免棱镜全站仪和AutoCAD在桥墩围堰定位中的应用

陈 超，胡友健，万 凯，肖本林，孙贤斌

（1. 中国地质大学 信息工程学院，湖北 武汉 430074；

2. 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068）

免棱镜全站仪和AutoCAD在桥墩围堰定位中的应用

陈 超1，胡友健1，万 凯1，肖本林2，孙贤斌2

（1. 中国地质大学 信息工程学院，湖北 武汉 430074；

2. 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068）

在桥墩围堰定位测量中，考虑到在水面无法架设反光镜，结合工程实例，探讨了将免棱镜全站仪与AutoCAD绘图软件相结合用于桥墩围堰施工测量的方法。首先利用免棱镜全站仪直接测量出桥墩外沿的坐标，然后根据外沿坐标在AutoCAD中定出桥墩中心，再通过作图得到围堰坐标，从而精确确定围堰的位置。实际应用表明，该方法既满足精度要求，又快捷方便，应用效果良好。

免棱镜全站仪；AutoCAD；桥墩围堰；定位

免棱镜全站仪测量时不需要安置反光镜，可以直接瞄准观测目标点进行测量，实现了“所瞄即所测”，且提供了可见激光光束作为指向器，在小范围内可以通过肉眼根据光斑的位置确定点位，不必通过望远镜寻找目标，因而具有灵活方便、工作效率高等优点。AutoCAD是美国Autodesk公司于1982年首次推出的自动计算机辅助设计软件，在工程测量中已有广泛应用，主要用于测量控制网的绘制、测量坐标的读取、施工放样和地形图测绘等[1,2]。

本文结合工程实例，探讨了AutoCAD绘图软件与免棱镜全站仪相结合用于桥墩围堰施工测量的方法。

1 AutoCAD的展点及绘图简介

在测量坐标系中，X为北方向，Y为东方向，而在AutoCAD图形界面上，通常是显示世界坐标系（世界UCS）下的俯视图，因此，展点时首先要将测量坐标的X、Y值对调。根据所测得的坐标在AutoCAD图形界面上点击绘制点命令，在绘制点之前首先设置点样式格式，然后通过工具栏中的绘制点命令，依次输入待绘制的点位纵、横坐标，中间用“，”隔开，并用回车键结束，即可完成各点位在AutoCAD图中的展点工作。当所有点全部输入到AutoCAD中时，在桌面右下角命令栏中输入命令“z”，选择“e”，便可清晰地看到各个点的分布情况[3]。展点结束后，就可根据点的具体位置以及已知尺寸进行绘图，如可以根据3个点确定1个圆等。绘制完毕后，可以通过“ID”命令得到某个点的平面坐标。

2 免棱镜全站仪放样精度的理论分析

如图1所示，设免棱镜全站仪架设在已知点A、B为后视定向点，P为待定点。A点坐标为（XA,YA），B点坐标为（XB,YB），则已知边AB的方位角为：

图1 免棱镜全站仪测量示意图

设瞄准目标P点后，测得∠BAP为β，AP为SAP，则AP方向的方位角为：

P点坐标为：

忽略已知点的坐标误差，由误差传播定律可得P点的坐标中误差为：

式中，mS为测距中误差；mα为测角中误差； ρ=206 265″。

P点的点位中误差为：

以尼康全站仪NIVO1.C为例进行精度分析。该仪器免棱镜模式下的测距精度为±（3+2×10-6×D）mm，测角精度为1″，测程为100 m，由式（4）、（5）可求得P点的点位中误差不超过±3.2 mm。

上面计算的点位中误差是在只考虑距离和角度测量误差的情况下得出的，在实际工作中还会受到其他一些误差的影响，包括仪器的对中误差、瞄准误差、点位标定误差和双壁钢围堰受江水冲击影响产生的误差。前3项误差的影响较小，一般都不超过±3 mm；围堰受江水冲击作用产生的误差较大，但一般可以控制在10 cm以内，若以3倍中误差作为极限误差，则由水流作用引起的围堰定位中误差为3.3 cm。因此，围堰定位总的中误差可用式（6）估算：

在桥墩围堰定位中，一般要求在桥梁轴线方向上（通常也是桥梁施工测量坐标系的X轴方向）的定位中误差不超过±5 cm。由以上理论分析可见，采用免棱镜全站仪能够满足桥墩围堰定位的精度要求。

3 工程实例

3.1 工程概况

某桥梁位于广州市城区中心，已运行多年，呈南北走向，全长355 m，主桥全长182.9 m，结构为三孔下承式简支钢桁架桥，设计荷载为2列10 t汽车。主桥引桥为钢筋混凝土结构，靠近主桥第一、二跨为T形格板梁，北岸跨径为2.268+7.01×2 m，南岸跨径为3.286+11.151×2 m，其他跨为整体式钢筋混凝土板，跨径为4.648 m。北岸引桥19孔，总长为90.713 m，南侧引桥15孔，总长为81.346 m。主桥纵向分跨为(67.8+49.1+67.8) m；主桥桥宽为21.9 m，其中两侧桁外为3.75 m宽的钢结构托架。由于该桥主桥墩腐蚀严重，存在安全隐患，故需对其进行双壁钢围堰维修加固。主桥立面现状如图2所示。

