無人機航攝在鐵路定測階段的應用

羅 靜 鄭倫英 李小膽

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

0 引言

隨著我國鐵路建設的發展,在鐵路勘察設計階段,尤其是定測階段,需使用多種類型的航攝數據,以多樣性的數據源成果解決外業測量的困難,優化線路設計方案,提高工作效率。受航空管制、飛行條件等因素的影響,使用衛星、大飛機等搭載不同傳感器進行航空攝影,在時間和成本方面不夠經濟,且不夠機動靈活,無法滿足鐵路勘察設計定測階段的需要。作為一項新型遙感技術,無人機航攝目前已經廣泛應用于土地測繪工程、實景三維智慧城市建設、規劃建設、緊急抗災、水利、電力巡檢等領域。文獻[1-4]研究了無人機在大比例尺地形圖測繪中的應用;文獻[5-6]對機載激光雷達(light detection and ranging,LiDAR)點云數據應用于橫縱斷面獲取的精度進行了分析;文獻[7-11]使用無人機應用于地質危巖體信息提取等災害監測,構建信息化模型對鐵路車站改造進行信息展示等。在不同生產中,無人機航攝技術正憑借其高性價比、操作簡單、使用靈活、產品種類豐富等特點,受到鐵路行業的廣泛關注,其在鐵路勘察設計階段的應用優勢日漸凸顯。

1 項目背景

某新建鐵路線路全長約300 km,途經城市、鄉鎮和山區密林等地區,地形類型包括丘陵、山地和高山地,且部分區域地勢陡峭,地質條件復雜,沿線植被茂密,自然資源豐富。初測階段繪制的1∶2 000地形圖已經完成一年,現場部分地物地貌發生變化,且設計線位存在變更的情況,現勢性無法滿足設計需要。

項目定測階段需要進行1∶2 000比例尺地形圖測量、地形圖更新、線路橫斷面測量、特殊工點1∶500圖測量、方案演示匯報、地質專業分析等工作。采用大飛機進行航空攝影,時間、經濟成本較高,難以滿足實際生產需求。針對復雜山區的鐵路勘察設計要求,考慮采用無人機航攝完成相關生產任務。

2 項目應用研究

2.1 基本比例尺地形圖測繪及更新

該項目定測階段涉及線位修改,需進行1∶2 000地形圖測繪及更新,在隧道進出口、橋梁、車站等特殊工點位置需要測繪1∶500大比例尺地形圖。

2.1.1影像獲取及處理

本次使用飛馬D300無人機進行航攝,利用獲取的垂直影像完成基本比例尺地形圖測繪及更新工作。以某1∶2 000比例尺成圖區域為例,按照航測規范要求及實際測圖需要[12-15]進行航線設計。根據地面基站和無人機的動態測量后處理模式(post processed kinematic,PPK)模塊解算厘米級的POS數據,依據測區的地形特征布設地面控制點,外控點布設及測量現場如圖1所示。

圖1 外控布設及測量現場圖

使用飛馬無人機管家進行空中三角測量,經計算,該區域定向點平面誤差最大值0.208 m,高程誤差最大值0.154 m,檢查點平面誤差最大值0.254 m,高程誤差最大值0.185 m,滿足規范要求[12-13],輸出加密成果及去畸變影像后,使用立體測圖軟件進行地形圖測繪。

2.1.2精度分析

采用全球衛星定位實時動態測量(global positioning system-real time kinematic,GPS-RTK)方法在成圖區域測量地物地貌檢查點,對地形圖成果精度進行檢查,結果如表1所示。

表1 1∶2 000地形圖成果精度檢查情況

由表1可知,該區域無人機航攝成果可滿足1∶2 000地形圖測繪要求。針對1∶500比例尺地形圖測量,可通過無人機搭載激光雷達傳感器獲取地面點云數據,結合數字正射影像完成生產。經實測驗證,采用該方式其精度相比基于垂直影像立體采集更優,因此可廣泛應用于實際生產中。

2.2 線路LiDAR點云橫斷面測量

橫斷面測量是指測量中樁處垂直于線路中線方向的地表起伏線,其目的是要反映線路垂直方向的地形起伏情況,以繪制橫斷面圖供隧道、路基、橋梁、站場、特殊構造物等工程設計[13]。在鐵路定測階段,各專業設計依賴大量的橫斷面數據,針對合適的地形區域,采用航測的方法,一般可滿足項目的實際需要。但在植被茂密的地區,受植被遮擋以及采集人員目視判別誤差的影響,精度無法滿足距離限差0.3 m,高差限差0.35 m的精度要求[14]。從精度、工期、成本出發,采用LiDAR激光點云數據為主,航測及人工外業測量為輔的作業方式十分必要。

本項目采用飛馬無人機搭載LiDAR模塊,應用全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)差分技術、慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)數據處理技術、激光掃描技術等,快速、高精度地獲取掃描對象的空間三維坐標信息,通過點云數據濾波分類提取地面點,獲得線路橫斷面成果。

2.2.1點云獲取及處理

航飛選用飛馬D-LiDAR2000航測系統,其具有仿地飛行功能,系統內置了地面高程模型,可根據地面高程實時調整飛行高度,保證飛行過程中相對航高一致,使得整個測區點云密度相同。針對地面植被密度的不同一般劃分三個檔次進行航線規劃,如表2所示。

