CN109916430B

CN109916430B - 一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法

Info

Publication number: CN109916430B
Application number: CN201910152272.6A
Authority: CN
Inventors: 李学仕; 梅熙; 卢建康; 杨锋; 周世明
Original assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Current assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: CN109916430A

Abstract

一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法，以快速进行自由测站边角交会网测站观测数据质量评价与检查，防止出现较大误差或粗差，保证测量精度。利用自由测站边角交会网测量的相邻测站观测的全部公共点的各自站心坐标，进行网形相似变换，根据坐标变换的中误差就可以直观的从整体上对两测站观测网形的符合程度与观测精度进行评价；根据变换后各点的坐标残差大小，可以快速准确识别出观测中的粗差点，以便进行检查与组织补测；通过选择测站坐标系坐标轴方向，直观呈现了重点关注目标对象的物理参数，便于进行分析判断；解决了无法采用闭合差方式进行观测质量评价与检查的问题，确保外业观测质量。

Description

一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法

技术领域

本发明涉及工程测量观测技术领域，特别涉及一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法。

背景技术

高速铁路安全、舒适运行依赖于高平顺性的轨道，而铁路工程精密测量控制网是其根本保证，尤其是轨道控制网(CPⅢ网)作为轨道安装、维护的依据，其精度、质量至关重要。我国高速铁路轨道平面控制网(CPⅢ平面控制网)采用自由测站边角交会网建立。

铁路自由测站边角交会网，是由沿铁路线纵向每50～70m、在线路左右两侧各布设一个控制点而形成的若干横向点对组成。这些CPⅢ控制点采用预埋件形式，观测时通过连接杆安装精密棱镜，供全站仪测量。CPⅢ平面控制网的自由测站间距一般约为120m，自由测站到CPIII点的最远距离不大于180m，每个CPIII点至少保证有3个自由测站的方向和距离观测。将CPⅢ点对间距增加至200～300m，就成为铁路隧道洞内线路控制网(CPⅡ网)的形式。

标准轨道控制网(CPⅢ网)形中自由测站间距为隔2对CPⅢ点，相邻测站观测的CPⅢ点中有4对共8个公共点；当遇到障碍物或通视受限时，可将相邻自由测站的间距缩短为隔1对CPⅢ点，相邻测站观测的CPⅢ点中有3对共6个公共点。控制网依靠相邻测站公共点组成的整体网向前延伸。

外业测量需要对观测质量进行控制以获得满足精度要求的观测数据。测量规范中规定了测站观测的方向值、距离和天顶距观测需要满足的限差，包括视准轴与横轴误差值2C、同一测回中各方向的2C互差、各测回方向值较差、测距读数较差和各测回距离较差、竖直度盘指标差与各测回指标差互差等指标。在测站观测过程中，如果观测目标点设置不到位、棱镜松动、外界观测条件变化等，仅通过上述测站观测限差是无法及时发现的，需要通过重复观测比较与多余观测条件检核才能发现。由于自由测站边角交会网不在观测点上设站观测的特点，因此无法象传统导线网那样由观测路线形成闭合环、检查闭合环的角度闭合差、坐标闭合差。测量规范中也没有相关闭合差的规定。

另外有研究文献《高速铁路CPⅢ平面网的闭合差研究及其应用》，根据CPⅢ网形相邻测站重复观测相同CPⅢ点的特点，检查横向、纵向CPⅢ点间的距离较差(闭合差)，通过模拟计算,给出了CPⅢ网纵横向闭合差极限误差的建议值，作为CPⅢ网外业观测数据是否合格以及是否含有粗差的检核标准。该方法需要计算出测站中所有横向、纵向CPⅢ点组合的间距进行比较，点间距离不同则需要重新进行计算允许误差，也未进一步给出如何进行粗差定位的方法。

随着自由测站边角交会网测量方法的广泛应用(如铁路轨道控制网CPIII网、隧道洞内自由测站边角交会网、自由测站边角交会的监测网等)，亟需一种快速、简便的数据质量检核与控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法，以快速进行自由测站边角交会网测站观测数据质量评价与检查，防止出现较大误差或粗差，保证测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法，包括如下步骤：

①按常规方法进行自由测站观测各方向点的方向、距离和天顶距，测站观测限差满足相关规范规定要求，然后根据测站到各方向点的方向值、斜距和天顶距的测站平差值计算出测站各方向点的站心坐标系坐标X、Y、Z；在计算第一测站各方向点的站心坐标系坐标时，以测站点为坐标原点，坐标为(0，0，0)，以各方向点的方向值作为方位值，由测站到各方向点的斜距、天顶距计算出平距，按坐标增量计算方法计算各方向点的X、Y坐标，根据测站到各方向点的斜距、天顶距计算各方向点的高差及Z坐标；

