基于移动智能平板的线路中线放样程序的设计与实现

蔡建国

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

在铁路勘察设计中，中线放样是十分重要的工作，常采用偏角法、极坐标法和GNSS-RTK法等[1]。这些方法均采用传统的全站仪或GNSS接收机作业，该作业模式野外工作强度大，效率低且专业化程度低。虽然已有学者基于PDA开发了一些基于全站仪进行中线放样的程序进行铁路勘测数据采集，在一定程度上提高了全站仪作业的效率[2]，但随着移动互联网与通信技术的迅速发展，移动智能手机和平板等设备，凭借其轻便、智能、续航时间长、人机交互友好、可视化程度高以及能实现无线通信和GNSS快速定位导航等优势，已经开始逐步取代传统PDA，作为全站仪和GNSS接收机等传统测绘仪器的手簿，甚至某些高精度智能平板本身就能作为外业数据的采集工具[3-5]，极大优化了传统测绘的野外测量模式。另外，CORS网络RTK作为当今GNSS发展的热点技术之一，已经被广泛应用于各领域的建设当中。其中，在铁路方面，李涛[6]分析了高速铁路CORS建设的必要性，提出了高速铁路CORS建设的具体方案。张运华[7]对CORS-RTK技术在铁路定测中的应用进行研究和试验，得出其测量精度可达到平面高差±5 cm以内。郭江[8]通过比较CORS系统测量和铁路勘察控制网测量成果，证实CORS系统测量的平面坐标精度可达厘米级，满足铁路勘察规范要求。

基于此，本文基于移动智能平板开发了一款铁路勘测中线放样程序，其支持4G通信、蓝牙通信、多星定位、CORS网络RTK等技术，能实现数据快速采集和放样点自动引导，实现测量工作的可视化、轻便化、自动化、智能化。

1 线路模型与控制点数据

1.1 线路模型建立

1.1.1 一般线型

铁路线路受地形、地质或技术、经济等因素的影响，不能以一条直线延伸始终，而是隔一定距离就要改变方向，因此，铁路线路由直线和曲线两部分组成。铁路曲线一般由缓和曲线、圆曲线等组成，线路任意一点坐标计算采用交点法以“缓和曲线-圆曲线-缓和曲线”为基本型，其中缓和曲线可以不等长，线路示意如图1所示。

图1 线路示意图

其交点坐标计算格式如下：

起交点名，北坐标，东坐标，里程<回车换行>

交点名，北坐标，东坐标，[半径，第一缓和曲线，第二缓和曲线，第一缓和起始半径，第二缓和终止半径]<回车换行>

…………

终点名，北坐标，东坐标

1.1.2 特殊线型

任何复杂的线路，都是采用3个基本曲线单元(直线、圆曲线、缓和曲线)首尾相连组合完成。当线路存在不完全缓和情形时，上述的交点法数据格式已不能满足需要，由几个曲线组成1个卵形曲线，卵形曲线示意如图2所示。

图2 卵形曲线示意图

像这种“直缓-缓圆-圆缓-缓圆-圆缓-缓直”的特殊曲线，考虑到兼容原有格式，系统设计了两项参数来完成不完全缓和情形。其格式如下：

起交点名，北坐标，东坐标，里程<回车换行>

交点名，北坐标，东坐标，[半径，第一缓和曲线，第一缓和起始半径，第二缓和终止半径]<回车换行>

…………

终点名，北坐标，东坐标

1.2 控制点数据

1.2.1 求解基准转换参数

以经典四参数法为例，选取4个及以上的控制点参与到水平、垂直校正。公共点平面残差应控制在1.5 cm以内，高程残差应控制在3 cm以内，东、北斜坡控制在30 ppm以内。

