第31卷,第4期 中 南 公 路 工 程 Vo1.31,No.4 2 0 0 6年8月 Central South Highway Engineering Aug.,2 0 0 6 6种曲线元上的道路中桩坐标解算 刘连旺 ,覃辉 (1.广西电力工业勘察设计研究院,广西 南宁530023 2.五邑大学,广东江门 529020) [摘要]当前线路平、纵、横设计要素面向的对象仍为为传统的施工测量手段,鉴于测量仪器及计算机的进 步,设计要索的选择必须有利于快速、精确的获取施工放样数据。为建立统一数学模型,实现道路放样的数字化, 避开了线路平面线形设计中常规组合方式,提出了曲线元的概念,统一概括为6种曲线元,通过坐标换算把曲线元 上点位坐标统一到测量坐标系中。 [关键词]回旋线;统一数学模型;曲线元;中桩测量坐标 [中图分类号]U 412.33 [文献标识码]A [文章编号]1002—1205(2006)04 ̄0072一O5 Computational Method for Coordinates of Road Center—stake on Six Kind of Cure Unite LIU Lianwang ,QIN Hui2 (1.Guangxi Electirc Power Industyr Reconnaissance Design Research Institute,Nanlin,Guangxi 530023, China; 2.Wuyi University,Jiangmen,Guangdong 529020,China) [Abstract]The object which the plane、the longitudinal section、the CROSS section design face to is still— Traditional construction survey method at present.As a result of survey equipment and computer progress,the choice of the design factor must be advantageous to gaining precise construction lofting data fastly In order to eralize the road location digitization this article avoids conventional combination way in plane geometric design aspect.puts forward the concept of cure unite in order to establish the uniifed mathematical mode1.the unifica— tion summary is six kind of CUre unite.Transformate coordinates of road center-stake on cure unite to unifica— tion survey coordinate system through coordinate transformation. [Key words]maneuver line;unified mathematical model;cure unite;center—stake survey coordinates 道路平面曲线类型有数十种,且无规律,所以不 便于编程实现。其实,道路中线的平面位置由直、 缓、圆三要素组合而成…,我国道路设计规范中缓和 曲线采用回旋线。回旋线有以下4种曲元:①曲率 半径由无穷大渐变到一定值的完全回旋线;②曲 率半径由大渐变到小;③曲率半径由定值渐变到 无穷大;④曲率半径由小渐变到大。本文演算6种 曲线元随意一种组合方式(见图1)。 已知: 为线路起点, 为终点,‘,.~., 为曲线 图1 总图 多曲元组合 Figure 1 comtination of many curvilinera elements 元问结点,£。一£ 为各曲元弧长,R。一R 为结点处 曲率半径, 点测量坐标为( ,, ,),方位角为a,。 J0fxn.YJ0、Pi J 1 直线 图2直线段曲元 从图1中提取曲元1(见图2),该曲元为直线段。 Figure 2 linear element [收稿日期】2005—09-05 [作者简介】刘连旺(1969一),男,内蒙古乌兰察布盟人,工程师。主要从事工程测量及道路测设数字化研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 刘连旺,等:6种曲线元上的道路中桩坐标解算 73 到起点J。直线长 处P 点的测量坐标: d d yJ。=yJ。+  ̄ )J ”oXj ̄+Li coSaJLi sinai㈩[・一( L2) + 下一曲元起点沿测量方向切线方位角: Otj:d,l。 (2) 2完全回旋线 从图1中提取曲元2,该曲元为曲率半径由无 穷大渐变到R 的完全回旋线;取曲率半径无穷大 点J 为坐标原点,建立局部独立坐标系(见图3), 圈3 曲率半径无穷大到定值回旋线 Figure 3 curvatu ̄radius of spiral line from infinity to fixed value 图3中P:为到结点J 弧长L处的点,d 为微分弧 长,略为微分角,dx、dy分别为d 在独立坐标系 :p:、Y轴上的投影长, 、 , 分别为P:、J:点的切线 角。据回旋线的特性:曲线上任一点的曲率半经|D 与该点至半径为无穷大点之弧长L成反tZ,即: |D・L=A (A为常数) 当p=R ,L=L 时,A =R ・L 。据曲率定义 有: 一生 ID—d 所以: = 古= L = 上式两端取积分: L 2 = (3) 当L=L2时: L2 (4) : 另有: d :dxe 2 三 ::. in )}取sin 与c。0 的s 的级 ( L2) 一…】 dye 2 [ 一(丽a2) + ( L2) 一…] 上式积分得P 点在独立坐标系中的坐标: L5 = 一 (5) Ye2 —6R—2L2 当L=L 时,得下一曲元起点.,:在局部独立 坐标系中的坐标: y II = 一 一2丽 L~~R 一4 :利用式(1)、式(2)结果,并通过坐标变换可得 P:、.,:点在测量坐标系中的坐标: X =XI+ P。COSffj一K’Y 。sin 』21212l l,尸2 = Yjl+ 尸2‘sina ̄1+K‘Y尸’cos J2l yJ=2yJl+二 ^ s inaj l+ K‘ cosa,l J ㈦ 下一曲元起点J 沿测量方向切线方位角: Otj=Otj21+K。 (7) 其中K为常数,当曲元左转时取“一1”;否则取 “1”。 3圆曲线 ] 从图1中提取曲元3,该曲元为半径恒为R 的 圆曲线,取., 结点为坐标原点建立局部独立坐标系 (见图4)。到该曲元起点J 弧长 处P 点及该曲 元终点(下一曲元起点)J 切线角: LL3 = , = P 、J 点在局部独立坐标系中的坐标: R,.sin L=;Yes= ・1一c。s瓦L) = ,-sin可L3;YJs=R,・1一c。s L3) 维普资讯 http://www.cqvip.com
74 中南公路工程 D一 第31卷 n =— !_l+ 4 , Lo—j ,Figure 4 circle'curve element 。一2R 卢:+L’4 ) , 一 利用式(6)、式(7)结果,并通过坐标变换可得 P 、J 在测量坐标系中的坐标: :x』 + P3 CO¥0tj一K yP3 sina ̄22 = +XPsin%+K‘yP]COS ̄j3 22 yJ= +XJsin%∞ +K’COSOtjnn l(33 2 J 。。8)2 下一曲元起点J 沿测量方向切线方位角: 口』.=口,^+K・PJ , ()9 4小半径渐变到大半径的非完全回旋线 从图1中提取曲元4,该曲元为由小半径R 渐 变到凡的非完全回旋线,设0点为曲率半径无穷大 点,且取该点为坐标原点,建立局部独立坐标系(见图 5),设坐标原点0到J4的弧长为 0 、0点测量坐 标为( , )、Ox轴在测量坐标系中的方位角为口。。 0 图5小半径渐变到大半径的非完全回旋线 Figure 5 radius of incompletion spiral line from small to large 据回旋线的特性:曲线上任一点的曲率半经p 与该点至半径为无穷大点之弧长 成反比,即: 0一 ’R4=(Lo一‘+L4)R3 所以: L ̄-J= 4(10) 利用式(3)、式(4)可得到该曲元起点J 弧长 处P 点及该曲元终点(下一曲元起点)J 切线角分 别为: 卢: 2R L 一 3( o一,+ 4)L ’卢, .: (12) 掣2R3( ) 一 从图5中可见:a。=0tJ+K(丌一 ) (14) 2R 4— R 3 ’ ‘一4 丌一— 一 利用式(5)、式(10)可得J 、P 、J 点在局部独 立坐标系中的坐标: XJ:3( “)_ ( ) y』3 = 6R3 P4 =I( ‘ +L 一一L 卜 J一 \( _:_ +L 一L一 ) J 4 ( 十 f—\ R R +。 一 4— 3 Ye4 6R ( ( ) —4 34 ( ) \( R R)4— 3/ 一6R ( ) 利用式(8)、式(14)结果,并经坐标变换有: 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 + x% cosaoYj 3刘连旺,等:6种曲线元上的道路中桩坐标解算 K  ̄y% sinaoK ’ J75 -= +xi 3 sina o。一 一3 COS( ̄ 。o\ 1利用式(3)、式(4)可得,到该曲元起点J 弧长 £处P 点、该曲元终点(下一曲元起点)J,及起点 ., 切线角分别为: £D 0在测量 由上式町得局部坐标系的坐标原点 坐标系中的坐标: - o s a(x %c - 3oK.in a0) y% s.p 可’ ( rJ‘+ ) , ,]c・』5 )7= ,一( ,sina0+ 。)。, a。)J ^ ^0s一+。3 。。利用式(14)、式(15)结果,并通过坐标变换可得 =—■ 尸 、J 点在测量坐标系中的坐标: =Xj一( J 3COS( ̄。