②测站迁至后一测站测量，并按与前述第一测站相同的方法计算第二测站各方向点的站心独立坐标系的初始坐标(X'、Y'、Z)，再根据测量需要或关注重点确定第二测站的站心坐标系坐标轴方向，将轨道控制网(CPIII)的纵向设为站心坐标系的纵坐标轴的方向，然后将第二测站初始站心坐标(X'、Y')通过平移、旋转计算，转换为第二测站最终的站心坐标系坐标(X、Y、Z)；

③对于相邻两个独立测站观测的公共点的两套坐标，采用平差方法、按同精度观测各点定权均为单位权，计算将公共点在前一测站的站心坐标系坐标相似变换到本测站的站心坐标系的转换参数，根据需要计算按二维平面网三参数变换方法的平移和旋转三个参数或按三维网六参数变换方法的平移和旋转六个参数；使用变换参数将公共点在前一测站的站心坐标系坐标变换到本测站站心坐标系的坐标，并计算出与本测站站心坐标系坐标比较的差值即坐标残差；

④根据平差计算后的单位权中误差大小，进行测站观测质量评价，检查坐标变换后各点的坐标残差大小是否超过设定的阈值进行粗差检查定位；

⑤测站迁至后一测站测量，重复步骤①至步骤④，检查相邻测站观测质量与粗差，直至完成所有测站观测与质量检查。

本发明的有益效果是，利用自由测站边角交会网测量的相邻测站观测的全部公共点的各自站心坐标，进行网形相似变换，根据坐标变换的中误差就可以直观的从整体上对两测站观测网形的符合程度与观测精度进行评价；根据变换后各点的坐标残差大小，可以快速准确识别出观测中的粗差点，以便进行检查与组织补测；通过选择测站坐标系坐标轴方向，直观呈现了重点关注目标对象的物理参数，便于进行分析判断；解决了无法采用闭合差方式进行观测质量评价与检查的问题，确保外业观测质量。

附图说明

本说明书包括如下一幅附图：

图1是本发明一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法中标准CPⅢ网自由测站边角交会平面测量、平面三参数坐标变换的示意图。

图中，圆圈及标注010301、010302……010319、010320数字表示CPIII控制点及其点号；方框及标注0、1、2、3、4表示自由测站点及其点号；标注60m表示CPIII控制点的纵向间距60m；实线表示自由测站观测CPIII点的视线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

①按常规方法进行自由测站观测各方向点的方向、距离和天顶距，测站观测限差满足相关规范规定要求，然后根据测站到各方向点的方向值、斜距和天顶距的测站平差值计算出测站各方向点的站心坐标系坐标X、Y、Z；在计算第一测站各方向点的站心坐标系坐标时，以测站点为坐标原点，坐标为(0，0，0)，以各方向点的方向值作为方位值，由测站到各方向点的斜距、天顶距计算出平距，按坐标增量计算方法计算各方向点的X、Y坐标，根据测站到各方向点的斜距、天顶距计算各方向点的高差及Z坐标。

②测站迁至后一测站测量，并按与前述第一测站相同的方法计算第二测站各方向点的站心独立坐标系的初始坐标(X'、Y'、Z)，再根据测量需要或关注重点确定第二测站的站心坐标系坐标轴方向(如高速铁路的平顺性要求需重点关注轨向精度)，将轨道控制网(CPIII)的纵向设为站心坐标系的纵坐标轴的方向，然后将第二测站初始站心坐标(X'、Y')通过平移、旋转计算，转换为第二测站最终的站心坐标系坐标(X、Y、Z)；

所述步骤①中，计算自由测站站心坐标系独立坐标。以测站点为坐标系原点，坐标为(0，0，0)。以测站到各方向点的方向值作为方位值，按下式计算各方向点的坐标：

X_i＝D_i×cos(V_i)×cos(L_i)，

Y_i＝D_i×cos(V_i)×sin(L_i)，

Z_i＝D_i×sin(V_i)+(D_i×cos(V_i))²/2/R。

式中，X_i、Y_i、Z_i为各方向点的测站坐标系坐标；

i为各方向点序号；

D_i为测站观测的到各方向点的斜距；

L_i为测站观测的到各方向点的方向值；

V_i为测站观测的到各方向点的天顶距；

R为地球平均半径。

所述步骤②中，按步骤①的方法计算第二测站的测站坐标系初始坐标：

X'_i＝D_i×cos(V_i)×cos(L_i)，

Y'_i＝D_i×cos(V_i)×sin(L_i)，

Z_i＝D_i×sin(V_i)+(D_i×cos(V_i))²/2/R。

根据关注重点选择测站坐标系坐标轴的方向，如轨道控制网测量中把轨道控制网的纵向设为坐标纵轴方向以便检查轨道控制网横向精度，在桥梁平面监测中把桥梁轴向设为坐标轴纵向以便直观发现桥梁监测点的纵、横向位移；将测站初始坐标进行旋转计算，获得测站坐标系最终坐标(X_i、Y_i、Z_i)。

