地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理的算法研究

吳 廷

(上海市建筑科學(xué)研究院，上海 200032)

0 引言

地鐵隧道結(jié)構(gòu)在服役過程中，受材料老化、列車振動和周邊環(huán)境等多種內(nèi)外因素的影響，在運(yùn)營期會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害[1-4]，發(fā)生結(jié)構(gòu)變形[5-6].內(nèi)在因素如材料老化、列車振動等為無法避免的因素，而周邊環(huán)境的影響則完全可以提前發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行有效處理.因此，為了運(yùn)營期地鐵隧道結(jié)構(gòu)的健康，控制地鐵隧道的變形和病害，保護(hù)區(qū)巡查工作十分重要且必不可少.目前，國內(nèi)地鐵保護(hù)區(qū)巡查主要采用人工巡查，通過現(xiàn)場逐一檢查、拍照、紙質(zhì)記錄等方式發(fā)現(xiàn)和處理違法項目[7].地鐵運(yùn)營監(jiān)護(hù)管理部門，每年要花費(fèi)大量的人力、物力來進(jìn)行地鐵沿線的檢查、檢測及監(jiān)護(hù)工作，人員投入大、成本高、效率低[8].如何快速、高效地解決現(xiàn)有巡查存在的地鐵保護(hù)區(qū)巡查范圍廣、人工巡查工作量大的問題十分棘手，而無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)為解決該難題提供了技術(shù)支持[9-11].借助無人機(jī)航測技術(shù)可實現(xiàn)地鐵保護(hù)區(qū)沿線地表標(biāo)高變化情況、新增施工項目情況、地表堆載方量變化情況的巡查，量化評估環(huán)境影響.

1 無人機(jī)測繪技術(shù)概述

無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)[12-14]是利用先進(jìn)的無人駕駛飛機(jī)搭載相機(jī)，結(jié)合航空攝影測量技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)實現(xiàn)地理空間信息采集的技術(shù).目前，無人機(jī)的設(shè)計越來越小巧輕便、機(jī)動靈活，飛行的安全性也越來越高，人工干預(yù)少、自動化程度高，外業(yè)飛行時起降落點(diǎn)對場地要求不高，航拍時間短，成果質(zhì)量高[15-18].無人機(jī)運(yùn)營巡查在地鐵保護(hù)區(qū)巡查項目的應(yīng)用有效地代替了傳統(tǒng)巡查手段的不準(zhǔn)確性、不及時性.使用無人機(jī)對地鐵線路進(jìn)行巡查，主要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)，一是不存在巡查遺漏現(xiàn)象，可以對巡查人員識別不準(zhǔn)確、復(fù)雜地形區(qū)域進(jìn)行全覆蓋巡查；二是大大提高了巡查的作業(yè)效率，且成果精度高，真正能夠做到“高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確”；三是可以留存數(shù)字化成果，對地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)建設(shè)項目、作業(yè)活動及周邊環(huán)境變化等進(jìn)行數(shù)字化電子臺賬監(jiān)管，并通過數(shù)據(jù)處理和影像對比自動檢測識別地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)新增的作業(yè)活動，及時發(fā)現(xiàn)和制止影響軌道交通建設(shè)及運(yùn)營安全的違法作業(yè)活動.

2 無人機(jī)測繪作業(yè)指導(dǎo)

無人機(jī)測繪分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分，外業(yè)測繪的質(zhì)量影響著后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量.城市地鐵多為狹長型的線路工程，無人機(jī)在外業(yè)測繪時需結(jié)合地鐵保護(hù)區(qū)具體的線路走向、地鐵沿線的地形地貌情況以及地鐵保護(hù)區(qū)巡查工作的內(nèi)容合理規(guī)劃航線.無人機(jī)在軌道交通線路上方進(jìn)行空三測量時，需時刻關(guān)注無人機(jī)的位置及安全，防止飛機(jī)突然掉落發(fā)生安全事故.無人機(jī)測繪及安全巡查的工作流程主要包括明確保護(hù)區(qū)巡查任務(wù)，收集相關(guān)地鐵及地形資料，現(xiàn)場踏勘，項目航線設(shè)計，現(xiàn)場像控點(diǎn)布設(shè)，空中三角測量，飛行數(shù)據(jù)獲取，航攝數(shù)據(jù)檢查，地形數(shù)據(jù)采集，外業(yè)調(diào)繪成圖，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，生成正射影像，高程處理分析，生成最終成果[6,19-20].以某2000 m×400 m的地鐵區(qū)間為例，探討地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)無人機(jī)巡查測繪的作業(yè)路徑.

