無人機航空攝影測量在鐵路測繪的應用

游儒意　陳思怡　張運　仇靜靜

摘? 要? 無人機航空攝影測量技術(shù)具有安全高效、分辨率高、機動靈活、運行成本低、處理速度快等優(yōu)點，能快速生成各種高精度數(shù)字測繪成果。本文以石長鐵路為例，探討無人機航空攝影測量技術(shù)在1：2000鐵路測繪中應用的技術(shù)流程，能夠為鐵路測繪項目提供參考。

關鍵詞? 無人機;航空攝影測量;鐵路測繪;石長鐵路

中圖分類號：P231.5 文獻標識碼：A

Application of UAV Aerial Photogrammetry in Railway

Surveying and Mapping

—Take Shichang Railway as an example.

You Ruyi1 ， Chen Siyi1， Zhang Yun2 ， Qiu Jingjing1

（1.The Third Surveying and Mapping Institute of Hunan， Changsha Hunan 410019， 2.Hunan Land and Resources Planning Institute，Changsha Hunan 410019）

Abstract： UAV aerial photogrammetry technology has the advantages of safety and efficiency， high resolution，flexibility， low operation cost? and fast processing speed ， which can quickly generate various high-precision digital surveying and mapping results. Taking Shichang Railway as an example， this paper discusses the application process of UAV aerial photogrammetry technology in1：2000Railway Surveying and mapping， so as to provide reference for railway surveying and mapping projects.

Keywords： UAV; aerial photogrammetry; railway surveying and mapping; Shichang railway

0? 引言

無人機航空攝影測量技術(shù)作為新型的測繪技術(shù)，主要是通過控制小型飛行器低空飛行來獲取地面信息的一項技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的鐵路測繪方法，無人機航空攝影測量能有效避免強度大、效率低、周期長和重復測量等弊端，能充分發(fā)揮運行成本低、處理速度快等優(yōu)點，能根據(jù)業(yè)主要求快速提供不同比例尺、現(xiàn)勢性極強的航空攝影測量數(shù)據(jù)，迅速在交通、水利、電力等行業(yè)廣泛應用[1]。近年來，無人機航空攝影測量融合了GPS差分定位、遙控及計算機軟件等先進技術(shù)，在積極的政策推動下，從設計、制造到飛行使用，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和信息共享都得到了快速發(fā)展[2]。將無人機航空攝影測量技術(shù)應用在鐵路測繪中，能有效降低鐵路測繪工作的危險性，快速提供符合要求的數(shù)據(jù)成果，對鐵路測繪的進步具有十分重要的意義。

本文主要探討無人機航空攝影測量在石長鐵路1：2000地形圖測繪中的技術(shù)流程，為提高鐵路測繪工作效率提供參考。

1? 項目技術(shù)設計

石長鐵路是石門到長沙的一條鐵路，全線位于湖南境內(nèi)，全長264km，測區(qū)為帶狀，帶寬為500m，涉及主要地形為平地和丘陵地帶，業(yè)主要求制作1∶2000DLG數(shù)據(jù)。

航空攝影測量法，包括航空攝影、像片控制測量、空三加密、定向建模、正射影像圖制作、立體采集、外業(yè)調(diào)繪及修補測、數(shù)據(jù)編輯、質(zhì)量檢查和成果提交等工序[3]。

石長鐵路數(shù)字地形圖的生產(chǎn)，利用2019年11月新航飛分辨率優(yōu)于0.2米的數(shù)字航空影像和初始外方位元素，通過野外實測一定數(shù)量的地面控制點，進行空中三角測量獲取航空影像精確外方位元素，建立立體模型;利用影像匹配技術(shù)生成數(shù)字高程模型，對航空影像進行微分糾正，完成影像鑲嵌，制作數(shù)字正射影像圖;同時，在全數(shù)字攝影測量工作站中立體采集各類地形、地貌要素，輸出外業(yè)調(diào)繪工作底圖，通過野外調(diào)繪及修補測來提高地形、地貌的精度，完善屬性特征，再通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯來制作石長鐵路全線數(shù)字地形圖。無人機航空攝影技術(shù)在石長鐵路測繪中應用的總體技術(shù)路線圖如圖1所示。

