傾斜攝影測量輔助城市地鐵前期規(guī)劃研究

柏文鋒

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010)

城市地鐵建設(shè)過程中，不可避免地會給沿線周邊環(huán)境造成不利影響，并涉及到征地拆遷、交通疏解及管線遷改等工作。因此，對地鐵建設(shè)進行科學(xué)的規(guī)劃具有重要意義，有助于提高建設(shè)效率，降低不利影響[2]。傳統(tǒng)的圖紙化規(guī)劃資料存在諸多弊端，不能滿足管理和決策的需求。侯偉[3]利用CAD技術(shù)突破傳統(tǒng)圖紙模式，提高了工作效率，但主要成果模式主要還是在二維層面。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，三維信息化技術(shù)給城市規(guī)劃管理工作帶來新的機遇[4]。呂?？萚5]利用建筑信息模型(BIM)的信息化、參數(shù)化和可視化優(yōu)勢，對其在城市軌道交通項目規(guī)劃方面的應(yīng)用進行了研究，但是僅限于宏觀規(guī)劃，缺乏具體的地理坐標。王保國等[6]根據(jù)傾斜攝影測量技術(shù)成本低、高效快捷、靈活可靠等優(yōu)點，將其運用到規(guī)劃方案的比選之中，其不足之處是利用傾斜攝影測量技術(shù)進行單體化建模的水平較低。田先斌等[7]探索了將無人機激光雷達航測與BIM技術(shù)相結(jié)合進行規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用的可行性。程永志等[8]結(jié)合傾斜攝影、BIM以及地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)進行了城市軌道交通建設(shè)的應(yīng)用研究。在已有的研究基礎(chǔ)上，利用無人機沿地鐵規(guī)劃線路傾斜攝影，進行三維實景重建，結(jié)合數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)及BIM等構(gòu)建多圖層的地鐵沿線三維地理信息系統(tǒng)。再通過各種空間分析方法獲得拆遷、疏解等專題方案的表達，為地鐵建設(shè)的前期規(guī)劃管理提供了新的方法。

圖1 傾斜攝影測量主要流程

1 傾斜攝影測量輔助地鐵前期規(guī)劃

利用傾斜攝影測量技術(shù)進行地鐵建設(shè)前期規(guī)劃的主要步驟包括數(shù)據(jù)獲取、三維重建及三維地理信息系統(tǒng)空間分析等。數(shù)據(jù)獲取指無人機沿地鐵規(guī)劃路線進行傾斜攝影和沿線的地面控制點測量。三維重建主要通過空三解算、影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及紋理映射等步驟實現(xiàn)。三維地理信息系統(tǒng)空間分析則是在傾斜攝影測量處理結(jié)果的基礎(chǔ)上聯(lián)合其他數(shù)據(jù)信息，采用空間分析方法得到地鐵規(guī)劃的專題方案。

1.1 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)獲取

利用無人機進行傾斜攝影測量的主要流程如圖1所示，其中外業(yè)數(shù)據(jù)獲取工作主要包括航線規(guī)劃、地面控制測量和航空影像拍攝等[9]。無人機航攝前，需要對規(guī)劃地鐵沿線的航測區(qū)域進行勘察，科學(xué)規(guī)劃飛行路線使之滿足攝影需求?？紤]無人機在飛行過程中的傾斜及航拍效率等問題，一般將航線設(shè)置為航向重疊度大于80%，旁向重疊度大于60%，便于自動生成更加精確的三維模型。地面控制測量需要完成對航測區(qū)域的控制網(wǎng)設(shè)計和像控點測量，在確定像控點的位置和數(shù)量時，應(yīng)嚴格按照測量規(guī)范，使之滿足數(shù)據(jù)處理解算的要求，同時需顧及地鐵沿線的場區(qū)范圍，一般要求像控點布設(shè)均勻適當。對于像控點的坐標測量，網(wǎng)絡(luò)RTK方法可以方便快捷地獲得安置于像控點的GNSS接收機移動站的坐標，其精度達到cm級，滿足后期空中三角測量解算的精度要求。

無人機航空影像拍攝系統(tǒng)主要由飛行平臺、云臺相機、地面操作系統(tǒng)等部分構(gòu)成[10]。飛行平臺即無人機，用于搭載云臺相機，主要分為多旋翼、固定翼兩種類型。多旋翼無人機操作簡單，可垂直起降和定點懸停，對起降場地要求低，常被應(yīng)用于城市測繪行業(yè)的多旋翼無人機有大疆的經(jīng)緯系列，以及南方、華測等測繪公司的相關(guān)產(chǎn)品。固定翼無人機的優(yōu)勢在于航時和飛行速度，可以進行長時間、大面積高空作業(yè)，作業(yè)效率較高，但固定翼無人機對起降場地和飛行技能要求較高。云臺相機用于展開傾斜攝影，目前最常見的是五鏡頭傾斜攝影相機，即中心相機光軸垂直于水平面，四個方向上分別分布一個光軸與水平面成45°角的相機，如此便滿足了一次飛行，同一地物三張以上不同角度影像的覆蓋。五鏡頭相機工作穩(wěn)定，采集質(zhì)量高，集成度好，除此之外也有旋轉(zhuǎn)式/搖擺式兩鏡頭的傾斜攝影相機，其優(yōu)勢在于成本低和重量輕。地面操作系統(tǒng)的主要功能包括設(shè)置飛行路線和高度，同時負責無人機的飛行控制以及數(shù)據(jù)通信等工作。完成參數(shù)設(shè)置之后，即可控制無人機進行飛行拍攝。拍攝完成之后，將無人機采集到的數(shù)據(jù)進行下載整理，為數(shù)據(jù)處理做準備。

