柯 舒

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

在鐵路勘察設(shè)計(jì)過程中，斷面測(cè)量對(duì)線路方案選擇起著至關(guān)重要的作用。目前，鐵路斷面采集主要依靠傳統(tǒng)的外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或基于機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)生成。傳統(tǒng)外業(yè)實(shí)測(cè)，其勘測(cè)工期、成本、質(zhì)量等受到多種自然條件及人為因素限制，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低[1]；機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高[2]，但是在植被茂密、地形突變及地物復(fù)雜區(qū)域存在一定的局限性[3]。為了提高鐵路斷面采集效率與精度，夏艷軍[1]、馬偉東[4]等提出了航測(cè)法測(cè)量鐵路橫斷面的思想，但受影像分辨率及模型比例的局限，其斷面采集精度不高，且需要大量的現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)核及修測(cè)工作。而Leica DMCⅢ數(shù)字航攝儀打破了這一局限性，其立體斷面采集精度能夠滿足定測(cè)需求，可減少大量的外業(yè)工作，提高鐵路勘測(cè)效率。

Leica DMCIII數(shù)字航攝儀是目前世界上傳感器幅面最大的框幅式航攝儀之一，其傳感器像元大小為3.9 μm，幅面為26112像元×15000像元，可獲取多種分辨率的影像數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，DMCIII數(shù)字航攝儀已廣泛應(yīng)用于不同比例的鐵路地形圖生產(chǎn)，并顯著提高了制圖精度[5]。然而，地形圖生產(chǎn)只是DMCIII的能效之一，如何將其高分辨率的數(shù)碼影像及高精度的POS數(shù)據(jù)服務(wù)于鐵路定測(cè)斷面采集，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高立體采集斷面精度是研究的重點(diǎn)。

1 方案設(shè)計(jì)

為滿足定測(cè)階段斷面精度要求，從航飛設(shè)計(jì)、航測(cè)外業(yè)控制測(cè)量到空中三角解析測(cè)量、斷面立體采集，每一道工序均需要嚴(yán)格遵守相關(guān)技術(shù)規(guī)定。定測(cè)階段，航攝影像的地面分辨率應(yīng)優(yōu)于0.05 m。測(cè)區(qū)內(nèi)以區(qū)域網(wǎng)方式布設(shè)像控點(diǎn)(局部可增加高程控制點(diǎn))，內(nèi)業(yè)基于影像pos數(shù)據(jù)及外控成果進(jìn)行空中三角測(cè)量，建立測(cè)區(qū)立體模型，并收集線路中線實(shí)測(cè)中樁坐標(biāo)及高程信息。依據(jù)上述作業(yè)內(nèi)容定制作業(yè)流程(如圖1所示)，以常益長鐵路為例，詳細(xì)討論基于DMCⅢ數(shù)碼影像立體采集鐵路斷面的技術(shù)方案。

圖1 作業(yè)流程

1.1 航飛設(shè)計(jì)

常益長鐵路設(shè)計(jì)正線長156.8 km，比較線長28 km，共184.8 km。測(cè)區(qū)靠近洞庭湖水域，地貌以平原、微丘陵為主，海拔范圍20～250 m，平均海拔60 m。

本攝區(qū)使用DMCⅢ數(shù)字航空攝影儀，該相機(jī)將傳感器單元、存儲(chǔ)單元、控制單元、慣性測(cè)量單元等組件高度集成為一體[6]，且鏡頭系統(tǒng)同時(shí)采集R、G、B、PAN、NIR5個(gè)波段的數(shù)據(jù)，可輸出RGB真彩色影像、Nir近紅外影像、PAN全色影像，其自動(dòng)化程度高、影像數(shù)據(jù)信息豐富。

本次攝影成果主要用于定測(cè)階段斷面采集工作，故按照1∶500的成圖比例來進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，依據(jù)TB10050—2010《鐵路工程攝影測(cè)量規(guī)范》[7]，各種比例地形圖地面分辨率取值如表1。