所述步骤③中，采用按等权平差方法计算两测站公共点的坐标转换参数，再对第一测站的坐标进行转换计算，并计算出转换后的坐标与第二测站各点坐标间的残差。

所述步骤④中，根据平差后的单位权中误差评价测站观测精度；根据坐标转换后各点的坐标残差大小，判断测站观测的粗差点位。

参照图1，以标准CPⅢ网自由测站边角交会平面测量、平面三参数坐标变换为例，具体步骤如下：

1、按常规方法在自由测站1观测010301、010302、010303、010304、010305、010306、010307、010308、010309、010310、010311、010312各点的方向值、斜距和天顶距，然后根据测站平差值(测站到各方向点的方向值、斜距、天顶距)，计算测站1观测的各方向点的站心坐标系独立坐标(X¹ ₀₁₀₃₀₁、Y¹ ₀₁₀₃₀₁、X¹ ₀₁₀₃₀₂、Y¹ ₀₁₀₃₀₂......X¹ ₀₁₀₃₁₁、Y¹ ₀₁₀₃₁₁、X¹ ₀₁₀₃₁₂、Y¹ ₀₁₀₃₁₂)；

2、测站迁至下一测站2测量010305、010306、010307、010308、010309、010310、010311、010312、010313、010314、010315、010316点的方向值、斜距和天顶距，计算测站2观测的各方向点的站心坐标系独立坐标(X'² ₀₁₀₃₀₅、Y'² ₀₁₀₃₀₅、X'² ₀₁₀₃₀₆、Y'² ₀₁₀₃₀₆......X'² ₀₁₀₃₁₅、Y'² ₀₁₀₃₁₅、X'² ₀₁₀₃₁₆、Y'² ₀₁₀₃₁₆)。两个相邻测站有8个公共点(010305、010306、010307、010308、010309、010310、010311、010312)。010305～010311为轨道控制网(CPIII网)纵向，作为测站坐标系纵坐标轴的方向，将初始坐标接旋转，计算测站坐标系最终坐标：

010305～010311的初始方位为α，最终方位为0；010305初始平面坐标(X'² ₀₁₀₃₀₅、Y'² ₀₁₀₃₀₅)，可根据需要设置其最终坐标，这里设其最终坐标不变，

X² ₀₁₀₃₀₅＝X'² ₀₁₀₃₀₅、Y² ₀₁₀₃₀₅＝Y'² ₀₁₀₃₀₅,

其他点的测站最终坐标按下式计算：

X² _i＝X² ₀₁₀₃₀₅+(X'_i-X² ₀₁₀₃₀₅)×cosα+(Y'_i-Y² ₀₁₀₃₀₅)×sinα

Y² _i＝Y² ₀₁₀₃₀₅-(X'_i-X² ₀₁₀₃₀₅)×sinα+(Y'_i-Y² ₀₁₀₃₀₅)×cosα

式中i为测站方向点序号，i＝010306、010307、010308、010309、010310、010311、010312。

3、将两个相邻独立测站1和测站2观测的所有8个公共点(010305、010306……010311、010312)组成网，进行三参数坐标相似变换，即：根据(X¹ ₀₁₀₃₀₅、Y¹ ₀₁₀₃₀₅、X¹ ₀₁₀₃₀₆、Y¹ ₀₁₀₃₀₆......X¹ ₀₁₀₃₁₁、Y¹ ₀₁₀₃₁₁、X¹ ₀₁₀₃₁₂、Y¹ ₀₁₀₃₁₂)以及(X² ₀₁₀₃₀₅、Y² ₀₁₀₃₀₅、X² ₀₁₀₃₀₆、Y² ₀₁₀₃₀₆......X² ₀₁₀₃₁₁、Y² ₀₁₀₃₁₁、X² ₀₁₀₃₁₂、Y² ₀₁₀₃₁₂)两套坐标，按各点等精度定权为1、最小二乘法原理与稳健估计方法，计算出(X¹ ₀₁₀₃₀₅、Y¹ ₀₁₀₃₀₅、X¹ ₀₁₀₃₀₆、Y¹ ₀₁₀₃₀₆......X¹ ₀₁₀₃₁₁、Y¹ ₀₁₀₃₁₁、X¹ ₀₁₀₃₁₂、Y¹ ₀₁₀₃₁₂)转换到(X² ₀₁₀₃₀₅、Y² ₀₁₀₃₀₅、X² ₀₁₀₃₀₆、Y² ₀₁₀₃₀₆......X² ₀₁₀₃₁₁、Y² ₀₁₀₃₁₁、X² ₀₁₀₃₁₂、Y² ₀₁₀₃₁₂)的平移、旋转三个坐标转换参数(ΔX、ΔY、Δα)。

