傾斜攝影測量輔助城市地鐵前期規(guī)劃研究

柏文鋒

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010)

城市地鐵建設過程中，不可避免地會給沿線周邊環(huán)境造成不利影響，并涉及到征地拆遷、交通疏解及管線遷改等工作。因此，對地鐵建設進行科學的規(guī)劃具有重要意義，有助于提高建設效率，降低不利影響[2]。傳統(tǒng)的圖紙化規(guī)劃資料存在諸多弊端，不能滿足管理和決策的需求。侯偉[3]利用CAD技術突破傳統(tǒng)圖紙模式，提高了工作效率，但主要成果模式主要還是在二維層面。隨著信息技術的發(fā)展，三維信息化技術給城市規(guī)劃管理工作帶來新的機遇[4]。呂?？萚5]利用建筑信息模型(BIM)的信息化、參數(shù)化和可視化優(yōu)勢，對其在城市軌道交通項目規(guī)劃方面的應用進行了研究，但是僅限于宏觀規(guī)劃，缺乏具體的地理坐標。王保國等[6]根據(jù)傾斜攝影測量技術成本低、高效快捷、靈活可靠等優(yōu)點，將其運用到規(guī)劃方案的比選之中，其不足之處是利用傾斜攝影測量技術進行單體化建模的水平較低。田先斌等[7]探索了將無人機激光雷達航測與BIM技術相結合進行規(guī)劃設計應用的可行性。程永志等[8]結合傾斜攝影、BIM以及地理信息系統(tǒng)(GIS)技術進行了城市軌道交通建設的應用研究。在已有的研究基礎上，利用無人機沿地鐵規(guī)劃線路傾斜攝影，進行三維實景重建，結合數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)及BIM等構建多圖層的地鐵沿線三維地理信息系統(tǒng)。再通過各種空間分析方法獲得拆遷、疏解等專題方案的表達，為地鐵建設的前期規(guī)劃管理提供了新的方法。

圖1 傾斜攝影測量主要流程

1 傾斜攝影測量輔助地鐵前期規(guī)劃

利用傾斜攝影測量技術進行地鐵建設前期規(guī)劃的主要步驟包括數(shù)據(jù)獲取、三維重建及三維地理信息系統(tǒng)空間分析等。數(shù)據(jù)獲取指無人機沿地鐵規(guī)劃路線進行傾斜攝影和沿線的地面控制點測量。三維重建主要通過空三解算、影像密集匹配、不規(guī)則三角網構建及紋理映射等步驟實現(xiàn)。三維地理信息系統(tǒng)空間分析則是在傾斜攝影測量處理結果的基礎上聯(lián)合其他數(shù)據(jù)信息，采用空間分析方法得到地鐵規(guī)劃的專題方案。

1.1 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)獲取

利用無人機進行傾斜攝影測量的主要流程如圖1所示，其中外業(yè)數(shù)據(jù)獲取工作主要包括航線規(guī)劃、地面控制測量和航空影像拍攝等[9]。無人機航攝前，需要對規(guī)劃地鐵沿線的航測區(qū)域進行勘察，科學規(guī)劃飛行路線使之滿足攝影需求?？紤]無人機在飛行過程中的傾斜及航拍效率等問題，一般將航線設置為航向重疊度大于80%，旁向重疊度大于60%，便于自動生成更加精確的三維模型。地面控制測量需要完成對航測區(qū)域的控制網設計和像控點測量，在確定像控點的位置和數(shù)量時，應嚴格按照測量規(guī)范，使之滿足數(shù)據(jù)處理解算的要求，同時需顧及地鐵沿線的場區(qū)范圍，一般要求像控點布設均勻適當。對于像控點的坐標測量，網絡RTK方法可以方便快捷地獲得安置于像控點的GNSS接收機移動站的坐標，其精度達到cm級，滿足后期空中三角測量解算的精度要求。

無人機航空影像拍攝系統(tǒng)主要由飛行平臺、云臺相機、地面操作系統(tǒng)等部分構成[10]。飛行平臺即無人機，用于搭載云臺相機，主要分為多旋翼、固定翼兩種類型。多旋翼無人機操作簡單，可垂直起降和定點懸停，對起降場地要求低，常被應用于城市測繪行業(yè)的多旋翼無人機有大疆的經緯系列，以及南方、華測等測繪公司的相關產品。固定翼無人機的優(yōu)勢在于航時和飛行速度，可以進行長時間、大面積高空作業(yè)，作業(yè)效率較高，但固定翼無人機對起降場地和飛行技能要求較高。云臺相機用于展開傾斜攝影，目前最常見的是五鏡頭傾斜攝影相機，即中心相機光軸垂直于水平面，四個方向上分別分布一個光軸與水平面成45°角的相機，如此便滿足了一次飛行，同一地物三張以上不同角度影像的覆蓋。五鏡頭相機工作穩(wěn)定，采集質量高，集成度好，除此之外也有旋轉式/搖擺式兩鏡頭的傾斜攝影相機，其優(yōu)勢在于成本低和重量輕。地面操作系統(tǒng)的主要功能包括設置飛行路線和高度，同時負責無人機的飛行控制以及數(shù)據(jù)通信等工作。完成參數(shù)設置之后，即可控制無人機進行飛行拍攝。拍攝完成之后，將無人機采集到的數(shù)據(jù)進行下載整理，為數(shù)據(jù)處理做準備。

