面线与法线之间的夹角,然后和横断面的采集方法一致。

2 既有线横断面采集软件功能介绍

2.1 既有线横断面的采集设站与后视

基本同新线横断面采集的设站与后视。设站可以通过格网坐标、里程、手动输入或自由设站多种方式。

(1)格网坐标：选择或输入已知点坐标。

(2)里程：只需输入相应里程,若偏移量为负,则表示左轨，右轨为正值。程序通过线位元素计算该里程处指定轨的平面坐标。

(3)自由设站：观测两个已知坐标点,通过边角后方交会计算得到测站点坐标,基本同新线断面的自由设站。

(4)法线断面设站：通过钢轨两点确定断面方向。下面以法线断面法为例,讲解其具体使用步骤。

第一步,输入测站点名和仪器高后,点击“法线断面设站”,如图2所示。

第二步,输入里程、指定测站位置、观测钢轨后,“点击”计算按钮得到断面方向(如图3所示)。

图2 法线断面设站

第三步,开始断面数据采集,如图4、图5所示,既有线法线法按上面1、2两步操作,完成法线法断面采集的横断面定向工作,然后继续横断面的采集。

2.2 斜交断面既有线横断面的采集

有些涵洞、跨线等存在斜交情况,需要测量出涵洞中心线放线,该方法需要线位元素。

图5 中线上置镜坐标法

图6 与法线夹角

图7 斜交断面采集

(1)设站及后视

基本同新线横断面采集的设站与后视。设站可以通过格网坐标、里程、手动输入或自由设站多种方式。

(2)与法线夹角

斜交断面与某里程点法线之间的夹角,夹角可以是已知,也可以通过现场实测得出,如图6所示,指定与法线夹角。

(3)斜交断面采集

设置好断面线和与法线夹角后,就可以开始斜交断面的采集工作了,如图7所示。垂距指实测点与斜交断面线的垂直距离；偏距指实测点与该里程中桩之间的平距；高差指实测点与该里程中桩之间的高差。

3 结束语

该软件实现了与全站仪等野外数据采集系统实时通讯,直接将全站仪的数据传到PDA中,免去手工输入的繁琐。另一方面在台式机上开发一套相应的配套软件,用来处理从PDA上下载的数据,进行自动记录及计算曲线整正资料。软件在多条铁路线路改造和既有线维护中得到应用,并取得了良好的经济效益。

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