1.2 三維實景重建

獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)之后，采用數(shù)據(jù)處理軟件即可進行三維實景的重建，常用的傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件有smart3D、Photoscan及Pix4D等。三維建模時涉及到的主要步驟包括空三加密、影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及紋理映射等[11]。

空三加密是傾斜攝影三維建模的核心步驟，即確定影像之間的關(guān)系并以拓撲形式重建。參照地面布設(shè)的像控點坐標，基于共線方程并利用光束法完成區(qū)域網(wǎng)平差。其主要功能是將無序的影像在空間中相互對齊并構(gòu)建與真實狀態(tài)下相接近的統(tǒng)一空間模型。大傾角多視影像自動配準將不可避免地產(chǎn)生粗差，應(yīng)在空三加密前首先進行傾斜影像匹配點的粗差檢測及自由網(wǎng)構(gòu)建，然后進行傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差。

傾斜影像密集匹配可以獲得高精度和高密度的點云數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)精細三維建模的關(guān)鍵步驟。在空三加密完成之后，以相機的外方位元素為支撐，利用匹配影像上的所有點進行密集匹配，此過程中需要注意遮擋對密集匹配造成的影響。

通過傾斜影像密集匹配可獲得高密度的三維點云數(shù)據(jù)。在自動三維重建之前，需要首先對點云數(shù)據(jù)去噪，提高精度，減少冗余，然后基于點云構(gòu)建不同層次細節(jié)度下的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型。通過對不規(guī)則三角網(wǎng)的優(yōu)化處理，將內(nèi)部三角形的尺寸調(diào)整到與原始影像分辨率相匹配的比例，對三角網(wǎng)進行簡化，最大限度保持模型的幾何形狀，突出邊緣信息。

紋理映射指將不規(guī)則三角網(wǎng)模型與紋理圖像進行配準和貼附。由于傾斜攝影中同一地物會出現(xiàn)在多張影像上，需要選擇最合適的目標影像，模型表面三角形面片的法線方程與二維圖像的角度關(guān)系可作為紋理影像選擇的標準，夾角越小，紋理質(zhì)量越高。以此可使得每個三角形面片都唯一對應(yīng)了一幅目標圖像，進一步通過配準將紋理圖像投影到對應(yīng)的三角面片上，實現(xiàn)紋理貼附，最終實現(xiàn)三維實景的重建。

1.3 三維地理信息系統(tǒng)空間分析

通過傾斜攝影測量，不僅可以獲得規(guī)劃地鐵沿線的三維實景模型，還可以得到正射影像(DOM)和數(shù)字高程(DEM)等數(shù)據(jù)[12]。將這些數(shù)據(jù)與設(shè)計的BIM模型、CAD圖紙等在三維地理信息平臺進行融合，即可構(gòu)建三維地理信息系統(tǒng)，具體過程如圖2所示。將傾斜攝影測量得到的三維實景與地形數(shù)據(jù)集進行疊加可得到地鐵沿線城市三維模型。而與BIM等數(shù)據(jù)融合，則可獲得具有空間地理信息的高質(zhì)量單體化模型圖層，同時，還可以進行屬性的疊加。完成三維地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建之后，通過相應(yīng)的空間分析，即可實現(xiàn)地鐵建設(shè)的前期規(guī)劃管理工作。

