本发明涉及铁路工程测量领域，尤其是涉及一种从cpⅲ坐标到轨道线路坐标的测量方法。
背景技术：
目前，铁路工程的建网测量方式主要包括cpⅲ线路坐标测量与轨道线形测量。如附图1所示，测量时全站仪(用于测量线路坐标和cpⅲ点坐标)1架设于线路上，在全站仪1的前后3对cpⅲ点20处插设棱镜，每个设站测量6对共12个点。测量方式采用全站仪自由设站边角交会方法，将全站仪1架设在前后各三对cpⅲ点20的中间，保证自由测站间间距不大于300米。测量时在cpⅲ点20对应的轨道线路100上架设测量工装(为了使棱镜能正确放置在轨道上而设计的一种工装)，棱镜通过工装设置在固定桩5上，以形成cpⅲ点20。每站测量时不仅需要测量六对cpⅲ点20的坐标，还需测量cpⅲ点20对应轨道线路100处的坐标(如附图1和附图2中所示的线路标记点40)。线路标记点40是轨道控制点(即cpⅲ点20)对应于钢轨4处的位置，而线路测量点50很密，通常连续进行测量，一般一米测量出一个数据。
在测量轨道线路坐标时，轨道线路100上每个棱镜的架设与调平(使用棱镜工装测量轨道坐标前必须调平)需耗费半分钟左右，六个棱镜的架设则需要三分钟。棱镜放置人员需在三百米内往复奔跑架设和收取棱镜，这个过程耗费大量的人员体力和时间。而且，测量精度极易受到放置人员的影响，精度影响通常达到三毫米之多。其具体测量示意如附图2所示，图示中，10为cpⅱ点，20为cpⅲ点，30为全站仪设站点，40为线路标记点。轨道线形测量包括固定桩5与线路平面、垂向位置关系测量、固定桩5间轨道线路线形测量。线路线形测量使用轨检仪2进行测量。测量采用步进方式，测量时定位车7静止不动，测量车6沿轨道线路100向定位车7运动，测量完一个区段后定位车7再移动至下一个区段(如附图3中l1至l2所示)，开始下一段测量，如附图3所示。
如附图4所示，在一个测量段ef中，当轨道记录车从一个固定点对应的标记点e运行到下一个固定点对应的标记点f处。卫星车停靠在f点后约10米处的g点。光学摄像系统的主光轴9与轨道线路100交汇于h点(h点可能和e点重合)。在测量过程中可以实时得到标靶车的水平位移即为轨道线路100上ef间的每一点到弦gh的矢距。根据测量要求，需要在标靶车到达f点后将激光系统的测量原始数据转化为轨道线路100上ef间的每一点到弦ef的矢距pr，即轨向值。
目前，铁路工程建网测量使用全站仪2测量cpⅲ点20的坐标，此外还要测量轨道线路100的坐标，测量线路坐标调平装置(线路测量坐标调平装置是线路坐标测量工装的一部分，线路测量工装分为调平装置和棱镜)调平耗时耗力。设置一个线路测量棱镜最少需少半分钟的时间，且测量时专门需要两个人来设置线路上的棱镜，全站仪操作人员测量轨道线路100上的坐标每站需花费五分钟左右来测量线路坐标。而且由于线路坐标测量装置的使用会使坐标产生2mm左右的测量误差(一般来说测量中人为的误差为2mm)。因此，急需研发一种行之有效的轨道线路测量系统来替代轨道线路坐标的测量，从而大幅减少人力物力及时间成本，同时显著提高测量作业精度。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轨道线路坐标测量系统轨道线路坐标测量方法，以解决现有轨道线路坐标测量方式浪费人力、时间，以及测量精度不高的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种轨道线路坐标测量方法的技术实现方案，一种轨道线路坐标测量方法，包括以下步骤：
a)建网测量过程：通过在轨道线路上架设全站仪测量cpⅲ点的三维坐标，并通过走行于所述轨道线路上的轨检车测量两cpⅲ点在所述轨道线路上对应的两线路标记点之间的线形，及该两线路标记点与对应两cpⅲ点之间的平距和高差值；
b)坐标解算过程：处理计算单元导入所述全站仪、轨检车的测量数据，根据两cpⅲ点的三维坐标，及该两cpⅲ点在所述轨道线路上对应的线路标记点与所述cpⅲ点之间的平距和高差值之间的几何关系，结合该两cpⅲ点在所述轨道线路上对应的两线路标记点之间的线形，解算得到所述cpⅲ点在所述轨道线路上对应线路标记点的三维坐标。
优选的，所述轨检车还测量所述轨道线路的矢距值，所述处理计算单元根据轨道线路测量的矢距值计算两cpⅲ点在所述轨道线路上对应的两线路标记点之间的线形。两cpⅲ点分别为第一cpⅲ点和第二cpⅲ点，两线路标记点分别为第一线路标记点和第二线路标记点。其中，所述第一cpⅲ点对应于线路标记点，所述第二cpⅲ点对应于第二线路标记点。