1.2.2 单点高程校正法

求解基准转换参数时，选取基准站相邻的控制点4个。控制点顺序为：基准站控制点必须为首个，其余顺序随机。所有点水平参加校正，垂直校正仅选择基准点，进行单点高程校正。

内业选取合适的参数校正计算方法求解GPS转换参数，导入智能移动设备。

2 程序设计与实现

根据上述模型，在Android Studio平台上，使用Java语言开发了基于移动智能平板的中桩放样程序。

2.1 硬件平台

本程序采用移动智能高精度平板作为硬件设备,该平板装载Android 8.1智能操作系统、2.0 G八核处理器加上4 GB运行内存；同时具有GNSS+GLONASS+BDS多星定位技术，能实现严重遮挡环境下的正常工作，同时支持厘米级、亚米级高精度外扩模块；在数据通信方面支持：4G全网通(移动、联通、电信)网络、Wi-Fi及无线(无线AP、Wapi)、蓝牙(BlueTooth 2.0/4.0)、USB数据传输(TypeC，同时具有OTG功能)以及外置接口(串口、VBAT、GND)[9]；续航方面采用 10 000 mAh/3.7 V电池，可连续工作10 h以上，可基本满足全天作业的使用要求，同时采用可拆卸式电池设计，方便电池即时更换，支持在线充电，保证作业的连续进行。

2.2 程序的基本功能

(1)线路模型计算功能

可根据线路设计数据，自动计算出线路逐桩表，并生成线路图形。在施测过程中，可根据任意点的桩号快速定位其坐标信息以及该点在线路图形上的具体位置。

(2)平板与仪器的通信功能

可实现平板与各种类型的GNSS接收机进行蓝牙配对连接，连接后平板可作为GNSS接收机的手簿控制仪器进行测量，同时仪器测量的数据也会实时传输回平板上。

(3)平板直接测量功能

支持CORS网络RTK服务，在地势开阔、GNSS卫星信号好且测量精度要求不高的地段，可直接利用网络RTK在平板上完成中线放样数据的采集。

(4)坐标数据库管理功能

可将需要用到的坐标点数据通过文件导入或手动输入的形式录入到坐标数据中，数据库可以根据点位类型分为控制点、放样点、其他测量点三类，以便测量人员在野外随时调用这些点进行作业。

(5)图层导入功能

可根据作业需要，导入二维或三维地形图，中线以及相关点位信息将会显示于该图层之上，为作业人员提供了更好的可视化效果。

(6)坐标系统库管理功能

该程序预设了CGCS2000、WGS84、西安80、北京54等常用坐标系统，也可以支持用户自定义坐标系统。在进行作业时，用户可根据需要从坐标系统库中选择或新建合适的坐标系统。

(7)实时移动导航

在放样作业过程中，实景二维或三维地形图上会实时显示目前平板或GNSS接收机的位置，并会实时计算出目前位置至待放样点的距离信息和方向信息，指挥测量人员达到测量位置。

2.3 程序的运行流程

中线放样作业流程如图3所示。该程序运行步骤如下：

图3 中线放样作业流程图

(1)工程项目参数设置。可选择新建工程，也可打开已有工程文件，新建工程需输入工程名称(默认为当前日期)、工程存储路径并设置测量精度。

(2)GNSS参数设置。包括坐标系统的命名，目标椭球的选择，投影方式的设置以及坐标转换方法的设置，也可以从坐标系统管理库中直接选择已有的坐标系统。

(3)地形图读取。选择存储在平板中的二维或三维地形图，加载到程序中，配合放样作业的进行。

(4)控制点数据读取。手动添加控制点信息或读取控制点文件，也可从已有的坐标点库中选择控制点。

(5)中线设计数据读取。读取中线设计数据，设置中线桩距，自动生成线路图形并计算出逐桩表。

(6)测量模式选择。

①平板测量模式：适用于地势开阔、GNSS卫星信号好且测量精度要求不高的地段，可直接用千寻网络CORS网络RTK在平板上完成中线测量，该模式可不用连接GNSS接收机。

