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摘要：本文介绍了全站仪测量的基本原理,提出了一种基于全站仪高效横断面测量方法和软件系统,能够大幅度提高山区高速公路横断面数据采集速度,并且完全实现全数字化作业。
关键词：道路横断面；全站仪；数据处理
Abstract: This paper introduces the total station instrument measuring principle, puts forward a kind of measurement method and software system based on total station instrument efficient cross section, which can greatly improve data acquisition speed of the mountainous area highway cross section, and realize full digital operation.
Key words: road cross section; total station instrument; data processing
中图分类号：TU2 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
采用全站仪对边测量法测量道路横断面,外业可以不受地形条件的限制,一站测量多个断面,在遇到障碍物时,可以任意设站,非常灵活地避开障碍物,变坡点坐标数据自动存储于全站仪中。内业阶段利用仪器自带的数据传输软件完成数据下载,然后根据不同专业的断面,分别使用Excel和编写的断面整理程序,可以轻松地将数据转换成道路设计软件所要求的横断面地面线文件。
道路横断面测量是道路工程在勘测设计阶段初测和定测过程中的一项重要工作。因为,一方面,设计人员要利用横断面数据计算和平衡土石方量;另一方面,设计人员要知道横断面的形状和内容才能合理地设计道路路基、边坡以及其他附属结构物。传统的横断面测量方法有水准仪皮尺法、横断面仪法、经纬仪视距法等;随着测绘仪器的更新换代,横断面测量方法也有所改进。例如,可利用全站仪作为测量横断面的工具。利用全站仪可大大提高横断面测量的外业效率,但是外业采集的数据不及时处理,则测量工作要受到影响,可见断面数据处理的效率,处理方法是关键,本文将介绍一种利用全站仪测量道路横断面的方法和处理横断面测量数据的技巧,从而提高工作效率和经济效益。
1 路线横断面坐标系和坐标的计算
道路横断面测量是测定各里程桩两侧垂直于中线的各地形变化点高程及偏离中线的距离。根据这一原则很容易将全站仪测得的X,Y换算成到各里程桩的距离,而Z坐标即为地面点的高程。建立横断面坐标系,即建立以里程桩为坐标原点,以里程桩切线方向为X′轴,法线方向为Y′轴的临时坐标系统,全站仪在该坐标系中测得的X′值即为偏离Y′轴(横断面的方向)的值,测得的Y′值即为离X′轴的距离(即至中线的垂直距离),横断面坐标系如图1所示。
横断面坐标系与测量坐标系的关系如图2所示,将测量坐标系中的任意一点P(Xp,Yp)转化成横断面坐标系中的坐标:
其中,X0′,Y0′分别为断面中线里程桩在测量坐标系中的坐标值；α为测量坐标系X轴与断面坐标系X′轴的夹角,即里程桩切线的方向值。
2 全站仪横断面的测量
由于在测量横断面时道路的中平测量和基平测量已经完成,到道路横断面测量时需要测量垂直于中线方向上的地面起伏,是相对于中桩的关系,基于此,道路的横断面测量变得相当的简单。在这里介绍几种在横断面测量中比较适用的方法,以便大家参考和借鉴。
2.1选取视野开阔的已知点P1为测站点,另一个已知点P2为后视点,按极坐标法测量横断面点。
2.2 假设里程桩的三维坐标点(X, Y,Z),此时按横断面坐标
系,该点的坐标x′为该中桩的里程,y′=0,z′=z。
2.3 测量横断面的地形变化点,此时按横断面坐标系,如果该点在横断面方向上,则x′为测量横断面的里程,否则说明该点偏离横断面的方向,如果超出允许范围,则由操作员指挥跑尺员调整位置,y值为变化点离里程桩的距离,正则为右侧,负则为左侧。同理测完其余点。
3 实际应用
3.1 工程概况
某项目一般海拔高程在1000 m～1500 m左右,沿线均为剥蚀山地和黄土梁峁。设计路线基本穿山而过,地貌起伏较大,属于典型山地、高山地地貌。测量难度较大,时间短,任务紧。
3.2 横断面测量
全站仪测量横断面时仪器应安置在线路中线断面点(中桩)或在横断面方向上的某处。无论是直线地段还是曲线地段,均可选用偏角法、自由测站坐标反算等方法确定横断面方向,不再赘述。横断面测绘密度一般直线地段每隔20m、曲线地段每隔10m测一条,零点断面、线路纵横地形明显变化、曲线控制桩等应加测,桥隧等重点工程地段及不良地质地段应适当加密,具体操作应按勘测规范要求,结合线路现场实际情况确定。
