鐵路工程測(cè)量技術(shù)

1、鐵路工程測(cè)量技術(shù) 講 座 1、線路控制測(cè)量n1.1 GPS衛(wèi)星定位原理n分類:靜態(tài)（含快速靜態(tài)）、動(dòng)態(tài)；絕對(duì)定位、相對(duì)定位 絕 對(duì) 定 位 原 理n觀測(cè)量：C/A碼、P碼；C/A碼碼元293米，P碼29.3米；測(cè)距誤差1/101/100。n根據(jù)衛(wèi)星在觀測(cè)時(shí)刻的三維地心坐標(biāo)和測(cè)站的待定三維地心坐標(biāo)，列立站星距離觀測(cè)方程。線性化后的距離觀測(cè)方程n方程中含有3個(gè)測(cè)站坐標(biāo)未知數(shù)x、Y、Z和一個(gè)接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘n相對(duì)鐘差t，至少由4個(gè)同樣的觀測(cè)方程才能獲取測(cè)站的三維地心坐標(biāo)。因此，絕對(duì)定位必須同時(shí)觀測(cè)四顆衛(wèi)星。手持GPS接收機(jī)就是根據(jù)這個(gè)原理工作的。n定位精度：20米 tTtItcZtmYtlXtktD

2、tDjijijiijiijiijijiji0 相對(duì)定位原理n觀測(cè)量： 載波相位 ；L1載波波長19.03 cm，L2載波波長24.42cmn原理：相對(duì)定位是用兩臺(tái)接收機(jī)安置在基線兩端，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，確定兩點(diǎn)間基線向量（X、Y、Z）或者多臺(tái)接收機(jī)安置在多條基線的端點(diǎn)，通過同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星可以確定多條基線向量。當(dāng)其中一個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)已知，就可以得到各待定點(diǎn)的坐標(biāo)。n=（s-m） 波長短，按1/101/100波長計(jì)算測(cè)距誤差，載波相位法定點(diǎn)的誤差毫米級(jí)的。如果采用不同載波相位觀測(cè)量的線性組合可以有效的削減衛(wèi)星星歷誤差、信號(hào)傳播路徑上的誤差、以及接收機(jī)中不同步誤差對(duì)定位結(jié)果的影響。靜態(tài)相對(duì)定位使

3、用廣播星歷可達(dá)1/100萬1/1000萬;采用精密星歷,定位精度可達(dá)1/億1/10億。 觀測(cè)量線性組合： 單差 （測(cè)站間、衛(wèi)星間、歷元間一次差） 功能：消除衛(wèi)星鐘差；削弱星歷誤差；削弱或者消除對(duì)流層和電離層折射影響。n雙差：（在測(cè)站求單差，衛(wèi)星間求雙差；在衛(wèi)星n間求單差，歷元間求雙差；在歷元間求單差，測(cè)站間求雙差）n功能：消除與 接收機(jī)有關(guān)的載波相位及其鐘差n三差：對(duì)雙差繼續(xù)求差得到三差，常用的是在接收機(jī)、衛(wèi)星、歷元間求三差。n功能：三差觀測(cè)值中可以消除于衛(wèi)星、接收機(jī)有關(guān)的初始整周模糊度項(xiàng)N。 GPS作業(yè)模式： 靜態(tài)測(cè)量n作業(yè)方法：采用兩臺(tái)或者多臺(tái)接收機(jī)分別安置在一條或多條基線的端點(diǎn)上，同步觀

4、測(cè)4顆以上的衛(wèi)星，觀測(cè)時(shí)段長度40分鐘以上。n精度：基線精度可達(dá)5+1ppm.D（D為基線長度，以千米計(jì)）n適用范圍：CP0、CP、CP，以及橋梁、隧道施工控制網(wǎng)、航測(cè)基礎(chǔ)控制網(wǎng)。n設(shè)計(jì)網(wǎng)型要注意所有的觀測(cè)基線能組成一系列閉合多邊形，檢核外業(yè)觀測(cè)基線成果的可靠性。GPS作業(yè)模式：快速靜態(tài)測(cè)量n作業(yè)方法：在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇一個(gè)基準(zhǔn)站，安置一臺(tái)接收機(jī)連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星。另一臺(tái)接收機(jī)在各點(diǎn)流動(dòng)設(shè)站，每點(diǎn)觀測(cè)數(shù)分鐘，通過后處理可獲得待定點(diǎn)坐標(biāo)。也可用雙基準(zhǔn)站觀測(cè)，以提高精度。n精度：流動(dòng)站相對(duì)于基準(zhǔn)站的基線中誤差5+1ppm.Dn應(yīng)用范圍：低等級(jí)控制網(wǎng)例如四、五等GPS網(wǎng)測(cè)量。n觀測(cè)注意事項(xiàng)：在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)

