無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在鐵路測(cè)繪的應(yīng)用

游儒意　陳思怡　張運(yùn)　仇靜靜

摘? 要? 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)具有安全高效、分辨率高、機(jī)動(dòng)靈活、運(yùn)行成本低、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，能快速生成各種高精度數(shù)字測(cè)繪成果。本文以石長(zhǎng)鐵路為例，探討無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在1：2000鐵路測(cè)繪中應(yīng)用的技術(shù)流程，能夠?yàn)殍F路測(cè)繪項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞? 無(wú)人機(jī);航空攝影測(cè)量;鐵路測(cè)繪;石長(zhǎng)鐵路

中圖分類(lèi)號(hào)：P231.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application of UAV Aerial Photogrammetry in Railway

Surveying and Mapping

—Take Shichang Railway as an example.

You Ruyi1 ， Chen Siyi1， Zhang Yun2 ， Qiu Jingjing1

（1.The Third Surveying and Mapping Institute of Hunan， Changsha Hunan 410019， 2.Hunan Land and Resources Planning Institute，Changsha Hunan 410019）

Abstract： UAV aerial photogrammetry technology has the advantages of safety and efficiency， high resolution，flexibility， low operation cost? and fast processing speed ， which can quickly generate various high-precision digital surveying and mapping results. Taking Shichang Railway as an example， this paper discusses the application process of UAV aerial photogrammetry technology in1：2000Railway Surveying and mapping， so as to provide reference for railway surveying and mapping projects.

Keywords： UAV; aerial photogrammetry; railway surveying and mapping; Shichang railway

0? 引言

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)作為新型的測(cè)繪技術(shù)，主要是通過(guò)控制小型飛行器低空飛行來(lái)獲取地面信息的一項(xiàng)技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的鐵路測(cè)繪方法，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量能有效避免強(qiáng)度大、效率低、周期長(zhǎng)和重復(fù)測(cè)量等弊端，能充分發(fā)揮運(yùn)行成本低、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，能根據(jù)業(yè)主要求快速提供不同比例尺、現(xiàn)勢(shì)性極強(qiáng)的航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，迅速在交通、水利、電力等行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量融合了GPS差分定位、遙控及計(jì)算機(jī)軟件等先進(jìn)技術(shù)，在積極的政策推動(dòng)下，從設(shè)計(jì)、制造到飛行使用，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和信息共享都得到了快速發(fā)展[2]。將無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在鐵路測(cè)繪中，能有效降低鐵路測(cè)繪工作的危險(xiǎn)性，快速提供符合要求的數(shù)據(jù)成果，對(duì)鐵路測(cè)繪的進(jìn)步具有十分重要的意義。

本文主要探討無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在石長(zhǎng)鐵路1：2000地形圖測(cè)繪中的技術(shù)流程，為提高鐵路測(cè)繪工作效率提供參考。

1? 項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)

石長(zhǎng)鐵路是石門(mén)到長(zhǎng)沙的一條鐵路，全線位于湖南境內(nèi)，全長(zhǎng)264km，測(cè)區(qū)為帶狀，帶寬為500m，涉及主要地形為平地和丘陵地帶，業(yè)主要求制作1∶2000DLG數(shù)據(jù)。

航空攝影測(cè)量法，包括航空攝影、像片控制測(cè)量、空三加密、定向建模、正射影像圖制作、立體采集、外業(yè)調(diào)繪及修補(bǔ)測(cè)、數(shù)據(jù)編輯、質(zhì)量檢查和成果提交等工序[3]。

石長(zhǎng)鐵路數(shù)字地形圖的生產(chǎn)，利用2019年11月新航飛分辨率優(yōu)于0.2米的數(shù)字航空影像和初始外方位元素，通過(guò)野外實(shí)測(cè)一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，進(jìn)行空中三角測(cè)量獲取航空影像精確外方位元素，建立立體模型;利用影像匹配技術(shù)生成數(shù)字高程模型，對(duì)航空影像進(jìn)行微分糾正，完成影像鑲嵌，制作數(shù)字正射影像圖;同時(shí)，在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站中立體采集各類(lèi)地形、地貌要素，輸出外業(yè)調(diào)繪工作底圖，通過(guò)野外調(diào)繪及修補(bǔ)測(cè)來(lái)提高地形、地貌的精度，完善屬性特征，再通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯來(lái)制作石長(zhǎng)鐵路全線數(shù)字地形圖。無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)在石長(zhǎng)鐵路測(cè)繪中應(yīng)用的總體技術(shù)路線圖如圖1所示。

