羅 靜 鄭倫英 李小膽

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展,在鐵路勘察設(shè)計(jì)階段,尤其是定測階段,需使用多種類型的航攝數(shù)據(jù),以多樣性的數(shù)據(jù)源成果解決外業(yè)測量的困難,優(yōu)化線路設(shè)計(jì)方案,提高工作效率。受航空管制、飛行條件等因素的影響,使用衛(wèi)星、大飛機(jī)等搭載不同傳感器進(jìn)行航空攝影,在時間和成本方面不夠經(jīng)濟(jì),且不夠機(jī)動靈活,無法滿足鐵路勘察設(shè)計(jì)定測階段的需要。作為一項(xiàng)新型遙感技術(shù),無人機(jī)航攝目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土地測繪工程、實(shí)景三維智慧城市建設(shè)、規(guī)劃建設(shè)、緊急抗災(zāi)、水利、電力巡檢等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[1-4]研究了無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用;文獻(xiàn)[5-6]對機(jī)載激光雷達(dá)(light detection and ranging,LiDAR)點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用于橫縱斷面獲取的精度進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[7-11]使用無人機(jī)應(yīng)用于地質(zhì)危巖體信息提取等災(zāi)害監(jiān)測,構(gòu)建信息化模型對鐵路車站改造進(jìn)行信息展示等。在不同生產(chǎn)中,無人機(jī)航攝技術(shù)正憑借其高性價比、操作簡單、使用靈活、產(chǎn)品種類豐富等特點(diǎn),受到鐵路行業(yè)的廣泛關(guān)注,其在鐵路勘察設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用優(yōu)勢日漸凸顯。

1 項(xiàng)目背景

某新建鐵路線路全長約300 km,途經(jīng)城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和山區(qū)密林等地區(qū),地形類型包括丘陵、山地和高山地,且部分區(qū)域地勢陡峭,地質(zhì)條件復(fù)雜,沿線植被茂密,自然資源豐富。初測階段繪制的1∶2 000地形圖已經(jīng)完成一年,現(xiàn)場部分地物地貌發(fā)生變化,且設(shè)計(jì)線位存在變更的情況,現(xiàn)勢性無法滿足設(shè)計(jì)需要。

項(xiàng)目定測階段需要進(jìn)行1∶2 000比例尺地形圖測量、地形圖更新、線路橫斷面測量、特殊工點(diǎn)1∶500圖測量、方案演示匯報、地質(zhì)專業(yè)分析等工作。采用大飛機(jī)進(jìn)行航空攝影,時間、經(jīng)濟(jì)成本較高,難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。針對復(fù)雜山區(qū)的鐵路勘察設(shè)計(jì)要求,考慮采用無人機(jī)航攝完成相關(guān)生產(chǎn)任務(wù)。

2 項(xiàng)目應(yīng)用研究

2.1 基本比例尺地形圖測繪及更新

該項(xiàng)目定測階段涉及線位修改,需進(jìn)行1∶2 000地形圖測繪及更新,在隧道進(jìn)出口、橋梁、車站等特殊工點(diǎn)位置需要測繪1∶500大比例尺地形圖。

2.1.1影像獲取及處理

本次使用飛馬D300無人機(jī)進(jìn)行航攝,利用獲取的垂直影像完成基本比例尺地形圖測繪及更新工作。以某1∶2 000比例尺成圖區(qū)域?yàn)槔?按照航測規(guī)范要求及實(shí)際測圖需要[12-15]進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。根據(jù)地面基站和無人機(jī)的動態(tài)測量后處理模式(post processed kinematic,PPK)模塊解算厘米級的POS數(shù)據(jù),依據(jù)測區(qū)的地形特征布設(shè)地面控制點(diǎn),外控點(diǎn)布設(shè)及測量現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 外控布設(shè)及測量現(xiàn)場圖

使用飛馬無人機(jī)管家進(jìn)行空中三角測量,經(jīng)計(jì)算,該區(qū)域定向點(diǎn)平面誤差最大值0.208 m,高程誤差最大值0.154 m,檢查點(diǎn)平面誤差最大值0.254 m,高程誤差最大值0.185 m,滿足規(guī)范要求[12-13],輸出加密成果及去畸變影像后,使用立體測圖軟件進(jìn)行地形圖測繪。

2.1.2精度分析

采用全球衛(wèi)星定位實(shí)時動態(tài)測量(global positioning system-real time kinematic,GPS-RTK)方法在成圖區(qū)域測量地物地貌檢查點(diǎn),對地形圖成果精度進(jìn)行檢查,結(jié)果如表1所示。

