葛玉輝

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

某艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路大渡河橋位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣，橋梁全長(zhǎng)1 294 m，主跨長(zhǎng)1 060 m，橋面距河面375 m，其周邊地形環(huán)境復(fù)雜，橋位比選困難。為了更好地開展大渡河橋高中低橋位比選咨詢工作，決定利用無(wú)人機(jī)航飛來(lái)解決其難點(diǎn)問(wèn)題[1-4]。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在鐵路工程中的應(yīng)用非常廣泛[5]，馮威認(rèn)為利用無(wú)人機(jī)可高效獲取高海拔山區(qū)的勘測(cè)資料[6]；呂曉煜利用無(wú)人機(jī)對(duì)鐵路沿線進(jìn)行機(jī)載LiDAR 航攝，并對(duì)出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題給出解決方法[7]；方留楊等使用無(wú)人機(jī)對(duì)昆楚二級(jí)公路某拱橋、高海高速?？诖髽颉⒂^音山大橋開展了無(wú)人機(jī)三維建模和檢測(cè)試驗(yàn)[8]；在武漢天興洲長(zhǎng)江大橋橋索聚乙烯(PE)保護(hù)套外觀檢測(cè)中，梁亞斌等利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝，取得了良好的效果[9]。 以下基于前人的研究，利用無(wú)人機(jī)綜合技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)某艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路大渡河橋位方案進(jìn)行研究。

2 技術(shù)路線

大渡河橋位地處青藏高原向四川盆過(guò)渡地帶，環(huán)境惡劣，地形復(fù)雜，4 km 的航飛范圍高差達(dá)1 000 m(呈V 形)，造成無(wú)人機(jī)信號(hào)遮擋嚴(yán)重；大渡河兩側(cè)山體呈S 形走勢(shì)，不利于航線設(shè)計(jì)，造成起降場(chǎng)選擇困難，像控點(diǎn)布設(shè)和測(cè)量困難；同時(shí)，地形高差大易導(dǎo)致影像分辨率、像幅大小、點(diǎn)云密度不均勻，不利于后期的數(shù)據(jù)處理。 另一方面，各專業(yè)對(duì)航飛需求不同，橋梁專業(yè)需要利用三維實(shí)景模型展示橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)成果；隧道專業(yè)需要三維展示隧道進(jìn)出口設(shè)計(jì)優(yōu)化成果；站場(chǎng)專業(yè)需要在三維實(shí)景模型上展示設(shè)計(jì)優(yōu)化成果。 考慮大渡河跨河大橋、瀘定站以及隧道設(shè)計(jì)的周邊地形環(huán)境，采用單一的測(cè)量技術(shù)方案很難滿足專業(yè)全部的需求。 因此，決定采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量、無(wú)人機(jī)視頻和攝影技術(shù)、無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)相結(jié)合的技術(shù)方案進(jìn)行三維系統(tǒng)的航飛，具體步驟如下。

(1)制定無(wú)人機(jī)傾斜攝影和激光雷達(dá)的拍攝方案，采用旋翼機(jī)大疆精靈4pro 對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的拍攝和踏勘，采用大疆M600+五鏡頭對(duì)測(cè)區(qū)站場(chǎng)范圍進(jìn)行優(yōu)于0.05 m 的傾斜影像拍攝，建立實(shí)景三維模型。

(2)采用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)對(duì)隧道洞口和整個(gè)站房部分進(jìn)行拍攝，得到整個(gè)測(cè)區(qū)的三維模糊和隧道進(jìn)出口地形圖；另外，根據(jù)線路專業(yè)的要求，對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)山體進(jìn)行視頻拍攝，獲取重點(diǎn)區(qū)域的的靜態(tài)照片和動(dòng)態(tài)視頻。 其技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線

3 航攝情況

3.1 工程概況

某艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路瀘定站及大渡河位于四川省甘孜藏族自治州東南部的瀘定縣內(nèi)，地處青藏高原向四川盆地過(guò)渡地帶，東與天全、滎經(jīng)接壤，西與康定、九龍毗鄰，南連石棉縣，是進(jìn)藏出川的必經(jīng)之地。 受東南、西南季風(fēng)和青藏高原冷空氣雙重影響，氣候垂直差異明顯，早晚溫差達(dá)15 ℃。 另外，航飛區(qū)域位于兩個(gè)高山之間，周邊地勢(shì)高差大，坡面短，坡度陡峭，巖體破碎，且山上分布有高壓線，給外業(yè)航飛和內(nèi)業(yè)處理帶來(lái)很大困難。 某艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路大渡河線位走向如圖2 所示。

圖2 某艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路大渡河線位走向

3.2 設(shè)備選取

為了滿足不同角度的拍攝需要，視頻和攝影方面，選擇具有仿地拍攝功能的大疆精靈4pro(2000 萬(wàn)有效像素)；傾斜攝影選擇大疆M600+AMC536(5 鏡頭)相機(jī)，AMC536 相機(jī)由1 臺(tái)正拍相和4 臺(tái)傾斜相機(jī)組成，正拍相機(jī)負(fù)責(zé)垂直地面拍攝，傾斜相機(jī)一般采用45°傾斜拍攝。 對(duì)于同一區(qū)域，只需飛行一個(gè)架次即可獲得垂直拍攝及東、南、西、北4 個(gè)方向的傾斜影像，可以滿足各種條件下的航測(cè)拍攝，對(duì)于高差懸殊，環(huán)境惡劣的地區(qū)效果較好； 激光雷達(dá)選擇華測(cè)金剛6 +AS1300HL，其具有較好的安全性能和穩(wěn)定性。

