毕业论文范文——利用全站仪或GPSRTK技术放样圆缓曲线方法的研究

毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目： 基本内容：毕业设计（论文）专题部分：题目： 基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第周指导教师签字：年月日东北大学毕业设计(论文) 摘要利用全站仪或GPSRTK技术放样圆缓曲线方法的研究作 者 姓 名：指 导 教 师： 单 位 名 称：资源与土木工程学院专 业 名 称：测绘工程东 北 大 学 年 月摘要随着城市道路建设的迅速发展，道路建设越来越重要，大量的立交高架等道路应运而生，缓和曲线越来越多地运用到道路建设中。传统的路线放样,多采用偏角法、切线支距法等，当地形复杂、通视条件不利时,放样将非常困难。对于大规模道路工程施工，常规的放样方法满足不了精度的要求，科学的放样方法开始应用到道路工程施工当中。其中电子全站仪、GPS以其效率快、精度高、操作简单而成为高等级道路测量放样中不可缺少的有力工具。本文对利用全站仪或GPS-RTK技术放样圆缓曲线的方法进行了研究。在放样过程中，只要预先输入具有一定密度的曲线上点的测量坐标，就可以利用全站仪计算放样距离和角度，采用自由设站的方式放样，或利用GPS-RTK技术进行曲线测设。本软件正是为实现这两种曲线放样方法而设计的从独立坐标系到测量坐标系的转换程序。利用此计算软件，只需要输入各种类型曲线的基本数据和放样点里程间隔，就可以得到所有需要的放样数据，包括里程，坐标，距离，属性等。此软件计算迅速，精确度高，使用方便快捷，并且可以产生具有动画效果的图形界面以便于放样参考。论文共分为六大部分，第一部分介绍了常规圆缓曲线的几种放样方法；第二、三部分对全站仪的功能、放样原理与方法做了说明；第四部分为GPS-RTK圆缓曲线放样方法说明；第五部分，坐标转换程序主要内容介绍及程序代码；最后一部分总结全文。关键词：圆缓曲线，放样，全站仪，GPS-RTK，坐标转换- 2 -东北大学毕业设计(论文)AbstractAbstractWith the fast development of city road building, a lot of spatial traffic building is developed commensurately, palliative curve is used widely. The traditional route setting-out mostly uses deflection angle method and tangent off-set method etc. In these methods, setting-out is very difficult when the relief is complex and disadvantageous for the two points to be watched each other. For large-sized road construction, the ordinary setting-out method is unable to meet the demand of accuracy, the scientific setting-out method starts to be used in the road construction. The electronic total station and GPS become indispensable tools in high-grade road setting-out for their high efficiency, high precision and convenient operation.This paper makes scientific researches on the methods of curve setting-out with the total station and GPS-RTK. In the setting-out process, as long as the survey coordinates of the certain density points on the curve are inputted previously, we can compute the range and azimuth in use of the total station and set out in the free station or set curve out with GPS-RTK. VB programme of coordinate transformation is added. In the programme, basic data and milestone interval of various curves are inputted, while mileages, coordinates, attribute etc. are outputted. This software not only has quick compute, high accuracy, convenient operation, but also could display dynamic curve.This paper is divided six chapters. In the first chapter, some traditional curve setting-out methods will be introduced. The function and principle of the total station will be elucidated in the second and the third chapters. The