2.1 像控點(diǎn)布設(shè)

像片控制點(diǎn)是無人機(jī)測繪內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的依據(jù)，也是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至城市獨(dú)立坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)，同時也是多期無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)精確比對的關(guān)鍵，因此像控點(diǎn)的布設(shè)至關(guān)重要.而對于狹長型的地鐵線路，需采用類似標(biāo)準(zhǔn)航帶區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方式.為了提高控制網(wǎng)精度，外業(yè)布設(shè)時不要敷設(shè)在一條直線上，像控點(diǎn)應(yīng)相互交叉成導(dǎo)線狀(如圖1所示)，均勻布設(shè)在地鐵沿線無遮擋位置.對有堆土或者有施工作業(yè)的區(qū)域可適當(dāng)加密布設(shè)，車站和線路中間位置一定要布設(shè)像控點(diǎn).另外，在高程變化大的地方適當(dāng)加密，可提高高程定位精度.提前在測區(qū)內(nèi)布設(shè)10以上的平高點(diǎn)和高程點(diǎn)，用GPS采集好每個像控點(diǎn)的三維坐標(biāo).

圖1 狹長型地鐵線路像控點(diǎn)網(wǎng)形設(shè)計

2.2 航線規(guī)劃設(shè)計

現(xiàn)場踏勘確定測區(qū)內(nèi)建(構(gòu))筑物最高高度，是否存在機(jī)場、軍事設(shè)施等禁飛區(qū)域，利用無線電探測儀檢查地鐵線路沿線是否存在電磁波干擾.在氣候條件允許的情況下，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集.采用專門的飛控軟件進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計，設(shè)置像片的航向重疊度80%，旁向重疊度65%，飛行高度80 m，將地鐵線路劃分成4～5個測段分別進(jìn)行飛行，經(jīng)規(guī)劃設(shè)計得到某一測段的飛行線路如圖2.

圖2 航線規(guī)劃設(shè)計圖

2.3 空中三角測量

2.3.1 起飛及返航

選取通視條件良好、場地平整區(qū)域起飛.飛機(jī)起飛前需確認(rèn)地面風(fēng)速和風(fēng)向是否適合起飛，如果不確定可借助風(fēng)力測量儀.參考附近最高建筑物，設(shè)置好飛機(jī)合適的返航高度，讓無人機(jī)更安全的自動返航.檢查GPS信號情況，保證足夠的衛(wèi)星信號強(qiáng)度(至少6顆以上)，且必須在GPS模式下，檢查圖傳數(shù)傳通訊情況，待無人機(jī)刷新返航點(diǎn)后起飛，確保飛機(jī)能夠自動返航.

2.3.2 跟蹤及測量

無人機(jī)在拍攝測繪作業(yè)時，操控員應(yīng)時刻跟蹤飛機(jī)的位置，確保飛機(jī)沿預(yù)設(shè)路徑安全飛行.如遇氣象條件突變等特殊情況，按應(yīng)急預(yù)案采取措施(臨時變更飛行路徑、擇機(jī)降落)防止墜機(jī).

2.4 數(shù)據(jù)處理

整理外業(yè)拍攝的原始數(shù)據(jù)，主要包括影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)原始數(shù)據(jù)的完整性，檢查獲取的影像中有無質(zhì)量不合格的照片(如圖3).同時查看POS數(shù)據(jù)文件，主要檢查航帶變化處的相片號，防止POS數(shù)據(jù)中的相片號與影像數(shù)據(jù)相片號不對應(yīng)，出現(xiàn)不對應(yīng)情況應(yīng)手動調(diào)整.原始數(shù)據(jù)檢查無誤后，采用專業(yè)的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解析.解析步驟主要包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理、刺像控點(diǎn)、鑲嵌圖編輯、正射影像成果圖編輯、正射影像成果數(shù)據(jù)導(dǎo)出.根據(jù)生成的正射影像數(shù)據(jù)，結(jié)合地鐵保護(hù)區(qū)的實際范圍和特殊要求，采用自主研發(fā)的“無人機(jī)測繪及安全巡查系統(tǒng)”，實現(xiàn)多期地鐵巡查數(shù)據(jù)的對比，自動解算提取高程差異較大的區(qū)域，高效便捷.

圖3 無人機(jī)航拍影像

3 地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)處理算法研究

無人機(jī)測繪及安全巡查系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中，有三個關(guān)鍵問題需要解決，一、地鐵隧道為地下工程，航測的成果中無法識別地鐵隧道的具體位置，因此需要設(shè)計算法提取隧道邊線；二、航測的成果通常會比地鐵保護(hù)區(qū)范圍廣，而我們關(guān)注的是地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)地形地貌高程的變化，因此需要設(shè)計算法提取地鐵保護(hù)區(qū)的邊線；三、對于多期的航測數(shù)據(jù)，需要軟件自動分析每兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間地表高程的變化，因此需要設(shè)計算法對同一位置、不同日期下的地表點(diǎn)高程進(jìn)行自動對比計算.現(xiàn)將上述三個關(guān)鍵問題的解決算法說明如下：

3.1 地鐵隧道邊線提取算法

如圖4所示.

第一步：根據(jù)整理好的地鐵隧道軸線數(shù)據(jù)識別上(下)行線的前兩個點(diǎn)：1號點(diǎn)和2號點(diǎn)；

第二步：通過直線方程公式確定線段12的直線方程：

第三步：根據(jù)直線幾何關(guān)系反算直線方程lL1R和2L2R；

第四步：根據(jù)已知隧道半徑r計算得出點(diǎn)lL、1R、2L、2R的坐標(biāo)；

第五步：將lL和2L連線、1R和2R連線得到1號點(diǎn)和2號點(diǎn)的隧道邊線；

第六步：按照上述步驟，依次計算提取2號點(diǎn)和3號點(diǎn)、3號點(diǎn)和4號點(diǎn)，直至循環(huán)至最后一點(diǎn)，得到隧道邊線.