1.2 三維實景重建

獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)之后，采用數(shù)據(jù)處理軟件即可進行三維實景的重建，常用的傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件有smart3D、Photoscan及Pix4D等。三維建模時涉及到的主要步驟包括空三加密、影像密集匹配、不規(guī)則三角網構建及紋理映射等[11]。

空三加密是傾斜攝影三維建模的核心步驟，即確定影像之間的關系并以拓撲形式重建。參照地面布設的像控點坐標，基于共線方程并利用光束法完成區(qū)域網平差。其主要功能是將無序的影像在空間中相互對齊并構建與真實狀態(tài)下相接近的統(tǒng)一空間模型。大傾角多視影像自動配準將不可避免地產生粗差，應在空三加密前首先進行傾斜影像匹配點的粗差檢測及自由網構建，然后進行傾斜影像區(qū)域網平差。

傾斜影像密集匹配可以獲得高精度和高密度的點云數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)精細三維建模的關鍵步驟。在空三加密完成之后，以相機的外方位元素為支撐，利用匹配影像上的所有點進行密集匹配，此過程中需要注意遮擋對密集匹配造成的影響。

通過傾斜影像密集匹配可獲得高密度的三維點云數(shù)據(jù)。在自動三維重建之前，需要首先對點云數(shù)據(jù)去噪，提高精度，減少冗余，然后基于點云構建不同層次細節(jié)度下的不規(guī)則三角網(TIN)模型。通過對不規(guī)則三角網的優(yōu)化處理，將內部三角形的尺寸調整到與原始影像分辨率相匹配的比例，對三角網進行簡化，最大限度保持模型的幾何形狀，突出邊緣信息。

紋理映射指將不規(guī)則三角網模型與紋理圖像進行配準和貼附。由于傾斜攝影中同一地物會出現(xiàn)在多張影像上，需要選擇最合適的目標影像，模型表面三角形面片的法線方程與二維圖像的角度關系可作為紋理影像選擇的標準，夾角越小，紋理質量越高。以此可使得每個三角形面片都唯一對應了一幅目標圖像，進一步通過配準將紋理圖像投影到對應的三角面片上，實現(xiàn)紋理貼附，最終實現(xiàn)三維實景的重建。

1.3 三維地理信息系統(tǒng)空間分析

通過傾斜攝影測量，不僅可以獲得規(guī)劃地鐵沿線的三維實景模型，還可以得到正射影像(DOM)和數(shù)字高程(DEM)等數(shù)據(jù)[12]。將這些數(shù)據(jù)與設計的BIM模型、CAD圖紙等在三維地理信息平臺進行融合，即可構建三維地理信息系統(tǒng)，具體過程如圖2所示。將傾斜攝影測量得到的三維實景與地形數(shù)據(jù)集進行疊加可得到地鐵沿線城市三維模型。而與BIM等數(shù)據(jù)融合，則可獲得具有空間地理信息的高質量單體化模型圖層，同時，還可以進行屬性的疊加。完成三維地理信息系統(tǒng)的構建之后，通過相應的空間分析，即可實現(xiàn)地鐵建設的前期規(guī)劃管理工作。

