“無人機+”測繪技術在鐵路工程匯報展示中的應用

甘 俊

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

在鐵路工程投標、勘察設計階段，進行高質量的線路方案展示是一項重要工作。當前，多采用二維平面圖、三維動畫模擬方式進行鐵路線位方案展示[1-3]，但存在二維平面圖展示要素不夠直觀，三維動畫模擬制作過程復雜、比例易失真、無地理精度等問題。已有許多學者進行了相關研究：趙小陽等認為采用二維平面圖無法反映三維立體空間信息，對于復雜線路方案和復雜工點的整體視覺效果不佳[4]；米小珍采用三維動畫模擬方式進行復雜工點的展示，認為這種方式存在制作過程復雜、周期長，成本高、缺乏地理定位精度、真實度差等問題[5]。在頻繁的鐵路工程展示匯報應用中，上述作業方式都難以在較短時間內完成鐵路設計方案的精確展示。

無人機是一種利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，具有快速靈活，受天氣、場地影響小等優勢。利用無人機搭載各類傳感器可獲取鐵路工程需要的各類數據，經過ppk后差分處理、地面實測GCP改正、多基線攝影測量等精度改正后，能實現對獲取影像或視頻數據的高精度定位，從而滿足各類工程應用需求。蔡志洲對無人機在鐵路工程建設中的應用進行深入分析，包括采用“無人機+”傾斜相機獲取高精度三維模型成果，“無人機+”視頻相機獲取高清晰度、立體感強的視頻影像輔助施工管理和環境監測[6-7]；徐建超等對無人機在鐵路工程竣工驗收的應用進行了研究[8-9]。在三維GIS平臺的支撐下，“無人機+”測繪的各類成果可進行三維空間信息表達和管理，可為工程應用提供地理定位精度和仿真度更高的展示成果，從而服務鐵路工程展示服務[10-12]。

2 “無人機+”測繪模式下的線路工程應用展示方法

“無人機+”測繪模式下的線路工程應用展示方法主要是指結合鐵路工程預可研、可研、初步設計、施工圖設計階段的需求，在無人機平臺上搭載相應的數據獲取設備，利用配套的設計軟件沿工程線路走向進行航帶設計和地面控制點布設等工作，經后期數據處理，得到鐵路工程展示的原數據(視頻、影像、模型)[13-15]，并采用相關展示平臺(3DGIS或多媒體展示軟件)進行鐵路工程要素展示內容的添加及展示效果的設計等，最后依據工程展示腳本文件完成錄屏剪輯工作，獲取鐵路工程匯報展示視頻成果。

2.1 “無人機+”常規航拍應用展示

該方式主要作業流程包括：①采用無人機加載量測相機或普通數碼相機獲取工程影像數據，利用常見的無人機數據處理軟件系統如pix4D、ContextCapture(簡稱CC)、Inpho等，結合原始pos數據和地面GCP數據完成空三加密、DEM制作、DOM制作等工作；②將DEM和DOM數據通過三維GIS平臺合成三維地形場景，基于該平臺同步開展相關三維模型、矢量圖形、文字注記的精確定位，形成鐵路三維瀏覽展示系統(見圖1)。其中，設計相關模型的制作需單獨開展，模型的精細度依據設計資料的要求而定(通用模型、設計模型、BIM模型)。

圖1 “無人機+”常規航拍制作三維場景的線路工程應用

三維瀏覽展示系統充分吸收了三維GIS平臺的空間數據展示優勢，可實現對工程方案任意方位、多視角、不同精細度的展示，可依據要求進行模型、矢量線位、注記等的任意修改。對于特殊工點(特別是鐵路工程的上跨下鉆、多線鐵路并聯等復雜情形)，通過在三維GIS平臺中精確地理定位，加載事先制作的各類3D設計模型，可實現高精度的仿真效果。另外，由于無人機航飛制圖是鐵路工程設計中必要的工作，其數據獲取可提前完成，故作業周期較短。

通過實際應用發現，該方式在鐵路工程方案展示中尚存在一定局限性：①“無人機+”常規航拍方式制作DEM多采取自動密集匹配加人工簡單編輯完成，依此制作的三維場景細節表現較差，在三維場景中，地表以上的目標(高架橋、房屋、樹木等)多缺乏高度信息，難以有效反映鐵路工程方案與周邊目標的三維空間關系；②三維平臺無法使用專業渲染器(如vray等)，且對加載模型的紋理等均有嚴格要求，導致加載的各類模型視角效果差、紋理細節少，與3Dmax等專業軟件生成的模型在美感上差異較大；③三維GiS平臺動態效果差，對于復雜的工點難以進行分層次、多尺度的動態模擬展示。

2.2 “無人機+”視頻技術應用展示

無人機視頻表現效果真實，立體感、彩色感強，其展現場景較人為加工的三維場景視覺效果好、清晰度高，是較理想的匯報視頻表現方式。該方式采用無人機掛載視頻相機對指定區域進行航飛獲取視頻影像，基于Adobe After Effects(簡稱AE)等視頻處理軟件進行姿態解析反求與跟蹤，利用AE、Cinema 4D(簡稱 C4D)、Maya等視頻編輯軟件，結合地理定位信息和線路工程展示匯報腳本要求，將矢量線位或鐵路工點模型與相機的位置點相匹配，通過對模型紋理材質、燈光的調節，渲染合成，使模型更自然地融入到視頻之中，合成最終匯報視頻需要的成果。

