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全站仪与计算机相结合在线路放样中的应用

马永昌
（柳州市勘察测绘研究院）

【摘　要】　本文介绍如何在微机上利用编程语言设计连续弯道计算程序，通过在计算机上输入弯道信息，利用程序自动计算出线路各里程坐标，把全站仪与计算机联机，将数据传输至仪器中，在野外作业时充分利用全站仪的放样功能，使得全站仪与计算机融为一体，实现整个线路放样的高效率。
【关键词】　多弯道编程全站仪放样

1、引言
　　随着城市建设的迅速发展，线路勘测放样的测量工作相当普遍，如修建城市道路时，道路中线放线；煤气管线、排水沟渠、供水管线、地下通讯线、电力沟勘测等放线工程。目前较多的做法利用计算器计算或在AUTOCAD上作图计算好后再输入全站仪中进行放样，数据多时既费劲又不可靠，检测工作麻烦，笔者在进行城市测量工作两年来深有体会。虽然比起过去纯手工计算效率高，但总的来说还没有充分利用现有的仪器设备，笔者平时在工作实践发现绝大多数城市线路测量工作与直线段、圆曲线、缓和曲线相关联，如果事先设计出由直线段、圆曲线、缓和曲线组合的连续弯道计算程序，再配上全站仪高效率的放样功能，将大大提高线路放样的效率。笔者经努力摸索这种作业模式，在工作中取得显著效果，下面浅谈我的一些基本作法，仅供参考。
2、线路放样的基本要求和特点
　　由直线段、圆曲线和缓和曲线组成的线路，一般要放出它们各自的特征点；直线段要放出直线段的两个交点，圆曲线要放出圆曲线的三个交点、直圆点ZY、曲中点QZ、圆直点YZ、缓和曲线要放出三个交点、直缓点ZH、缓圆点HY、曲中点QZ、圆缓点YH、缓直点HZ；线路放样一般还要放出从起点开始每隔一定间距（如10米、20米等）桩位和线路百米桩，对于缓和曲线段一般要求等间距放出。如图2-1线路所示：

图 2-1

　　假定JD1的里程为1+196.525、ZY里程为1+352.613、ZH里程为1+821.350、间距20米，则线路里程如下：
　　1+196.525（JD1）、1+200、1+220、… 、1+352.613（ZY）、1+360、… 、QZ、… 、YZ、… 、1+821.350（ZH）、1+841.350、… 、HY、…… 、JD5…。
　　由于线路含有圆曲线和缓和曲线，它们各为二次和二次以上曲线类型，其计算过程复杂，而线路里程桩位间距较小，线路较长时，里程坐标数据多，外业放样工作量较大。
3、连续弯道编程基本思路
　　设计连续弯道计算程序时，首先要考虑满足线路放样的基本要求，即里程坐标数据要符合规范，做到计算成果的一致性。由于圆曲线和缓和曲线计算方法各有很多种，为了能够顺利实现连续弯道计算，最好采用圆曲线和缓和曲线相统一的计算方法，体现出计算公式规律性较强，容易编写子程序。从这个角度出发，笔者认为最好采用切线支距法，因为这种方法比较适合这种要求，下面笔者以VB编程为例，介绍这种方法。
　　（1）理论基础
　　对于直线段、折线计算比较简单，在此只讨论圆曲线和缓和曲线计算。

图 3-1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 3-2

　　a、圆曲线
　　如图3-1所示，以圆曲线起点ZY（或终点YZ）为坐标原点，其切线为x轴，即ZY（YZ）与JD的连线，过ZY（或YZ）的半径为y轴的直角坐标系。假定曲线上某点i在这个坐标系的坐标为（，），在地面测量坐标系中的坐标为（Xi，Yi），ZY（或YZ）在地面测量坐标系中的坐标为（Xo，Yo），ZY（或YZ）与JD连线（即X轴）在地面测量坐标系中的方位角为AO。则有下列计算公式：

