CN110345930B - 一种基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，该方法包括在初始设站点人工瞄准线路后视点，采用改进的布尔莎模型计算设站点坐标，在下一设站点利用里程计测量信息计算设站点里程，然后计算设站点的三维坐标，计算设站点到后视点的距离、水平角、竖直角，循环直至本段线路测量完成。本发明在初始设站点瞄准后视点后，采用改进的布尔莎模型，利用设站点里程、设计超高及纵坡等信息对设站点三维坐标以及设站点到后视点的距离、水平角、竖直角进行计算，从而实现在后续设站点无需瞄准测点进行自动测量，减少了测量工作量，提高了测量工作效率，降低了安全风险。

Description

一种基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法
技术领域
本发明属于测绘技术领域，具体设计一种基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法。
背景技术
全站仪自由测站测量已被广泛的应用到各个工程领域，发挥了很大的作用。全站仪自由测站测量技术从德国引进后，打破了传统测量模式，极大地提高了测量效率。全站仪自由测站测量其实指的是全站仪可以随意架设在某个地方，不需要对全站仪进行对中，只要对全站仪进行整平操作后就可以测量了。这种测量方式是以每一个测站建立一个对应的全站仪独立坐标系，不同的观测站具有不同的测站坐标系，所以全站仪在自由测站时可以自由架设仪器，以任意方向可为坐标北方向。由全站仪自由测站测量原理可知，全站仪在测量之前必须对其进行整平操作，而现如今，随着技术的进步，对测量人员的工作效率要求越来越高。例如，在高速铁路轨道运营维护期间，由于轨道在高速列车的长期重复施压和冲击下，将会导致轨道的横向和垂向发生变形和扭曲，从而影响轨道的平顺性，使得轨道处于不安全的状态，所以需要按时对轨道进行相应的检修工作。但是在高速铁路运营期间，轨道的检测和维护工作需要在有限的“天窗”时间内完成。为了更好更快的完成维护任务，此时需要更高的测量效率。如果无需对全站仪进行整平及尽最大程度减少人工瞄准目标棱镜的次数就能进行测量，那么将会显著地提高工作人员的测量效率、降低工作成本。
目前，虽然不整平自由设站有一定的进展，但每一站仍需要瞄准并测量三个点，并且一般在夜里测量，给测量人员带来很多不便。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，旨在解决既有方法中存在的以上全部或部分技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，包括以下步骤：
S1、在初始设站点人工依次瞄准线路两侧至少3个后视点，并测量后视点坐标；
S2、根据步骤S1测量的后视点坐标，采用改进的布尔莎模型计算设站点坐标及线路路程，并自动照准测量剩余后视控制点；
S3、推行全站仪设备至下一设站点，利用里程计测量两个设站点之间的里程差，根据上一设站点里程与测量的里程差计算本次设站点里程；
S4、根据设站点里程、设计超高及纵坡计算该设站点的三维坐标；
S5、根据设站点的三维坐标计算设站点到后视点的距离、水平角、竖直角，无需人工对准目标棱镜，全站仪自动照准后视控制点，。
S6、重复步骤S3至S5，直至本段线路测量完成。
作为上述不整平自由设站方法的进一步改进，所述步骤S1中，在初始设站点人工依次瞄准线路两侧共3个后视点。
作为上述不整平自由设站方法的进一步改进，所述步骤S2中，根据步骤S1测量的后视点坐标，采用改进的布尔莎模型计算设站点坐标及线路路程，具体包括以下分步骤：
S21、根据步骤S1在不整平状态下测量的后视点坐标，采用坐标转换方法计算设站点的近似坐标；
S22、计算设站坐标与线路坐标系的定向角差异；
S23、根据步骤S22得到的定向角差异对设站坐标系进行修正；
S24、采用布尔沙模型计算设站坐标系与线路坐标的相对关系；
S25、判断旋转角度是否小于设定阈值；若是，则结算结束；若否，则再次修正设站坐标系。
作为上述不整平自由设站方法的进一步改进，所述步骤S21中，采用坐标转换方法计算设站点的近似坐标具体表示为：
Figure BDA0002141229000000031
其中，(X2,Y2)为全站仪不整平状态下的设站坐标系设站点坐标，(X1,Y1)为线路坐标系后视点坐标，m为尺度参数，a为旋转角度，(ΔX0,ΔY0)为平移参数。
作为上述不整平自由设站方法的进一步改进，所述步骤S24中，采用布尔沙模型计算设站坐标系与线路坐标的相对关系具体表示为：
