铁路中线测量数据自动化处理和质检方法研究

王大刚

(中国铁路设计集团，天津 300143)

1 概述

新建铁路中线测量是将铁路设计中线测设到地面的过程。 通常情况下，交叉测量工作(测量沿线道路、电线交叉等)与中线测量同时进行。 目前的测量方法主要有拨角法、极坐标法和GPS-RTK 法等[1]。 其中，GPS-RTK 技术以作业灵活、厘米级的定位精度、实时获取点三维坐标、误差不累积等优势，成为铁路中线测量的主要作业手段[2]。 具体操作方法:建立测区控制网，求解坐标转换参数[3]，根据设计线位要素创建道路文件，按照《铁路工程测量规范》[4]的施测要求，进行野外实地放样并记录测量成果。

GPS-RTK 作业方式能够有效提高测量速度，缩短项目周期。 就外业部分而言，相应的作业流程和质量控制措施已比较成熟。 张兴福[5]等对GPS-RTK 在中线测设方面的技术优势作了充分阐述，牛虎林[6]等从转换参数求解、作业过程规范化和仪器检验3 个方面，详细介绍了作业前和作业中的质量控制措施。 但是在内业数据处理过程中，相应的数据处理效率相对较低，需依靠人工方式对最后的数据进行复核。 现有的数据处理方法主要存在以下几点问题:

(1)数据处理操作步骤多，过程繁琐重复，用时较长。

(2)需要使用多个软件(Excel、AutoCAD、CASS)进行数据转换。

(3)数据质检工作靠人工完成，容易出现因人为操作不当导致的不规范现象和质量问题。

针对上述问题，提出一种铁路中线数据自动化处理方法，围绕设计中线成果转换、交叉测量信息提取、数据自动化质检3 个方面开展算法设计。

2 中线测量成果和交叉测量成果自动化处理

新建铁路设计中线实地测设过程中，中线放样点形成的纵断面应当有效反映沿线地形变化，在重要地形、地物特征点处需进行加桩[7]，对沿线道路、电线、管线等需进行交叉测量，并记录现场信息。 既有作业方式为Excel 手动编辑作业:对沿线测量数据进行逐段落检查，然后进行数据提取和编辑，通过CASS 插件将点集合展绘到AutoCAD 中[8]，进行交叉距离和方位角度量测，最后录入外业记录属性信息，将资料成果整理提交。

2.1 数据文档解析

目前，常用的GPS-RTK 接收机品牌主要有南方、华测导航、天宝等[9-11]，如表1 所示。 不同的仪器具有不同的数据格式，通过对不同数据的解析，实现中线桩数据、交叉测量点数据、地形测量点数据、质检点数据的提取和拆分，用于后续各步计算。

表1 常用仪器型号的数据格式

2.2 中桩数据处理转换

为改善原有放样成果数据的处理方式，在吸收以往处理经验的基础上，对传统内业数据处理流程进行了改良(见图1)，体现为以下3 点:

图1 中桩数据成果流程

①将流程化的数据检查和计算操作改用计算机编码实现，实现桩号点自动提取、分组、粗差检查、去重、内插等操作，以替代电子表格大量的计算操作。

②建立外业地理要素备注符号库，对中线测量中涉及到的地理、地形要素进行统一建库处理，达成统一规范的记录格式。

③实现数据成果的一键式输出，同时输出问题处理报告，便于数据处理人员对原始和成果数据进行检查。

由图1 可知，针对不同格式的数据，计算机自动进行放样数据提取，结合测量区间资料，自动进行中桩提取、规则检查，对处理结果进行标记和注记替换，输出为标准数据格式(保留中间数据成果和数据处理报告)。

2.3 交叉数据处理

铁路交叉测量是指铁路线路与电线、管线、公(道)路之间交叉关系(平面关系和高程关系)的测量，以及交叉对象的几何和物理属性信息的获取，是专线调查测量的重要基础工作，可为后续桥梁、涵洞等重要工点设计提供参考依据[12]。

为实现交叉测量成果的自动化，依据地物标注信息自动提取交叉中心点并匹配交叉测量点的数据信息。

以道路交叉为例，在外业测量时，可对交叉测量采样点(按照预先定义的数据标注格式)进行数据标记，也可通过预处理进行检查和修改(见图2)。 在内业处理过程中，按照里程和编号，自动对交叉点和角度计算点进行匹配，从而提取交叉角度、距离和道路(电线)属性等信息，完成交叉测量成果的自动输出，数据处理流程如图3 所示。

图2 交叉测量中桩点和方向点备注样例

图3 中线交叉测量示意

交叉角度计算方式为面向大里程方向右拨，采用向量法求解，根据交叉中心点和交叉外地形点的里程信息和坐标，采用向量法求解方位和交叉角度。

图4 向量法求取交叉角度示意

如图4 所示，A 为道路或电线和设计线位的交叉点，B 点为中线点，C 点为线外交叉测量点，根据A、B点里程确定向量起点和终点，设B 里程大于A，则确定向量和不在其直线AB 上的点C，由公式(1)求叉积