5、應(yīng)確保觀測(cè)5顆以上衛(wèi)星。流動(dòng)站到基準(zhǔn)站的距離不超過20km。流動(dòng)站遷站時(shí)，不必保持對(duì)衛(wèi)星的跟蹤，可關(guān)閉電源。GPS作業(yè)模式：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）n實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量就是在基準(zhǔn)站安置一臺(tái)接收機(jī)對(duì)所有可見衛(wèi)星測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站坐標(biāo)通過無線電設(shè)備傳輸給流動(dòng)站，流動(dòng)站在觀測(cè)所有可見衛(wèi)星的同時(shí)，接受基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并組成和解算差分方程，獲取流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間的坐標(biāo)矢量，實(shí)時(shí)顯示流動(dòng)站坐標(biāo)和精度。n精度：可達(dá)cm級(jí)n適用范圍：中線測(cè)量、航空攝影測(cè)量 n技術(shù)注意事項(xiàng)：要求觀測(cè)過程中，保持對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦失鎖，應(yīng)在失鎖的觀測(cè)點(diǎn)上觀測(cè)數(shù)分鐘重新初始化或者用AROF技術(shù)重新初始化。作業(yè)半徑不超過20km。1

6、.2 GPS技術(shù)在鐵路工程測(cè)量中應(yīng)用nCP0控制網(wǎng)測(cè)量 高速鐵路：50km,點(diǎn)間相對(duì)中誤差20mm,邊長相對(duì)中誤差1/200萬,觀測(cè)4個(gè)時(shí)段,時(shí)段長5個(gè)小時(shí)，控制網(wǎng)與國家GPS A、B級(jí)網(wǎng)或者IGS工作站連測(cè)。 設(shè)計(jì)時(shí)速200km以下鐵路：測(cè)區(qū)內(nèi)高等級(jí)控制點(diǎn)的精度和密度不滿足CP起閉要求時(shí)測(cè)量CP0框架網(wǎng)，測(cè)量精度按照設(shè)計(jì)速度和測(cè)區(qū)具體情況設(shè)計(jì)，至少按兩個(gè)時(shí)段，時(shí)段長2個(gè)小時(shí)。 CP基礎(chǔ)平面控制網(wǎng) 高速鐵路：每4km布設(shè)一對(duì)點(diǎn)（或一個(gè)點(diǎn)），點(diǎn)對(duì)間距大于800m,按GPS的二等觀測(cè),基線邊方位中誤差1. 3,邊長相對(duì)中誤差1/18萬,相鄰點(diǎn)的相對(duì)中誤差10mm。 設(shè)計(jì)時(shí)速200km以下鐵路：每4

7、km布設(shè)一對(duì)點(diǎn)（或一個(gè)點(diǎn)），點(diǎn)對(duì)間距大于800m,按GPS的三等觀測(cè),基線邊方位中誤差1. 7,邊長相對(duì)中誤差1/10萬,相鄰點(diǎn)的相對(duì)中誤差10mm。 CP線路平面控制測(cè)量 高速鐵路：600800m一個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)間通視，按GPS的三等觀測(cè)，基線邊方位中誤差1. 7,邊長相對(duì)中誤差1/10萬,相鄰點(diǎn)相對(duì)中誤差8mm。 設(shè)計(jì)時(shí)速200km以下鐵路：400600m一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)間通視，按GPS的四等觀測(cè)，基線邊方位中誤差2. 0,邊長相對(duì)中誤差1/7萬,相鄰點(diǎn)相對(duì)中誤差8mm。 航測(cè)外業(yè)控制測(cè)量 測(cè)量模式：RTK測(cè)量 快速靜態(tài)測(cè)量 中線測(cè)設(shè) 測(cè)量模式： RTK測(cè)量 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)(平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù) 和高程轉(zhuǎn)換參