圖2 三維地理信息系統(tǒng)的構建過程

地鐵建設前期的規(guī)劃管理工作涉及到周邊環(huán)境探查、地鐵保護區(qū)設置、征地拆遷、管線遷改及交通疏解等。對于周邊環(huán)境探查和地鐵保護區(qū)設置的工作，可在三維地理信息系統(tǒng)中通過空間信息量算完成。在三維模型上進行精細化判讀與室內量測，可以準確地量測地鐵沿線的坐標、長度、寬度和面積等信息，可高效地完成周邊環(huán)境探查工作。對于征地拆遷，可采用緩沖區(qū)分析來實現(xiàn)，緩沖區(qū)分析是針對點、線、面等地理實體，自動在其周圍建立一定寬度范圍的緩沖區(qū)多邊形，即確定地理空間目標的影響范圍。沿地鐵線路劃分緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)內的建筑物樓層數(shù)與實際面積進行快速統(tǒng)計，從而有效估算必需的房屋拆遷量，使工程賠償造價準確合理。管線遷改可通過疊加分析來進行規(guī)劃，將管線層與地鐵線路開挖層進行疊加，產生一個新的數(shù)據(jù)層，即可確定受到地鐵線路開挖影響的地下管線，然后在此基礎上進行遷改工作。地鐵開挖建設期間勢必會對地面交通帶來不便，合理的交通疏解方案可以有效降低不利影響。地理信息系統(tǒng)的網絡分析可為交通疏解提供有效保障。網絡分析是運籌學模型中的一個基本模型，它的根本目的是研究、籌劃一項網絡工程如何安排，并使其運行效果最好。通過對交通線路模型化，進行路徑規(guī)劃，尋求最佳路徑，即可獲得最佳的交通疏解方案。

2 工程實例

某市規(guī)劃地鐵x號線一期工程線路全長36.2 km，設立31座地下車站?，F(xiàn)根據(jù)要求進行全線傾斜攝影測量，測量范圍為線路中心兩側各200 m范圍，車站兩側各300 m范圍，然后制作DOM、DEM及沿線的三維實景模型。本項目數(shù)據(jù)采集的飛行平臺為天途六軸多旋翼無人機，搭載的傾斜相機的詳細參數(shù)如表1所示。經現(xiàn)場踏勘、資料收集及設備準備等工作后，進行航空攝影及像控點測量等工作。單架次的航線長度平均為8.2 km，車站點拍攝相片數(shù)1 500張，線路區(qū)間2 800張?？偣诧w行了125架次，有效架次92次，總航線長度為730 km，整個航攝過程歷時約1周。

表1 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集詳細參數(shù)

像控點測量采用網絡RTK進行，有效使用點數(shù)為106個，測量坐標結果轉化到當?shù)爻鞘凶鴺讼到y(tǒng)。無人機數(shù)據(jù)采集及網絡RTK像控點坐標測量的作業(yè)過程如圖3所示。

圖3 無人機傾斜攝影測量及像控點測量作業(yè)

獲取傾斜攝影測量照片之后，結合像控點坐標及無人機POS數(shù)據(jù)，采用Bentley Context Capture(smart3D)軟件生成DOM、DEM及三維實景模型[13]。數(shù)據(jù)處理過程涉及到空三加密、影像密集匹配、不規(guī)則三角網構建及紋理映射等步驟，以該規(guī)劃地鐵線路其中的一個地鐵站為例，展示了三維實景重建的具體過程(見圖4)。

圖4 某規(guī)劃地鐵站三維實景重建過程

圖5 地鐵規(guī)劃線路周邊環(huán)境探查

根據(jù)傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)處理結果，利用三維地理信息系統(tǒng)平臺Skyline TerraBuilder，建立該規(guī)劃地鐵線路沿線的城市三維模型[14]，并通過3DMax等軟件對模型進行精化。，根據(jù)房調資料和管線數(shù)據(jù)庫進行BIM建模[15]，結合模型的坐標位置信息，將其與傾斜攝影測量的結果進行融合。在系統(tǒng)中通過空間信息量算獲得周邊環(huán)境的長度和面積信息(如圖5所示)。利用緩沖區(qū)分析，對該規(guī)劃地鐵沿線拆遷范圍內的房屋面積進行統(tǒng)計，估算相應的房屋拆遷量(如圖6所示)。管線遷改方面，將Revit軟件建立的管線BIM模型與規(guī)劃地鐵施工區(qū)域進行疊加分析，得出受到地鐵施工影響的管線信息并提出遷改方案(如圖7所示)。

圖6 地鐵規(guī)劃線路附近征地拆遷量估算

圖7 地鐵規(guī)劃中管線遷改方案設計

3 結束語

無人機傾斜攝影測量的誕生，顛覆了傳統(tǒng)的測繪作業(yè)模式，推動測繪工作向高科技方向發(fā)展。傾斜攝影測量技術在數(shù)字城市建設、應急救災及文物保護等方面具有廣泛的應用前景，同樣，在地鐵建設的前期規(guī)劃管理中也得到了應用。通過傾斜攝影測量建立三維實景模型，再結合BIM和三維地理信息系統(tǒng)等技術，可為地鐵建設的前期規(guī)劃管理提供方便快捷的解決方案。相較于傳統(tǒng)的規(guī)劃管理方法，其數(shù)據(jù)采集效率高，分析結果可三維直觀顯示，且能與城市地理坐標相對應，是一種高效的數(shù)字化地鐵建設前期規(guī)劃管理方法。