铁路工程测量方法与实施步骤研究

封钦

摘 要:本文基于笔者多年从事铁路工程测量的相关工作经验,以GPS RTK技术在铁路线路测量中的应用为研究背景,深度探讨了GPS RTK技术用于铁路工程测量的必要性、作业流程和优点,论文结合笔者参与的具体工程实例进行了剖析,给出了具体的操作流程,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词:GPS RTK线路测量定线测量断面测量定位测量

中图分类号:TB22 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(b)-0036-02

在铁路工程测量中,常规地面测绘技术主要利用电子全站仪、水准仪等地面测量仪器,配合其他测量工具(如皮尺、塔尺等)进行。这种测量模式存在着作业人员和仪器设备多、野外工作量大、工作效率低、测量误差累积、现场测量成果不直观、自动化程度较低等诸多缺点。这些问题在工程测区内的通行、通视条件差时更显突出。相比之下,近年来出现的GPS-RTK定位技术具有实时、快速、精度好、所需控制点少、外业工作量小、自动化程度高等优点,从而能有效地克服常规地面测量技术不能很好解决的通行、通视等困难。显然,RTK技术为铁路工程测量开辟了一种全新的、高效的测量模式。本文结合某铁路工程测量实践,阐述了GPS-RTK技术应用于工程测量中的原理、作业流程和技术要点,通过试验分析,总结出了具体应用中应注意的主要问题,对类似工程具有一定的参考价值。

1RTK定位原理、方法及作业流程

1.1 GPS-RTK技术的工作原理

GPS-RTK是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供观测点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。GPS-RTK定位由基准站和流动站两部分组成。基准站一般选设在视野开阔、地势较高的高等级已知控制点上,它主要是对GPS卫星进行连续跟踪观测,并通过数据链实时地将载波观测数据及基准站信息发送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果。

1.2 GPS-RTK定位的作业流程

作业流程如图1所示。

(1)基准站的设置。根据工程需要在当地收集高等级已知控制点,并对收集到的控制点进行必要的检测,以保证起算数据准确可靠。多数情况下,收集的已知控制点不便于工程直接使用,此时要在测区内布设若干控制点,联测坐标与高程。RTK定位测量时,在选定的基准站上安置接收机,正确配置参数。(2)坐标系统转换。一般工程项目的建设都是在地方独立坐标系中进行,因此需要计算坐标转换参数。利用控制点(至少三个)进行RTK参数修正(必须解得七参数),求出坐标转换参数后,利用测量控制器即可实时解算出定位点的工程独立坐标。3)流动站测量定位。坐标转换参数确定无误后,即可在测区根据工程需要进行相关的测量定位放样和测绘工作。

1.3 GPS-RTK测量技术的主要优点

(1)可大幅度地减少控制测量的工作量。在常规地面测量中,一般按“先控制,后碎部”的原则,首先逐级布设测区控制网,然后再利用控制点进行碎部测量。而GPS-RTK技术则可免除繁琐复杂的分级控制测量工作,只需在测区布设少量控制点以建立基准站即可满足需要。(2)可全天候作业。在任何时间任何地点,只要能同时接收到4颗GPS卫星的信号,并满足一定的几何图形条件,即能进行正常作业。(3)可根据要求精度来设置。实践表明:当观测条件良好时,采用性能良好的双频接收机观测2s～5s即可得到厘米级的定位结果,并且测量误差不会逐点积累,能显著降低外业返工率。(4)测量过程直观。采用RTK进行测量定位放样时,利用流动站接收机的测量控制器能直观地对测量过程进行有效控制,能及时查看坐标定位精度,这是常规测量技术无法实现的。(5)在地形起伏大、植被茂密的地区进行测量时,RTK技术能很好地解决测量过程中因通行、通视不便而造成的难题。

2工程概况

某12km铁路工程项目穿过一省级森林公园,沿线地形复杂、山体高差较大(最大值达400m)、植被茂密、荆棘丛生。该铁路工程由隧道、桥梁、路基等分项工程组成,其中隧道11座,共长12901m(左、右线合计);特大、大、中桥13座,共长7359m(左、右线合计),匝道桥长5030m;桥、遂连接路线长约1500m。工程所处的特殊地理地形条件和工程自身的复杂性,对工程测量工作提出了很高的要求,同时,项目工期要求十分紧迫,又进一步加大了测量工作的难度。

3测量方法与步骤

3.1 基准站设置

由于收集到的已知控制点距线路较远,因此在线路附近按规范要求布测了15个平面兼高程控制点,用作GPS基准站。平面控制网按C级GPS静态相对测量精度施测,并按三等精度联测水准高程。相邻控制点平均间距大约为1km,最大间距为3km左右。