8、數(shù))及有效性檢查; 基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置; 測(cè)設(shè)中樁的范圍及換基準(zhǔn)點(diǎn)后的 重測(cè)檢查。 工點(diǎn)地形測(cè)量 測(cè)量模式：RTK測(cè)量 2、鐵路測(cè)量的平面坐標(biāo)系統(tǒng)n規(guī)范規(guī)定：n高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范規(guī)定：高速鐵路工程測(cè)量平面坐標(biāo)系應(yīng)采用工程獨(dú)立坐標(biāo)系，在對(duì)應(yīng)的線路軌面設(shè)計(jì)高程面上坐標(biāo)系統(tǒng)的投影長度變形值不宜大于10mm/km。n 鐵路工程測(cè)量規(guī)范和改建鐵路工程測(cè)量規(guī)范規(guī)定：工程測(cè)量平面坐標(biāo)系應(yīng)采用國家坐標(biāo)系或者工程獨(dú)立坐標(biāo)系，線路設(shè)計(jì)高程面上的投影長度變形值不宜大于25mm/km。1、坐標(biāo)系基本概念、坐標(biāo)系基本概念2、ITRF系列框架系列框架3、地方坐標(biāo)系的建立、地方坐標(biāo)系的建立4、CP0框架網(wǎng)框架網(wǎng)5、CPI/CPI

9、I控制網(wǎng)控制網(wǎng)（1）大地基準(zhǔn)）大地基準(zhǔn)：代表地球形體的旋轉(zhuǎn)橢球北京54(BJ54)：克拉索夫斯基橢球西安80(XA80)：IUGG1975國際橢球2000坐標(biāo)系(CGCS2000)：WRS80橢球ab國際地球參考框架(ITRF) ITRS是協(xié)議地球參考系統(tǒng)，是根據(jù)全球觀測(cè)網(wǎng)VLBI、SLR、LLR、GPS 等空間大地測(cè)量技術(shù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析得出一組全球站坐標(biāo)和速度場(chǎng)。ITRS每年都根據(jù)全球觀測(cè)數(shù)據(jù)推算出一個(gè)ITRF參考框架。并以年報(bào)和技術(shù)備忘錄形式發(fā)布。不同年份的ITRF框架有微小的系統(tǒng)差，可通過七參數(shù)法轉(zhuǎn)換消除。國家大地測(cè)量參考框架(國家大地網(wǎng)) 國家GPS A級(jí)網(wǎng)由30個(gè)主點(diǎn)，和22個(gè)副點(diǎn)

10、組成，均勻的分布在中國大陸地區(qū)。點(diǎn)間距離平均650千米。在52個(gè)主副點(diǎn)上連續(xù)同步觀測(cè)9晝夜。國家GPS A級(jí)網(wǎng)復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)在ITRF93（93的參考?xì)v元1996.365）參考框架下進(jìn)行。GPS基線矢量采用美國麻省理工學(xué)院研制的GAMIT軟件及IGS精密星歷。網(wǎng)平差采用武漢大學(xué)GPSATJ軟件。30個(gè)主點(diǎn)數(shù)據(jù)加17個(gè)IGS全球站數(shù)據(jù)一起處理。IGS全球站的坐標(biāo)根據(jù)IGS公布的精度給與相應(yīng)的權(quán)約束。副站與主站的關(guān)系單獨(dú)處理。國家GPS A級(jí)網(wǎng)的成果精度達(dá)到210-8。 19911997國家建立了國家GPS B級(jí)網(wǎng)。全網(wǎng)由818個(gè)點(diǎn)組成，沿海地區(qū)平均點(diǎn)距5070千米，西部地區(qū)150千米。國家GPS B級(jí)

11、網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院研制的GAMIT軟件，以國家GPS A級(jí)網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，按同步圖形遞推。網(wǎng)平差則依據(jù)不同情況分為25個(gè)子網(wǎng)，采用PowerADJ2.0分別進(jìn)行無約束平差，然后以GPS A級(jí)網(wǎng)點(diǎn)位起算數(shù)據(jù)，在ITRF93框架下進(jìn)行網(wǎng)的約束平差。計(jì)算中采用精密星歷包括DMA、CODE、IGS。國家GPS B級(jí)網(wǎng)平差結(jié)果相對(duì)于國家GPS A級(jí)網(wǎng)點(diǎn)水平方向優(yōu)于0.05m，垂直方向優(yōu)于0.1m。 國家GPS A級(jí)網(wǎng)、國家GPS B級(jí)網(wǎng)、總參GPS一、二級(jí)網(wǎng)、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)共同組成國家GPS網(wǎng)，全網(wǎng)2609個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過聯(lián)合處理形成了國家2000坐標(biāo)系統(tǒng)。 CP0 CP CP 地圖投影變形

