CN106248053B - 基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法 - Google Patents

基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法,包括以下步骤:内外业数据采集、内业采集中线的检核及连接、特征点投影坐标自动计算、特征点里程互检核及选取分段平差段落、分段落里程坐标平差和既有线平面中线生成，本发明的铁路既有线平面中线制作方法在少量外业工作量辅助下的情形下，克服单纯利用航测方式进行既有线作业的缺点，实现内外业融合模式下的基于航测方式的既有线中线制作，建立基于航测方式的既有线平面中线制作的流程，该方法的精度、格式和标准均满足铁路工程的需求。

Description

基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法
技术领域
本发明属于铁路既有线测绘技术领域，具体来说涉及一种基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法。
背景技术
航空摄影测量技术作为大比例地形图制作的主要手段，其具有数据获取快速、范围广以及非接触地面的特点，在铁路勘测制图中发挥着重要的作用。铁路工程建设中的增二线及电气化改造工作都需要进行既有线测绘，内容包括：地形图测绘、横断面测绘、三贯通测量和站场测量，其中，既有线平面中线制作工作作为平面测绘的基础，就是既有线测绘要完成的关键工作之一。
目前既有线测绘平面中线制作通过采用人工上线里程丈量和载波相位差分技术(rtk)作业完成，这种作业方式需要人工上线作业，安全风险大，外业工作量大。
数码航摄技术的发展促使航摄影像的分辨率和定位精度得到极大提高，使得基于航测方式完成某些既有线测绘工作成为可能，但这种单纯依靠航测方式完成既有线平面中线制作的方法具备以下缺点：(1)人工采集的误差分布具备不确定性；(2)人工采集的三维中线无法进行投影改正来消除高程变化带来的里程长度差异；(3)无法保证航测精度与外业实测精度的有效统一；(4)目前国内外没有利用航测技术进行既有线平面中线制作的规范流程、作业方案。(5)如何有效实现内外业数据融合应用，高效达到内外业数据的互检核以剔除误差数据的目的，提高当前内业处理效率仍然待解决。
现有利用航测方式进行铁路既有线平面制作的方法正处于研究改进和发展中。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法。
本发明的是通过下述技术方案予以实现的。
一种基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法，包括以下步骤：
S1，内外业数据采集；
S1-1，特征点外业里程丈量；
通过上线皮尺测量方式进行里程丈量，得到特征点A1、A2……As的里程值和规划断链里程值，其中，所述特征点为航测数码影像立体像对上可立体识别的地物；
S1-2，航测内业采集既有线中线及特征点；
通过航测得到航测数码影像立体像对，根据空中三角测量对所述航测数码影像立体像对进行判读：
在直线段的既有线，在该段既有线的左铁轨的轨顶和右铁轨的轨顶上按照15～25米的间隔采集矢量线，对所述矢量线进行取中，以得到直线段的既有线的矢量中线；
在曲线段的既有线，在该段既有线的外轨的轨顶上按照3～8米的间隔采集矢量线，将外轨上每个所述矢量线分别向既有线中线投影，得到曲线段的既有线的矢量中线；
在所述航测数码影像立体像对中，通过S1-1中所述特征点A1、A2……As的里程值以及平面线位资料，确定并采集特征点的平面坐标；
S2，内业采集中线的检核及连接；
S2-1，中线“折向冗余”检核；
确定一段矢量中线的误差点：在一矢量中线上，分别计算第n个与第n-1个点的斜率，依次得到斜率值K2、……Ki-1、Ki，其中，n＝2、3、……i，i为所述矢量中线上点的个数；通过公式(1)分别计算所述斜率值的差，依次得到L3、L4、……Li-1、Li：
Lm＝|Km-Km-1|，m＝3、4、……i(1)
设定阈值，如所述Lm大于所述阈值，则Lm相对应的第m个点为该段矢量中线的误差点；
分别确定每段矢量中线的误差点，并删除该误差点，得到多段优化矢量中线：
S2-2，自动批连接；
根据每段所述优化矢量中线的起止坐标，确定所述优化矢量中线的连接顺序；对每两个相邻的优化矢量中线相互靠近的端点的平面坐标进行平差拟合，以实现相邻优化矢量中线的接边处理，得到一整体中线矢量；
