攝影測量與遙感技術在城市軌道交通工程建設中的應用

王磊 陸力

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300000）

1 引言

城市軌道交通作為城市重要交通基礎設施，已成為城市建設和運營的生命線，深刻影響著整個城市形態(tài)的發(fā)展與演化，即沿線物理空間上將匯集越來越多極具經(jīng)濟價值的重要建（構）筑物，連同軌道交通自身一道形成城市最主要的固定資產(chǎn)。同時，地鐵大規(guī)模建設和其他城市化快速進程也產(chǎn)生一種自然與人為共同作用下的新型城市綜合環(huán)境問題。

本文以攝影測量與遙感技術為切入點，應用航空攝影測量、傾斜數(shù)字航空攝影、D-InSAR、三維激光掃描等技術，解決城市軌道交通工程建設中使用傳統(tǒng)測量方法耗時長、作業(yè)困難的問題。傳統(tǒng)測量方法投入的人力和資金量大、效率低、數(shù)據(jù)定位精度低、現(xiàn)勢性差，與傳統(tǒng)測量方法相比，攝影測量與遙感技術在上述幾個方面擁有獨特優(yōu)勢[1]，具體特點如下：

（1）大面積同步觀測：遙感探測能在較短時間內，從空中對大范圍地區(qū)進行對地觀測，并從中獲取有價值的影像數(shù)據(jù)。（2）時效性、周期性：獲取信息的速度快、周期短，能及時獲取所經(jīng)地區(qū)的最新資料，或根據(jù)新舊資料變化進行動態(tài)監(jiān)測，在航攝過程中可實行即時重拍、軌跡回放、分析漏拍等。（3）數(shù)據(jù)綜合性、可比性和約束性：能動態(tài)反映地面事物的變化，遙感探測能按照一定周期對同一地區(qū)重復觀測，有助于人們通過獲取的遙感數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并動態(tài)跟蹤地表變化。（4）準確度高：無人機航空攝影是數(shù)字通信技術、攝像機、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)設備等先進技術和設備的集合，各種設備技術的發(fā)展和系統(tǒng)整體集成技術相對成熟，可獲取超高分辨率數(shù)字影像和定位數(shù)據(jù)。（5）操作簡單方便：無人機航空攝影適于低空飛行，受天氣因素影響較小，對起降場地要求低，機動靈活，可快速到達測區(qū)。（6）安全有保障：無人機航空攝影非載人飛行，進入高危地域測繪數(shù)據(jù)可大大減少危險性。

2 航空攝影測量

航空攝影測量（aerial photogrammetry）是指在飛機上搭載高清數(shù)碼相機、DGPS、IMU 等設備進行測量。高清攝像機用于獲取地面一定分辨率的影像數(shù)據(jù)，DGPS 和IMU 設備用于后處理或者實時獲取相機的飛行位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)。通過兩張像片里的同名點進行前方交會即可得到地面點的三維測量坐標。航空攝影測量技術憑借快速、準確、效率高的特點被廣泛應用于地鐵建設里帶狀地形圖測繪和地鐵保護區(qū)巡護中。

2.1 帶狀地形圖

城市軌道交通建設周期中的設計、勘察、巖土、水文、地質、施工等均需要以地鐵線路沿線帶狀地形圖為設計底圖和勘察參考圖紙，且?guī)畹匦螆D需具有較強的現(xiàn)勢性和準確性。使用航空攝影技術制作帶狀地形圖具有定位精度高、觀測時間短、操作簡便等特點，大大降低了工作量，提高了測量點位精度和作業(yè)效率。

無人機航空攝影制作帶狀地形圖過程有飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)處理、地形圖制作三個階段，主要內容如下：

（1）檢查無人機、航攝儀等儀器設備的工作狀態(tài)，按照預先規(guī)劃的航線完成外業(yè)航飛工作。然后對數(shù)據(jù)進行質檢，檢查是否存在像片模糊、漏拍、重疊度不足、旋偏角或傾角過大、航線偏離過大等影響成圖精度的問題。如果需要補飛，需制定補飛方案，開展補飛作業(yè)。 （2）像控點測量可采用網(wǎng)絡RTK 進行測量，測量時所采用的參數(shù)覆蓋范圍必須包含像控點分布范圍，每個像控點需分不同的時段進行兩次數(shù)據(jù)采集，取兩次平均值作為像控點最終值。

（3）攝影數(shù)據(jù)可使用隨無人機配備的商用軟件進行空三加密處理，首先對航飛的像片進行質檢，對不滿足要求的像片要進行分析檢查，判斷其像主點是否落水，對于旋偏角過大的像片進行刪除。

