空地一體測量技術在山嶺重丘區鐵路施工中的應用

張凡，郭志光，呂柏行，趙韋皓

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100073）

1 引言

山嶺重丘區的典型地形是地面坡度大于20°，地形高差介于200～1 000 m[1]，該區域具有地形地物復雜、地面起伏較大、植被茂密、山體陡峭、地質構造復雜、基礎交通落后等特點。鐵路項目在該區域建設時，通常會出現多隧道、多高墩、多不良地質、多土石方和防護工程的設計方案。以川藏鐵路雅林段為例，在新建的1 011.01 km 正線長度中，線路“跨七江穿八山、六起六伏”，累計拔起高程超過10 000 m。新建隧道總長838 km/72 座，占線路長度83%，新建橋梁120 km/91 座，占線路長度12%，橋隧總長958 km，橋隧占比達到了95%，給施工帶來了巨大的挑戰。相對于地形平坦的微丘區和平原區，山嶺重丘區鐵路建設受氣候、地形、地質、水文等因素的影響也更大。在高海拔區域，常伴有缺氧、低氣壓、高寒的情況，極易導致施工人員行動能力下降、裝備工效下降和故障率提高的情況，使施工難度大幅提升。若決策不慎，會給工程質量和人員機械安全帶來巨大隱患。

隨著現代測繪技術的跨越式發展，鐵路項目在設計和施工過程中的測量方法正在不斷改善。光電測距、GPS、全站儀已基本上取代了傳統的測量手段，不僅廣泛用于新建鐵路的勘測、設計、施工等方面，而且也越來越多地應用在既有鐵路復測方面[2]。雖然鐵路工程測量擁有先進的設備，但在地形復雜的區域測繪工作開展困難。隨著鐵路建設規模的加大，線性里程不斷加長，有必要借助更先進的工具來提高工效和減少重復勞動。

在此背景下，呂永宏[3]提出山嶺重丘區高速公路外業測量應采用的方法，提出公路中線及高程測量的程序和注意點。周京全[4]提出奧維互動地圖可為鐵路項目施工初期測量布設控制網、臨時道路選線、棄土場選址等提供極大的便利。杜兆宇[5]提出使用移動三維激光掃描系統，可精確且高效地獲取測量數據，有效控制鐵路限界測量。鄒楊等[6]提出在大高差鐵路工程施工中應用無人機傾斜攝影測量技術進行三維建模、斷面輸出、便道選線和土石方計算的方法。劉桂衛等[7]提出采用多光譜遙感、熱紅外遙感、雷達遙感、高分辨率遙感和三維遙感相結合的綜合判釋方法，開展沿線斷層、高地溫、滑坡、崩塌、泥石流、不穩定斜坡、巖屑坡、冰川溶蝕等地質問題的解譯工作。馮威[8]提出利用靈活機動的無人機，實現川藏鐵路等高寒地區地質的準確判斷和定量提取，利用傾斜攝影模型提高勘察效率和精度。

應用高精尖的測量設備可克服地域空間、時間、天氣、人員素質等各種因素的影響，但目前階段，各種設備用于勘察設計和后期維修階段較多，在施工管理階段應用點較少，有必要進行相應的研究與探索。本文提出一種空地一體測量技術，通過使用無人機、無人船、三維激光掃描儀等非接觸式測量設備，在“海陸空”任意區域內獲得物體真實坐標數據并開展多元化應用，助力山嶺重丘區鐵路項目建設克服部分施工難點，實現提質增效促安全。

2 空地一體測量技術

2.1 無人機測量和監測技術應用

鐵路項目為線性工程，具有線路占線長、大型機械多、施工勞務單位多、安全風險源多、周圍地形環境復雜等特點，給項目管理造成了一定的困難。通過超低空固定翼、多旋翼或復合翼無人機搭載攝像機、遠紅外、雷達等設備，外業對地形、地物進行航測，內業生成高精度和高清晰度的數字正射影像（DOM）、數字高程模型（DSM）和點云等多種成果，再導出測量或設計軟件所需要的數據文件，使項目管理人員第一時間了解現場工況，及時做出相應決策，使項目管理做到精細化管控。