3.2 围堰放样坐标的获取及放样方法

采用尼康NIVO1.C全站仪放样，仪器站距最远定位点约50 m。根据前面的精度分析，采用免棱镜模式能够满足桥墩围堰定位的精度要求。如图3所示，在北边跨A点处架设全站仪，后视定向后，照准南边跨主桥墩东西向各3个点，从左至右依次编号为ZD1~ZD6。测量后全站仪自动计算坐标并存储。

图2 主桥立面图(单位：m)

图3 主桥墩前视图及测量目标点的分布图

将表1中的坐标X、Y对调，用逗号隔开，并依次输入到AutoCAD中。根据AutoCAD中3点作圆的方法，对ZD1、ZD2和ZD3以及ZD4、ZD5和ZD6分别作圆，即可定出桥墩中心。连接南跨主桥墩的中心，就得到了桥墩中心线的方向，然后依据主桥及桥墩围堰的设计图（见图4），按照其设计距离在AutoCAD上画出示意图，如图5所示。

图4 桥墩围堰设计图

图5 根据测量结果绘制出的桥墩围堰图

利用ID命令可以得到围堰各拐点（图4中z1-1~z1-6，z2-1~z2-6）的平面坐标，如表1所列。将表1中的坐标输入到全站仪中，下放南桥墩围堰时，将全站仪架设在南岸的已知控制点DQ4（565.751,715.441）上；下放北桥墩围堰时，全站仪架设在北岸的已知控制点DQ3（733.418,632.437）上，后视定向点均为G8（658.623,759.014）。根据输入的各点坐标采用免棱镜模式进行放样，将双壁钢围堰安装到指定的位置上。

表1 围堰各拐点在测量坐标系中的放样坐标/m

3.3 围堰实际定位精度的评定

为了对围堰的实际定位精度进行评价，在围堰下放成功后，对围堰各拐点的坐标进行了实测，结果列入表2。

表2 围堰各拐点在测量坐标系中的实测坐标/m

由于前述测量坐标系是广州市的城建坐标系，其X轴方向与桥梁轴线方向不一致，两方向之间的夹角为23°12′52″。为了求出在桥梁轴线方向与垂直轴线方向上的定位误差，需将围堰拐点在城建测量坐标系下的坐标转换为以桥梁轴线为X轴的平面直角坐标系下的坐标，坐标转换公式为：

式中，（X，Y）为城建坐标系下的坐标；（X'，Y'）为以桥梁轴线为X轴的平面直角坐标系下的坐标；α为两坐标系的X坐标轴之间的夹角。

利用式（7）将表1和表2中的坐标都转换为以桥梁轴线为X轴的平面直角坐标系下的坐标，然后求得转换后的实测坐标与放样坐标之间的差值，列入表3。

表3 围堰各拐点的放样坐标与实测坐标转换后的差值统计表/cm

将围堰拐点的实测坐标视为真值，表3中的坐标差值视为真误差，计算其坐标中误差的公式为：

式中，∆为坐标真误差；n为坐标差值的个数。

将有关数据代入式(8),求得mX=±3.4 cm，mY=±3.3 cm，围堰在桥梁轴线方向和垂直于轴线上的放样中误差均不超过5 cm，满足桥墩围堰定位的精度要求。

[1] 曹宏.全站仪和AutoCAD在工程测量中的应用 [J]. 河北建筑工程学院学报, 2007(1):92-93

[2] 夏焕文. AutoCAD在桥梁工程测量中坐标计算的应用 [J]. 江西测绘, 2006(3):28-30

[3] 冯钟鸣,惠理军. AutoCAD、免棱镜全站仪技术在工程测量中的应用 [J]. 中国水运, 2010,10(8):213-214

[4] 王学平,王登杰,孙英明,等.免棱镜全站仪在桥梁检测中的应用 [J]. 山东大学学报:工学版, 2007,37(3):105-108

[5] 夏立福,李井春,胡友健,等.免棱镜全站仪测距性能的测试及精度分析[J]. 地理空间信息, 2008, 6(2): 133-135

[6] 邵振国. AutoCAD2008中文版实用教程[M]. 北京: 科学出版社, 2007

[7] 张正禄,李广云,潘国荣,等.工程测量学[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2005

Application of Free Prism Total Station and AutoCAD in the Positioning of Pier Cofferdam

byCHEN Chao

Because the reflector can’t be erected on the water in the positioning of bridge pier cofferdam, this paper discussed the construction measurement method by which the Free Prism Total Station and AutoCAD were used to determine the position of bridge pier cofferdam. Firstly, this method used Free Prism Total Station to measure the coordinates along the piers, and then determined the center of the pier in AutoCAD according to the coordinates. In the end, the coordinates of cofferdam were obtained through mapping.Practical application shows that the method not only satisfies require of precision, but also make the positioning work quick and convenient.

Free Prism Total Station, AutoCAD, bridge pier cofferdam,positioning

P258

B

1672-4623（2013）02-0149-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.049

2012-12-24。

项目来源：教育部地理信息系统软件及其应用工程研究中心开放研究基金资助项目（20111110）。

陈超，硕士，主要从事路桥施工测量技术与方法的研究。