表2 不同植被密度航線參數

本項目選取一般林區作為航飛區域,按照表2要求進行航線設計。

機載LiDAR數據處理主要包括IMU/GNSS聯合解算、點云平差處理、點云濾波等步驟[15],具體作業流程如圖2所示。

圖2 機載LiDAR作業流程圖

2.2.2應用及精度分析

無人機管家根據航跡文件和激光測距文件,自動進行航帶數據的匹配平差,經過坐標轉換,輸出滿足要求的點云數據,如圖3所示。線路LiDAR點云的橫斷面測量是基于地面點數據提取,使用基于Microstation V8平臺的Terrasolid模塊建立點云工程,進行點云的自動濾波與人工分類,獲得點云地面模型如圖4所示。

圖3 LiDAR點云數據

圖4 點云地面模型

基于LiDAR點云地面模型進行橫斷面測量,通過對比分析點云精度情況(絕對精度)和斷面成果精度情況(相對精度),對無人機航攝LiDAR在線路橫斷面測量中的可靠性進行檢驗。

2.2.2.1點云絕對精度檢驗

采用RTK方法測量測區范圍內的檢查點,將其導入LiDAR點云工程,通過Terrasolid模塊中的output control report功能內插出相應檢查點實測高與點云高的高程差值。該區域外業共實測了209個檢查點,檢測點云高程偏差最大值0.266 m,檢測點高程中誤差0.091 m,LiDAR點云絕對精度滿足規范要求。

2.2.2.2點云相對精度檢驗

將基于LiDAR點云獲取的橫斷面高差值與外業實測斷面高差進行對比,結果如表3所示。

表3 LiDAR點云橫斷面與外業實測斷面高差對比表

由表3可知,LiDAR點云橫斷面測量精度基本滿足規范要求,可用于測量,但也存在高差差值大于0.35 m的情況,根據現場實際勘察情況可知,誤差較大的區域為：①植被茂密的密林區,LiDAR點云無法穿透植被到達地面,使得地面點缺少;②在陡峭的溝坎區域,由于遮擋或者分類的錯誤,導致地面高程模型精度降低。針對情況①,可使用雷達功率較強的傳感器設備,增強點云穿透率,獲得更多的地面點數據,針對情況②,需要加強人工分類及檢核工作,盡可能地提高橫斷面測量精度。

2.3 實景三維模型生產

鐵路勘察設計項目中,線路方案演示碰撞、重要工點設計、地質專業分析等對線路兩側地形及建筑物、構筑物三維數據信息的需求越來越大,常規的DEM+DOM模式已無法滿足生產需求。隨著傾斜攝影測量的廣泛應用及實景三維建模技術的發展,無人機傾斜攝影以其自動化程度高、真實還原度高、空間精確度高的優勢,被越來越多地使用到鐵路勘察設計中。

2.3.1技術路線

鐵路實景三維模型制作采用無人機傾斜攝影測量技術來實現,其作業方法和流程如圖5所示,主要包括傾斜影像數據獲取、數據準備、空三加密、實景三維建模、成果輸出等內容。其中,傾斜影像數據獲取依據項目需求設定航飛地面分辨率,一般情況下設置垂直航向重疊度70%～80%,旁向重疊度40%～80%;空三加密多采用飛馬無人機管家及ContextCapture Center軟件聯合完成。

圖5 無人機傾斜影像三維實景模型制作流程圖

2.3.2工點設計展示

在鐵路項目工點設計時,無人機航飛地面分辨率一般設置為2～10 cm。鐵路工點三維實景模型數據能夠直觀、真實、生動形象地展示工點地物、地形地貌特征,作為鐵路BIM模型的載體,能夠直觀地反映其與周邊交通、建筑、環境間的空間位置分布關系和互通關系[7-8],以驗證設計的可行性及優勢性。

以該項目城市區域某車站為例,以制作的實景三維模型作為工點設計展示大場景的基礎數據源,搭載車站建筑模型、地下軌道交通模型等設計模型,實現實景三維模型與鐵路BIM模型的融合展示,如圖6所示。

圖6 實景三維模型與鐵路BIM模型融合展示

2.3.3地質專業分析

在地質專業分析時,無人機航飛地面分辨率一般設置為2～5 cm。在進行地質專業調查時,對不易刺點的小范圍區域的高陡邊坡、危巖落石等不良地質體,可以利用具有精確空間位置和逼真豐富紋理的三維實景模型數據,開展隧道口危巖落石調查、危巖帶(體)穩定性定量分析、落石路徑模擬計算、防護建議與措施等危巖落石專題分析研究工作。

3 結束語

在鐵路勘察定測階段無人機航攝技術的應用能較大程度上提高作業效率,減少作業成本,便捷作業方式,豐富數據成果內容,創新鐵路工程匯報展示手段,對工程實例成果數據的精度分析結果及其在實景三維模型與鐵路BIM融合構建大場景等方面的創新應用表明,無人機能夠以高靈活性、高精度、高效率、低成本的方式滿足鐵路勘察設計定測階段的需要,可作為測量的主要手段參與到設計項目工作中。