“無人機+”視頻技術采用現場真實視頻場景加虛擬場景融合的方式，根據視頻融合的難易程度，可以延伸為“線位+視頻融合”與“3D設計模型+視頻融合”兩種。“線位+視頻融合”方式為平面方案與視頻相匹配，其貼地效果較好，與視頻融合程度高(見圖2)，而“3D設計模型+視頻融合”則是將三維的設計方案模型匹配到視頻中(見圖3)，需要顧及模型實體與地面切合時裁剪問題和陰影問題，實施難度較大。

圖2 無人機視頻與鐵路線位方案的融合展示

圖3 無人機視頻與鐵路3D設計模型的融合展示

在制作方面，主要工作為視頻數據獲取、視頻解析跟蹤和三維模型制作等，盡管該方式展示效果較好，但需要多種軟件聯合作業，且在使用中有以下不利因素需克服：①數據本身不確定性因素多，受空域、天氣、禁飛區等因素影響；②視頻拍攝角度單一，無法依據修改后的要求調整展示視角等；③為保證視頻應用效果與視頻融合的成功率，對于線路方案、場站工點、跨水域與高山的工點，有視角、高度、光圈、速度等較嚴格的設置要求；④工點模型與視頻的切合涉及模型的合理裁剪工序，工作難度較大；⑤視頻處理軟件效率有待提高，手工作業過程中地理定位精度無法保證。

2.3 “無人機+”傾斜攝影技術應用展示

在鐵路工程施工交底階段，多采用C4D、Maya等3D動畫軟件進行施工工藝過程的動畫視頻制作。但這種方式缺乏地理信息定位的概念，對于地形地貌的表現力較弱，而無人機傾斜攝影以三維場景為底圖，具備高精度的空間位置信息，對于復雜環境下施工場地布置與空間關系分析優勢明顯(見圖4)。

圖4 利用無人機傾斜攝影實景模型進行施工場地布置模擬

“無人機+”傾斜攝影采用無人機掛載傾斜攝影測量相機對指定區域航飛獲取影像數據，利用CC等傾斜建模軟件完成高精度實景三維模型，并采用相關建模軟件開展鐵路工點建模工作，在C4D、skyline等軟件平臺上以實景三維為底圖，結合工點模型開展特殊工點展示、工藝工法過程模擬等，最后合成匯報視頻需要的成果。但該方式的應用還存在以下缺點：①實景三維制作成本高、周期長、效率低；②動畫過程模擬對制作人員的專業知識要求高，容易出現因認識不到位、理解偏差而導致的大量返工；③動畫模擬過程復雜(如工藝工法模擬涉及部件模型制作、工藝動作分解、動畫路徑設置等)，易導致制作周期較長。

3 幾種鐵路工程展示應用手段比較分析

選取南方某新建鐵路項目的10個工點進行試驗，對幾種鐵路工程展示應用手段的優缺點進行比較分析，具體思路為：同步采用“無人機+”測繪模式，基于C4D等常規的三維動畫制作方法，從鐵路工程預可研、可研、初步設計、施工圖設計4個階段出發，對制作過程中涉及的單工點平均制作成本、制作周期等指標進行分析(見表1)。

表1 幾種鐵路工程展示方式單工點平均制作成本與周期分析

最終表現效果指標分析如表2。

表2 幾種鐵路工程展示方式表現效果分析

從適用性方面看，影響鐵路工程匯報展示應用方式選定的主要原因為項目需表現的具體內容。可根據表3相關內容進行選取。

表3 幾種鐵路工程展示方式適用類型分析

線路方案的研究往往會隨著工程階段的推進不斷加深，綜合不同的鐵路工程展示應用方式，其應用策略總結如下。

(1)預可研階段

以無人機常規航拍的三維場景為主要表現方式，該階段線位方案往往不穩定，在方案波動段落可利用衛星影像部分替代無人機常規航拍。

(2)可研階段

以“無人機視頻+矢量”為主要表現方式，針對立交橋等無人機視頻方式難以表現的重要工點，可采用無人機常規航拍的三維場景表現方式。

(3)初步設計階段

以“無人機視頻+模型”為主要表現方式，針對長大段落、大型水域等模型無法加載表現區域，可采用“無人機視頻+矢量”方式進行補充；針對山區、水域等視頻跟蹤容易失敗區域，以及立交橋、上跨下鉆較頻繁的重要工點，可采用無人機常規航拍三維場景表現方式進行補充。

(4)施工交底階段

以“無人機傾斜實景+模型”為主要表現方式，開展施工場地布置，施工工藝、工法介紹等應用。

4 結論

“無人機+”測繪模式下的線路工程應用展示豐富了鐵路工程匯報展示的手段，提升了匯報效果；結合工程實際應用，提煉出應用于鐵路工程競標及設計不同階段的應用策略。