S2-3，坐标离散化；
按照朝向大里程值方向的顺序，提取所述整体中线矢量上所有点的平面坐标；
S3，特征点投影坐标自动计算
根据S2-3所述点的平面坐标以及S1-2所述特征点的平面坐标的关系，依次判断所述特征点与所述整体中线矢量上任意相邻两点所构建三角形的特性：过特征点向所述整体中线矢量做投影，在所述整体中线矢量上得到特征点投影；通过余弦定理得到s个特征点投影的平面坐标以及任意两个特征点投影之间的长度；
S4，特征点里程互检核及选取分段平差段落；
建立特征点Aη与特征点Aη+θ的误差评价指标P(Aη,Aη+θ)：
建立特征点Aη的误差总指标P(Aη)：
其中，η和θ均为正整数，η＝1、2、3……s，θ＝s-η、s-η-1……0；S采集(Aη,Aη+θ)为在航测数码影像立体像对上采集到Aη特征点投影与Aη+θ特征点投影之间的长度，S丈量(Aη,Aη+θ)为通过上线皮尺测量方式丈量得到Aη特征点投影与Aη+θ特征点投影之间的长度；
计算每两个特征点的误差评价指标以及计算每一特征点的误差总指标，根据所述误差评价指标和误差总指标的分布情况，剔除信息错误的特征点，剔除后得到N个优选特征点；将所述优选特征点按里程值从小至大进行排序，将2个相邻的所述优选特征点分为一组，每组形成一分段平差段落，N个优选特征点形成N/2段分段平差段落；
S5，分段落里程坐标平差；
按照公式(4)对每段分段平差段落的两个优选特征点的误差评价指标进行分配，得到平差值；
根据分段平差段落、平差值以及规划断链里程值，建立桩号里程值与平面坐标的关系模型：
其中，Lc为桩号里程值，(x,y)为平面坐标，H(x,y)为在航测数码影像立体像对上采集到平面坐标(x,y)的里程值，D为平面坐标(x,y)所在分段平差段落的规划断链里程值；P为平面坐标(x,y)所在分段平差段落的平差值；
S6，既有线平面中线生成；
通过中线桩号表得到的桩号里程值，将所述桩号里程值代入公式(5)所述的关系模型，计算得到各个分段平差段落对应的桩号的平面坐标，将所有桩号对应的平面坐标连接在一起，形成既有线平面中线。
在上述技术方案中，在所述S1-1中，将特征点投影至靠近该特征点的左铁轨或右铁轨，得到特征点投影，通过上线皮尺测量方式对特征点投影所在的左铁轨或右铁轨进行里程丈量，得到所述特征点投影的里程值。
在上述技术方案中，在所述S1-1中，通过外业作业人员上线皮尺测量方式进行里程丈量。
在上述技术方案中，在所述S1-1中，所述特征点为坡度标、涵洞中心和车站中心。
在上述技术方案中，在所述S1-2中，在所述航测数码影像立体像对中，通过S1-1中所述特征点A1、A2……As的里程值以及平面线位资料，通过位置关联分析确定并采集特征点的平面坐标。
在上述技术方案中，在所述S2-1中，所述阈值为1/30～1/60。
本发明的铁路既有线平面中线制作方法在少量外业工作量辅助下的情形下，克服单纯利用航测方式进行既有线作业的缺点，实现内外业融合模式下的基于航测方式的既有线中线制作，建立基于航测方式的既有线平面中线制作的流程，该方法的精度、格式和标准均满足铁路工程的需求。
具体实施方式
下面对本发明的一种基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法进行详细说明，包括以下步骤：
S1，内外业数据采集；
S1-1，特征点外业里程丈量；
通过外业作业人员上线皮尺测量方式进行里程丈量，得到特征点A1、A2……As的里程值和规划断链里程值，其中，特征点为航测数码影像立体像对上可立体识别的地物，可以为坡度标、涵洞中心和车站中心。特征点的里程值的测量方法为：将特征点投影至靠近该特征点的左铁轨或右铁轨，得到特征点投影，通过上线皮尺测量方式对特征点投影所在的左铁轨或右铁轨进行里程丈量，得到特征点投影的里程值。
S1-2，航测内业采集既有线中线及特征点；
通过航测得到航测数码影像立体像对，根据空中三角测量对航测数码影像立体像对进行判读：
在直线段的既有线，在该段既有线的左铁轨的轨顶和右铁轨的轨顶上按照20米的间隔采集矢量线，对矢量线进行取中，以得到直线段的既有线的矢量中线；
在曲线段的既有线，在该段既有线的外轨的轨顶上按照5米的间隔采集矢量线，将外轨上每个矢量线分别向既有线中线投影，得到曲线段的既有线的矢量中线；
在航测数码影像立体像对中，通过S1-1中特征点A1、A2……As的里程值以及平面线位资料，通过位置关联分析确定并采集特征点的平面坐标。
S2，内业采集中线的检核及连接；