為了保證安全和效率，應(yīng)提前設(shè)計(jì)航線，航線布設(shè)需滿足以下原則:①保證LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)旁向重疊度50%～70%；②保證影像旁向重疊度 30% 以上，航向重疊度 60%以上；③保證影像地面分辨率優(yōu)于0.1 m；④保證LiDAR 點(diǎn)云密度5 個(gè)/m2；⑤保證航飛數(shù)據(jù)采集效率及飛行安全高度。

對(duì)應(yīng)的傾斜攝影航飛參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 傾斜攝影航飛參數(shù)

續(xù)表1

3.3 像控點(diǎn)測(cè)量

所有像控點(diǎn)成果均利用當(dāng)?shù)谻ORS 網(wǎng)絡(luò)，采用RTK 方式進(jìn)行測(cè)量，每點(diǎn)均獨(dú)立初始化4 次，每次在連續(xù)地形測(cè)量模式下觀測(cè)30 個(gè)歷元，每個(gè)歷元采樣間隔為1 s， 取其平均值作為點(diǎn)位的最終坐標(biāo)成果。 激光雷達(dá)基準(zhǔn)點(diǎn)為測(cè)區(qū)已知精密控制點(diǎn)。 其測(cè)量精度水平誤差最大為5 mm，垂直誤差為6 mm，均滿足測(cè)量規(guī)范要求，某艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路大渡河像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)成果精度分析見(jiàn)表2。

表2 某艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路大渡河像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)成果精度分析 m

4 基于大渡河無(wú)人機(jī)綜合技術(shù)三維模型

4.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

根據(jù)站場(chǎng)專業(yè)要求，對(duì)站場(chǎng)區(qū)域按1 ∶500 的精度進(jìn)行精細(xì)化航飛，因航飛區(qū)域高差懸殊，根據(jù)精度要求，將傾斜攝影航飛范圍分成了3 部分，分別進(jìn)行航飛，瀘定站站房大渡河的航飛范圍如圖3 紅色區(qū)域。

圖3 瀘定站大渡河站場(chǎng)航飛范圍

為有效提升空三的效率和質(zhì)量，選擇Context Capture Center 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)傾斜空三部分進(jìn)行了加強(qiáng)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理，空三成果符合精度要求，控制點(diǎn)坐標(biāo)與模型上實(shí)際的點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)比精度也符合精度要求，其成果能夠滿足1 ∶1 000 和局部站場(chǎng)范圍1 ∶500 測(cè)量要求(見(jiàn)圖4、圖5)。

圖4 傾斜攝影第一架次的模型細(xì)節(jié)

圖5 傾斜攝影模型總覽

4.2 無(wú)人機(jī)視頻和攝影技術(shù)

根據(jù)線路、橋梁等專業(yè)要求，為了保證近距離的視頻拍攝效果，充分利用天地圖、谷歌地球等手段研究測(cè)區(qū)整體方案，針對(duì)山坡陡峭、高差巨大的現(xiàn)狀，采用分段、仿地飛行方案，把航飛區(qū)域分成多個(gè)區(qū)域，根據(jù)航飛的路線適當(dāng)調(diào)整航飛高度，盡量保證同區(qū)域的相對(duì)航高相同。 為了保證近距離的視頻拍攝效果，將整個(gè)橫跨大渡河4 km 的線位分成了8 段，進(jìn)行不同高度的視頻拍攝，為更好地表達(dá)整體的效果，又進(jìn)行了相同高度的視頻拍攝。 視頻拍攝的現(xiàn)場(chǎng)情況如圖6、圖7所示。

圖6 大渡河航飛區(qū)域

圖7 布滿了高壓線的航飛區(qū)域

4.3 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)

為減少山體和高壓線對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響，采用先預(yù)飛(采用小型視頻無(wú)人機(jī))、后實(shí)飛的方案；為了得到高精度的雷達(dá)數(shù)據(jù)，首先對(duì)對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行了航飛前的標(biāo)定，劃分了4 個(gè)航飛區(qū)域；為解決后續(xù)數(shù)據(jù)處理的難題，利用傾斜攝影、激光雷達(dá)等不同的數(shù)據(jù)處理手段相互印證和糾正，反復(fù)的進(jìn)行測(cè)試和處理，保證成果的準(zhǔn)確性，其激光雷達(dá)成果細(xì)節(jié)和三維合成模型如圖8、圖9 所示。

圖8 激光雷達(dá)大渡河細(xì)節(jié)點(diǎn)云

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)無(wú)人機(jī)多技術(shù)融合方法在某艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路大渡河中的應(yīng)用，探索傾斜攝影測(cè)量、視頻和攝影技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可有效提高建模效率和模型精度，及時(shí)準(zhǔn)確提供大渡河橋及沿線的實(shí)景三維模型等資料；利用傾斜攝影測(cè)量實(shí)景建模技術(shù)可生成站場(chǎng)站房范圍三維模型，有效查明了線路走向、周圍環(huán)境、建筑對(duì)方案的影響。 研究表明，激光雷達(dá)技術(shù)和傾斜攝影相結(jié)合，可使建筑密集區(qū)的三維實(shí)景模型精度達(dá)到5 cm。

圖9 基于彩色點(diǎn)云的三維模型