设置全站仪于中桩O点,如图3所示,后视另一线路中线点归零,转动照准部水平度盘读数为90°或270°即为A处横断面方向。为方便测量沿横断面方向选择一合适的地点B。在B点架站,量取仪高i,按测量所需设置用户模板、棱镜常数等,瞄准A点,通过全站仪键盘上按键,选择标准测量模式开始测量、记录数据。依次测量地形变化较大的地形点1, 2, 3等处即完成一个断面测量。在道路勘测过程中,只要提交数据,设计人员根据自己的要求生成不同的横断面样式。而测量的数据成果格式为如下数据:
横断面数据格式(一):
横断面数据格式(二):
4 横断面数据的处理
在本项目中横断面的數据根据专业的不同,需要提供两个格式的横断面数据。如桥梁专业和隧道专业需要的横断面数据格式为第一种。其格式如上所示,第一种横断面数据格式为:
面向大里程方向中桩右面的第一个地形变化点距离中桩的距离高程第二个高程…
这种格式的数据在使用上面的方法测量时,其成果的y值为对应的距离,正则为左面,负则为右面。这样数据处理出来不会出现混乱。使用Office自带的Excel可以十分方便的实现数据的处理,从而尽量的减少数据的人工处理,保证数据的正确。而路基专业的则需要的是第二种格式的横断面数据(即纬地格式数据):
同样第一行数据为在设计线路上面向大里程放样左侧,第二行为右侧。由于需要的是相对上一点的距离差和高差,在测量中仪器存储的为点位信息。因此数据的处理变得十分困难。为此我们在CAD的基础上进行了二次开发,编写一个LSP文件实现了数据的自动获取。
其使用的方法为:
4.1 在CASS中输入命令: appload,加载LSP文件到启动组中。在电脑的合适位置使用Excel新建一个后缀为“. csv”的文件。
4.2 重新打开CASS,将测量的数据使用“野外测点代码”展到CASS里面,在命令行中输入命令: xzw,j然后输入0,打开建好的CSV格式的文件。
4.3 在命令行中输入命令: dmz,l依次选择中桩点,点名,左侧
的地形点。
4.4 在选择的过程中,软件会自动计算左侧的地形点数目和重复情况,然后选择右面的点。依次选择,完成横断面数据的提取,结果即为设计需要的纬地格式数据。
在程序的编写过程中,由于注意到内业测量的习惯问题,该程序具有一定程度的纠错性,其主要可以做到以下几点:a.数据的间断性操作。数据输出的文件可以选择原有文件,也可以建立新的文件。b.数据选择重复操作。对于重复选择的数据,程序自动统计并只记录其中的一个,避免数据不必要的错误。c.数据的有序性。在操作的过程中,横断面信息点的选取可以是随意的,软件会自动按位置排序,具有一定的人性化设计。
5 结语
通过作者在多条道路勘测中的实际应用,证明它是一种高效的横断面测量方法,实现了横断面点位数据采集、传输到后处理全程的自动化和数字化,大大减轻了勘测的劳动强度,保证了横断面测量成果的质量,提高了工作效率。
参考文献:
[1]李健,郑德峰.道路施工测量的步骤和方法[ J].山西建筑, 2009, 35(18): 362-363.
关键词：道路横断面；全站仪；数据处理
Abstract: This paper introduces the total station instrument measuring principle, puts forward a kind of measurement method and software system based on total station instrument efficient cross section, which can greatly improve data acquisition speed of the mountainous area highway cross section, and realize full digital operation.
Key words: road cross section; total station instrument; data processing
中图分类号：TU2 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
采用全站仪对边测量法测量道路横断面,外业可以不受地形条件的限制,一站测量多个断面,在遇到障碍物时,可以任意设站,非常灵活地避开障碍物,变坡点坐标数据自动存储于全站仪中。内业阶段利用仪器自带的数据传输软件完成数据下载,然后根据不同专业的断面,分别使用Excel和编写的断面整理程序,可以轻松地将数据转换成道路设计软件所要求的横断面地面线文件。
道路横断面测量是道路工程在勘测设计阶段初测和定测过程中的一项重要工作。因为,一方面,设计人员要利用横断面数据计算和平衡土石方量;另一方面,设计人员要知道横断面的形状和内容才能合理地设计道路路基、边坡以及其他附属结构物。传统的横断面测量方法有水准仪皮尺法、横断面仪法、经纬仪视距法等;随着测绘仪器的更新换代,横断面测量方法也有所改进。例如,可利用全站仪作为测量横断面的工具。利用全站仪可大大提高横断面测量的外业效率,但是外业采集的数据不及时处理,则测量工作要受到影响,可见断面数据处理的效率,处理方法是关键,本文将介绍一种利用全站仪测量道路横断面的方法和处理横断面测量数据的技巧,从而提高工作效率和经济效益。
1 路线横断面坐标系和坐标的计算