　　其中（a-3）式中的±号由线路偏向决定。
　　b、缓和曲线
　　如图3-2所示，建立以ZH（或HZ）点为原点，过ZH（或HZ）点的缓和曲线切线为x轴，ZH（或HZ）点上缓和曲线的半径为y轴的直角坐标系。假定曲线上有一点i，则它在这个坐标系中的坐标为（，），缓圆点HY的坐标为（，）；i点在地面测量坐标系中的坐标用（Xi，Yi）来表示，ZH（或HZ）点在地面测量坐标系中的坐标为（Xo，Yo），切线x轴在地面测量坐标系中的方位角为AO，则有下列公式：
　　①

　　② 当i点落在圆曲线上

　　把代入（b-1）式中可得Xo、Yo。
　　①、②两种情况统一到地面测量坐标系中坐标计算公式如下

　　其中（b-5）式中的±号由线路偏向决定。
　　（2）程序实现流程
　　总体思路把弯道计算分解成直线段、圆曲线、缓和曲线计算子程序，计算时扫描数据，根据弯道信息，区分是折线、圆曲线还是缓和曲线类型，选择调用所需子程序，计算完一个弯道后，记录当前信息，以便结合下一弯道数据计算，直到计算至终点。
　　① 总体框架：

　　（说明）IPO变量为数据结束标志符，当IPO=“END”时，表明全部弯道计算完毕，JDX1，JDY1，JDX2，JDY2，JDX3，JDY3为交点坐标，R为曲线半径，LO为缓和曲线长度；当JDX3=0、JDY3=0时，定义为直线段，当R=0、LO=0，且JDX3>0时，定义为折线，当R>0、L0=0时定义为圆曲线，当R>0、L0>0时，定义为缓和曲线；IP变量表明本弯道与下一弯道如何联系，当IP>0时，弯道计算至切点，折线计算至第二个交点，当IP=0时，计算到弯道最后一个交点。
　　② 以圆曲线段计算为例介绍如何编写子程序。
　　a、里程计算子程序

　　Private Sub YH( )
　　N = 1
　　If H>Int(XH/100)*100+100 Then
　　　　　　 HN(N) = Int(XH/100)*100+100
　　　　　　 Call YH1
　　　　　　 N = N+1
　　End If
　　HN(N) = Int(XH/C)*C+C
　　Call YH1
　　If N = 2 Then
　　　　If HN(2)<HN(1) Then
　　　　　　xp = XN(1): Yp = YN(1): HP = HN(1)
　　　　　　XN(1) = XN(2): YN(1) = YN(2): HN(1) = HN(2)
　　　　　　XN(2) = xp: YN(2) = Yp: HN(2) = HP
　　　　End If
　　　　If HN(1) = HN(2) Then N = N-1
　　End If
　　N = N+1
　　HN(N) = HN(N-1)+C
　　Do While HN(N)<HX
　　　　　　If HN(N)>Int(HN(N-1)/100)*100+100 Then
　　　　　　　　　HN(N) = Int(HN(N-1)/100)*100+100
　　　　　　　　　Call YH1
　　　　　　　　　N = N+1
　　　　　　　　　HN(N) = HN(N-2)+C
　　　　　　End If
　　　　　　Call YH1
　　　　　　N = N+1
　　　　　　HN(N) = HN(N-1)+C
　　　　　　 If (Int(HN(N)/100)*100<HX) And ((HN(N)>=HX)) And (HN(N)<Int(HN(N)/100)*100+C) Then HN(N) = 　　　　　　 Int(HN(N)/100)*100
　　 Loop
　　End Sub
　　变量说明：XH可能为ZYH、HYH、QZH，H = XH+C，HX可能为QZH、YHH。
　　c、坐标计算子程序
　　Private Sub YH1( )
　　If FI$ = "L" Then
　　　　 L = HN(N)-XH+L0
　　Else
　　　　 If L0>0 Then L = HZH-HN(N) Else L = YZH-HN(N)
　　End If
　　If L0>0 Then
　　　　　　XN(N) = HYAERX(L0,R,M,L): YN(N) = HYAERY(L0,R,P,L)
　　Else
　　　　XN(N) = CAERX(L,R): YN(N) = CAERY(L,R)
　　End If
　　S = Sqr(XN(N)^2+YN(N)^2)
　　If RL$ = "R" Then A2 = A1+Atn(YN(N)/XN(N)) Else A2 = A1-Atn(YN(N)/XN(N))
　　XN(N) = STX+S*Cos(A2): YN(N) = STY+S*Sin(A2)
　　End Sub