表1 地面分辨率取值

地面分辨率GSD由數(shù)碼相機(jī)像素尺寸R與攝影比例1/m確定[8]，計(jì)算公式為

GSD=R×m

攝影比例分母m由相對(duì)航高h(yuǎn)與相機(jī)焦距f確定，即

m=h/f

則有

m=Rh/f

對(duì)于DMCⅢ，焦距f=92 mm，像素尺寸R=3.9 μm， GSD(地面分辨率)優(yōu)于0.05 m，則相對(duì)航高應(yīng)低于1 000 m；根據(jù)測(cè)區(qū)地形起伏、設(shè)備性能、飛機(jī)性能、測(cè)圖比例、航帶地面覆蓋寬度、GSD、航線總里程、空域狀況等因素，最終確定相對(duì)航高為950 m，地面分辨率為0.043 m，共計(jì)31條航線(包括27條測(cè)線和4條檢校線)，航線總里程為1 150 km左右，如圖2所示。

圖2 攝區(qū)航線敷設(shè)示意

1.2 外業(yè)控制測(cè)量

基于DMCⅢ數(shù)碼影像資料，本攝區(qū)采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)像控點(diǎn)[11]。參照GB/T 7931—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》[12]，考慮斷面精度要求，區(qū)域內(nèi)航線數(shù)量不宜超過10條，基線數(shù)不宜超過12條(約2 km)，并在區(qū)域兩端及中間補(bǔ)充3至5排高程控制點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)示意

1.3 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)測(cè)圖和數(shù)字產(chǎn)品生成的第一道工序[13]，其核心內(nèi)容是以像片上的像點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)，用攝影測(cè)量的方法解求測(cè)區(qū)內(nèi)所有影像的外方位元素，并基于攝影過程的幾何轉(zhuǎn)換，重建可量測(cè)的幾何立體模型，最后求出地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)[14]。

本項(xiàng)目基于Inpho數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密，其Match-AT空三模塊引入相機(jī)文件、影像及其POS數(shù)據(jù)，通過影像匹配算法，自動(dòng)提取相鄰航片及相鄰航線之間的連接點(diǎn)，形成穩(wěn)固的區(qū)域網(wǎng)模型；再導(dǎo)入外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過人工立體量測(cè)及平差解算，生成高精度的空三模型[15]。

空三加密精度可依據(jù)1∶500地形圖規(guī)范執(zhí)行，即：模型連接點(diǎn)平面中誤差≤0.15 m，高程精度≤0.2 m。為提高測(cè)區(qū)立體模型的精度，在空三加密前需對(duì)DMCⅢ數(shù)碼影像進(jìn)行勻光、勻色預(yù)處理，保證大范圍內(nèi)影像色調(diào)基本一致且紋理清晰，以提高空三加密模塊自動(dòng)提取模型連接點(diǎn)的精度及人工立體量測(cè)的精度。此外，可收集測(cè)區(qū)內(nèi)已有的線路中樁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(包括線路中樁坐標(biāo)及高程信息)，輔助檢核測(cè)區(qū)立體模型，對(duì)局部精度較差的區(qū)域，需手動(dòng)增加模型連接點(diǎn)或補(bǔ)充外業(yè)控制點(diǎn)。

模型精度滿足要求后，即可導(dǎo)出PatB格式與ZI格式的空三成果。

1.4 斷面立體采集

基于JX4或者航天遠(yuǎn)景工作站，恢復(fù)PatB或ZI立體模型，并檢查外控點(diǎn)精度及像對(duì)接邊精度，滿足要求后方可進(jìn)行斷面立體采集。

斷面立體采集首先需要收集線路的原始資料，并從中整理出曲線要素表、中樁里程表及斷面范圍表三個(gè)文件。其中曲線要素表包含交點(diǎn)坐標(biāo)(東方向、北方向)、曲線半徑、前緩和曲線、后緩和曲線共五個(gè)要素，導(dǎo)入斷面采集模塊后可生成線路中線；中樁里程表包含中樁里程號(hào)、中樁坐標(biāo)(東方向、北方向)及高程(若無則設(shè)為0)四個(gè)要素；斷面范圍表包含中樁里程號(hào)、中樁高程(若無則設(shè)為0)及斷面線左右側(cè)長度四個(gè)要素。

