像控點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)既有線中線測(cè)量精度影響分析

宗偉麗

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

全站儀、GPS-RTK方法是目前既有線中線測(cè)量中最普遍的方法，該類方法可滿足既有線勘察設(shè)計(jì)的精度要求，但上線工作量較大且效率較低。

考慮既有線上線作業(yè)的時(shí)間、上線作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)等因素，基于DMC230大幅面數(shù)碼航攝儀，開(kāi)展了多個(gè)項(xiàng)目的既有線測(cè)繪應(yīng)用研究，形成一套完整的作業(yè)方案，實(shí)現(xiàn)了航測(cè)既有線技術(shù)在橫斷面測(cè)量、中線測(cè)量等方面的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[1]闡述了POS輔助數(shù)碼航空攝影測(cè)量在既有鐵路測(cè)繪中的應(yīng)用，證明了航測(cè)方法應(yīng)用于既有線測(cè)量的可行性，為既有線測(cè)繪工作提供了一種全新的方法。在前期航測(cè)方法解決既有線測(cè)繪實(shí)踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)應(yīng)用中的問(wèn)題，對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)方法進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行精度驗(yàn)證。

研究思路為：首先分析目前航測(cè)方法既有線中線測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中面臨的問(wèn)題，提出抽稀曲線內(nèi)側(cè)像控點(diǎn)布設(shè)方案，對(duì)其精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)作業(yè)過(guò)程中影響中線測(cè)量的誤差進(jìn)行分析。

1 像控點(diǎn)地面標(biāo)志布設(shè)現(xiàn)狀分析

(1)像控標(biāo)志布設(shè)困難

既有線測(cè)繪項(xiàng)目中航測(cè)像控點(diǎn)通常采用布設(shè)地面標(biāo)志的方式?；谔岣呦窨攸c(diǎn)辨認(rèn)度和量測(cè)精度的考慮，對(duì)既有線測(cè)繪項(xiàng)目中航測(cè)像控點(diǎn)地面標(biāo)志的尺寸、樣式、材質(zhì)等已經(jīng)進(jìn)行了充分的研究論證，形成了初步的結(jié)論，但針對(duì)積雪覆蓋的山地、淤泥遍布的田地等難以通行的測(cè)區(qū)，外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)則較為困難且效率低下。

(2)像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量大

既有線測(cè)繪項(xiàng)目單航帶布設(shè)存在覆蓋寬度小、線路走向復(fù)雜、航線設(shè)計(jì)測(cè)區(qū)多等問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)布設(shè)方式下像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量較多。

此外，周圍壞境、天氣因素、人為破壞、航飛進(jìn)度的滯后等因素也會(huì)導(dǎo)致像控點(diǎn)被破壞。因此，在保證既有線中線測(cè)量精度的前提下，合理優(yōu)化像控點(diǎn)的布設(shè)方案是十分必要的。

2 方案實(shí)施

基于航測(cè)方法既有線中線測(cè)量的現(xiàn)狀，探求一種既保證既有線中線測(cè)量精度，又能提高作業(yè)效率的技術(shù)方案十分必要。提出一種抽稀曲線內(nèi)側(cè)像控點(diǎn)的技術(shù)方案，并與外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比論證。

2.1 數(shù)據(jù)源

試驗(yàn)區(qū)域選取東北某既有線電氣化改造項(xiàng)目，航飛采用DMC230數(shù)碼航攝儀，POS系統(tǒng)為POS AV510。數(shù)碼航攝儀焦距為92.049 cm，像素為5.6 μm，像幅尺寸為87.0912 mm×79.206 4 mm，為保證既有線測(cè)繪的精度，應(yīng)在航空攝影前布設(shè)像控點(diǎn)地面標(biāo)志。本次航飛獲取了5 cm高分辨率數(shù)碼影像(航向重疊度60%、旁向重疊度30%)。航飛過(guò)程中需架設(shè)地面基站進(jìn)行同步觀測(cè)，采用差分解算獲取每一張航片的外方位元素。獲取的高分辨率航攝影像如圖1所示(圖中鐵軌、枕木、枕木刷標(biāo)清晰可見(jiàn))。

圖1 5 cm高分辨率影像

2.2 技術(shù)流程

航測(cè)方法既有線中線測(cè)量流程如圖2所示。

圖2 航測(cè)方法既有線中線測(cè)量流程

2.3 技術(shù)方案

(1)傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)方案

該既有線電氣化改造項(xiàng)目中線位穩(wěn)定，航飛獲取數(shù)據(jù)覆蓋范圍小，且全部是單航線。受鐵路走向影響，測(cè)線較短。為增加空三加密的穩(wěn)定性，將多條測(cè)線合并為同一個(gè)區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行空三加密。在帶狀區(qū)域網(wǎng)兩端各布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)，在航向相接處各布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)。為了充分利用外業(yè)資料，提高測(cè)量精度，將2 km間距的水準(zhǔn)點(diǎn)作為平高點(diǎn)加入測(cè)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)包含三條單航線，設(shè)置平高控制點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)共18個(gè)，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)示意