2.1.1 高效率航測與策劃管理

在DSM 和DOM 的疊加圖中，選中任意需要測量的點，即可讀取施工坐標、長度、高度、面積等測量信息。相比傳統人工現場踏勘與測量，無人機航測具有勞動強度低、效率高、安全性高、視野廣等優點。通過地形地貌與基礎道路、線路等專業的配合可為大型機具和設備的位置和朝向確定提供依據，為工程布設提供決策的數字化基礎，實現項目施工超前策劃和快速履約。

2.1.2 可視化模擬與進度管控

將無人機的航片和POS 數據進行處理，在軟件中生成XML、傾斜攝影等格式的三維地形文件。利用BIM 軟件創建LOD300～400 精度的設計BIM 模型，將模型和地形在Infraworks 軟件中集成，并添加植被、路基、現有道路等信息，完成三維可視化模擬（見圖1）。

圖1 BIM+無人機可視化模擬

通過多旋翼航拍無人機搭載廣角鏡頭拍攝現場視頻與照片，進行項目施工的日、周、月巡檢和日志記錄，有效把控項目施工的最新動態和形象進度，輔助項目進度管理。通過對比圖像的前后變化及判斷現場人員工作狀態，分析施工現場的窩工情況，從而適當調整勞動人員配置，優化現場施工結構[9]。

2.1.3 精準設計與成本管控

轉化無人機成果為設計軟件所需現場地形點集數據和DLG 線劃圖，在緯地、Civil 3D 等初設軟件中快速生成線路縱斷面和橫斷面圖。結合工程周邊的地質、水文等地理條件，合理規劃施工便道線路和臨建設施位置。從點云成果中提取高密度高程點，在CASS 等軟件中生成等高線，利用三角格網法計算大臨設施、便道、取棄土場等的土石方量，有效把控填挖方量并進行合理土方調配，降低施工成本。

2.1.4 動態監測與質量把控

利用無人機進行高空監控，有助于項目管理人員規范施工現場布置，第一時間發現現場危險源和不合理臨建規劃，為工作人員營造一個安全、文明、綠色的施工環境。對于高墩大跨、結構復雜的橋梁實體，人工檢測危險性大、效率低、難度大，借助無人機進行監測可以發揮獨特的優勢。在無人機上搭載自動掃描攝像頭，無人機圍繞建筑物或構筑物表面飛行，將攝像頭拍攝到的畫面實時傳輸到地面接收站，在飛行的過程中利用軟件對建筑物的細微變形、裂縫等自動識別，判斷構件的變形或裂縫程度，從而有效把控項目實體質量[10]。

2.2 無人船水下測量技術應用

在山嶺重丘區鐵路項目中，通常伴隨著深溝、峽谷、河流湖泊、魚塘等地形，周邊地質較為軟弱，在施工時需要換填、拋石等方式特殊處理，因此，測量其地形和水文信息具有一定的必要性。但傳統水下地形測量設備復雜、繁重，需要耗費大量的人力、物力等資源，部分載人船只無法靠岸、容易擱淺等導致水下地形測量困難，使用無人船測繪系統可有效解決以上問題。無人船測繪系統主要包含包括船體、動力推進系統、數據采集系統、數據傳輸系統、導航系統、控制系統等，可在水域測量、水質監測、應急救援等領域廣泛應用。

1）水面和湖底立體測量

無人船測繪系統利用無人駕駛的遙控船，通過搭載RTK、測深儀、單片機等各種儀器，以無線通信方式控制船體的運動。系統設有基站和手動遙控器2 套完全獨立的數據傳輸操控系統，可使無人船在設定的區域內測設（見圖2）。整個系統的定位和導航均采用GPS-RTK 動態差分定位原理，水深的測量由船上安裝的雙頻測深儀完成[11]。目前，市面上應用較為廣泛的是單波束測深儀、多波束測深儀、側掃聲吶等測深設備，可快速測得水面和湖底的坐標及高程，通過差值計算即可得到水深。