一K‘YJsinao) 33 』 4 COS ̄0一K’YPsina。 4 l,P = 一( 』 sina。+K‘ J COS( ̄。) 』 sina 0+K’Yec0sa。 ,, =XI 一( , c0sa。一K‘Y』 sina。)+ XJc0s。 一K’YJsina。 4 ,YJ= ,一( J sina。+K‘Y』4,c0sa。)+ sinao+K。YJc0sa。 4 (16) 下一曲元起点., 沿测量方向切线方位角: a』 =。‘一K(』9 一卢』 ) 5大半径渐变到小半径的非完全回旋线’ 从图1中提取曲元5,该曲元为由大半径 渐 变到R 的非完全回旋线,设0点为曲率半径为无 穷大点,且取该点为坐标原点,建立局部独立坐标系 (见图6),设坐标原点0到., 的弧长为 。一,、0点 图6大半径渐变到小半径的非完全回旋线 Figure 6 radius of incompletion spiral line from large to small 测量坐标为( ,77)、Ox轴在测量坐标系中的方位角 为a 。 据回旋线的特性:曲线上任一点的曲率半经p 与该点至半径为无穷大点之弧长£成反比,即( +L0一, ) 5=Lo一, ‘R4。 所以 = ) (燕) 2 (燕 ) (18) (19) 2R s( “ ) ,5一 :( ,2R \ , 从图6中可见:a。=aJ 一邵‘。 a。:a‘一K・ ≤ }熟c2 Xp=(I 瓦= +L’)广 _ ( : 4。月 “) ( 叫 6 ( ) =( )- (\ 4—R R 5。 ) 』 40R: ( )。 ),J5 = 6Rs 利用式(16)、式(21)结果,并经坐标变换有: +x j,cosa o-K ̄yj, sin ao=)7++ J‘4 sina 。++ K .‘ 4YJ c。osa 。0 4 J 维普资讯 http://www.cqvip.com
76 中南公路工程 第31卷 由上式可得局部坐标系的坐标原点O在测量 坐标系中的坐标: 对上式积分得: 卢: dx=(25) dL c o sd= ‘一‘ ‘ 。 口。一K‘),‘。i“口。 l(22) '7 一( ‘sinao+K。y‘C05 ̄0)J 利用式(21)、式(22)结果,并通过坐标变换可得 另有:p 6:d,Pi卢1f) P 、J 点在测量坐标系中的坐标: XP=XJ一(XJCOSq。一K‘Y4 '/4 sina。)+ 54P5 CO¥ ̄0一K’YPsinao 5 ,,P =y‘一( ‘sin口。+K‘YJ4 COS ̄0)+ sinao+K‘YeCOSG0 ,一( ,4。osn。一K‘Ys4 sina。)+ XJCOS ̄0一K‘,J sinao 5 5 = 一( ‘ in口。+K‘YsCOSG0)+ 4 XJsinao+K‘YsCOS ̄0 5 5 (23) 下一曲元起点', 沿测量方向切线方位角: ,5 厶+K( 一flJ,) (24) 6定半径渐变到无穷大的非完全回旋线 从图1中提取曲元6,该曲元为曲率半径由R 渐变到无穷大似完全回旋线;取曲率半径R 处-, 点为坐标原点,建立局部独立坐标系(见图7),图中 P 为到结点-, 弧长 处的点,d 为微分弧长,d口 图7定半径渐变到无穷大的非完全回旋线 Figure 7 radius of incomplefion spiral line from fixed va[u ̄to infinity 为微分角,d 、d 分别为独立坐标系 轴Y轴上 p6 P6 的投影长,卢为P 点的切线角。据回旋线的特性: 曲线上任一点的曲率半经ID与该点至半径为无穷 大点之弧长L成反比,即: 』D( 6一 )=A 上式中,取 =0时,』D=R ,故A =R 。所 以: 1= 。据曲率定义有: dodL =一 古=』D 一 R 5 6 ’ 一= R 5 L d6 取cosfl与sinfl的级数展开式后代入上式并顾 及式(25)得: d ;d 【-一(兰 ) i+…】 d =d 【三 妻 : :一(三 : ) × 对上式积分得P 点在局部独立坐标系中的坐 标: =£一丢 ), 一 利用式(23)、式(24)结果,并通过坐标变换可得 P 点在测量坐标系中的坐标: = +XPCOSqj一K ), sinas6 55 1 = +XPsina6+K。YPCOSqj6 6 5 J 7 结语 上述所建立的数学模型,最终把里程桩号作为 自变量,中桩测量坐标为目标函数,可以快速获取道 路放样数据,同时避免了误差积累。于是内业设计 要素的选择直接关系到外业施工时数据采集的时效 性和精确性。作者在321国道桂龙段改建工程中用 此方法获取的数据放样结果与用偏角法放样结果相 比,点位最大相差值为2 cm,实践说明实现数字化放 样切实可行。 [参考文献] [1]覃辉.道路边线点的坐标计算与微机程序简介【j].测绘通 报,1998,(8):21—24. [2]徐时涛,夏英寅.实用工程测量[M].重庆:重庆大学出版社, 1998.5. [3] 向怀坤。孟庆龙.道路中线与边线一次性测设元素的计算与编 程实现[J].北京测绘,2001,(2):35—37.
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