优选的，在步骤b)中，所述处理计算单元通过导入所述轨检车测量的轨道线路矢距值进行圆拟合，得到两cpⅲ点在所述轨道线路上对应的两线路标记点之间圆弧的相对圆心和半径。
优选的，所述第一cpⅲ点、第二cpⅲ点，及该两cpⅲ点在所述轨道线路上对应的第一线路标记点、第二线路标记点组成四边形abcd。如果根据所述第一线路标记点、第二线路标记点之间轨道线路的线形拟合的圆半径大于设定值，则第一线路标记点、第二线路标记点之间轨道线路的线形默认为直线，∠acd和∠bdc的角度均为90度。
优选的，所述第一cpⅲ点、第二cpⅲ点，及该两cpⅲ点在所述轨道线路上对应的第一线路标记点、第二线路标记点组成四边形abcd，如果根据所述第一线路标记点、第二线路标记点之间轨道线路的线形拟合的圆半径小于或等于设定值，则第一线路标记点、第二线路标记点之间轨道线路的线形默认为圆弧线，所述处理计算单元计算该圆弧线对应的圆切线及∠acd和∠bdc的角度值。
优选的，所述处理计算单元得到所述圆弧线对应的圆切线后，通过解算该圆切线与该两线路标记点之间弦线的关系可以得到∠acd和∠bdc的角度值。所述处理计算单元利用四边形abcd中两cpⅲ点之间的距离，第一cpⅲ点与第一线路标记点之间的平距、第二cpⅲ点与第二线路标记点之间的平距，以及∠acd和∠bdc的角度值，根据公式1)并结合第一cpⅲ点和第二cpⅲ点在水平面内的坐标进行解算，得到第一线路标记点和第二线路标记点在水平面内的坐标；
其中，
优选的，所述处理计算单元根据两线路标记点之间轨道线路的矢距值采用最小二乘法进行圆拟合，并得到两线路标记点之间圆弧的相对圆心和半径。
优选的，在所述步骤b)中，所述cpⅲ点在轨道线路上对应线路标记点三维坐标的高程为cpⅲ点的高程减去所述cpⅲ点与该cpⅲ点在所述轨道线路上对应线路标记点的高差，从而得到所述线路标记点的三维坐标。
优选的，在所述步骤a)中，将所述全站仪架设于所述轨道线路的两根钢轨之间的中线位置。在所述步骤b)中，将所述设定值设置为20000m。
优选的，在所述步骤b)中，所述处理计算单元导入所述轨检车测量所述轨道线路的超高、轨距、里程值，根据所述轨道线路的超高、轨距值将所述cpⅲ点在轨道线路上对应线路标记点的三维坐标解算至所述轨道线路的轨枕中心，并同步该线路标记点的里程值。
通过实施上述本发明提供的轨道线路坐标测量方法的技术方案，具有如下有益效果：
(1)本发明轨道线路坐标测量方法测量过程便捷，能够大幅减少线路测量棱镜的放置、收取和调平时间，大量减少了轨道线路测量操作人员，并降低了操作人员的劳动强度；
(2)本发明轨道线路坐标测量方法无需测量cpⅲ对应轨道线路处的坐标，而是通过测量cpⅲ点坐标和平距、高差推算出轨道线路坐标，测量精度完全不受棱镜放置人员的影响，大幅提高了轨道线路坐标测量的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1是现有技术轨道线路坐标测量系统的建网结构示意图；
图2是现有技术轨道线路坐标测量方法的原理示意图；
图3是现有技术轨道线路线形测量系统的测量示意图；
图4是现有技术轨道线路线形测量方法的计算原理示意图；
图5是本发明轨道线路坐标测量方法一种具体实施例的测量原理示意图；
图6是本发明轨道线路坐标测量方法一种具体实施例的解算原理示意图；
图7是本发明方法所基于的轨道线路坐标测量系统的结构组成框图；
图中：1-全站仪，2-轨检车，3-处理计算单元，4-钢轨，5-固定桩，6-测量车，7-定位车，8-测量线路，9-主光轴，10-cpⅱ点，20-cpⅲ点，30-全站仪设站点，40-线路标记点，50-线路标记点，60-轨枕，100-轨道线路，a-第一cpⅲ点，b-第二cpⅲ点，c-第一线路标记点，d-第二线路标记点。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
cpⅲ点：铁路线路两侧的三级控制点；
cpⅱ点：铁路线路两侧的二级控制点，cpⅲ点的上级点，用于对cpⅲ点进行误差较正；
轨检车：一种装载有轨道线路检查仪的测量小车。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图5至附图7所示，给出了本发明轨道线路坐标测量方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如附图5和附图7所示，一种基于本发明方法的轨道线路坐标测量系统的实施例，具体包括：