2? 飛行方案

2.1 航飛及攝影設(shè)備

本項(xiàng)目采用iFly V5型無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)一款專(zhuān)業(yè)智能航測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，采用成熟的飛控研發(fā)技術(shù)，成果更精準(zhǔn)，同時(shí)采用專(zhuān)業(yè)定制化地面站軟件，無(wú)人機(jī)與地面站無(wú)縫對(duì)接，操作簡(jiǎn)單，效率更高。航攝儀采用Sony RX1R II相機(jī)，焦距35mm，相機(jī)幅面為7952×5304像素，傳感器尺寸35.9×24mm，像元大小4.51μm，有效像素4200萬(wàn)。

2.2 航線設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目針對(duì)測(cè)區(qū)地形地貌特點(diǎn)，根據(jù)石長(zhǎng)鐵路帶狀線路的走向，航線按線路中線兩側(cè)各250m、帶寬500m布設(shè)[4]。本項(xiàng)目航線設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示，由于篇幅有限，圖4僅展示測(cè)區(qū)部分區(qū)域的航線設(shè)計(jì)。

2.3 飛行質(zhì)量控制

按照設(shè)計(jì)航高飛行，攝影分區(qū)內(nèi)實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高之差小于設(shè)計(jì)航高的5%[5]。同一航線上相鄰相片的航高差不得大于30米，最大航高差不得大于50米。同時(shí)為了防止飛行過(guò)程中飛機(jī)姿態(tài)變化過(guò)大造成GPS衛(wèi)星信號(hào)失鎖，飛行過(guò)程中，要求飛機(jī)轉(zhuǎn)彎坡度不能大于35度，飛機(jī)上升、下降速率不大于10 m/s。選擇太陽(yáng)高度角大于45°，陰影倍數(shù)小于2這段時(shí)間為航攝時(shí)間。

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量規(guī)范》（CH/Z3005-2010）規(guī)定，低空航測(cè)航向重疊度應(yīng)為60%-80%，最小不小于53%，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)航向重疊度約為76%。旁向重疊度一般應(yīng)為15%-60%，最小不應(yīng)小于8%，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)旁向重疊度約為45%。像片傾斜角不大于5°，最大不超過(guò)12°，出現(xiàn)超過(guò)8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。

3? 數(shù)據(jù)生產(chǎn)

3.1 工作準(zhǔn)備

收集測(cè)區(qū)相關(guān)可用資料用于參考，同時(shí)對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，確保數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程規(guī)范、統(tǒng)一。

3.2 影像獲取

本項(xiàng)目于2019年11月組織開(kāi)展無(wú)人機(jī)航飛，航測(cè)范圍為石長(zhǎng)鐵路既有線全線兩側(cè)250米，縱向距離約為264公里。影像清晰、層次豐富、反差適中;能辯認(rèn)出與航攝比例尺相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，能夠建立清晰的立體模型，能確保立體量測(cè)的精度。

3.3 外業(yè)像控測(cè)量

根據(jù)《1∶ 500? ?1∶ 1 000? ?1∶ 2000 地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》（GB/T7931-2008）要求和及像控點(diǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)目航測(cè)1：2000帶狀地形圖，像控點(diǎn)采用GNSS方法測(cè)量，像控布點(diǎn)要求如下：

1、航線每分段布設(shè)不少于6個(gè)平高點(diǎn);

2、航線首末端上下兩控制點(diǎn)布設(shè)在通過(guò)像主點(diǎn)且垂直于方位線的直線上;

3、航線中間兩控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在首末控制點(diǎn)的中線上;

4、鐵路沿線經(jīng)過(guò)大面積水域（如湘江、沅江等），航攝像主點(diǎn)可能落水，像控布點(diǎn)分開(kāi)進(jìn)行布設(shè)。

5、像控所選點(diǎn)位構(gòu)成的圖形以大致成矩形為宜，點(diǎn)位高差不宜過(guò)大，同時(shí)要照顧調(diào)繪面積。選用的地面像控點(diǎn)點(diǎn)位目標(biāo)影像應(yīng)清晰，易于判刺和立體量測(cè)。同時(shí)在影像清晰的明顯地物上，宜選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、明顯地物折角頂點(diǎn)、影像小于0.1m的點(diǎn)狀地物中心、高程變化較小的地方。