圖2 三維地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建過程

地鐵建設(shè)前期的規(guī)劃管理工作涉及到周邊環(huán)境探查、地鐵保護區(qū)設(shè)置、征地拆遷、管線遷改及交通疏解等。對于周邊環(huán)境探查和地鐵保護區(qū)設(shè)置的工作，可在三維地理信息系統(tǒng)中通過空間信息量算完成。在三維模型上進行精細化判讀與室內(nèi)量測，可以準確地量測地鐵沿線的坐標、長度、寬度和面積等信息，可高效地完成周邊環(huán)境探查工作。對于征地拆遷，可采用緩沖區(qū)分析來實現(xiàn)，緩沖區(qū)分析是針對點、線、面等地理實體，自動在其周圍建立一定寬度范圍的緩沖區(qū)多邊形，即確定地理空間目標的影響范圍。沿地鐵線路劃分緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)內(nèi)的建筑物樓層數(shù)與實際面積進行快速統(tǒng)計，從而有效估算必需的房屋拆遷量，使工程賠償造價準確合理。管線遷改可通過疊加分析來進行規(guī)劃，將管線層與地鐵線路開挖層進行疊加，產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)層，即可確定受到地鐵線路開挖影響的地下管線，然后在此基礎(chǔ)上進行遷改工作。地鐵開挖建設(shè)期間勢必會對地面交通帶來不便，合理的交通疏解方案可以有效降低不利影響。地理信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析可為交通疏解提供有效保障。網(wǎng)絡(luò)分析是運籌學(xué)模型中的一個基本模型，它的根本目的是研究、籌劃一項網(wǎng)絡(luò)工程如何安排，并使其運行效果最好。通過對交通線路模型化，進行路徑規(guī)劃，尋求最佳路徑，即可獲得最佳的交通疏解方案。

2 工程實例

某市規(guī)劃地鐵x號線一期工程線路全長36.2 km，設(shè)立31座地下車站?，F(xiàn)根據(jù)要求進行全線傾斜攝影測量，測量范圍為線路中心兩側(cè)各200 m范圍，車站兩側(cè)各300 m范圍，然后制作DOM、DEM及沿線的三維實景模型。本項目數(shù)據(jù)采集的飛行平臺為天途六軸多旋翼無人機，搭載的傾斜相機的詳細參數(shù)如表1所示。經(jīng)現(xiàn)場踏勘、資料收集及設(shè)備準備等工作后，進行航空攝影及像控點測量等工作。單架次的航線長度平均為8.2 km，車站點拍攝相片數(shù)1 500張，線路區(qū)間2 800張。總共飛行了125架次，有效架次92次，總航線長度為730 km，整個航攝過程歷時約1周。

表1 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集詳細參數(shù)

像控點測量采用網(wǎng)絡(luò)RTK進行，有效使用點數(shù)為106個，測量坐標結(jié)果轉(zhuǎn)化到當?shù)爻鞘凶鴺讼到y(tǒng)。無人機數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)RTK像控點坐標測量的作業(yè)過程如圖3所示。

圖3 無人機傾斜攝影測量及像控點測量作業(yè)

獲取傾斜攝影測量照片之后，結(jié)合像控點坐標及無人機POS數(shù)據(jù)，采用Bentley Context Capture(smart3D)軟件生成DOM、DEM及三維實景模型[13]。數(shù)據(jù)處理過程涉及到空三加密、影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及紋理映射等步驟，以該規(guī)劃地鐵線路其中的一個地鐵站為例，展示了三維實景重建的具體過程(見圖4)。

圖4 某規(guī)劃地鐵站三維實景重建過程

圖5 地鐵規(guī)劃線路周邊環(huán)境探查

根據(jù)傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，利用三維地理信息系統(tǒng)平臺Skyline TerraBuilder，建立該規(guī)劃地鐵線路沿線的城市三維模型[14]，并通過3DMax等軟件對模型進行精化。，根據(jù)房調(diào)資料和管線數(shù)據(jù)庫進行BIM建模[15]，結(jié)合模型的坐標位置信息，將其與傾斜攝影測量的結(jié)果進行融合。在系統(tǒng)中通過空間信息量算獲得周邊環(huán)境的長度和面積信息(如圖5所示)。利用緩沖區(qū)分析，對該規(guī)劃地鐵沿線拆遷范圍內(nèi)的房屋面積進行統(tǒng)計，估算相應(yīng)的房屋拆遷量(如圖6所示)。管線遷改方面，將Revit軟件建立的管線BIM模型與規(guī)劃地鐵施工區(qū)域進行疊加分析，得出受到地鐵施工影響的管線信息并提出遷改方案(如圖7所示)。

圖6 地鐵規(guī)劃線路附近征地拆遷量估算

圖7 地鐵規(guī)劃中管線遷改方案設(shè)計

3 結(jié)束語

無人機傾斜攝影測量的誕生，顛覆了傳統(tǒng)的測繪作業(yè)模式，推動測繪工作向高科技方向發(fā)展。傾斜攝影測量技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)、應(yīng)急救災(zāi)及文物保護等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，同樣，在地鐵建設(shè)的前期規(guī)劃管理中也得到了應(yīng)用。通過傾斜攝影測量建立三維實景模型，再結(jié)合BIM和三維地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，可為地鐵建設(shè)的前期規(guī)劃管理提供方便快捷的解決方案。相較于傳統(tǒng)的規(guī)劃管理方法，其數(shù)據(jù)采集效率高，分析結(jié)果可三維直觀顯示，且能與城市地理坐標相對應(yīng)，是一種高效的數(shù)字化地鐵建設(shè)前期規(guī)劃管理方法。