　　变量说明：FI为判断弯道左右支变量，RL为线路偏向变量，（STX，STY）为切点在地面测量坐标系坐标。
4、全站仪与计算机相结合在线路放样中的作业流程
　　（1）内业准备工作
　　根据线路设计的各交点坐标，在计算机上编辑弯道信息数据文件，利用弯道程序自动计算出线路各里程坐标，将全站仪与计算机联机，利用全站仪配带的通讯程序或自编的通信程序，把里程坐标数据传输至仪器中，另外把线路里程坐标数据与原有数字地形图相叠加，了解线路放样点与周边地形和地物关系，制定出周密的作业方案。同时再打印一份数据带出供放样参考。
　　（2）现场放点。主要利用全站仪自动检索、快速计算功能，具体操作步骤如下：
　　a、设定测站点。整平对中好仪器，在放样模式下输入测站点坐标和仪器高，如果放样文件已有该点坐标，则可以直接调出该点坐标，校核无误，按确定键即可。
　　b、设定定向点。在定向模式下，输入定向点坐标和棱镜高，如放样文件已有该点坐标，利用点号调用该点坐标，校核无误，瞄准目标，按确定键，屏幕立刻显示定向方位角，进一步操作，仪器自动记录度盘位置。为防止控制点用错和输错，必须对控制点进行检测，正确无误，便可开始放样。
　　c、根据需要放样各里程桩位。在放样功能下，输入里程号（如0+120）；或直接利用索引功能，选定放样点；屏幕上立刻显示放样点方位角和距离，在全站仪测角和测距功能下，直到方位角差和距离差都为0，便可标定桩位。如控制点不能满足放样要求，可以利用全站仪极坐标测量和自由设站功能，可以非常方便地引入控制点。
　　d、检测工作
　　由于测站点、定向点坐标已检核无误，放样数据输入没有受到人工干扰，如放样出错，肯定仪器有故障，如有粗差，可能由于仪器脚架变动，影响了度盘水平；一般仪器不会突然变坏，最有可能由于仪器脚架变动引起度盘读数不对，出现放样粗差，这样首先进行定向检查，如方位角差在许可范围内，说明所放桩位全部正确；如方位角差较大，影响了放样精度，重新定好向，从最后放样桩位依次往前检测，直到出现正确桩位为止；这样只须重放部分桩位即可。当然要素点的图形条件需要检测例外。
　　（3）内业资料处理。将全站仪数据传输至微机，根据需要编辑各种资料。
　　总之，这种作业模式，自动化程度高，放样正确无误，效率高，在实践中得到了证实。
5、算例。如图5-1所示：

图 5-1

　　计算见附录。
6、结束语
　　全站仪与计算机相结合线路放样内外业一体化作业模式其最大特点是事先计算好线路上各里程坐标，然后输入全站仪中。但野外情况千变万化，有时放样桩位在坑道里，无法打桩；有时测站点与放样点之间有障碍物；这些情况无法放出放样点位。这时我们可以根据实际需要在该里程桩位附近放出线路上另一点。因此弯道障碍物放线是一个值得探讨的问题，如果事先用计算机编好程序，将是全站仪与计算机相结合在线路放样的一个很好补充。