S2-1，中线“折向冗余”检核；
确定矢量中线的误差点：在一段矢量中线上，分别计算第n个与第n-1个点的斜率，依次得到斜率值K2、……Ki-1、Ki，其中，n＝2、3、……i，i为矢量中线上点的个数；通过公式(1)分别计算斜率值的差，依次得到L3、L4、……Li-1、Li：
Lm＝|Km-Km-1|，m＝3、4、……i(1)
设定阈值1/20，如Lm大于阈值，则Lm相对应的第m个点为该段矢量中线的误差点；
分别确定每段矢量中线的误差点，来判断采集过程中是否发生折向、偏移等误差,并删除该误差点，得到多段优化矢量中线：
S2-2，自动批连接；
根据每段优化矢量中线的起止坐标，确定优化矢量中线的连接顺序；对每两个相邻的优化矢量中线相互靠近的端点的平面坐标进行平差拟合，以实现相邻优化矢量中线的接边处理，得到一整体中线矢量；
S2-3，坐标离散化；
按照朝向大里程值方向的顺序，提取整体中线矢量上所有点的平面坐标；
S3，特征点投影坐标自动计算；
根据S2-3所述点的平面坐标以及S1-2所述特征点的平面坐标的关系，依次判断特征点与整体中线矢量上任意相邻两点构建的三角形特性：过特征点向整体中线矢量做投影，在所述整体中线矢量上得到特征点投影；通过余弦定理得到s个特征点投影的平面坐标(垂足)以及任意两个特征点投影之间的长度；
S4，特征点里程互检核及选取分段平差段落；
建立特征点Aη与特征点Aη+θ的误差评价指标P(Aη,Aη+θ)：
建立特征点Aη的误差总指标P(Aη)：
其中，η和θ均为正整数，η＝1、2、3……s，θ＝s-η、s-η-1……0；S采集(Aη,Aη+θ)为在航测数码影像立体像对上采集到Aη特征点投影与Aη+θ特征点投影之间的长度，S丈量(Aη,Aη+θ)为通过上线皮尺测量方式丈量得到Aη特征点投影与Aη+θ特征点投影之间的长度；误差评价指标的定义为每公里的S丈量(Aη,Aη+θ)与S采集(Aη,Aη+θ)的差值。
计算每两个特征点的误差评价指标以及计算每一特征点的误差总指标，根据误差评价指标和误差总指标的分布情况，剔除信息错误的特征点。剔除信息错误的特征点的方法为：设置一个一维坐标，该一维坐标代表误差评价指标/误差总指标的数值，将误差评价指标/误差总指标以点的形式绘制在该一维坐标上，形成误差评价指标点集/误差总指标点集；在误差评价指标点集/误差总指标点集中，将位置远离误差评价指标点集/误差总指标点集中大部分点的误差评价指标/误差总指标剔除，即剔除数值远远大于或远远小于误差评价指标/误差总指标的误差评价指标/误差总指标集。
剔除后得到N个优选特征点；将优选特征点按里程值从小至大进行排序，将2个相邻的优选特征点分为一组，每组形成一分段平差段落，N个优选特征点形成N/2段分段平差段落；
S5，分段落里程坐标平差(求取平差值以及建立关系模型)；
按照公式(4)对每段分段平差段落的两个优选特征点的误差评价指标进行分配，得到平差值；
根据分段平差段落、平差值以及规划断链里程值，建立桩号里程值与平面坐标的关系模型：
其中，Lc为桩号里程值，(x,y)为平面坐标，H(x,y)为在航测数码影像立体像对上采集到平面坐标(x,y)的里程值，D为平面坐标(x,y)所在分段平差段落的规划断链里程值(规划断链里程值通过S1-1求得)；P为平面坐标(x,y)所在分段平差段落的平差值；
S6，既有线平面中线生成；
通过中线桩号表得到的桩号里程值，将所述桩号里程值代入公式(5)所述的关系模型，计算得到各个分段平差段落对应的桩号的平面坐标，将所有桩号对应的平面坐标连接在一起，形成既有线平面中线。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，内外业数据采集；
S1-1，特征点外业里程丈量；
通过上线皮尺测量方式进行里程丈量，得到特征点A1、A2……As的里程值和规划断链里程值，其中，所述特征点为航测数码影像立体像对上可立体识别的地物；
S1-2，航测内业采集既有线中线及特征点；
通过航测得到航测数码影像立体像对，根据空中三角测量对所述航测数码影像立体像对进行判读：
在直线段的既有线，在该段既有线的左铁轨的轨顶和右铁轨的轨顶上按照15～25米的间隔采集矢量线，对所述矢量线进行取中，以得到直线段的既有线的矢量中线；
在曲线段的既有线，在该段既有线的外轨的轨顶上按照3～8米的间隔采集矢量线，将外轨上每个所述矢量线分别向既有线中线投影，得到曲线段的既有线的矢量中线；
在所述航测数码影像立体像对中，通过S1-1中所述特征点A1、A2……As的里程值以及平面线位资料，确定并采集特征点的平面坐标；