將上述三個(gè)文件依次導(dǎo)入斷面立體采集模塊(中樁坐標(biāo)應(yīng)與線路中線匹配一致)，并將外業(yè)實(shí)測(cè)中樁數(shù)據(jù)導(dǎo)入立體模型，檢驗(yàn)其精度，若符合規(guī)范要求，便可進(jìn)行斷面采集，即從中樁開始，依次量測(cè)斷面線左右兩側(cè)的特征點(diǎn)及變坡點(diǎn)坐標(biāo)并記錄其屬性信息，采集方法與立體測(cè)圖一致。所有斷面采集完畢后，將斷面文件轉(zhuǎn)換成與外業(yè)一致的表格形式，便于外業(yè)復(fù)核或補(bǔ)測(cè)，如表2所示。

表2 斷面成果格式示例

2 應(yīng)用分析

高精度的立體模型、高分辨率的數(shù)碼影像以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制，保證了DMCⅢ數(shù)碼影像用于斷面生產(chǎn)的可行性。在常益長鐵路中，以益陽南站為例，將基于DMCⅢ數(shù)碼影像立體采集的斷面高程與外業(yè)實(shí)測(cè)高程進(jìn)行對(duì)比(共計(jì)134個(gè)橫斷面)，統(tǒng)計(jì)精度如表3所示。在裸露地表區(qū)域，立體采集的斷面高程中誤差為0.187 m，稀疏植被區(qū)域中誤差為0.243 m，均符合斷面精度要求；在密林區(qū)域，由于植被遮擋，無法判斷真實(shí)地表，立體采集斷面精度呈現(xiàn)出不確定性。

表3 DMCⅢ立體采集斷面高程精度統(tǒng)計(jì)

考慮到鐵路勘測(cè)的精度要求，常益長的橫斷面生產(chǎn)采用DMCⅢ立體采集與外業(yè)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法。對(duì)于裸露地表區(qū)域，以航測(cè)立體采集為主，可高效精細(xì)地反映地貌變化；對(duì)于密林及涉水區(qū)域，由航測(cè)專業(yè)標(biāo)示起止范圍，提交外業(yè)補(bǔ)測(cè)。

常益長定測(cè)階段，DMCⅢ數(shù)碼影像主要用于站場(chǎng)、路基的橫斷面采集，其中站場(chǎng)斷面數(shù)量較多且斷面線較長，斷面沿線植被相對(duì)稀疏，以航測(cè)立體采集為主；路基橫斷面多位于丘陵地帶，植被茂密，斷面線較短，以外業(yè)實(shí)測(cè)為主。

基于DMCⅢ數(shù)碼影像立體采集的斷面數(shù)據(jù)利用率如表4所示，其中有效斷面線為剔除密林及涉水區(qū)域后的斷面線，該部分?jǐn)?shù)據(jù)無需外業(yè)補(bǔ)測(cè)或復(fù)核，可直接提交。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于站場(chǎng)斷面，航測(cè)立體采集的有效數(shù)據(jù)占比為51.23%；對(duì)于路基斷面，航測(cè)立體采集的有效數(shù)據(jù)占比為32.51%；航測(cè)數(shù)據(jù)的總利用率為46.14%。

表4 DMCⅢ立體采集斷面利用率統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

基于DMCⅢ數(shù)碼影像立體斷面采集表現(xiàn)出以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1) 斷面立體采集屬于傳統(tǒng)航測(cè)方法，斷面生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，作業(yè)員接受程度高。

(2)非密林區(qū)域的采集精度較高，滿足鐵路相關(guān)規(guī)范要求。

(3) 在地物復(fù)雜區(qū)域，例如城區(qū)、站場(chǎng)等，DMCⅢ數(shù)碼影像可提高地物辨識(shí)度及斷面采集的準(zhǔn)確度。

(4)相較于傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)量，基于DMCⅢ數(shù)碼影像的立體斷面采集可顯著提高生產(chǎn)效率，節(jié)約外業(yè)成本。