像控點布設方案對既有線中線測量精度影響分析

宗偉麗

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

全站儀、GPS-RTK方法是目前既有線中線測量中最普遍的方法，該類方法可滿足既有線勘察設計的精度要求，但上線工作量較大且效率較低。

考慮既有線上線作業(yè)的時間、上線作業(yè)的安全風險等因素，基于DMC230大幅面數(shù)碼航攝儀，開展了多個項目的既有線測繪應用研究，形成一套完整的作業(yè)方案，實現(xiàn)了航測既有線技術在橫斷面測量、中線測量等方面的應用。

文獻[1]闡述了POS輔助數(shù)碼航空攝影測量在既有鐵路測繪中的應用，證明了航測方法應用于既有線測量的可行性，為既有線測繪工作提供了一種全新的方法。在前期航測方法解決既有線測繪實踐應用的基礎上，針對應用中的問題，對像控點布設方法進行改進，并進行精度驗證。

研究思路為：首先分析目前航測方法既有線中線測量像控點布設過程中面臨的問題，提出抽稀曲線內(nèi)側像控點布設方案，對其精度進行統(tǒng)計，并對作業(yè)過程中影響中線測量的誤差進行分析。

1 像控點地面標志布設現(xiàn)狀分析

(1)像控標志布設困難

既有線測繪項目中航測像控點通常采用布設地面標志的方式?；谔岣呦窨攸c辨認度和量測精度的考慮，對既有線測繪項目中航測像控點地面標志的尺寸、樣式、材質(zhì)等已經(jīng)進行了充分的研究論證，形成了初步的結論，但針對積雪覆蓋的山地、淤泥遍布的田地等難以通行的測區(qū)，外業(yè)像控點布設則較為困難且效率低下。

(2)像控點布設數(shù)量大

既有線測繪項目單航帶布設存在覆蓋寬度小、線路走向復雜、航線設計測區(qū)多等問題，導致傳統(tǒng)布設方式下像控點布設數(shù)量較多。

此外，周圍壞境、天氣因素、人為破壞、航飛進度的滯后等因素也會導致像控點被破壞。因此，在保證既有線中線測量精度的前提下，合理優(yōu)化像控點的布設方案是十分必要的。

2 方案實施

基于航測方法既有線中線測量的現(xiàn)狀，探求一種既保證既有線中線測量精度，又能提高作業(yè)效率的技術方案十分必要。提出一種抽稀曲線內(nèi)側像控點的技術方案，并與外業(yè)實測數(shù)據(jù)進行對比論證。

2.1 數(shù)據(jù)源

試驗區(qū)域選取東北某既有線電氣化改造項目，航飛采用DMC230數(shù)碼航攝儀，POS系統(tǒng)為POS AV510。數(shù)碼航攝儀焦距為92.049 cm，像素為5.6 μm，像幅尺寸為87.0912 mm×79.206 4 mm，為保證既有線測繪的精度，應在航空攝影前布設像控點地面標志。本次航飛獲取了5 cm高分辨率數(shù)碼影像(航向重疊度60%、旁向重疊度30%)。航飛過程中需架設地面基站進行同步觀測，采用差分解算獲取每一張航片的外方位元素。獲取的高分辨率航攝影像如圖1所示(圖中鐵軌、枕木、枕木刷標清晰可見)。

圖1 5 cm高分辨率影像

2.2 技術流程

航測方法既有線中線測量流程如圖2所示。

圖2 航測方法既有線中線測量流程

2.3 技術方案

(1)傳統(tǒng)像控點布設方案

該既有線電氣化改造項目中線位穩(wěn)定，航飛獲取數(shù)據(jù)覆蓋范圍小，且全部是單航線。受鐵路走向影響，測線較短。為增加空三加密的穩(wěn)定性，將多條測線合并為同一個區(qū)域網(wǎng)進行空三加密。在帶狀區(qū)域網(wǎng)兩端各布設一對像控點，在航向相接處各布設一對像控點。為了充分利用外業(yè)資料，提高測量精度，將2 km間距的水準點作為平高點加入測區(qū)，試驗區(qū)內(nèi)包含三條單航線，設置平高控制點及水準點共18個，如圖3所示。