参考文献
[1] 《工程测量学》李青岳、陈永奇主编

附录 A
　　生成各弯道要素信息

0+113.546
< <
JD1	0+113.546	1288.000	1094.000
JD1	0+320.198	1420.000	1253.000
JD3	0+494.805	1289.000	1399.000
A0 = 81.35580	L0 = 20	R = 70	C = 10	IP = 1	T=70.620	L=119.693	E = 22.785	Q = 21.548
ZH	0+249.578	1374.891	1198.664
HY	0+269.578	1386.908	1214.628
QZ	0+309.424	1397.219	1252.562
YH	0+349.270	1385.459	1290.072
HZ	0+369.270	1372.837	1305.563
> >
< <
JD2	0+320.198	1420.000	1253.000
JD3	0+494.805	1289.000	1399.000
JD4	0+614.900	1389.000	1492.000
A0 = 88.58392	L0 = 0	R = 40	C = 10	IP = 1	T=39.292	L=62.118	E=16.070	Q=16.467
ZY	0+455.513	1315.241	1369.754
QZ	0+486.572	1305.054	1398.274
YZ	0+517.631	1317.773	1425.759
> >
< <
JD3	0+494.805	1289.000	1399.000
JD4	0+614.900	1389.000	1492.000
JD5	0+712.352	1343.000	1588.000
A0 = 72.40457	L0 = 0	R = 0	C = 10	IP = 0
> >
END

附录 B
　　生成GTS-700/710/800通讯数据

0+113.546，1094.000，1288.000，0	0+480，1391.714，1305.297，0
0+120，1098.966，1292.123，0	0+486.572，1398.274，1305.054，0
0+130，1106.660，1298.510，0	0+490，1401.688，1305.355，0
0+140，1114.354，1304.898，0	0+500，1411.337，1307.880，0
0+150，1122.048，1311.285，0	0+510，1420.062，1312.713，0
0+160，1129.742，1317.673，0	0+517.631，1425.759，1317.773，0
0+170，1137.436，1324.060，0	0+494.805，1399.000，1289.000，0
0+180，1145.130，1330.448，0	0+517.631，1425.759，1317.773，0
0+190，1152.824，1336.835，0	0+520，1427.372，1319.508，0
0+200，1160.519，1343.223，0	0+530，1434.182，1326.830，0
0+210，1168.213，1349.611，0	0+540，1440.992，1334.153，0
0+220，1175.907，1355.998，0	0+550，1447.803，1341.476，0
0+230，1183.601，1362.386，0	0+560，1454.613，1348.799，0
0+240，1191.295，1368.773，0	0+570，1461.423，1356.121，0
0+249.578，1198.664，1374.891，0	0+580，1468.233，1363.444，0
0+259.578，1206.433，1381.186，0	0+590，1475.043，1370.767，0
0+269.578，1214.628，1386.908，0	0+600，1481.853，1378.089，0
0+270，1214.989，1387.128，0	0+610，1488.663，1385.412，0
0+280，1223.886，1391.676，0	0+614.900，1492.000，1389.000，0
0+290，1233.339，1394.911，0	0+620，1496.600，1386.796，0
0+300，1243.157，1396.767，0	0+630，1505.618，1382.475，0
0+309.424，1252.562，1397.219，0	0+640，1514.636，1378.154，0
0+310，1253.138，1397.206，0	0+650，1523.654，1373.832，0
0+320，1263.081，1396.220，0	0+660，1532.672，1369.511，0
0+330，1272.782，1393.828，0	0+670，1541.690，1365.190，0
0+340，1282.044，1390.079，0	0+680，1550.709，1360.869，0
0+349.270，1290.072，1385.459，0	0+690，1559.727，1356.548，0
0+359.270，1298.042，1379.426，0	0+700，1568.745，1352.226，0
0+369.270，1305.563，1372.837，0	0+710，1577.763，1347.905，0
0+320.198，1253.000，1420.000，0	0+720，1586.781，1343.584，0
0+369.270，1305.563，1372.837，0	0+721.352，1588.000，1343.000，0
0+370，1306.107，1372.350，0
0+380，1313.550，1365.671，0
0+390，1320.993，1358.993，0
0+400，1328.436，1352.314，0
0+410，1335.879，1345.636，0
0+420，1343.322，1338.958，0
0+430，1350.765，1332.279，0
0+440，1358.208，1325.601，0
0+450，1365.651，1318.923，0
0+455.513，1369.754，1315.241，0
0+460，1373.255，1312.438，0
0+470，1382.036，1307.707，0

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