空三加密后對(duì)既有線中線進(jìn)行采集，考慮既有線內(nèi)軌加寬外軌加高的特性，直線段采集左軌、曲線段采集外軌，通過(guò)偏移的方式獲取既有線中線，并與外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。采集的既有線中線為單一的線狀地物，若采用里程坐標(biāo)法進(jìn)行精度對(duì)比會(huì)將里程丈量誤差累計(jì)并影響精度對(duì)比結(jié)果。因此，試驗(yàn)采用垂直偏差法進(jìn)行精度分析。該方法以獲取的既有線中線為基礎(chǔ)，采取垂直投影的方式進(jìn)行里程定位并進(jìn)行精度對(duì)比，統(tǒng)計(jì)垂線偏差如表1所示。

表1 傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)方案采集中線與外業(yè)實(shí)測(cè)中線垂線偏差對(duì)比

將傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)方案下采集的中線與外業(yè)實(shí)測(cè)中線進(jìn)行對(duì)比：最大垂線偏差為9.83 cm，最小垂線偏差為0.03 cm，計(jì)算中誤差為3.85 cm，滿足《TB10101—2009 鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中線測(cè)量中的有關(guān)規(guī)定。

(2)曲線內(nèi)側(cè)抽稀像控點(diǎn)方案

在傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理劃分測(cè)區(qū)，在保證每一區(qū)域網(wǎng)四個(gè)角點(diǎn)都有平高點(diǎn)，航線與航線連接處曲線外側(cè)都有像控點(diǎn)的前提下，抽稀曲線內(nèi)側(cè)像控點(diǎn)。為了充分利用外業(yè)資料，提高測(cè)量精度，將間距為2 km的水準(zhǔn)點(diǎn)作為平高點(diǎn)加入?yún)^(qū)域網(wǎng)，為了便于比較，采用相同的試驗(yàn)測(cè)區(qū)，像控點(diǎn)布設(shè)示意如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)抽稀曲線內(nèi)側(cè)像控點(diǎn)布設(shè)示意

空三加密后，用同樣的方法采集既有線中線，并統(tǒng)計(jì)與外業(yè)實(shí)測(cè)中線的垂線偏差(如表2所示)。

表2 抽稀曲線內(nèi)側(cè)像控點(diǎn)布設(shè)方案采集中線與外業(yè)實(shí)測(cè)中線垂線偏差對(duì)比

將抽稀曲線內(nèi)側(cè)像控點(diǎn)布設(shè)方案下采集的中線與外業(yè)實(shí)測(cè)的中線進(jìn)行對(duì)比：最大垂線偏差為9.41 cm，最小垂線偏差為0.00 cm，計(jì)算中誤差為3.54 cm，滿足《TB10101—2009 鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中線測(cè)量有關(guān)的規(guī)定。

3 精度對(duì)比及誤差分析

兩種像控點(diǎn)布設(shè)方案下采集的中線都能滿足既有線中線測(cè)量的精度要求。為了更直觀地分析對(duì)比兩種方案之間的精度，將其與外業(yè)實(shí)測(cè)中線的差值繪制成圖表，如圖5所示。

圖5 兩種像控布設(shè)方案下采集中線與外業(yè)實(shí)測(cè)中線差值比較

從圖5可以看出，兩種像控布設(shè)方案下中線誤差都呈現(xiàn)出不規(guī)律的上下波動(dòng)，主要是因?yàn)槭艿蕉喾N不確定誤差源的影響。航測(cè)方法既有線中線測(cè)量的誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面。

(1)像控點(diǎn)外業(yè)量測(cè)誤差

為了提高既有線測(cè)量的精度，既有線測(cè)繪項(xiàng)目全部采用人工布設(shè)地面標(biāo)志的方式，即使地面標(biāo)志的規(guī)格、材質(zhì)、符號(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是像控點(diǎn)量測(cè)過(guò)程中受到衛(wèi)星星歷、控制網(wǎng)精度、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差等因素影響，還是存在一定程度的誤差。

(2)像控點(diǎn)內(nèi)業(yè)量測(cè)誤差

空三加密像控點(diǎn)量測(cè)時(shí)受到航攝影像質(zhì)量、測(cè)區(qū)內(nèi)連接點(diǎn)匹配誤差的影響。

(3)外業(yè)實(shí)測(cè)中線誤差

外業(yè)實(shí)測(cè)中線通過(guò)RTK采集，其精度受外業(yè)像控點(diǎn)精度、作業(yè)人員操作習(xí)慣等方面的影響。

(4)立體采集中線誤差

立體采集誤差存在于每一個(gè)作業(yè)員，受到作業(yè)習(xí)慣、立體辨識(shí)能力、影像質(zhì)量、身體狀況、環(huán)境光線等諸多因素的影響，成為最難把控的一項(xiàng)誤差，這既有不同作業(yè)員之間的誤差，也有同一作業(yè)員在不同的時(shí)期、不同立體像對(duì)之間的誤差。

多種誤差源的存在也是造成兩種方案下誤差不穩(wěn)定、呈現(xiàn)不規(guī)律波動(dòng)的主要原因，有效控制各種誤差，是提高工程應(yīng)用精度的必要手段。

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