圖3 試驗區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)像控點布設示意

空三加密后對既有線中線進行采集，考慮既有線內(nèi)軌加寬外軌加高的特性，直線段采集左軌、曲線段采集外軌，通過偏移的方式獲取既有線中線，并與外業(yè)實測數(shù)據(jù)進行對比。采集的既有線中線為單一的線狀地物，若采用里程坐標法進行精度對比會將里程丈量誤差累計并影響精度對比結果。因此，試驗采用垂直偏差法進行精度分析。該方法以獲取的既有線中線為基礎，采取垂直投影的方式進行里程定位并進行精度對比，統(tǒng)計垂線偏差如表1所示。

表1 傳統(tǒng)像控點布設方案采集中線與外業(yè)實測中線垂線偏差對比

將傳統(tǒng)像控點布設方案下采集的中線與外業(yè)實測中線進行對比：最大垂線偏差為9.83 cm，最小垂線偏差為0.03 cm，計算中誤差為3.85 cm，滿足《TB10101—2009 鐵路工程測量規(guī)范》中線測量中的有關規(guī)定。

(2)曲線內(nèi)側抽稀像控點方案

在傳統(tǒng)像控點布設方案的基礎上，通過合理劃分測區(qū)，在保證每一區(qū)域網(wǎng)四個角點都有平高點，航線與航線連接處曲線外側都有像控點的前提下，抽稀曲線內(nèi)側像控點。為了充分利用外業(yè)資料，提高測量精度，將間距為2 km的水準點作為平高點加入?yún)^(qū)域網(wǎng)，為了便于比較，采用相同的試驗測區(qū)，像控點布設示意如圖4所示。

圖4 試驗區(qū)內(nèi)抽稀曲線內(nèi)側像控點布設示意

空三加密后，用同樣的方法采集既有線中線，并統(tǒng)計與外業(yè)實測中線的垂線偏差(如表2所示)。

表2 抽稀曲線內(nèi)側像控點布設方案采集中線與外業(yè)實測中線垂線偏差對比

將抽稀曲線內(nèi)側像控點布設方案下采集的中線與外業(yè)實測的中線進行對比：最大垂線偏差為9.41 cm，最小垂線偏差為0.00 cm，計算中誤差為3.54 cm，滿足《TB10101—2009 鐵路工程測量規(guī)范》中線測量有關的規(guī)定。

3 精度對比及誤差分析

兩種像控點布設方案下采集的中線都能滿足既有線中線測量的精度要求。為了更直觀地分析對比兩種方案之間的精度，將其與外業(yè)實測中線的差值繪制成圖表，如圖5所示。

圖5 兩種像控布設方案下采集中線與外業(yè)實測中線差值比較

從圖5可以看出，兩種像控布設方案下中線誤差都呈現(xiàn)出不規(guī)律的上下波動，主要是因為受到多種不確定誤差源的影響。航測方法既有線中線測量的誤差主要來源于以下幾個方面。

(1)像控點外業(yè)量測誤差

為了提高既有線測量的精度，既有線測繪項目全部采用人工布設地面標志的方式，即使地面標志的規(guī)格、材質(zhì)、符號經(jīng)過多個項目的經(jīng)驗積累已經(jīng)相當成熟，但是像控點量測過程中受到衛(wèi)星星歷、控制網(wǎng)精度、坐標轉換誤差等因素影響，還是存在一定程度的誤差。

(2)像控點內(nèi)業(yè)量測誤差

空三加密像控點量測時受到航攝影像質(zhì)量、測區(qū)內(nèi)連接點匹配誤差的影響。

(3)外業(yè)實測中線誤差

外業(yè)實測中線通過RTK采集，其精度受外業(yè)像控點精度、作業(yè)人員操作習慣等方面的影響。

(4)立體采集中線誤差

立體采集誤差存在于每一個作業(yè)員，受到作業(yè)習慣、立體辨識能力、影像質(zhì)量、身體狀況、環(huán)境光線等諸多因素的影響，成為最難把控的一項誤差，這既有不同作業(yè)員之間的誤差，也有同一作業(yè)員在不同的時期、不同立體像對之間的誤差。

多種誤差源的存在也是造成兩種方案下誤差不穩(wěn)定、呈現(xiàn)不規(guī)律波動的主要原因，有效控制各種誤差，是提高工程應用精度的必要手段。

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