攝影測(cè)量與遙感技術(shù)在城市軌道交通工程建設(shè)中的應(yīng)用

王磊 陸力

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300000）

1 引言

城市軌道交通作為城市重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，已成為城市建設(shè)和運(yùn)營的生命線，深刻影響著整個(gè)城市形態(tài)的發(fā)展與演化，即沿線物理空間上將匯集越來越多極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要建（構(gòu)）筑物，連同軌道交通自身一道形成城市最主要的固定資產(chǎn)。同時(shí)，地鐵大規(guī)模建設(shè)和其他城市化快速進(jìn)程也產(chǎn)生一種自然與人為共同作用下的新型城市綜合環(huán)境問題。

本文以攝影測(cè)量與遙感技術(shù)為切入點(diǎn)，應(yīng)用航空攝影測(cè)量、傾斜數(shù)字航空攝影、D-InSAR、三維激光掃描等技術(shù)，解決城市軌道交通工程建設(shè)中使用傳統(tǒng)測(cè)量方法耗時(shí)長、作業(yè)困難的問題。傳統(tǒng)測(cè)量方法投入的人力和資金量大、效率低、數(shù)據(jù)定位精度低、現(xiàn)勢(shì)性差，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，攝影測(cè)量與遙感技術(shù)在上述幾個(gè)方面擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]，具體特點(diǎn)如下：

（1）大面積同步觀測(cè)：遙感探測(cè)能在較短時(shí)間內(nèi)，從空中對(duì)大范圍地區(qū)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，并從中獲取有價(jià)值的影像數(shù)據(jù)。（2）時(shí)效性、周期性：獲取信息的速度快、周期短，能及時(shí)獲取所經(jīng)地區(qū)的最新資料，或根據(jù)新舊資料變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在航攝過程中可實(shí)行即時(shí)重拍、軌跡回放、分析漏拍等。（3）數(shù)據(jù)綜合性、可比性和約束性：能動(dòng)態(tài)反映地面事物的變化，遙感探測(cè)能按照一定周期對(duì)同一地區(qū)重復(fù)觀測(cè)，有助于人們通過獲取的遙感數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并動(dòng)態(tài)跟蹤地表變化。（4）準(zhǔn)確度高：無人機(jī)航空攝影是數(shù)字通信技術(shù)、攝像機(jī)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)設(shè)備等先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的集合，各種設(shè)備技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)整體集成技術(shù)相對(duì)成熟，可獲取超高分辨率數(shù)字影像和定位數(shù)據(jù)。（5）操作簡單方便：無人機(jī)航空攝影適于低空飛行，受天氣因素影響較小，對(duì)起降場(chǎng)地要求低，機(jī)動(dòng)靈活，可快速到達(dá)測(cè)區(qū)。（6）安全有保障：無人機(jī)航空攝影非載人飛行，進(jìn)入高危地域測(cè)繪數(shù)據(jù)可大大減少危險(xiǎn)性。

2 航空攝影測(cè)量

航空攝影測(cè)量（aerial photogrammetry）是指在飛機(jī)上搭載高清數(shù)碼相機(jī)、DGPS、IMU 等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。高清攝像機(jī)用于獲取地面一定分辨率的影像數(shù)據(jù)，DGPS 和IMU 設(shè)備用于后處理或者實(shí)時(shí)獲取相機(jī)的飛行位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)。通過兩張像片里的同名點(diǎn)進(jìn)行前方交會(huì)即可得到地面點(diǎn)的三維測(cè)量坐標(biāo)。航空攝影測(cè)量技術(shù)憑借快速、準(zhǔn)確、效率高的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)里帶狀地形圖測(cè)繪和地鐵保護(hù)區(qū)巡護(hù)中。

2.1 帶狀地形圖

城市軌道交通建設(shè)周期中的設(shè)計(jì)、勘察、巖土、水文、地質(zhì)、施工等均需要以地鐵線路沿線帶狀地形圖為設(shè)計(jì)底圖和勘察參考圖紙，且?guī)畹匦螆D需具有較強(qiáng)的現(xiàn)勢(shì)性和準(zhǔn)確性。使用航空攝影技術(shù)制作帶狀地形圖具有定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、操作簡便等特點(diǎn)，大大降低了工作量，提高了測(cè)量點(diǎn)位精度和作業(yè)效率。

無人機(jī)航空攝影制作帶狀地形圖過程有飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)處理、地形圖制作三個(gè)階段，主要內(nèi)容如下：