②RTK的手薄测量模式：适用于地物多、GNSS卫星信号弱且测量精度要求高的地段，平板可作为RTK的手薄，进行中线测量。

(7)仪器连接设置。若为RTK手簿测量模式则必须进行仪器连接，打开平板蓝牙对可连接蓝牙设备进行扫描，选择GNSS接收机进行连接。

(8)线路中线测量。根据设计数据计算出的里程表，平板自动引导测量人员至放样点，误差在设定精度范围以内时测量，并进行数据保存；若需要进行加桩点测量，可在界面上选择加桩功能，直接输入加桩点里程，会自动显示出该点坐标，以及在图上显示出目前至该点的距离和方位信息；同时，可以随时修改放样间距以及放样精度。

(9)成果导出。测量作业完成后，可从程序中导出多种格式的dat、csv、txt、xlsx等成果文件。

3 应用分析

以某高速铁工程项目为例，在定测阶段采用中海达Qpad X8智能GIS平板及开发的铁路勘测中线放样程序，基准站采用“千寻知寸”位置服务，完成了约 50 km的中线测量工作，从工作效率、测量流程、精度等方面进行比较总结。

3.1 放样测量

(1)控制网参数设置，控制点校正，明确主站控制点。

(2)在平板上打开1∶2 000地形图，显示中线测量线位。

(3)实时显示目前GIS平板在图上的位置，并导航指挥测量人员达到测量位置。

(4)导航达到测量位置后开始测量：

①输入里程冠号：K,DK,D1K……；

②里程间距：等距：20 m、50 m……,递增+，递减-；

③输入起点测量里程；

④导航移动至该测量点时测量；

⑤测量后显示X,Y,H数据(X,Y为理论坐标，H为实测高程)，备注(房边、道路、沟坎……)；

⑥保存，完成测量；

⑦放样点测量完成后，在放线地形图中线上以“高程数据点”显示。

(5)成果输出。

3.2 放样精度统计

在勘测中，采用全站仪坐标法测量一段中线，并与采用中海达Qpad X8智能GIS平板测量成果从坐标、高程进行对比，分析其精度，放样精度统计如表1所示。

表1 中桩三维坐标检查表

根据表1精度统计结果，检测值三维坐标均小于10 cm，满足铁路工程测量规范对中桩测量精度的要求[10]。

4 作业特点

基于移动智能平板的中线放样程序，其作业模式既保证了外业数据采集的质量和效率，又很好地实现测量工作的可视化、轻便化、自动化、智能化。该作业模式有以下几个特点：

(1)可根据设计数据，利用线路模型，计算出中线上任意一点在线路坐标系的坐标并生成线路图形，显示在二维或三维地形图上并能在地形图上提供位置服务，使得测量作业更加具体和直观。

(2)实现了平板与GNSS接收机的无线蓝牙通信，平板可作为其手簿，使得数据采集更加方便和智能。

(3)利用多星定位、CORS网络RTK技术，可以不依赖于其他测绘仪器，直接使用智能平板完成数据采集，进一步减轻了外业工作的负担。

(4)能实时定位当前测量人员的位置，提供移动位置服务，自动引导测量人员准确到达放样点进行数据采集，有效减少了放样时实际位置的调整次数和时间，极大提高了作业效率，经统计其工作效率提高30%左右。

5 结论

(1)基于移动智能平板的中线放样程序，其设计思想符合当前测绘领域逐步从传统人工作业、数字作业模式转型为数字智能、移动采集、高度可视化的作业模式，能够有效提高野外数据采集质量和效率，能很好地减轻测量人员的作业强度和负担。

(2)采用移动智能平板进行铁路放样测量，其精度满足铁路工程测量规范要求。

(3)移动智能设备逐步取代传统的测量模式，随着移动智能平板在铁路勘测领域的应用，必将提高移动测绘技术在铁路勘测领域的技术水平。

随着移动智能设备、多星定位技术、COSR网络RTK、5G/6G移动通信技术的进一步发展，未来会有更多、更全面、更专业的移动智能测绘设备和软件系统服务于测绘以及铁路勘测设计领域,以提高铁路勘测设计信息化建设，并进一步改善测量人员的作业条件，真正做到外业测量的可视化、轻便化、自动化、智能化。