具体表示为：
Figure BDA0002141229000000032
其中，(X2,Y2,Z2)为设站坐标系坐标，(X1,Y1,Z1)为线路坐标系坐标，(ΔX0,ΔY0,ΔZ0)为平移参数，(εX,εY,εZ)为旋转参数。
作为上述不整平自由设站方法的进一步改进，所述步骤S3中，根据上一设站点里程与测量的里程差计算本次设站点里程，具体为：
L新＝L上+Δl
其中，L新为本次设站点里程，L上为上一设站点里程，Δl为测量的里程差。
本发明的有益效果是：本发明在初始设站点瞄准后视点后，采用改进的布尔莎模型，利用设站点里程、设计超高及纵坡对设站点三维坐标进行计算，从而实现在后续设站点无需人工瞄准测点进行自动测量，减少了测量工作量，提高了测量工作效率，降低了安全风险。
附图说明
图1是本发明的基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法流程示意图；
图2是本发明中设站点的近似坐标转换示意图；
图3是本发明中线路坐标系与设站坐标系转换示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明的基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法流程示意图；一种基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，包括以下步骤：
S1、在初始设站点人工依次瞄准线路两侧至少3个后视点，并测量后视点坐标；
S2、根据步骤S1测量的后视点坐标，采用改进的布尔莎模型计算设站点坐标及线路路程，并自动照准测量剩余后视控制点；
S3、推行全站仪设备至下一设站点，利用里程计测量两个设站点之间的里程差，根据上一设站点里程与测量的里程差计算本次设站点里程；
S4、根据设站点里程、设计超高及纵坡计算该设站点的三维坐标；
S5、根据设站点的三维坐标计算设站点到后视点的距离、水平角、竖直角，并自动照准后视控制点。
S6、重复步骤S3至S5，直至本段线路测量完成。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S1为了减少了测量工作量，提高了测量工作效率，只需要在初始设站点人工依次瞄准线路两侧共3个后视点，即可实现后续步骤的不整平自由设站。
在本发明的一个可选实施例中，由于在铁路上，根据《铁路线路设计规范》规定，线路纵向的最大坡度为30‰；根据《铁路轨道设计规范》规定，曲线段的最大设计超高175mm。根据相应的指标的限值可以计算出，线路纵向的最大角度为1.72°，竖向的最大角度为6.67°，而线路横向的角度是固定的，在全站仪不整平测量时，测量的水平方向与线路横向的角度是任意的，因此布尔莎模型不能全部计算出不整平的独立坐标系与控制网坐标的关系。
在无砟轨道CPIII控制网中，由于在线路上，竖直方向以及线路前进方法的变化较小，因此只存在线路坐标系与设站坐标系的定向角方向差异，因此上述步骤S2通过对布尔莎模型进行改进，使得改进的布尔莎模型能够在铁路上进行不整平设站计算，具体包括以下分步骤：
S21、根据步骤S1在不整平状态下测量的后视点坐标，采用坐标转换方法计算设站点的近似坐标；
S22、计算设站坐标与线路坐标系的定向角差异；
S23、根据步骤S22得到的定向角差异对设站坐标系进行修正；
S24、采用布尔沙模型计算设站坐标系与线路坐标的相对关系；
S25、判断旋转角度是否小于设定阈值；若是，则结算结束；若否，则再次修正设站坐标系。
上述步骤S21中，由于线路坐标系与设站坐标系在Z轴方向上的角度较小，因此可以忽略Z轴方向上的坐标转换，只考虑X、Y轴组成的二维坐标系下的坐标转换，如图2所示，采用坐标转换方法计算设站点的近似坐标具体表示为：
Figure BDA0002141229000000061
其中，(X2,Y2)为全站仪不整平状态下的设站坐标系设站点坐标，(X1,Y1)为线路坐标系后视点坐标，m为尺度参数，a为旋转角度，(ΔX0,ΔY0)为平移参数。
上述步骤S24中，设线路坐标系为O1-X1Y1Z1，设站坐标系为O2-X2Y2Z2，线路坐标系与设站坐标系的关系如图3所示，采用布尔沙模型计算设站坐标系与线路坐标的相对关系具体表示为：
具体表示为：
Figure BDA0002141229000000062