forth chapter includes setting-out methods with GPS-RTK. While the fifth chapter: the mostly contents of coordinate transformation programme and the programme code. In the last chapter, the full text will be summarized.Keywords: palliative curve, setting-out, total station, GPS-RTK, coordinate transformation东北大学毕业设计(论文) 目录目录摘要1Abstract2第一章 常规圆缓曲线放样11.1 缓和曲线的作用11.2 圆缓曲线的测设方法21.2.1 有缓和曲线的圆曲线主要点测设21.2.2 用偏角法测设有缓和曲线的圆曲线的细部31.2.3 用切线支距法（直角坐标法）测设有缓和曲线的圆曲线的细部51.2.4 极坐标法51.2.5 困难地段的曲线测设6第二章 全站仪的介绍102.1 概述102.2 几种全站仪简介102.2.1 INTELLIGENT TOTAL STATION SET2C 型全站仪102.2.2 PTS-III 型全站仪11第三章 全站仪放样带有缓和曲线的圆曲线的放样方法说明153.1 利用全站仪放样圆缓曲线的放样要素的确定153.1.1 所需放样点个数及里程解算153.1.2 解算在自定义坐标系下的坐标163.1.3 解算在工程坐标系下的坐标223.1.4 求出所需放样角度和距离233.2 放样方法的说明253.3 误差影响27第四章 GPSRTK放样带有缓和曲线的圆曲线的放样方法说明304.1 GPSRTK原理304.2 GPSRTK作业准备304.2.1 资料准备304.2.2 设备检查及连接304.3 转换参数计算304.3.1 经典转换方法314.3.2 一步转换方法324.3.3 确定转换参数324.4 GPSRTK基准站作业要求324.4.1 基准站位置的选择324.4.2 基准站作业方法334.5 GPSRTK流动站作业模式及要求334.5.1 流动站的组织形式334.5.2 流动站的作业方法334.6 GPSRTK精度统计344.7 GPSRTK误差分析344.7.1 误差来源344.7.2 减小误差方法344.8 小结35第五章 曲线放样程序设计365.1 总流程图365.2 程序各组成部分说明365.2.1 窗体365.2.2 模块385.3 程序核心部分的分步流程图395.3.1 里程解算395.3.2 自定义坐标系下的坐标解算395.3.3 工程坐标系下的坐标解算405.4 显示405.4.1 数据的显示405.4.2 图形的显示405.5 小结40结论42参考文献43结束语44附录A 程序代码45附录B 英文资料翻译66- 89 -东北大学毕业设计(论文) 第一章 常规圆缓曲线放样第一章 常规圆缓曲线放样1.1 缓和曲线的作用列车在曲线上行驶会产生离心力，所以在曲线上要用外轨超高的方法来克服离心力。如图所示：bPFQho图1.1 铁轨弯道离心力示意图列车在曲线上行驶时，作用在火车上的力有两个，一个是火车的自重P，另一个是轨道对火车的托力Q。它们的合力F便是火车得到的平衡离心力的向心力。为了使列车预期倾斜，可以通过升高外轨来达到目的，称为超高(h0)。从图中不难看出，由相似三角形的关系，有 h0 / F = b / P，式中 b 为轨距，取值1.5m。从力学知识可以知道，F = mv2 / R，P = mg。故 h0 = Fb / P = 11.8 v2 / R。式中 R为圆曲线半径(m)；v为通过曲线的列车平均速度(km/h)；g为重力加速度(9.8m/s2)。一般认为平均速度为最高速度的80%，所以上式也可表示为h0 = 7.6 v2max / R。当列车平均速度v =120km/h，曲线半径R=1200m，则算得外轨超高值为142mm。这对铁路的运营是一个不可忽视的数字。直线的曲率半径为，故列车在直线上行驶，两轨面等高。当列车进入半径为R的曲线轨道时，外轨必须突然抬高h0。这种台阶状的轨面将给火车的安全运行及铁道的使用寿命带来不良的影响。这时，如果在直线与圆曲线之间插入一条半径由渐变至圆曲线半径R的过渡曲线（称为缓和曲线），则超高即由0递增到h0，以便减缓车轮对外轨的冲击，达到安全、平顺行驶的目的。当半径很大，车速较低，超高h0不会很大时，对非国家等级的铁路线，就不一定要增设过渡曲线。如工矿企业中的生产专用线，当h0R2，l0为连接两圆曲线的缓和曲线长度。下面，我们对在直线与圆曲线间嵌入缓和曲线的情况进行讨论。下左图为单圆曲线的情形。当圆曲线两端加入缓和曲线后，圆曲线应内移一段距离，方能使缓和曲线与直线衔接。而内移圆曲线，可采用移动圆心或缩短半径的办法来实现。我国在铁路、公路的曲线测设中，一般采用内移圆心的方法。如下图所示。若圆曲线的圆心O1沿着圆心角的平分线内移至O2（此时O1 O2 = psec(/2)），圆曲线的两端就可以插入缓和曲线，把圆曲线与直线平顺地连接起来。具有缓和曲线的圆曲线，其主要点为：ZH(直缓点)：直线与缓和曲线的连接点HY(缓圆点)：缓和曲线和圆曲线的连接点QZ(曲中点)：曲线的中点YH(圆缓点)：圆曲线和缓和曲线的连接点HZ(缓直点)：缓和曲线与直线的连接点OOR+pR+pRRRRYHHYHZZHYZZYQZQZJDJD图3.1带有缓和曲线的圆曲线的数学模型从上右图可以看出，加入缓和曲线后，其曲线要素可以用下列公式求得： (3.1)式中为偏角（线路转向角）；R 为圆曲线半径；l0为缓和曲线长度；m为加设缓和曲线后使切线增长的距离；p为加设缓和曲线后圆曲线相对于切线的内移量；0为HY（或YH点）的缓和曲线角度；其中，m，p，0称为缓和曲线参数，可按下式计算：， (3.2)由图和公式可以看出，在圆曲线与直线之间插入长度为l0的缓和曲线后，原圆曲线及直线的一部分，被缓和曲线代替，其数量为l0。