设未知数

为平移参数(Δx、Δy)以及kc、ks，即

其中参数代换kc＝cos(Δα),ks＝sin(Δα),Δα＝tan^-1(ks/kc)。

列立误差方程：

以及条件式方程：

[0 0 2 2][Δx Δy kc ks]^T-[1-ks⁰×ks⁰-kc⁰×kc⁰]＝O或

式中k_s ⁰、k_c ⁰为近似值。

设各点等权观测，验前单位权中误差取为设计精度值(如1mm)，观测值的方差则为

按附有条件的间接平差方法，由基础方程：

建立法方程：令N＝B^TPB,W_t＝B^TPl，及

则有方程

即N_YY+W_Y＝O

解算得

与

将

回代得到改正数

同时根据各点坐标改正数v计算验后单位权中误差:

稳健估计时，对改正数逐个检查，按丹麦法取

修改观测值的方差，

D_ii、

为修改前、后的方差，迭代平差计算得到最终平差结果。

4、用三参数转换方法和转换参数(ΔX、ΔY、Δα)，将所有8个公共点(010305、010306……010311、010312)在测站1站心坐标系的坐标，转换到测站2站心坐标系中的转换坐标(X^转 ₀₁₀₃₀₅、Y^转 ₀₁₀₃₀₅......X转₀₁₀₃₁₂、Y^转 ₀₁₀₃₁₂)，并与(X² ₀₁₀₃₀₅、Y² ₀₁₀₃₀₅......X² ₀₁₀₃₁₂、Y² ₀₁₀₃₁₂)比较差值得到坐标残差(ΔX₀₁₀₃₀₅、ΔY₀₁₀₃₀₅……ΔX₀₁₀₃₁₂、Δ_Y010312)。

j为公共点编号(010305、……、010312)。

5、检查平差后的验后单位权中误差，评价测站观测精度，例如验后单位权中误差小于0.7mm(相当于点位中误差1.0mm)，认为观测精度达到要求。

6、检查转换后的各点坐标残差ΔX_j、ΔY_j的大小进行粗差定位，例如坐标残差绝对值超过2.0mm表示到该方向点的观测值精度不足或有粗差，需要进行对该点进行重测。

7、迁站到自由测站3，继续观测010309、010310……010316、010317……010319、010320点的方向、距离和天顶距，按上述1、2、3、4步中的方法进行站心坐标系坐标计算，将前一测站的坐标按三参数坐标转换到本测站的站心坐标系，根据平差后的验后单位权中误差评价测站观测精度、根据坐标残差检查测站观测粗差，直至完成所有自由测站的数据质量检查。

本发明利用自由测站边角交会网测量的相邻测站观测的全部公共点的各自站心坐标，采用平差法进行网形相似变换，根据坐标变换的中误差就可以直观的从整体上对两测站观测网形的符合程度与观测精度进行评价。根据变换后坐标残差大小，可以快速准确识别出观测中的粗差点，以便进行检查与组织补测，以保证外业观测质量；通过选择测站坐标轴的方向以呈现重点关注目标对象的物理参数，便于进行分析判断。本发明解决了无法采用闭合差方式进行观测质量评价与检查的问题，防止出现粗差，从而保证测量精度。

以上所述只是用图解说明本发明一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims

1.一种自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法，包括如下步骤：

②测站迁至后一测站测量，并按与前述第一测站相同的方法计算第二测站各方向点的站心独立坐标系的初始坐标(X'、Y'、Z)，再根据测量需要或关注重点确定第二测站的站心坐标系坐标轴方向；将轨道控制网(CPIII)的纵向设为站心坐标系的纵坐标轴的方向，然后将第二测站初始站心坐标(X'、Y')通过平移、旋转计算，转换为第二测站最终的站心坐标系坐标(X、Y、Z)；

2.如权利要求1所述自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法，其特征是：所述步骤①中，计算自由测站站心坐标系独立坐标。

3.如权利要求1所述自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法，其特征是：所述步骤②中，根据测量需要和关注对象重点目标，对测站坐标系坐标进行平移、旋转转换，得到测站坐标系最终坐标。

4.如权利要求1所述自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法，其特征是：所述步骤③中，采用按等权观测定权、按平差方法计算坐标转换参数，然后再计算转换坐标与转换后的坐标残差。

5.如权利要求1所述自由测站边角交会网测站观测数据质量检查与评价方法，其特征是：所述步骤④中，根据平差后的单位权中误差评价测站观测精度是否满足设计精度要求；根据坐标转换后的坐标残差大小是否超过设定阈值，判断测站观测中有粗差的点位。