圖2 無人船航行

2）水質實時監測與動態預警

在鐵路項目施工中，樁基泥漿、廢棄混凝土、施工揚塵極易對施工周邊區域環境造成破壞，特別是對水體、河流等區域造成的水質污染，污染擴散快、擴散范圍廣，對安全文明施工提出了挑戰。目前，實驗室監測、移動監測、自動監測站檢測等方法不適用于偏遠的山嶺重丘區施工項目中，監測過程費時費力，預警效果差。通過無人船搭載水質檢測設備，對施工中可能涉及的河流、湖泊、水庫等區域進行常態化的監測。同時搭建智能水質監測平臺，實時上傳水質參數的傳感數據至平臺終端，設置規范的閾值并進行預警，有效地保護當地的水體、河流，保障當地生態環境不受破壞，維護施工企業的良好形象。

2.3 非接觸三維激光掃描技術應用

施工中常用的GPS、水準儀等測量工具均是單點測量，效率較低?，F階段，鐵路施工項目的復雜度和體量不斷增大，大跨、異形結構、裝配式等高難度結構不斷產生，傳統的測量工具的精度和效率已無法滿足項目施工需求。三維激光掃描儀作為一種先進的全自動高精度立體掃描設備，其創新應用將彌補傳統施工測量的弊病，使測繪數據的獲取方法、服務能力與水平、數據處理方法等進入新的發展階段，可與GPS 結合實現更強、更多的應用。

2.3.1 立體掃描與測量

對于施工環境比較復雜的山嶺重丘區項目，傳統的測繪手段難以測得部分結構坐標數據，如陡峭的山頂、沖積的溝壑。三維激光掃描儀通過無接觸測量，單站即可掃描近億個點，覆蓋近500m 的地形和地貌范圍，并生成高精度和高密度的點云成果，精度可達毫米級（見圖3）。可將點云文件導出DAT、TXT 等格式文件，使用測量軟件生成網格間距較小的土方調配圖，較傳統人工采集的稀疏特征點有巨大優勢，可保證現場算量的精度。

圖3 高密度點云成果

2.3.2 數字模擬與逆向建模

三維激光掃描點云的同時，也可使用其HDR 廣角鏡頭拍攝場景實時畫面，并將相應的RGB 值賦給點云。利用SU 或3Dsmax 等逆向建模軟件進行三維場景重現，可用于施工工器具、大型工裝設備、預制構配件、復雜地形地貌等的逆向建模和場景重現。

2.3.3 施工監測與檢測

將掃描出的點云坐標與圖紙中的實際坐標（如BIM 模型坐標）進行比對，可有效分析現狀結構物與設計圖紙中的尺寸偏差。在隧道施工中，掃描隧道開挖斷面、仰拱、襯砌點云，與建模的BIM 模型進行比對，即可對比出隧道超欠挖、初期支護變形、開挖輪廓等數據是否符合要求，為隧道施工提供科學依據，確保隧道順利貫通。

將掃描出的點云坐標與不同期掃描的點云進行比對，可以分析出不同時間段結構物的平面位移、下沉情況，進而可分析構件在荷載和自然老化作用下的結構變形的演化過程。可用于橋梁、深大基坑、隧道的變形監測，無須提前在結構物表埋設應力應變設備，即可無接觸地獲取結構物的整體或局部的坐標變化，提高了結構健康監測的便捷性和準確性。

2.3.4 裝配式加工與安裝

鐵路部分鋼結構橋桿件數量多、結構復雜，對構件間接口的制作精度要求高，尤其是異形或曲面結構，僅靠控制單體構件精度或無法滿足現場安裝要求，易出現構件無法合龍的情況。通過三維激光掃描儀掃描已安裝完成的結構，在電腦中與將要安裝的構件進行擬合和安裝模擬，指導鋼構件安裝、焊接等工藝流程。若出現尺寸偏差，可以及時將調整后的構件發至工廠調整與加工，保證構件順利安裝。