全站仪1，架设在轨道线路100上，用于测量cpⅲ点20的三维坐标；作为本发明一种较佳的具体实施例，全站仪1架设于轨道线路100的两根钢轨4之间的中线位置，全站仪1也可以架设于两根钢轨4中线以外的位置；
轨检车2，走行于轨道线路100上，用于测量两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的两线路标记点40(在本实施例中为两cpⅲ点20在钢轨4上对应的两线路标记点40)之间的线形，及该两线路标记点40与对应两cpⅲ点20之间的平距和高差值；
及处理计算单元3，通过导入全站仪1、轨检车2的测量数据，根据两cpⅲ点20的三维坐标，及该两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的线路标记点40与cpⅲ点20之间的平距和高差值之间的几何关系，结合该两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的两线路标记点40之间的线形，解算得到cpⅲ点20在轨道线路100上对应线路标记点40的三维坐标。
轨检车2还测量轨道线路100的矢距值(即轨向值)，处理计算单元3根据轨道线路100测量的矢距值计算两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的两线路标记点40之间的线形。两cpⅲ点20分别为第一cpⅲ点a和第二cpⅲ点b，两线路标记点40分别为第一线路标记点c和第二线路标记点d。其中，第一cpⅲ点a对应于线路标记点c，第二cpⅲ点b对应于第二线路标记点d。除此之外，轨检车2还测量轨道线路100的高低(指钢轨4在竖直方向的矢距)、超高(指左右钢轨4的高度差)、轨距(指左右钢轨4之间的距离)、里程等信息。处理计算单元3通过导入轨检车2测量的轨道线路100矢距值进行圆拟合，得到两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的两线路标记点40之间圆弧的相对圆心和半径。作为本发明一种典型的具体实施例，处理计算单元3根据两线路标记点40之间轨道线路100的矢距值采用最小二乘法进行圆拟合，并得到两线路标记点40之间圆弧的相对圆心和半径。
如附图6所示，第一cpⅲ点a、第二cpⅲ点b，及该两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的第一线路标记点c、第二线路标记点d组成四边形abcd。如果根据第一线路标记点c、第二线路标记点d之间轨道线路100的线形拟合的圆半径大于设定值，则第一线路标记点c、第二线路标记点d之间轨道线路100的线形默认为直线，∠acd和∠bdc的角度均为90度。如果根据第一线路标记点c、第二线路标记点d之间轨道线路100的线形拟合的圆半径小于或等于设定值，则第一线路标记点c、第二线路标记点d之间轨道线路100的线形默认为圆弧线，处理计算单元3计算该圆弧线对应的圆切线及∠acd和∠bdc的角度值。作为本发明一种较佳的具体实施例，设定值设置为20000m。
处理计算单元3得到所述圆弧线对应的圆切线后，通过解算该圆切线与该两线路标记点40之间弦线的关系可以得到∠acd和∠bdc的角度值。处理计算单元3利用四边形abcd中两cpⅲ点20之间的距离ab，第一cpⅲ点a与第一线路标记点c之间的平距ac、第二cpⅲ点b与第二线路标记点d之间的平距bd，以及∠acd和∠bdc的角度值，根据公式1)并结合第一cpⅲ点a和第二cpⅲ点b在水平面内的坐标进行解算，得到第一线路标记点c和第二线路标记点d在水平面内的坐标。
其中，
cpⅲ点20在轨道线路100上对应线路标记点40三维坐标的高程为cpⅲ点20的高程减去cpⅲ点20与该cpⅲ点20在轨道线路100上对应线路标记点40的高差(高差即为a点与c点之间的高度差，以及b点与d点之间的高度差)，从而得到线路标记点40的三维坐标。
处理计算单元3导入轨检车2测量轨道线路100的超高、轨距、里程值，根据轨道线路100的超高、轨距值将cpⅲ点20在轨道线路100上对应线路标记点40的三维坐标解算至轨道线路100的轨枕60中心，并同步该线路标记点40的里程值。
实施例1描述的轨道线路坐标测量方法不直接测量线路标记点40的坐标，而通过测量cpⅲ点20的坐标及轨道线路100与cpⅲ点20坐标之间的相对关系推算线路坐标，并通过对轨道线路100的拟合计算得到轨道线路100与cpⅲ点20的相对夹角，而轨道线路100与cpⅲ点20的相对关系根据平距和高差进行计算。由cpⅲ点20的坐标推算轨道线路100的坐标，使测量减少两个放置轨道测量装置的人员，减少了测量轨道坐标的时间成本，且坐标测量精度大为提高。