道路横断面测量是测定各里程桩两侧垂直于中线的各地形变化点高程及偏离中线的距离。根据这一原则很容易将全站仪测得的X,Y换算成到各里程桩的距离,而Z坐标即为地面点的高程。建立横断面坐标系,即建立以里程桩为坐标原点,以里程桩切线方向为X′轴,法线方向为Y′轴的临时坐标系统,全站仪在该坐标系中测得的X′值即为偏离Y′轴(横断面的方向)的值,测得的Y′值即为离X′轴的距离(即至中线的垂直距离),横断面坐标系如图1所示。
横断面坐标系与测量坐标系的关系如图2所示,将测量坐标系中的任意一点P(Xp,Yp)转化成横断面坐标系中的坐标:
其中,X0′,Y0′分别为断面中线里程桩在测量坐标系中的坐标值；α为测量坐标系X轴与断面坐标系X′轴的夹角,即里程桩切线的方向值。
2 全站仪横断面的测量
由于在测量横断面时道路的中平测量和基平测量已经完成,到道路横断面测量时需要测量垂直于中线方向上的地面起伏,是相对于中桩的关系,基于此,道路的横断面测量变得相当的简单。在这里介绍几种在横断面测量中比较适用的方法,以便大家参考和借鉴。
2.1选取视野开阔的已知点P1为测站点,另一个已知点P2为后视点,按极坐标法测量横断面点。
2.2 假设里程桩的三维坐标点(X, Y,Z),此时按横断面坐标
系,该点的坐标x′为该中桩的里程,y′=0,z′=z。
2.3 测量横断面的地形变化点,此时按横断面坐标系,如果该点在横断面方向上,则x′为测量横断面的里程,否则说明该点偏离横断面的方向,如果超出允许范围,则由操作员指挥跑尺员调整位置,y值为变化点离里程桩的距离,正则为右侧,负则为左侧。同理测完其余点。
3 实际应用
3.1 工程概况
某项目一般海拔高程在1000 m～1500 m左右,沿线均为剥蚀山地和黄土梁峁。设计路线基本穿山而过,地貌起伏较大,属于典型山地、高山地地貌。测量难度较大,时间短,任务紧。
3.2 横断面测量
全站仪测量横断面时仪器应安置在线路中线断面点(中桩)或在横断面方向上的某处。无论是直线地段还是曲线地段,均可选用偏角法、自由测站坐标反算等方法确定横断面方向,不再赘述。横断面测绘密度一般直线地段每隔20m、曲线地段每隔10m测一条,零点断面、线路纵横地形明显变化、曲线控制桩等应加测,桥隧等重点工程地段及不良地质地段应适当加密,具体操作应按勘测规范要求,结合线路现场实际情况确定。
设置全站仪于中桩O点,如图3所示,后视另一线路中线点归零,转动照准部水平度盘读数为90°或270°即为A处横断面方向。为方便测量沿横断面方向选择一合适的地点B。在B点架站,量取仪高i,按测量所需设置用户模板、棱镜常数等,瞄准A点,通过全站仪键盘上按键,选择标准测量模式开始测量、记录数据。依次测量地形变化较大的地形点1, 2, 3等处即完成一个断面测量。在道路勘测过程中,只要提交数据,设计人员根据自己的要求生成不同的横断面样式。而测量的数据成果格式为如下数据:
横断面数据格式(一):
横断面数据格式(二):
4 横断面数据的处理
在本项目中横断面的數据根据专业的不同,需要提供两个格式的横断面数据。如桥梁专业和隧道专业需要的横断面数据格式为第一种。其格式如上所示,第一种横断面数据格式为:
面向大里程方向中桩右面的第一个地形变化点距离中桩的距离高程第二个高程…
这种格式的数据在使用上面的方法测量时,其成果的y值为对应的距离,正则为左面,负则为右面。这样数据处理出来不会出现混乱。使用Office自带的Excel可以十分方便的实现数据的处理,从而尽量的减少数据的人工处理,保证数据的正确。而路基专业的则需要的是第二种格式的横断面数据(即纬地格式数据):
同样第一行数据为在设计线路上面向大里程放样左侧,第二行为右侧。由于需要的是相对上一点的距离差和高差,在测量中仪器存储的为点位信息。因此数据的处理变得十分困难。为此我们在CAD的基础上进行了二次开发,编写一个LSP文件实现了数据的自动获取。
其使用的方法为:
4.1 在CASS中输入命令: appload,加载LSP文件到启动组中。在电脑的合适位置使用Excel新建一个后缀为“. csv”的文件。
4.2 重新打开CASS,将测量的数据使用“野外测点代码”展到CASS里面,在命令行中输入命令: xzw,j然后输入0,打开建好的CSV格式的文件。
4.3 在命令行中输入命令: dmz,l依次选择中桩点,点名,左侧
的地形点。
4.4 在选择的过程中,软件会自动计算左侧的地形点数目和重复情况,然后选择右面的点。依次选择,完成横断面数据的提取,结果即为设计需要的纬地格式数据。
在程序的编写过程中,由于注意到内业测量的习惯问题,该程序具有一定程度的纠错性,其主要可以做到以下几点:a.数据的间断性操作。数据输出的文件可以选择原有文件,也可以建立新的文件。b.数据选择重复操作。对于重复选择的数据,程序自动统计并只记录其中的一个,避免数据不必要的错误。c.数据的有序性。在操作的过程中,横断面信息点的选取可以是随意的,软件会自动按位置排序,具有一定的人性化设计。
5 结语
通过作者在多条道路勘测中的实际应用,证明它是一种高效的横断面测量方法,实现了横断面点位数据采集、传输到后处理全程的自动化和数字化,大大减轻了勘测的劳动强度,保证了横断面测量成果的质量,提高了工作效率。
参考文献:
[1]李健,郑德峰.道路施工测量的步骤和方法[ J].山西建筑, 2009, 35(18): 362-363.