S2，内业采集中线的检核及连接；
S2-1，中线“折向冗余”检核；
确定一段矢量中线的误差点：在一矢量中线上，分别计算第n个与第n-1个点的斜率，依次得到斜率值K2、……Ki-1、Ki，其中，n＝2、3、……i，i为所述矢量中线上点的个数；通过公式(1)分别计算所述斜率值的差，依次得到L3、L4、……Li-1、Li：
Lm＝|Km-Km-1|，m＝3、4、……i (1)
设定阈值，如所述Lm大于所述阈值，则Lm相对应的第m个点为该段矢量中线的误差点；
分别确定每段矢量中线的误差点，并删除该误差点，得到多段优化矢量中线：
S2-2，自动批连接；
根据每段所述优化矢量中线的起止坐标，确定所述优化矢量中线的连接顺序；对每两个相邻的优化矢量中线相互靠近的端点的平面坐标进行平差拟合，以实现相邻优化矢量中线的接边处理，得到一整体中线矢量；
S2-3，坐标离散化；
按照朝向大里程值方向的顺序，提取所述整体中线矢量上所有点的平面坐标；
S3，特征点投影坐标自动计算；
根据S2-3所述点的平面坐标以及S1-2所述特征点的平面坐标的关系，依次判断所述特征点与所述整体中线矢量上任意相邻两点所构建三角形的特性：过特征点向所述整体中线矢量做投影，在所述整体中线矢量上得到特征点投影；通过余弦定理得到s个特征点投影的平面坐标以及任意两个特征点投影之间的长度；
S4，特征点里程互检核及选取分段平差段落；
建立特征点Aη与特征点Aη+θ的误差评价指标P(Aη,Aη+θ)：
建立特征点Aη的误差总指标P(Aη)：
其中，η和θ均为正整数，η＝1、2、3……s，θ＝s-η、s-η-1……0；S采集(Aη,Aη+θ)为在航测数码影像立体像对上采集到Aη特征点投影与Aη+θ特征点投影之间的长度，S丈量(Aη,Aη+θ)为通过上线皮尺测量方式丈量得到Aη特征点投影与Aη+θ特征点投影之间的长度；
计算每两个特征点的误差评价指标以及计算每一特征点的误差总指标，根据所述误差评价指标和误差总指标的分布情况，剔除信息错误的特征点，剔除后得到N个优选特征点；将所述优选特征点按里程值从小至大进行排序，将2个相邻的所述优选特征点分为一组，每组形成一分段平差段落，N个优选特征点形成N/2段分段平差段落；
S5，分段落里程坐标平差；
按照公式(4)对每段分段平差段落的两个优选特征点的误差评价指标进行分配，得到平差值；
根据分段平差段落、平差值以及规划断链里程值，建立桩号里程值与平面坐标的关系模型：
其中，Lc为桩号里程值，(x,y)为平面坐标，H(x,y)为在航测数码影像立体像对上采集到平面坐标(x,y)的里程值，D为平面坐标(x,y)所在分段平差段落的规划断链里程值；P为平面坐标(x,y)所在分段平差段落的平差值；
S6，既有线平面中线生成；
通过中线桩号表得到的桩号里程值，将所述桩号里程值代入公式(5)所述的关系模型，计算得到各个分段平差段落对应的桩号的平面坐标，将所有桩号对应的平面坐标连接在一起，形成既有线平面中线。
2.根据权利要求1所述的基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法，其特征在于，在所述S1-1中，将特征点投影至靠近该特征点的左铁轨或右铁轨，得到特征点投影，通过上线皮尺测量方式对特征点投影所在的左铁轨或右铁轨进行里程丈量，得到所述特征点投影的里程值。
3.根据权利要求1所述的基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法，其特征在于，在所述S1-1中，通过外业作业人员上线皮尺测量方式进行里程丈量。
4.根据权利要求1所述的基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法，其特征在于，在所述S1-1中，所述特征点为坡度标、涵洞中心和车站中心。
5.根据权利要求1所述的基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法，其特征在于，在所述S1-2中，在所述航测数码影像立体像对中，通过S1-1中所述特征点A1、A2……As的里程值以及平面线位资料，通过位置关联分析确定并采集特征点的平面坐标。
6.根据权利要求1所述的基于航测方式的铁路既有线平面中线制作方法，其特征在于，在所述S2-1中，所述阈值为1/30～1/60。
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