2? 飛行方案

2.1 航飛及攝影設備

本項目采用iFly V5型無人機，該無人機一款專業(yè)智能航測無人機系統(tǒng)，采用成熟的飛控研發(fā)技術(shù)，成果更精準，同時采用專業(yè)定制化地面站軟件，無人機與地面站無縫對接，操作簡單，效率更高。航攝儀采用Sony RX1R II相機，焦距35mm，相機幅面為7952×5304像素，傳感器尺寸35.9×24mm，像元大小4.51μm，有效像素4200萬。

2.2 航線設計

本項目針對測區(qū)地形地貌特點，根據(jù)石長鐵路帶狀線路的走向，航線按線路中線兩側(cè)各250m、帶寬500m布設[4]。本項目航線設計示意圖如圖4所示，由于篇幅有限，圖4僅展示測區(qū)部分區(qū)域的航線設計。

2.3 飛行質(zhì)量控制

按照設計航高飛行，攝影分區(qū)內(nèi)實際航高與設計航高之差小于設計航高的5%[5]。同一航線上相鄰相片的航高差不得大于30米，最大航高差不得大于50米。同時為了防止飛行過程中飛機姿態(tài)變化過大造成GPS衛(wèi)星信號失鎖，飛行過程中，要求飛機轉(zhuǎn)彎坡度不能大于35度，飛機上升、下降速率不大于10 m/s。選擇太陽高度角大于45°，陰影倍數(shù)小于2這段時間為航攝時間。

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量規(guī)范》（CH/Z3005-2010）規(guī)定，低空航測航向重疊度應為60%-80%，最小不小于53%，該項目設計航向重疊度約為76%。旁向重疊度一般應為15%-60%，最小不應小于8%，該項目設計旁向重疊度約為45%。像片傾斜角不大于5°，最大不超過12°，出現(xiàn)超過8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。

3? 數(shù)據(jù)生產(chǎn)

3.1 工作準備

收集測區(qū)相關可用資料用于參考，同時對作業(yè)人員進行技術(shù)交底，確保數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程規(guī)范、統(tǒng)一。

3.2 影像獲取

本項目于2019年11月組織開展無人機航飛，航測范圍為石長鐵路既有線全線兩側(cè)250米，縱向距離約為264公里。影像清晰、層次豐富、反差適中;能辯認出與航攝比例尺相適應的細小地物影像，能夠建立清晰的立體模型，能確保立體量測的精度。

3.3 外業(yè)像控測量

根據(jù)《1∶ 500? ?1∶ 1 000? ?1∶ 2000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（GB/T7931-2008）要求和及像控點設計經(jīng)驗，該項目航測1：2000帶狀地形圖，像控點采用GNSS方法測量，像控布點要求如下：

1、航線每分段布設不少于6個平高點;

2、航線首末端上下兩控制點布設在通過像主點且垂直于方位線的直線上;

3、航線中間兩控制點應布設在首末控制點的中線上;

4、鐵路沿線經(jīng)過大面積水域（如湘江、沅江等），航攝像主點可能落水，像控布點分開進行布設。

5、像控所選點位構(gòu)成的圖形以大致成矩形為宜，點位高差不宜過大，同時要照顧調(diào)繪面積。選用的地面像控點點位目標影像應清晰，易于判刺和立體量測。同時在影像清晰的明顯地物上，宜選在交角良好的細小線狀地物交點、明顯地物折角頂點、影像小于0.1m的點狀地物中心、高程變化較小的地方。

3.4 空中三角測量

以像片控制點、航測資料為依據(jù)，結(jié)合數(shù)碼航攝的POS數(shù)據(jù)加進行空三加密，獲得內(nèi)業(yè)測圖所需要的方位元素和加密點坐標等控制信息?？杖用懿捎肨rimble公司Inpho軟件的MATCH-AT模塊立體量測及解算。

整個流程包括資料準備、相對定向、粗差檢測與自動選點、絕對定向與區(qū)域網(wǎng)平差計算，經(jīng)統(tǒng)計，空三測量精度平面中誤差正負0.03m、高程中誤差正負0.09m，區(qū)域網(wǎng)平差計算后檢查連接點精度均按照設計要求。

3.5 數(shù)字正射影像制作

本項目DOM生產(chǎn)僅用于外業(yè)調(diào)繪，不做最終成果上交，屬過程產(chǎn)品。數(shù)字正射影像使用Trimble公司INPHO軟件進行批量生產(chǎn)，其中涉及MATCH-T、Ortho Master、Ortho Vista三個模塊功能。數(shù)字正射影像圖生產(chǎn)需要進行影像糾正、勻色及影像處理、影像鑲嵌、圖幅裁切等流程[6]。