表1 1∶2 000地形圖成果精度檢查情況

由表1可知,該區(qū)域無人機(jī)航攝成果可滿足1∶2 000地形圖測繪要求。針對1∶500比例尺地形圖測量,可通過無人機(jī)搭載激光雷達(dá)傳感器獲取地面點(diǎn)云數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)字正射影像完成生產(chǎn)。經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證,采用該方式其精度相比基于垂直影像立體采集更優(yōu),因此可廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

2.2 線路LiDAR點(diǎn)云橫斷面測量

橫斷面測量是指測量中樁處垂直于線路中線方向的地表起伏線,其目的是要反映線路垂直方向的地形起伏情況,以繪制橫斷面圖供隧道、路基、橋梁、站場、特殊構(gòu)造物等工程設(shè)計(jì)[13]。在鐵路定測階段,各專業(yè)設(shè)計(jì)依賴大量的橫斷面數(shù)據(jù),針對合適的地形區(qū)域,采用航測的方法,一般可滿足項(xiàng)目的實(shí)際需要。但在植被茂密的地區(qū),受植被遮擋以及采集人員目視判別誤差的影響,精度無法滿足距離限差0.3 m,高差限差0.35 m的精度要求[14]。從精度、工期、成本出發(fā),采用LiDAR激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為主,航測及人工外業(yè)測量為輔的作業(yè)方式十分必要。

本項(xiàng)目采用飛馬無人機(jī)搭載LiDAR模塊,應(yīng)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)差分技術(shù)、慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、激光掃描技術(shù)等,快速、高精度地獲取掃描對象的空間三維坐標(biāo)信息,通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波分類提取地面點(diǎn),獲得線路橫斷面成果。

2.2.1點(diǎn)云獲取及處理

航飛選用飛馬D-LiDAR2000航測系統(tǒng),其具有仿地飛行功能,系統(tǒng)內(nèi)置了地面高程模型,可根據(jù)地面高程實(shí)時調(diào)整飛行高度,保證飛行過程中相對航高一致,使得整個測區(qū)點(diǎn)云密度相同。針對地面植被密度的不同一般劃分三個檔次進(jìn)行航線規(guī)劃,如表2所示。

表2 不同植被密度航線參數(shù)

本項(xiàng)目選取一般林區(qū)作為航飛區(qū)域,按照表2要求進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理主要包括IMU/GNSS聯(lián)合解算、點(diǎn)云平差處理、點(diǎn)云濾波等步驟[15],具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 機(jī)載LiDAR作業(yè)流程圖

2.2.2應(yīng)用及精度分析

無人機(jī)管家根據(jù)航跡文件和激光測距文件,自動進(jìn)行航帶數(shù)據(jù)的匹配平差,經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,輸出滿足要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖3所示。線路LiDAR點(diǎn)云的橫斷面測量是基于地面點(diǎn)數(shù)據(jù)提取,使用基于Microstation V8平臺的Terrasolid模塊建立點(diǎn)云工程,進(jìn)行點(diǎn)云的自動濾波與人工分類,獲得點(diǎn)云地面模型如圖4所示。

圖3 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 點(diǎn)云地面模型

基于LiDAR點(diǎn)云地面模型進(jìn)行橫斷面測量,通過對比分析點(diǎn)云精度情況(絕對精度)和斷面成果精度情況(相對精度),對無人機(jī)航攝LiDAR在線路橫斷面測量中的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2.2.1點(diǎn)云絕對精度檢驗(yàn)

采用RTK方法測量測區(qū)范圍內(nèi)的檢查點(diǎn),將其導(dǎo)入LiDAR點(diǎn)云工程,通過Terrasolid模塊中的output control report功能內(nèi)插出相應(yīng)檢查點(diǎn)實(shí)測高與點(diǎn)云高的高程差值。該區(qū)域外業(yè)共實(shí)測了209個檢查點(diǎn),檢測點(diǎn)云高程偏差最大值0.266 m,檢測點(diǎn)高程中誤差0.091 m,LiDAR點(diǎn)云絕對精度滿足規(guī)范要求。

2.2.2.2點(diǎn)云相對精度檢驗(yàn)