（1）檢查無人機(jī)、航攝儀等儀器設(shè)備的工作狀態(tài)，按照預(yù)先規(guī)劃的航線完成外業(yè)航飛工作。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)檢，檢查是否存在像片模糊、漏拍、重疊度不足、旋偏角或傾角過大、航線偏離過大等影響成圖精度的問題。如果需要補(bǔ)飛，需制定補(bǔ)飛方案，開展補(bǔ)飛作業(yè)。 （2）像控點(diǎn)測(cè)量可采用網(wǎng)絡(luò)RTK 進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)所采用的參數(shù)覆蓋范圍必須包含像控點(diǎn)分布范圍，每個(gè)像控點(diǎn)需分不同的時(shí)段進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)采集，取兩次平均值作為像控點(diǎn)最終值。

（3）攝影數(shù)據(jù)可使用隨無人機(jī)配備的商用軟件進(jìn)行空三加密處理，首先對(duì)航飛的像片進(jìn)行質(zhì)檢，對(duì)不滿足要求的像片要進(jìn)行分析檢查，判斷其像主點(diǎn)是否落水，對(duì)于旋偏角過大的像片進(jìn)行刪除。

（4）數(shù)字線劃圖制作。數(shù)據(jù)采集采用先內(nèi)業(yè)采集后外業(yè)調(diào)繪的作業(yè)方法，先在室內(nèi)按立體模型全要素采集數(shù)據(jù)，對(duì)立體模型清楚的地物、地貌要素準(zhǔn)確無遺漏地采集，再套合DOM 回放出圖后進(jìn)行野外檢核和補(bǔ)充調(diào)查，最后進(jìn)行內(nèi)業(yè)修改和采集，各要素相對(duì)位置應(yīng)正確，并能準(zhǔn)確反映各要素的分布特點(diǎn)及密度特征。另外，也可利用航空攝影像片，通過影像預(yù)處理、數(shù)字空中三角測(cè)量、數(shù)字高程模型制作、數(shù)字正射影像制作、專題處理整飾完成城市軌道交通沿線DOM 制作。

2.2 地鐵保護(hù)區(qū)巡護(hù)

地鐵是城市的重要交通設(shè)施，在地鐵線路沿線開展安全巡護(hù)，獲取并分析有關(guān)影像數(shù)據(jù)，判斷地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施，在確保地鐵運(yùn)營安全的同時(shí)，解決了人工巡護(hù)周期長、頻率低等問題，利于違規(guī)施工取證、留存工作。從運(yùn)營管理角度分析，開展安全巡護(hù)，能夠掌握即時(shí)數(shù)據(jù)，預(yù)防重大安全事故，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況對(duì)地鐵進(jìn)行維護(hù)，對(duì)節(jié)約運(yùn)營成本同樣具有重要意義。

通過對(duì)地鐵線路的安全巡護(hù)可以達(dá)到以下目的： （1）掌握周邊環(huán)境及沿線各工點(diǎn)的施工對(duì)地鐵安全的影響程度，為地鐵管理單位提供支持。（2）堅(jiān)持現(xiàn)場(chǎng)安全巡護(hù)日?；?，為軌道交通結(jié)構(gòu)提供安全保障。（3）通過信息反饋進(jìn)行安全預(yù)測(cè)，在加強(qiáng)安全運(yùn)營控制的同時(shí)減少投資，且使工程始終處于安全可控狀態(tài)。（4）為后續(xù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)、施工提供資料。

通過航拍采集的高清視頻圖像信息，能夠根據(jù)地鐵沿線安全巡護(hù)需要清晰記錄地鐵沿線的地形地貌、房屋道路、保護(hù)設(shè)施等信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路周圍的環(huán)境變化，對(duì)影響地鐵結(jié)構(gòu)安全的因素進(jìn)行準(zhǔn)確定位，為快速響應(yīng)和決策提供有利依據(jù)，爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

3 傾斜數(shù)字航空攝影

傾斜數(shù)字航空攝影是航空攝影測(cè)量的一種應(yīng)用方向，只在搭載的航攝儀上有區(qū)別，傾斜數(shù)字航空攝影是在無人機(jī)平臺(tái)上搭載傾斜數(shù)字航攝儀。

傾斜航空攝影數(shù)據(jù)具有多視角、高重疊度、頂面和側(cè)面紋理豐富等特點(diǎn)[2]，通過成熟的處理軟件能夠在航片數(shù)據(jù)獲取后快速生產(chǎn)帶真實(shí)紋理信息的高精度三維模型[3]。主要處理流程包括遙感影像預(yù)處理、數(shù)字空中三角測(cè)量、三維重建、三位一體化模型、空間地理要素提取、三維單體模型等。輸出的成果為用戶提供基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)，包含不同細(xì)節(jié)層次。在城市軌道交通建設(shè)中，對(duì)建設(shè)范圍內(nèi)的主要道路、建筑、市政設(shè)施等建立三維模型，為城市軌道交通的規(guī)劃、建設(shè)、管理提供虛擬可視化的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)狀及規(guī)劃方案三維化、實(shí)景化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化的疊加顯示[4]。