12、的基本理論 n地面觀測(cè)的邊長投影至參考橢球體面上長度將縮短n橢球體面上的長度S投影到高斯平面上長度將增長n邊長投影變形值 RHDD/22/2/RySSmRHRySvms222 國家3分帶（投影平面的高程為0）邊緣的長度 變 形值為1/3000 1/5000，相當(dāng)于0.333m/km0.2m/km 。 欲使投影誤差達(dá)到25mm/km ，在投影平面的高程為0 前 提下，測(cè)邊離中央子午線的距離不得超過45km。n鐵路工程獨(dú)立坐標(biāo)系的建立1）目的 減小圖上距離或坐標(biāo)反算距離與實(shí)測(cè)距離的差值2）依據(jù)：長度歸化從觀測(cè)表面到投影面，當(dāng)投影面低于觀測(cè)表面時(shí)變短，反之變長；高斯投影的長度比大于1，并且離中央子午

13、線越遠(yuǎn)，長度比越大。 鐵路工程橢球的構(gòu)建橢球膨脹法建立地方坐標(biāo)系：保持參考橢球扁率不變，伸縮其長半軸，從而使觀測(cè)地點(diǎn)的平均高程面與采用的橢球面相切。 橢球參數(shù)與坐標(biāo)計(jì)算32222222222222)1 (sin1cossin)(11/)sin1 ()sin1/(1)sin1/(1WeaMBeWBBaWeMdBdBBBeBeRaBeeaRBeeaNMRHRRmmmmmmmmm 根據(jù)已審查通過的預(yù)可行性研究線路方案縱斷面圖，高速鐵路按高程變化128米，一般鐵路按320米分段，從第一段開始，計(jì)算段線路設(shè)計(jì)平均高程，作為Hm，計(jì)算工程橢球的參數(shù)，選定本段投影中央子午線的經(jīng)度，計(jì)算ym，和段內(nèi)設(shè)計(jì)高程變

14、化點(diǎn)相對(duì)于Hm的高差代入vs/s計(jì)算投影變形值，如果變形值沒超過10mm/km（高速）、25mm/km（一般），這個(gè)帶設(shè)計(jì)完成，進(jìn)行下一段下一帶設(shè)計(jì)。3、航空攝影地形圖測(cè)繪n測(cè)量原理: 將中心投影的航空相片糾正為正射投影測(cè)繪地形圖n 航空攝影的特點(diǎn)：1、中心投影；2、地面起伏變化引起象比例尺變化；3、象片傾斜引起影象變形。 an地形圖特點(diǎn)：正射投影。 n n d c b a s b0 n0 a0n bn s a b c d sn A B C D A B n n a1 b1 c1 d1 C D A N B 象片傾斜影象變形 利用外業(yè)控制點(diǎn)、內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)恢復(fù)攝影時(shí)的狀態(tài)，將傾斜象片轉(zhuǎn)化為水平象片。

15、地面起伏投影變形 平坦地區(qū)投影變形不超過0.4mm，起伏地區(qū)通常采用“分帶”的辦法，以保證“帶”內(nèi)象點(diǎn)的投影差不超過0.4mm。 糾正處理過的象片就可以當(dāng)作正射投影來進(jìn)行地形圖測(cè)繪。 1、機(jī)載GPS可實(shí)時(shí)測(cè)量象中心的坐標(biāo)，配合少量的外業(yè)控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無地控或少地控航測(cè)。目前，只用于中小比例尺測(cè)圖； 2、 GPS定位技術(shù)可以測(cè)量航測(cè)的基礎(chǔ)控制網(wǎng)，為測(cè)量平高點(diǎn)提供坐標(biāo)基準(zhǔn)。 航測(cè)基礎(chǔ)控制網(wǎng)一般沿線路方案（預(yù)可）每8km布設(shè)一對(duì)GPS控制點(diǎn)，測(cè)量精度等級(jí)為四等。成果也可用于初測(cè)工點(diǎn)的調(diào)查測(cè)繪。如果控制點(diǎn)密度不滿足測(cè)設(shè)工點(diǎn)的要求，可用GPS RTK加密或者測(cè)量導(dǎo)線加密。 GPS的高程擬合可用于平高點(diǎn)的高