將基于LiDAR點(diǎn)云獲取的橫斷面高差值與外業(yè)實(shí)測斷面高差進(jìn)行對比,結(jié)果如表3所示。

表3 LiDAR點(diǎn)云橫斷面與外業(yè)實(shí)測斷面高差對比表

由表3可知,LiDAR點(diǎn)云橫斷面測量精度基本滿足規(guī)范要求,可用于測量,但也存在高差差值大于0.35 m的情況,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際勘察情況可知,誤差較大的區(qū)域?yàn)椋孩僦脖幻艿拿芰謪^(qū),LiDAR點(diǎn)云無法穿透植被到達(dá)地面,使得地面點(diǎn)缺少;②在陡峭的溝坎區(qū)域,由于遮擋或者分類的錯誤,導(dǎo)致地面高程模型精度降低。針對情況①,可使用雷達(dá)功率較強(qiáng)的傳感器設(shè)備,增強(qiáng)點(diǎn)云穿透率,獲得更多的地面點(diǎn)數(shù)據(jù),針對情況②,需要加強(qiáng)人工分類及檢核工作,盡可能地提高橫斷面測量精度。

2.3 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

鐵路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目中,線路方案演示碰撞、重要工點(diǎn)設(shè)計(jì)、地質(zhì)專業(yè)分析等對線路兩側(cè)地形及建筑物、構(gòu)筑物三維數(shù)據(jù)信息的需求越來越大,常規(guī)的DEM+DOM模式已無法滿足生產(chǎn)需求。隨著傾斜攝影測量的廣泛應(yīng)用及實(shí)景三維建模技術(shù)的發(fā)展,無人機(jī)傾斜攝影以其自動化程度高、真實(shí)還原度高、空間精確度高的優(yōu)勢,被越來越多地使用到鐵路勘察設(shè)計(jì)中。

2.3.1技術(shù)路線

鐵路實(shí)景三維模型制作采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來實(shí)現(xiàn),其作業(yè)方法和流程如圖5所示,主要包括傾斜影像數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空三加密、實(shí)景三維建模、成果輸出等內(nèi)容。其中,傾斜影像數(shù)據(jù)獲取依據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)定航飛地面分辨率,一般情況下設(shè)置垂直航向重疊度70%～80%,旁向重疊度40%～80%;空三加密多采用飛馬無人機(jī)管家及ContextCapture Center軟件聯(lián)合完成。

圖5 無人機(jī)傾斜影像三維實(shí)景模型制作流程圖

2.3.2工點(diǎn)設(shè)計(jì)展示

在鐵路項(xiàng)目工點(diǎn)設(shè)計(jì)時,無人機(jī)航飛地面分辨率一般設(shè)置為2～10 cm。鐵路工點(diǎn)三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)能夠直觀、真實(shí)、生動形象地展示工點(diǎn)地物、地形地貌特征,作為鐵路BIM模型的載體,能夠直觀地反映其與周邊交通、建筑、環(huán)境間的空間位置分布關(guān)系和互通關(guān)系[7-8],以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性及優(yōu)勢性。

以該項(xiàng)目城市區(qū)域某車站為例,以制作的實(shí)景三維模型作為工點(diǎn)設(shè)計(jì)展示大場景的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,搭載車站建筑模型、地下軌道交通模型等設(shè)計(jì)模型,實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型與鐵路BIM模型的融合展示,如圖6所示。

圖6 實(shí)景三維模型與鐵路BIM模型融合展示

2.3.3地質(zhì)專業(yè)分析

在地質(zhì)專業(yè)分析時,無人機(jī)航飛地面分辨率一般設(shè)置為2～5 cm。在進(jìn)行地質(zhì)專業(yè)調(diào)查時,對不易刺點(diǎn)的小范圍區(qū)域的高陡邊坡、危巖落石等不良地質(zhì)體,可以利用具有精確空間位置和逼真豐富紋理的三維實(shí)景模型數(shù)據(jù),開展隧道口危巖落石調(diào)查、危巖帶(體)穩(wěn)定性定量分析、落石路徑模擬計(jì)算、防護(hù)建議與措施等危巖落石專題分析研究工作。

3 結(jié)束語

在鐵路勘察定測階段無人機(jī)航攝技術(shù)的應(yīng)用能較大程度上提高作業(yè)效率,減少作業(yè)成本,便捷作業(yè)方式,豐富數(shù)據(jù)成果內(nèi)容,創(chuàng)新鐵路工程匯報展示手段,對工程實(shí)例成果數(shù)據(jù)的精度分析結(jié)果及其在實(shí)景三維模型與鐵路BIM融合構(gòu)建大場景等方面的創(chuàng)新應(yīng)用表明,無人機(jī)能夠以高靈活性、高精度、高效率、低成本的方式滿足鐵路勘察設(shè)計(jì)定測階段的需要,可作為測量的主要手段參與到設(shè)計(jì)項(xiàng)目工作中。