3.4 空中三角測(cè)量

以像片控制點(diǎn)、航測(cè)資料為依據(jù)，結(jié)合數(shù)碼航攝的POS數(shù)據(jù)加進(jìn)行空三加密，獲得內(nèi)業(yè)測(cè)圖所需要的方位元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)等控制信息?？杖用懿捎肨rimble公司Inpho軟件的MATCH-AT模塊立體量測(cè)及解算。

整個(gè)流程包括資料準(zhǔn)備、相對(duì)定向、粗差檢測(cè)與自動(dòng)選點(diǎn)、絕對(duì)定向與區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，空三測(cè)量精度平面中誤差正負(fù)0.03m、高程中誤差正負(fù)0.09m，區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算后檢查連接點(diǎn)精度均按照設(shè)計(jì)要求。

3.5 數(shù)字正射影像制作

本項(xiàng)目DOM生產(chǎn)僅用于外業(yè)調(diào)繪，不做最終成果上交，屬過(guò)程產(chǎn)品。數(shù)字正射影像使用Trimble公司INPHO軟件進(jìn)行批量生產(chǎn)，其中涉及MATCH-T、Ortho Master、Ortho Vista三個(gè)模塊功能。數(shù)字正射影像圖生產(chǎn)需要進(jìn)行影像糾正、勻色及影像處理、影像鑲嵌、圖幅裁切等流程[6]。

3.6 數(shù)字地形圖立體采集

內(nèi)業(yè)在室內(nèi)參照可用的輔助資料，在立體影像模型下根據(jù)影像對(duì)比，進(jìn)行要素判讀與采集（包括圖形和屬性），對(duì)難以確認(rèn)的要素內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)記;將內(nèi)業(yè)采集的整幅DLG數(shù)據(jù)及其疑問(wèn)標(biāo)記進(jìn)行圖形輸出，并將對(duì)應(yīng)圖幅的正射影像圖，一并提交給外業(yè)。內(nèi)業(yè)立體測(cè)圖作業(yè)主要步驟包括工作準(zhǔn)備、定向建模、數(shù)據(jù)采集及圖形輸出。

3.7數(shù)字地形圖外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)

按照《1∶500? ?1∶1000

1∶2000 地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》（GB/T 7931-2008）的規(guī)定、相應(yīng)的圖式要求要求進(jìn)行野外調(diào)繪，將調(diào)繪結(jié)果標(biāo)繪在外業(yè)工作底圖上，并對(duì)內(nèi)業(yè)立體測(cè)圖時(shí)無(wú)法或不能準(zhǔn)確采集的要素進(jìn)行補(bǔ)測(cè)和編輯。

3.8數(shù)字地形圖內(nèi)業(yè)編輯

基于外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)成果，結(jié)合數(shù)字正射影像及專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)資料，對(duì)內(nèi)業(yè)采集的地物、地貌要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)型、邊界、屬性的修改編輯、接邊，制作元數(shù)據(jù)等，經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢查，形成滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)定要求的數(shù)字地形圖成果。

3.9 成果精度

為了驗(yàn)證成果DLG的精度，在成果圖上均勻選取 100個(gè)平面和高程檢查點(diǎn)，并用RTK實(shí)測(cè)同名點(diǎn)分別進(jìn)行平面和高程值進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)計(jì)算，平面點(diǎn)最大中誤差為0.98m，高程點(diǎn)最大中誤差為0.39m，精度滿足 《1∶ 500? ?1∶ 1 000? ?1∶2 000 地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》（GB/T15967—2008）中1：2000比例尺地物點(diǎn)和高程注記點(diǎn)在平地和丘陵地的要求。

4? 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)也獲得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，對(duì)于小型無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是飛行時(shí)間、飛行質(zhì)量，還是飛行技術(shù)都有了很大的突破，在帶狀地形圖測(cè)量中具有明顯優(yōu)勢(shì)[7]。將無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在鐵路測(cè)繪中，可大量節(jié)省野外測(cè)量人員工作量，降低測(cè)繪作業(yè)安全隱患，還能取得巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)推動(dòng)測(cè)繪行業(yè)進(jìn)步具有十分顯著的作用[8]。

參考文獻(xiàn)/References

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*第一作者簡(jiǎn)介：游儒意，男，1992年生，助理工程師，主要從事基礎(chǔ)測(cè)繪研究工作。E-mail： 904049307@qq.com。

收稿日期：2020-09-21; 改回日期：2020-10-15。