新建铁路航测横断面的获取方法与精度控制

姚正国

1 现状分析

目前,新建铁路横断面的测绘完全由野外实测,劳动强度大,工作效率低,成本高。特别在险峻山区,由于施测难度大,直接影响勘测设计的进度。这越来越不适应现代工程建设的需求。特别受野外环境的影响,直接影响勘测设计的进度。

航测法采集线路横断面可以大大减少野外勘测工作量;可以不受时间、气候、环境等条件限制,特别在海外项目、热带丛林地区、高山险峻地区等困难地区,把人力从外业工作中解放出来;可以充分发挥现有航测设备的功能,拓宽航测应用领域;可以充分利用现有测制1∶2 000地形图的航摄资料和控制成果,减少工作量,降低成本;采集成果数字化,有利于全面实现“勘测设计一体化”。

航空摄影测量技术的发展,特别是数字摄影测量技术的应用、外业控制测量和空中三角测量的可靠性及精度的提高,使数字摄影测量技术在采集线路横断面中的应用成为可能。因此,在线路中线设计好的前提下,使用航测仪器在室内采集线路的横断面,并将成果应用于路基、桥涵、隧道等工程设计专业,这将是数字摄影测量在铁路勘察设计中深入应用的又一个新的切入点。

2 JX-4C断面采集方案的确定

2.1 专用断面采集模块(方案一)

JX-4C数字摄影测量工作站针对铁路、公路领域的应用设计了专用的断面采集模块。该模块依据线路曲线参数方程,准确无误地绘出设计线路的中线。

以曲线长l为参数的缓和曲线上任一点的坐标,可由定积分求得:

以li为参数的圆曲线的参数方程为:

JX-4C将曲线参数设置在曲线要素文件中,包括:起点里程、各交点坐标、曲线半径、缓和曲线长度,程序根据曲线要素文件中的参数,自动绘出线路中线。

当需要采集线路某里程处的横断面时,只需要输入该点里程,程序即驱动立体模型到该点,并根据设定的交角锁定立体模型仅在需要采集横断面的方向移动,如此反复,就可以进行线路横断面的数据采集。

采集过程中,为了提高数学精度,可以把立体模型放大一定的倍数。断面数据采集完成后,可以根据需要输出为多种不同的文本格式。针对该文件格式,用自编的程序把文本中的断面数据展绘成直观的断面图形,保存为AutoCAD或其他绘图文件格式,以进行不同需要的数据处理,提供给设计专业使用。

该方案需要把曲线参数编入曲线要素文件中。曲线要素存放在设计专业提供的中线线条及水平单数据中,因此需要数据采集作业员从中分析、提取需要的曲线数据,然后编制曲线要素文件。由于需要采集的横断面数量较多,分析初始数据的工作量较大,且容易出现错误,效率较低,实践证明该方案实用性不高。

2.2 非专用断面采集模块(方案二)

随着软件功能的不断完善,JX-4C数字摄影测量工作站还提供了一个自动安置手轮运动角度的功能。在向量测图模块下用鼠标拾取需要采集的横断面的线条,系统自动计算该断面的角度并将该角度自动安置,使X,Y手轮中的一个按该角度运动,此时该手轮运动的方向就是断面的方向,量测时只需要配合脚盘就可以进行横断面采集。该方案不需要复杂的曲线参数,只需要把设计专业提供的中线和横断面线条导入JX-4C系统中,即可方便地进行断面的采集,实践证明该方案简单易行。

3 精度分析

3.1 摄影资料及扫描影像的质量

目前大多采用国际上先进的航摄相机如RC-30,RMK TOP等,摄影质量有了大幅提高,提高了成像清晰度。扫描仪使用国际上先进的 DSW600高精度扫描设备,其定位精度可达到1 μ m～2 μ m 。

3.2 外业控制点的精度

外业相片控制点在D级GPS控制网的基础上采用GPS测量的方法进行外控点的平面和高程测量。

经过几个测区的实践,当像控点与最近参考站的距离一般不大于5 km时,像控点相对于四等GPS点的平面中误差:σ=0.104 m;外控点对最近外业高程点的高程精度中误差不大于0.1 m。

3.3 空中三角测量的精度

空中三角测量采用Helava全数字自动空中三角测量进行,采用严密的区域网平差算法,实际作业表明其加密精度还是比较高的。

3.4 采集精度

我们使用JX-4C数字摄影测量工作站进行横断面的数据采集。直接导入Helava的空三加密成果,无需再次进行人工量测定向,因此不会带来定向的度损失。在立体观测时,安排经验丰富的作业员进行数据采集,尽量减小人工量测误差。

4 质量控制措施

1)进行空三加密时,将GPS点、水准点等作为控制点一起进行平差计算,提高加密精度。还可以在提供中桩点成果后,进行二次加密,进一步提高加密精度。2)检查定向残差,减小跨平台误差。将Helava空三成果导入JX-4C系统后,检查每个定向点是否切准立体,检查定向残差是否满足精度要求,对超限者要查明原因由主管人员处理并记录。如由上工序引起需返回上工序检查并修改,重新提交加密成果。3)读取中桩点高程,消除系统差。在向量测图模块下,立体读取每个像对中桩点高程,与外业实测中桩高程比较,记录残差,分析残差是否具有系统差特征。如果有系统差,通过人为差改正的方法消除,将立体模型的高程面调整到与外业实测高程面一致。如果分析结果表明残差没有规律性,需将定向点的残差加入一起分析,并对可能影响中桩高程的定向点进行检查和修测。4)立体放大采集,提高观测精度。由于我们直接使用制作1∶2 000铁路航测图的航片采集横断面,其摄影比例尺为1/8 000～1/10 000,这种比例尺的航片直接采集横断面,观测细微地貌会有些困难,可以采取将立体放大一倍或两倍的办法采集,以提高人的观测精度,从而保证横断面的精度。5)树木遮挡区域的处理。a.部分地段树木间隙分布,地面不是完全被遮挡,稍有经验的作业员能够准确判读地面高度,进行比较精确的观测,这种情况对观测精度的影响不是很大。b.树木茂密,地面完全被遮挡的地段,即使有经验的作业员也无法精确判读地面高度,我们将这些地段采集的断面做好标记,提供给设计专业参考,如果不能满足设计精度要求,可由外业补测解决。

5 结语

用航测方法测绘的线路横断面,绝大多数精度良好,基本满足设计要求。但由于目前铁路勘测项目设计周期都很短,难以选择最有利的摄影季节和摄影时间,影响摄影质量,从而影响了航测横断面的精度;在树木覆盖等困难地区,地面高度难以判别,也对航测横断面的精度造成直接影响;目前航摄比例尺一般为1/8 000～1/10 000,在条件许可的情况下,可通过提高航摄比例尺来提高航测方法测绘横断面的精度,例如在平原地区可采用1/4 000～1/6 000甚至更大的航摄比例尺;今后可在西北地物覆盖稀疏地区继续进行航测横断面的尝试,以进一步提高航测横断面的精度,为新建铁路勘测设计服务。

[1]张祖勋,张剑清.数字摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,1997.

[2]李清岳,陈永奇.工程测量学(修订版)[M].北京:测绘出版社,1995.

[3]中国四维测绘技术北京公司.JX-4C数字摄影测量工作站操作手册[Z].