3.6 數(shù)字地形圖立體采集

內(nèi)業(yè)在室內(nèi)參照可用的輔助資料，在立體影像模型下根據(jù)影像對比，進行要素判讀與采集（包括圖形和屬性），對難以確認的要素內(nèi)容進行標記;將內(nèi)業(yè)采集的整幅DLG數(shù)據(jù)及其疑問標記進行圖形輸出，并將對應圖幅的正射影像圖，一并提交給外業(yè)。內(nèi)業(yè)立體測圖作業(yè)主要步驟包括工作準備、定向建模、數(shù)據(jù)采集及圖形輸出。

3.7數(shù)字地形圖外業(yè)調(diào)繪及補測

按照《1∶500? ?1∶1000

1∶2000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（GB/T 7931-2008）的規(guī)定、相應的圖式要求要求進行野外調(diào)繪，將調(diào)繪結(jié)果標繪在外業(yè)工作底圖上，并對內(nèi)業(yè)立體測圖時無法或不能準確采集的要素進行補測和編輯。

3.8數(shù)字地形圖內(nèi)業(yè)編輯

基于外業(yè)調(diào)繪及補測成果，結(jié)合數(shù)字正射影像及專業(yè)數(shù)據(jù)資料，對內(nèi)業(yè)采集的地物、地貌要素數(shù)據(jù)進行類型、邊界、屬性的修改編輯、接邊，制作元數(shù)據(jù)等，經(jīng)過質(zhì)量檢查，形成滿足相關技術(shù)規(guī)定要求的數(shù)字地形圖成果。

3.9 成果精度

為了驗證成果DLG的精度，在成果圖上均勻選取 100個平面和高程檢查點，并用RTK實測同名點分別進行平面和高程值進行驗證。根據(jù)計算，平面點最大中誤差為0.98m，高程點最大中誤差為0.39m，精度滿足 《1∶ 500? ?1∶ 1 000? ?1∶2 000 地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》（GB/T15967—2008）中1：2000比例尺地物點和高程注記點在平地和丘陵地的要求。

4? 結(jié)語

隨著我國科學技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，我國無人機航空攝影測量技術(shù)也獲得了突飛猛進的進步，對于小型無人機來說，無論是飛行時間、飛行質(zhì)量，還是飛行技術(shù)都有了很大的突破，在帶狀地形圖測量中具有明顯優(yōu)勢[7]。將無人機航空攝影測量技術(shù)應用在鐵路測繪中，可大量節(jié)省野外測量人員工作量，降低測繪作業(yè)安全隱患，還能取得巨大的社會和經(jīng)濟效益，對推動測繪行業(yè)進步具有十分顯著的作用[8]。

參考文獻/References

[1]吳現(xiàn)興. 無人機攝影測量及數(shù)據(jù)處理技術(shù)在地質(zhì)災害應急調(diào)查中的應用—以婁底市婁星區(qū)杉山鎮(zhèn)同安村滑坡為例[J]. 國土資源導刊.2019，V.16;No.120（04）：65-68.

[2]陳莉. 基于低空無人機航攝系統(tǒng)試驗分析研究[J]. 國土資源導刊.2019，V.16;No.117（01）：25-29.

[3]張瑩，李星，王煥萍.無人機遙感技術(shù)在鐵路勘測設計中的應用[J].測繪標準化.2018（04）.

[4]周云.航空攝影技術(shù)在鐵路工程測量中的應用[J].鐵道工程學報.2006（01）.

[5]胡開全，張俊前.固定翼無人機低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域影像獲取研究[J].北京測繪.2011（03）.

[6]楊慧琴.無人機航測技術(shù)在基層測繪工作中的應用分析[J].北京測繪.2015（06）.

[7]李德仁.攝影測量與遙感的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].武漢測繪科技大學學報.2000（01）.

[8]卓寶熙.鐵路工程勘測技術(shù)的回顧、現(xiàn)狀與展望[J].鐵道工程學報.2007（01）.

*第一作者簡介：游儒意，男，1992年生，助理工程師，主要從事基礎測繪研究工作。E-mail： 904049307@qq.com。

收稿日期：2020-09-21; 改回日期：2020-10-15。