有缓和曲线的圆曲线，一般分为缓和曲线及圆曲线两部分讨论。现在我们先来讨论缓和曲线。如图所示，建立以ZH点为原点，过ZH点的缓和曲线切线为X轴、ZH 点上缓和曲线的半径为Y轴的直角坐标系。不难看出，缓和曲线上任意微分线段dl与相应的dx、dy之间将有下列关系：，。缓和曲线上任一点的坐标，可由下式取定积分： (3.3)图3.2缓和曲线的数学模型始终为l的函数。对于dl与d而言，根据弧长与半径的关系，有，而，故。对上式两边取定积分，即得，带入前式可得：(3.4)对及用级数展开，即可得出： (3.5)带入(3.4)式并进行定积分得： (3.6)以c = Rl0带入上式，即得到以曲线长l为参数的缓和曲线方程的最后形式： (3.7)实际上应用上式时，可只取前一、二项，即，。 对于圆曲线而言，如图3.3所示O图3.3圆曲线数学模型QZyiyiHYpZHmxix仍用上述的直角坐标系，设i是圆曲线上的任意一点。从图中可以看出，i点的坐标x1，y1可表示为：(3.8)式中,、m、p为前述的缓和曲线参数。若以弧度表示，并顾及，则有 (3.9 )以上式代入(3.8)式得:(3.10)对上式中及进行泰勒级数展开，略去高次项，化简后即得圆曲线以li为参数的方程式： (3.11)下面我们来证明、m、p。1. 证明：因为，当时，顾及 即得。2. 证明：由图3.3可知：。由(3.7)式第一式，当，且略去高次项时有。带入前式得。以代入，并对进行级数展开，取前两项整理后即得。3. 证明：由图3.3可以看出：。与求证m时同法，利用(3.7)式第二式求得y0的表达式以及的级数展开式一同代入上式，经整理即得。在求出细部点里程的情况下，分段带入上述公式即可求得相应的坐标，但是还有一个问题，那就是ZH-HY和HY-QZ是在一个坐标系统下，而QZ-YH和YH-HZ是在另一个坐标系统下，为了以后转换的方便，就一定要转换到一个坐标系统下来，利用坐标转换公式（参见下一节，,），把QZ-YH和YH-HZ两段内的细部点的坐标转换到ZH-HY和HY-QZ坐标系统下来，这样所有的细部点的坐标就统一在一个坐标系下面了。例2：数据同例1，把坐标带入上述公式，并进行转换得细部点在自定义坐标系下的坐标为：表3.2 自定义坐标系下坐标列表XY点号XY16.1400000.00058518307.95779256.777265226.139930.04510519325.94934065.510373346.138800.24805020343.63984474.838236466.132730.73063021361.00964984.750493586.112781.61405922378.03945895.236129696.092862.2439723394.710351106.2834967106.062693.01954824411.003805117.8803198116.0188403.95266625426.901719130.0137159135.8775056.31833726442.386430142.67020210155.6462979.34452827457.440735155.83572111175.30325313.02787528464.800044162.60592312194.82653417.36428629479.195128176.48953713214.19444922.34894530493.210314190.75684214233.38548127.97631131506.924392205.31409115252.37830834.24013532520.421210220.07319816271.15182941115370227.50206817289.68518748.64861534533.788206234.9501033.1.3 解算在工程坐标系下的坐标把自定义坐标系下的坐标转换到工程坐标系下的坐标其实就是进行坐标系的平移和旋转，具体方法如下：如图3.4所示，坐标系XOY的原点在坐标系XOY中的坐标为a、b，X轴与X轴之夹角为。可以认为坐标系XOY原是与坐标系XOY重合，后因为O分别平移了a、b之距离，并且坐标系二坐标轴OX与OY又相对OX与OY逆时针旋转了角而得到的。在二坐标系之间引入一个辅助坐标系XOY，使它的二坐标轴OX与OY分别与OX，OY平行。在XOY系中有一点P，其坐标为(x，y)，则由坐标系平移公式与坐标系旋转公式可得：，。故有，。即，。上式即坐标系平移和旋转后新、旧坐标系中某一点坐标之关系式。图3.4 坐标转换关系图当新旧坐标的x，y 方向系不同时，则公式为要想利用上面公式把相应的细部点在自定义坐标系下面的坐标化成在工程坐标系下面的坐标。就要知道和a，b。因为自定义坐标系的原点在ZH点，而我们只要知道QZ和O点的坐标，就可以建立以O点为原点沿圆曲线的切线方向为X轴，O点与QZ点连线方向为Y轴的坐标系，因为O点坐标已知，即a1，b1已知，又已知O与QZ点的坐标，所以可以求出方位角（参见下一节），即两坐标系之间的夹角1，这样就可以利用公式求出ZH点在工程坐标系下面的坐标，这样公式中的a，b 就知道了，这样就可以在判断方向系之后利用公式把自定义坐标系下面的坐标化成在工程坐标系下面的坐标。例3：数据同例1，O点坐标X=0,Y=100，QZ点坐标X=0，Y=50把通过例2求出的在自定义坐标系下的坐标带入上式即可求得在工程坐标系下的坐标，数据如下：表4.3 工程坐标系下坐标列表点号XY点号XY1290.0728.4518-8.6199.942271.7936.5819-28.6099.323253.4644.5620-48.5698.034235.0152.2921-68.4696.085216.4159.6522-88.2993.476207.0563.1523-108.0290.207197.6366.5224-127.6386.278188