实施例2
如附图5所示，一种本发明轨道线路坐标测量方法的实施例，具体包括以下步骤：
a)建网测量过程：通过在轨道线路100上架设全站仪1测量cpⅲ点20的三维坐标，并通过走行于轨道线路100上的轨检车2测量两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的两线路标记点40之间的线形，及该两线路标记点40与对应两cpⅲ点20之间的平距、高差和矢距值；作为本发明一种较佳的具体实施例，将全站仪1架设于轨道线路100的两根钢轨4之间的中线位置，全站仪1也可以架设于两根钢轨4中线以外的位置；
b)坐标解算过程：处理计算单元3导入全站仪1、轨检车2的测量数据，根据两cpⅲ点20的三维坐标，及该两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的线路标记点40与cpⅲ点20之间的平距和高差值之间的几何关系，结合该两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的两线路标记点40之间的线形，解算得到cpⅲ点20在轨道线路100上对应线路标记点40的三维坐标。
上述步骤b)进一步包括：
c)线形拟合过程：处理计算单元3根据轨道线路100测量的矢距值r计算两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的两线路标记点40之间的线形。两cpⅲ点20分别为第一cpⅲ点a和第二cpⅲ点b，两线路标记点40分别为第一线路标记点c和第二线路标记点d。其中，第一cpⅲ点a对应于线路标记点c，第二cpⅲ点b对应于第二线路标记点d。处理计算单元3通过导入轨检车2测量的轨道线路100矢距值采用最小二乘法进行圆拟合，得到两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的两线路标记点40之间圆弧的相对圆心和半径。
第一cpⅲ点a、第二cpⅲ点b，及该两cpⅲ点20在轨道线路100上对应的第一线路标记点c、第二线路标记点d组成四边形abcd。如果根据第一线路标记点c、第二线路标记点d之间轨道线路100的线形拟合的圆半径大于设定值，则第一线路标记点c、第二线路标记点d之间轨道线路100的线形默认为直线，∠acd和∠bdc的角度均为90度。如果根据第一线路标记点c、第二线路标记点d之间轨道线路100的线形拟合的圆半径小于或等于设定值，则第一线路标记点c、第二线路标记点d之间轨道线路100的线形默认为圆弧线，处理计算单元3计算该圆弧线对应的圆切线及∠acd和∠bdc的角度值。作为本发明一种较佳的具体实施例，将设定值设置为20000m。
处理计算单元3得到圆弧线对应的圆切线后，通过解算该圆切线与该两线路标记点40之间弦线的关系可以得到∠acd和∠bdc的角度值α1和α2。处理计算单元3利用四边形abcd中两cpⅲ点20之间的距离ab，第一cpⅲ点a与第一线路标记点c之间的平距ac、第二cpⅲ点b与第二线路标记点d之间的平距bd，以及∠acd和∠bdc的角度值，根据公式1)并结合第一cpⅲ点a和第二cpⅲ点b在水平面内的坐标进行解算，得到第一线路标记点c和第二线路标记点d在水平面内的坐标。
其中，
cpⅲ点20在轨道线路100上对应线路标记点40三维坐标的高程为cpⅲ点20的高程减去cpⅲ点20与该cpⅲ点20在轨道线路100上对应线路标记点40的高差，从而得到线路标记点40的三维坐标。
处理计算单元3导入轨检车2测量轨道线路100的超高、轨距、里程值，根据轨道线路100的超高、轨距值将cpⅲ点20在轨道线路100上对应线路标记点40的三维坐标解算至轨道线路100的轨枕60中心，并同步该线路标记点40处的里程值。
通过实施本发明具体实施例描述的轨道线路坐标测量方法的技术方案，能够产生如下技术效果：
(1)本发明具体实施例描述的轨道线路坐标测量方法测量过程便捷，能够大幅减少线路测量棱镜的放置、收取和调平时间，大量减少了轨道线路测量操作人员，并降低了操作人员的劳动强度；
(2)本发明具体实施例描述的轨道线路坐标测量方法无需测量cpⅲ对应轨道线路处的坐标，而是通过测量cpⅲ点坐标和平距、高差推算出轨道线路坐标，测量精度完全不受棱镜放置人员的影响，大幅提高了轨道线路坐标测量的精度。
每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。