16、程測(cè)量。 GPS在初測(cè)中的應(yīng)用 1、CP0：當(dāng)測(cè)區(qū)內(nèi)國家高等級(jí)控制點(diǎn)不滿足CP起閉時(shí)，布設(shè)二等或者三等控制網(wǎng)，并連測(cè)附近的國家GPS A、B、C級(jí)點(diǎn)及國家二、三等三角點(diǎn)；高速鐵路提高一個(gè)精度等級(jí)布設(shè)。 2、航測(cè)基礎(chǔ)網(wǎng)測(cè)量：8km一對(duì)點(diǎn)，按四等精度觀測(cè)。 3、GPS RTK測(cè)設(shè)工點(diǎn)的中線，進(jìn)行工點(diǎn)其他測(cè)繪工作。 1、CP：4km設(shè)一對(duì)點(diǎn)或者一個(gè)點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)兩點(diǎn)間距800m； 高速鐵路按二等精度測(cè)量； 設(shè)計(jì)行車速度200km按三等精度測(cè)量； 設(shè)計(jì)行車速度160km 按四等精度測(cè)量； 以CP0為約束點(diǎn)。 2、CP： 400600m布設(shè)一點(diǎn)，相鄰點(diǎn)間通視； 高速鐵路按三等精度測(cè)量（點(diǎn)間距600800m）

17、設(shè)計(jì)行車速度200km按四等精度測(cè)量； 設(shè)計(jì)行車速度160km 按五等精度測(cè)量； 以CP為約束點(diǎn)。3、 GPS RTK測(cè)設(shè)中線和中樁高程。GPS測(cè)量注意事項(xiàng)： 1、組網(wǎng)觀測(cè)應(yīng)采用邊連式布網(wǎng)，即同步圖形間至少有兩個(gè)公共點(diǎn)； 2、所有參加測(cè)量的接收機(jī)設(shè)置相同的參數(shù)； 3、山區(qū)網(wǎng)觀測(cè)之前，應(yīng)對(duì)對(duì)空通視條件不良的點(diǎn)測(cè)繪環(huán)視圖，利用商用軟件中的計(jì)劃軟件，對(duì)包括對(duì)空通視條件不良的點(diǎn)再內(nèi)的同步觀測(cè)，作好觀測(cè)窗口設(shè)計(jì)。 4、用 GPS RTK測(cè)量時(shí)，應(yīng)作好坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算。測(cè)段長度在20km以內(nèi)，宜采用三參數(shù)法，不宜用七參數(shù)法。測(cè)設(shè)的放樣點(diǎn)應(yīng)位于用于計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的各個(gè)控制點(diǎn)所圍成的幾何圖形內(nèi)。 5 、除高速

18、鐵路外， GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，都可用星歷文件所提供的廣播星歷計(jì)算。 6、 GPS數(shù)據(jù)處理后可獲得WGS-84三維坐標(biāo)、國家2000大地坐標(biāo)系三維坐標(biāo)、北京54和西安80 平面坐標(biāo)、鐵路工程獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)，名類繁多，要根據(jù)用途分別標(biāo)識(shí)和提供，并明確使用范圍。 利用GPS定位技術(shù)測(cè)量的資料驗(yàn)收 1、 控制網(wǎng)測(cè)量質(zhì)量驗(yàn)收 (1) 實(shí)測(cè)是否按照規(guī)范規(guī)定或者技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行，例如時(shí)短數(shù)、時(shí)段長度； (2) 獨(dú)立環(huán)閉合差、重復(fù)測(cè)量基線較差是否滿足規(guī)范規(guī)定； (3) 約束平差前后同名改正數(shù)較差不大于2； (4) 控制網(wǎng)各項(xiàng)精度指標(biāo)滿足規(guī)范規(guī)定。 (5) GPS RTK測(cè)量放樣中線，中線點(diǎn)是否都位于用于計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的各個(gè)控制點(diǎn)所圍成的幾何圖形內(nèi)。 5、 改建鐵路測(cè)量n改建鐵路施測(cè)程序 框架網(wǎng)、CP網(wǎng)測(cè)量 水準(zhǔn)基點(diǎn)測(cè)量非繞行地段里程丈量非繞行地段外移樁導(dǎo)線測(cè)量（CP）中線測(cè)繪(方向測(cè)量、曲線測(cè)量、橫斷面）地形測(cè)繪站場(chǎng)測(cè)量、橋涵測(cè)量、隧道測(cè)量6、控制測(cè)量未考慮投影變形的后處理n（1）、考慮投影變形的控制測(cè)量成果 將原控制測(cè)量成果重新按控制投影變形的坐標(biāo)系計(jì)算新成果 ，并分