2.3.5 實景掃描與記錄

利用三維激光掃描儀記錄現場實景并掃描真三維點云，可生成橋梁、隧道等360°全景圖，記錄實體構件的真實施工坐標，輔助項目資料存檔與竣工交付。

2.4 工程實例應用

2.4.1 項目概況

某鐵路項目位于吉林省敦化市，線路全長32.7 km，重難點為范圍內80 m+80 m T 形剛構橋和3 km 隧道。項目周邊地形復雜，地貌以丘陵地形為主，林地較多，標段內80 m+80 m T 形剛構橋跨越近百米寬河流。項目在施工期間，工程技術人員運用無人機、三維激光掃描儀等測量設備輔助項目施工，實現了創新應用。

2.4.2 無人機航測與應用

項目采用天狼星固定翼無人機進行航測，無人機航飛參數見表1。清表完成后，通過無人機搭載Sony-RX1R2 全畫幅相機，使用2 d 時間完成了外業飛行，共計飛行12 架次，內業處理生成DOM、DSM、點云和傾斜攝影模型等成果，平面中誤差為±3 cm，高程中誤差為±4 cm，滿足項目施工策劃階段精度要求。

表1 無人機航飛參數

1）梁場建設

基于無人機的飛行成果，將空三解算后的模型導出項目梁場選址位置的dat 坐標文件，并使用Civil 3D 軟件展高程成點，以等高距=0.5 m 來生成梁場地區的等高線。梁場所處位置石方較多，結合梁場可調用土石方，確定最終場平標高604 m 為最經濟方案，計算得出挖方體積7.3×104m3，填方體積2.1×105m3（見圖4）。利用方格網法計算每個方格的挖填方體積，通過每條邊的示意挖填高度來指導土石方挖填和調配工作。

圖4 梁場土石方計算

2）便道設計

將無人機點云拼接，并進行點云降噪，生成工點到棄土場道路等高線圖。計算便道入口與出口的高程差，坡度按4%設計，考慮到占用林地問題，選擇最佳線路，避開價值高的林地，得到便道二維平曲線。設計便道多段線的縱曲線，即確定便道中心線點的高程，得到便道三維多段線。設置便道寬度為6 m，將設計好的便道三維多段線與地形附和，完成便道設計，最終得出便道工程量為挖方2.0×104m3，填方1.18×104m3。

3）棄土場、棄渣場位置優化

原設計棄渣場位置在DK53+400 左側5.2 km 沖溝內，綜合運距約9 km。經無人機航測后，綜合施工出土和出渣需要，變更項目棄土場、棄渣場位置為DK49+350 線路右側1.6 km，綜合運距約1.9 km。項目隧道出口棄渣共1.8×105m3，棄土場、棄渣場位置優化共計7 項，為項目節約百萬元成本。

2.4.3 三維激光掃描儀測量與應用

標段內某隧道為項目施工重難點，項目使用天寶TX8 三維激光掃描儀對隧道開挖斷面進行掃描，單站掃描距離可達340 m，掃描時間3 min，掃描速度可達100 萬點/s，全測程340 m 的測量精度≤2 mm。同時，根據隧道圖紙建立LOD300設計BIM 模型，將模型與隧道斷面點云在Trimble RealWorks 軟件中擬合，分析得出隧道開挖的超欠挖分布圖和色譜圖。項目在施工中為保證設計要求，部分區域出現超挖現象，通過掃描儀掃描與分析，以每循環進尺為一次試驗，不斷改善爆破工藝，將項目的超欠挖控制在5 cm 內，為項目節約近300 萬元成本。

3 結語

基于無人機、無人船、三維激光掃描儀等非接觸式測量設備，可形成空地一體的測量技術，借助其靈活性強、工作效率高、勘察精度高等優點，可以有效地輔助山嶺重丘區鐵路項目的施工。針對不同的自然地理條件，可針對其施工特點采用靈活的測設方式，保證測量結果準確可靠的同時，達到項目降本提質增效的目的。隨著現代科學技術的進步，高精尖的測量設備價格將更加低廉，智能化、智慧化的測繪方式將開拓更多的應用點，更好地解決項目施工的諸多難題，保證山嶺重丘區鐵路工程項目順利建造。