3.2 坐标转换参数的确定

由于本项目所在区域地理环境的特殊性,采用常规测量方法很难在短时间内完成如此大工作量的测量工作,因此必须应用先进的GPS-RTK技术。使用的仪器为Trimble 5700型GPS接收机,转换参数的确定有两种方法。

(1)利用RTK设备中测量控制器在现场进行测算,首先从平面控制点中选择至少三个点(三个点均要有高程),将其准确的当地坐标输人控制器中,然后在现场进行逐点定位测量,观测时间不少于5min,当三个点测量完成后,既可利用测量控制器中的自带软件计算出坐标转换参数。通过实践证明这种方法在现场花费时间较多,并不实用。(2)利用步骤1中得到的各个控制点的大地经纬度和测算出的当地坐标,在内业中计算得到坐标转换参数,直接将参数输人测量控制器。实践证明,这种方法算得的参数准确、花费时间较少。

得到参数后,在现场对控制点进行检核测量,每个检查点上观测3s。将GPS静态观测成果与RTK观测成果进行对比,对比结果见表1。

由表1可得知,RTK定位成果能满足铁路工程中一般测量工作的精度需要。

3.3 分项测量

(1)普通控制测量。在收集的已知点或利用相对静态技术加密的GPS控制点上,采用RTK技术连续观测3min～5min加密测设部分控制点,满足局部区域使用全站仪进行分项工程测量的需要。

(2)定线放样。预先在测量控制器中输人线路中线的曲线要素,即可自动生成线路图。在整个放线过程中,控制器实时显示测点里程和偏移距,从而指导线路放线工作。

(3)地形测绘。利用RTK进行沿线及各工点局部地形测绘,因为一台基准站可以同时供多个流动站使用,因此外业测量中可以分若干小组同时开展工作,能显著提高测图效率。采用这种技术可独立地完成绝大部分的地形测绘工作,当测点位于高山密林且地势特别低洼处时,GPS信号严重受阻,则可采用RTK与全站仪相结合的方法测绘局部地形,即利用RTK技术测设必要的图根点,再设全站仪进行碎部测量。实践证明:RTK技术与常规地面技术的合理组合是解决复杂条件下地形测绘的一条切实可行的途径。

(4)纵、横断面测量。本工程包括了隧道、桥梁和路基等多个分项工程,纵、横断面测量工作量大、工期紧、精度要求高,且现场地形情况十分复杂,若采用常规的地面测量方法,不仅效率低,而且很难保证测绘成果质量。本项目中采用RTK技术进行工程地形断面测绘,达到了灵活、高效和质优的效果。

(5)专业调查与测绘。本项目设计中要求进行桥梁、隧道、路基等各个专业的调查和测绘工作,比如改河改沟调查、涵洞调查,被交叉道路(管线)调查,线路附近重要建(构)筑物调查等,这些工作不仅要进行实地调查,还要进行必要的测绘。采用RTK作业就能真正做到需要什么测量什么,避免了常规方法作业时频繁支点和搬站的劳累,提高了工效,保证了成果质量。

4结语

GPS RTK技术的引进和应用,导致了铁路工程测量模式的一次根本性变革和发展。实践证明,RTK技术能显著提高测量效率、缩短工期、降低成本,同时具有精度可靠、方便实用和灵活多变的突出优点,它为复杂地形条件下的铁路工程测量开辟了一条崭新的和切实可行的技术途径。在山区复杂地形条件下进行铁路测量时,应采取有效措施克服RTK技术的不足,以提高测绘成果精度和作业效率。

在地形起伏较大、森林茂密的山区或建筑密集的城区,基站与流动站之间的数据链通讯难度显著加大,RTK的最佳作业半径往往比标称的有效作业半径小许多,因此,一般认为作为基准站控制点的点间距应在标称半径的2/3以内,考虑到铁路工程的复杂性,作者认为相邻控制点间距宜小于标称半径的1/2倍,且RTK作业半径宜控制在5km～8km以内。

同时,基准站应尽可能设在地势较高处。利用RTK进行工程测量时,控制点的数量比以往大大减少,各测点坐标均依据基准站解算而得,与传统作业模式相比,其测量检核条件也明显减少,因此,必须采取已知点校准、重复测量等手段来检查测量成果的精度及其可靠性,作业过程中必须通过GPS接收机控制器实时监控基准站和流动站的定位质量,同时必须严格遵守GPS测量中的相关技术规定,以确保测量成果的质量。

RTK技术具有很多优点,但同时也存在着一些缺点和不足,因此在实际测量中的质量控制是一个不容忽视的问题。作者认为,制定RTK测量方面的技术规范乃当务之急,值得有关部门高度重视。

参考文献

[1] 卢吉锋.RTK和全站仪在线路工程横断面测量中的应用[J].科技资讯,2010(1):66-67.

[2] 韩伟信.浅谈全站仪对边测量原理[J]. 科技创新导报,2010(2):194-195.