4 三維激光掃描

隧道的形變監(jiān)測(cè)對(duì)隧道施工及運(yùn)營安全具有重要意義，目前隧道的監(jiān)測(cè)方法主要是在隧道壁上埋點(diǎn)，利用全站儀、斷面儀、收斂儀、自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人等儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。全站儀搬站式測(cè)量適于變形速度小、荷載變化較小、不要求實(shí)時(shí)性的工程。傳感器監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，通過在隧道壁安放位移計(jì)、收斂計(jì)傳感器等來測(cè)量安放點(diǎn)的相對(duì)形變量，從而實(shí)現(xiàn)隧道變形監(jiān)測(cè)。隨著全自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人的出現(xiàn)，測(cè)量機(jī)器人正在慢慢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全站儀，實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)。隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，可利用三維激光掃描儀快速獲取隧道斷面數(shù)據(jù)。

現(xiàn)有的收斂計(jì)、全站儀等形變監(jiān)測(cè)手段僅能獲取部分單點(diǎn)數(shù)據(jù)，難以全面反映隧道整體形變特征。三維激光技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)全面獲取變形監(jiān)測(cè)對(duì)象的整體表面點(diǎn)云信息，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理提取中軸線，沿隧道中軸線等間隔連續(xù)截取隧道斷面，并對(duì)截取的斷面擬合橢圓，分析擬合出的長、短半軸與設(shè)計(jì)半徑的差異，最后針對(duì)差異較大的斷面找出形變量較大的點(diǎn)位[5]。利用三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)隧道斷面，精度高、覆蓋全面，豐富的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映隧道斷面變化，為地鐵結(jié)構(gòu)安全分析提供數(shù)據(jù)支撐。

5 D-InSAR 技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（D-InSAR）技術(shù)是采用差分干涉技術(shù)獲取地面微小變化，當(dāng)兩次成像期間地面發(fā)生微小形變時(shí)，將地形相位、平地相位、大氣延遲相位等從相位中去除，得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表形變信息[6]。作為一種新型空間大地測(cè)量技術(shù)，D-InSAR 具有全天時(shí)、全天候、目標(biāo)范圍廣的觀測(cè)能力，能獲取高精度、高分辨率、大范圍的地表形變信息，且不需要地面控制點(diǎn)。將這種新技術(shù)引入城市軌道交通工程，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)大范圍的地面沉降變化。

對(duì)于城市軌道交通工程中的長距離地下隧道、橋梁及地下深基礎(chǔ)工程，建設(shè)階段受到土體開挖、降水、打樁等影響，處于應(yīng)力平衡狀態(tài)的地質(zhì)環(huán)境遭到破壞，引起圍巖的垂直和水平位移變化，導(dǎo)致工程環(huán)境發(fā)生變形；在運(yùn)營階段，由于過度抽取地下水、地下凍融及地上建筑物荷載的增加，形成城市沉降漏斗區(qū)和沉降帶。當(dāng)有軌道穿越時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)在沉降區(qū)內(nèi)、外的沉降量不一致，長期積累會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的豎向不均勻變形，影響城市軌道交通線路的運(yùn)營安全。開展城市軌道交通工程建設(shè)和運(yùn)營期間的變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握工程及其周圍可能產(chǎn)生變形的區(qū)域及對(duì)象至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)觀測(cè)和GPS 觀測(cè)存在測(cè)點(diǎn)分布稀疏、作業(yè)周期長、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，難以實(shí)時(shí)、客觀反映日益擴(kuò)大的區(qū)域性地面沉降變化趨勢(shì)。D-InSAR技術(shù)具有非接觸測(cè)量、無需布設(shè)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)、效率高、精度高、覆蓋范圍廣、空間分辨率高、不受天氣影響等特點(diǎn)，將該技術(shù)引入城市軌道交通領(lǐng)域，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺陷，進(jìn)一步完善已有的軌道交通地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。

6 結(jié)語

城市軌道交通的快速發(fā)展需要引進(jìn)先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和方法。與傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比，攝影測(cè)量與遙感技術(shù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、快速地反映城市軌道交通沿線的地表信息，可為城市管理的決策工作提供重要支持。