圖4 地鐵隧道邊線提取算法示意圖

3.2 地鐵保護(hù)區(qū)邊線提取算法

如圖5所示.

第一步：根據(jù)4.1隧道邊線提取算法，按照提前預(yù)設(shè)的隧道保護(hù)區(qū)直徑值，得到隧道上行線保護(hù)區(qū)邊線點(diǎn)S1L和S1R、隧道下行線保護(hù)區(qū)邊線點(diǎn)X1L和X1R；

第二步：以此計算這四個點(diǎn)S1L、S1R、X1L、X1R的距離，依次判斷距離大小，選擇距離最大的兩點(diǎn)X1L、S1R作為地鐵保護(hù)區(qū)邊線最外圍的點(diǎn)；

第三步：重復(fù)上述步驟，直至循環(huán)至最后一點(diǎn)，得到保護(hù)區(qū)邊線.

圖5 地鐵保護(hù)區(qū)邊線提取算法示意圖

3.3 地表點(diǎn)高差計算

高差對比核心算法為：相近坐標(biāo)點(diǎn)最小距離計算算法.現(xiàn)介紹高差對比算法如圖6.

第一步：選擇基準(zhǔn)面點(diǎn)云和對比面點(diǎn)云；

第二步：對于對比面中任意一點(diǎn)1號點(diǎn)，判斷基準(zhǔn)面中與之平面坐標(biāo)最相近的兩點(diǎn)2號點(diǎn)和3號點(diǎn).需要說明的是，在平面中，對比面中的1號點(diǎn)到基準(zhǔn)面的真實距離為1號點(diǎn)至線段23的垂直距離.

圖6 平面點(diǎn)到線段之間的距離計算示意圖

第三步：如圖7所示，空間關(guān)系中，計算對比面中的點(diǎn)P至基準(zhǔn)面的垂直距離，距離PP′為最終真實距離.

圖7 空間點(diǎn)到平面之間的距離計算示意圖

第四步：遍歷所有點(diǎn)，直至循環(huán)至最后一點(diǎn)，得到距離計算對比數(shù)據(jù).

4 案例驗證

以某2 000 m×400 m的地鐵區(qū)間為例，通過商業(yè)軟件處理好后生成.las格式的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù).通過“無人機(jī)測繪及安全巡查系統(tǒng)”，打開已知的隧道軸線數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖8所示)，根據(jù)3.1的算法自動計算提取得到隧道邊線(對比圖9和圖10可發(fā)現(xiàn)，圖10中間黑色線條為自動計算生成的地鐵隧道)，再根據(jù)3.2的算法自動剔除保護(hù)區(qū)外的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)(對比圖10和圖11a可發(fā)現(xiàn)，地鐵保護(hù)區(qū)范圍線外的影像數(shù)據(jù)已被剔除)，最后根據(jù)3.3的算法將兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動對比，計算得到兩次變化高差>1 m的區(qū)域(如圖11b，紅色區(qū)域為兩次高差大于1 m的位置)，輸出對應(yīng)的高差大于1 m數(shù)據(jù)(如圖12)，用來對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行針對性分析.再打開兩期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)高差變化較大區(qū)域為高架施工區(qū)域(對比圖13和圖14)，地鐵監(jiān)護(hù)管理人員可對該施工項目進(jìn)行規(guī)范性管控，以此來控制地鐵結(jié)構(gòu)的變形和病害的發(fā)生，方便、高效、快捷、準(zhǔn)確,且有據(jù)可循.借助本系統(tǒng)，可實現(xiàn)多期地鐵巡護(hù)數(shù)據(jù)的對比，自動解算提取高程差異較大的區(qū)域，高效便捷，大大節(jié)省了人力物力，為地鐵保護(hù)區(qū)線路巡護(hù)、檢查及監(jiān)護(hù)工作帶來了便利.

5 結(jié)語

本文以地鐵保護(hù)區(qū)安全巡視為背景，介紹了無人機(jī)測繪在該領(lǐng)域的優(yōu)勢，并總結(jié)了無人機(jī)外業(yè)作業(yè)的關(guān)鍵的控制措施.自主研發(fā)了一套“無人機(jī)測繪及安全巡查系統(tǒng)”，講述了系統(tǒng)內(nèi)自動數(shù)據(jù)處理時的三個關(guān)鍵算法，通過實際案例驗證了算法的正確性及系統(tǒng)的可靠性、便捷性，為國內(nèi)地鐵保護(hù)區(qū)安全巡查的應(yīng)用提供了有利的技術(shù)支持，具有一定的參考價值.但目前航空管制較為嚴(yán)格，采用無人機(jī)開展地鐵保護(hù)區(qū)巡查缺乏一定的制度支持，存在一定的作業(yè)風(fēng)險.