可确定点C 位于直线AB 的左右侧，通过公式(2)计算道路交叉角度

AgAB，AC为直线AB 与AC 的夹角，S 为式(1)中向

经过自动计算后的交叉成果，作业人员可对其他属性信息进行补充和必要检核，即完成交叉测量成果输出，避免在AutoCAD 软件中的大量操作。

3 自动质检和数据规范化管理

中线测量和交叉测量成果是桥梁、路基等专业开展后续设计的首要基础资料。 目前，GPS-RTK 中线作业过程中的质量问题时有发生，严重时会引起勘测和设计的变更，造成经济损失，只有开展作业全过程的质量控制才能有效降低数据成果的质量风险[13]。 宋纪五[14]等对中线外业作业流程方面的质量控制做了系统分析，孙玉国[15]等对区域投影变形问题做了系统论证，测量前期准备工作和测量过程中质量控制的相关研究已相对较为成熟，但对数据后处理环节质量检查研究的关注程度不够。 加强该环节过程中的质量控制，一方面能够避免人为数据处理的疏漏，及时发现数据中存在的问题并开展补测工作;另一方面，可有效指导外业测量工作，对后续作业起到一定的指导和约束作用。

3.1 观测数据质检

传统处理方式中，观测数据的质检工作主要靠人工完成，存在质检不全面、粗差不易发现等问题。 新方法中，将质检内容通过算法编程实现，在中线数据处理时对数据进行逐项复核，生成数据处理报告。 主要质检内容如下。

(1)测量基本要求检查

对当日观测数据进行基础检查，包括平面放样误差、采样时间、直线段和曲线段桩距检查、剔除粗差点和重复采样点(如表2)。

表2 中线放样要求

(2)测量规范性检查

①高程突变点检查

引入数据纵断面突变点检查，检查中线纵断面的高程突变点问题，在中线采集过程中，应当避免放样缺失导致的高程突变，即在中线纵断面上不应出现突变的锐角。 检测方法:对任意一个中桩点和其前后中桩点，角度阈值小于75°时会被认定为突变点，需要检查是否存在漏桩或高程问题。 设P 点为某中桩放样点，A、B 分别为P 点的前后中桩放样点，则该点在纵断面上角度表示为

Cp表示∠APB 所构成夹角的余弦值，chAB表示A、B 两点间的空间距离，MA和HA分别表示A 点的里程和高程。

②地物标注信息的检查

对外业地物边界采样点进行标记检测，对房屋、道路、沟渠等地物采样点的信息完整性进行检查，对河流沟底高程缺失进行标记，避免重要工点的高程信息遗漏。

(3)数据衔接检核

实现多组数据的中线桩衔接自动检核，限差如表3 所示，该检核方法有助于及时发现外业观测数据的衔接问题，及时发现作业中存在的质量问题。

表3 中线桩衔接数据检核限差 mm

当日单组数据处理完成后，即时生成数据处理报告(如图5 所示)，便于查找观测数据存在的质量问题，对观测区域数据质量有一个直观的把握，便于及时进行必要的内业和外业处理，为数据质检留存完整的历史记录。

3.2 数据成果的标准化控制

在数据处理过程中，由于作业人员的技术水平差异，导致数据处理成果不规范的现象时有发生，给项目工作的顺利进行带来一定的压力。 采用软件方法[16]实现对数据高效有序的分类管理，可以有效提高项目的完成质量。

图5 数据处理报告

(1)数据文整格式规范化

实现数据成果输出的标准化，严格控制数据成果输出的标准性和规范性，避免数据资料混乱，降低项目管理成本。

(2)建立完善的项目管理机制

建立从项目开始到项目结束的闭环管理。 以项目为管理单位，将作业时间、作业内容、作业人员作为数据管理节点，存储各阶段的原始数据、质检数据和成果数据，建立项目数据资料库，实现数据成果的规范化管理。

4 计算结果分析

在算法研究的基础上，研发了专用数据处理软件(CRDC_MLDPROCESSOR)。 该软件采用Qt 框架搭建图形界面，软件界面如图6 所示。 选取某新建铁路项目2 组测量数据进行处理，并结合人工处理方式开展对比。

图6 中线数据处理软件界面

如表4 所示，在两种作业方式输出成果一致的前提下，采取手动处理方式所用时间分别为118 min 和141 min，程序的运行时间均为秒级(前期需少量时间进行数据预处理)，处理时间大为缩短。

表4 不同组数据软件和人工处理结果对比

从处理方式来看，该软件为后台处理，实现了从原始数据到各成果的自动化生成，其处理过程多采用计算机算法实现，只需要少量的人工操作。 从处理效率来看，内业时间大大缩短，在地形复杂地区的优势更为明显。 从数据规范程度来看，采用统一格式和规范命名的方法，避免了不规范现象，提高了成果的精度。