其中，(X2,Y2,Z2)为设站坐标系坐标，(X1,Y1,Z1)为线路坐标系坐标，(ΔX0,ΔY0,ΔZ0)为平移参数，(εX,εY,εZ)为旋转参数。其中，εZ是线路坐标系O1-X1Y1Z1先绕Z轴进行旋转的旋转参数，εX是再把线路坐标系O1-X1Y1Z1绕新的X轴进行旋转的旋转参数，是最后把线路坐标系O1-X1Y1Z1绕新的Y轴进行旋转的旋转参数。
利用本发明改进的布尔莎模型，根据步骤S1测量的后视点坐标计算得到初始设站点的设站点坐标。
再根据设站点坐标计算线路路程，该计算过程可以根据《轨道点线路里程的一种计算方法》(测绘科学技术学报，2013年，第30卷第5期)中记载的内容实现，这里不做赘述。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S3将固定全站仪的设备推行至下一设站点，通常设置为120m或者测量的任意距离，利用里程计测量两个设站点之间的里程差，根据上一设站点里程与测量的里程差计算本次设站点里程，具体为：
L新＝L上+Δl
其中，L新为本次设站点里程，L上为上一设站点里程，Δl为测量的里程差。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S4根据步骤S3计算得到的本次设站点里程、以及测量得到设计超高及纵坡计算该设站点的三维坐标，该计算过程可以根据《铁道工程测量》(铁道出版社，2008)中记载的内容实现，这里不做赘述。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在初始设站点人工依次瞄准线路两侧至少3个后视点，并测量后视点坐标；
S2、根据步骤S1测量的后视点坐标，采用改进的布尔莎模型计算设站点坐标及线路路程，并自动照准测量剩余后视控制点；
S3、推行全站仪设备至下一设站点，利用里程计测量两个设站点之间的里程差，根据上一设站点里程与测量的里程差计算本次设站点里程；
S4、根据设站点里程、设计超高及纵坡计算该设站点的三维坐标；
S5、根据设站点的三维坐标计算设站点到后视点的距离、水平角、竖直角，并自动照准后视控制点；
S6、重复步骤S3至S5，直至本段线路测量完成。
2.如权利要求1所述的基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，其特征在于，所述步骤S1中，在初始设站点人工依次瞄准线路两侧共3个后视点。
3.如权利要求2所述的基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据步骤S1测量的后视点坐标，采用改进的布尔莎模型计算设站点坐标及线路路程，具体包括以下分步骤：
S21、根据步骤S1在不整平状态下测量的后视点坐标，采用坐标转换方法计算设站点的近似坐标；
S22、计算设站坐标与线路坐标系的定向角差异；
S23、根据步骤S22得到的定向角差异对设站坐标系进行修正；
S24、采用布尔莎模型计算设站坐标系与线路坐标的相对关系；
S25、判断旋转角度是否小于设定阈值；若是，则结算结束；若否，则再次修正设站坐标系。
4.如权利要求3所述的基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，其特征在于，所述步骤S21中，采用坐标转换方法计算设站点的近似坐标具体表示为：
Figure FDA0002290751080000021
其中，(X2,Y2)为全站仪不整平状态下的设站坐标系设站点坐标，(X1,Y1)为线路坐标系后视点坐标，m为尺度参数，a为旋转角度，(ΔX0,ΔY0)为平移参数。
5.如权利要求4所述的基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，其特征在于，所述步骤S24中，采用布尔莎模型计算设站坐标系与线路坐标的相对关系具体表示为：
具体表示为：
Figure FDA0002290751080000022
其中，(X2,Y2,Z2)为设站坐标系坐标，(X1,Y1,Z1)为线路坐标系坐标，(ΔX0,ΔY0,ΔZ0)为平移参数，(εX,εY,εZ)为旋转参数。
6.如权利要求5所述的基于改进的布尔莎模型的不整平自由设站方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据上一设站点里程与测量的里程差计算本次设站点里程，具体为：
L新＝L上+Δl
其中，L新为本次设站点里程，L上为上一设站点里程，Δl为测量的里程差。
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