（4）數(shù)字線劃圖制作。數(shù)據(jù)采集采用先內業(yè)采集后外業(yè)調繪的作業(yè)方法，先在室內按立體模型全要素采集數(shù)據(jù)，對立體模型清楚的地物、地貌要素準確無遺漏地采集，再套合DOM 回放出圖后進行野外檢核和補充調查，最后進行內業(yè)修改和采集，各要素相對位置應正確，并能準確反映各要素的分布特點及密度特征。另外，也可利用航空攝影像片，通過影像預處理、數(shù)字空中三角測量、數(shù)字高程模型制作、數(shù)字正射影像制作、專題處理整飾完成城市軌道交通沿線DOM 制作。

2.2 地鐵保護區(qū)巡護

地鐵是城市的重要交通設施，在地鐵線路沿線開展安全巡護，獲取并分析有關影像數(shù)據(jù)，判斷地鐵結構的安全狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應措施，在確保地鐵運營安全的同時，解決了人工巡護周期長、頻率低等問題，利于違規(guī)施工取證、留存工作。從運營管理角度分析，開展安全巡護，能夠掌握即時數(shù)據(jù)，預防重大安全事故，依據(jù)現(xiàn)場具體情況對地鐵進行維護，對節(jié)約運營成本同樣具有重要意義。

通過對地鐵線路的安全巡護可以達到以下目的： （1）掌握周邊環(huán)境及沿線各工點的施工對地鐵安全的影響程度，為地鐵管理單位提供支持。（2）堅持現(xiàn)場安全巡護日常化，為軌道交通結構提供安全保障。（3）通過信息反饋進行安全預測，在加強安全運營控制的同時減少投資，且使工程始終處于安全可控狀態(tài)。（4）為后續(xù)相關工程設計、施工提供資料。

通過航拍采集的高清視頻圖像信息，能夠根據(jù)地鐵沿線安全巡護需要清晰記錄地鐵沿線的地形地貌、房屋道路、保護設施等信息，及時發(fā)現(xiàn)線路周圍的環(huán)境變化，對影響地鐵結構安全的因素進行準確定位，為快速響應和決策提供有利依據(jù)，爭取寶貴時間。

3 傾斜數(shù)字航空攝影

傾斜數(shù)字航空攝影是航空攝影測量的一種應用方向，只在搭載的航攝儀上有區(qū)別，傾斜數(shù)字航空攝影是在無人機平臺上搭載傾斜數(shù)字航攝儀。

傾斜航空攝影數(shù)據(jù)具有多視角、高重疊度、頂面和側面紋理豐富等特點[2]，通過成熟的處理軟件能夠在航片數(shù)據(jù)獲取后快速生產(chǎn)帶真實紋理信息的高精度三維模型[3]。主要處理流程包括遙感影像預處理、數(shù)字空中三角測量、三維重建、三位一體化模型、空間地理要素提取、三維單體模型等。輸出的成果為用戶提供基礎模型數(shù)據(jù)，包含不同細節(jié)層次。在城市軌道交通建設中，對建設范圍內的主要道路、建筑、市政設施等建立三維模型，為城市軌道交通的規(guī)劃、建設、管理提供虛擬可視化的數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)對現(xiàn)狀及規(guī)劃方案三維化、實景化、標準化和數(shù)字化的疊加顯示[4]。

4 三維激光掃描

隧道的形變監(jiān)測對隧道施工及運營安全具有重要意義，目前隧道的監(jiān)測方法主要是在隧道壁上埋點，利用全站儀、斷面儀、收斂儀、自動測量機器人等儀器進行監(jiān)測。全站儀搬站式測量適于變形速度小、荷載變化較小、不要求實時性的工程。傳感器監(jiān)測具有實時性特點，通過在隧道壁安放位移計、收斂計傳感器等來測量安放點的相對形變量，從而實現(xiàn)隧道變形監(jiān)測。隨著全自動測量機器人的出現(xiàn)，測量機器人正在慢慢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全站儀，實時、自動監(jiān)測。隨著三維激光掃描技術的發(fā)展，可利用三維激光掃描儀快速獲取隧道斷面數(shù)據(jù)。

現(xiàn)有的收斂計、全站儀等形變監(jiān)測手段僅能獲取部分單點數(shù)據(jù)，難以全面反映隧道整體形變特征。三維激光技術可在短時間內全面獲取變形監(jiān)測對象的整體表面點云信息，通過對點云數(shù)據(jù)的處理提取中軸線，沿隧道中軸線等間隔連續(xù)截取隧道斷面，并對截取的斷面擬合橢圓，分析擬合出的長、短半軸與設計半徑的差異，最后針對差異較大的斷面找出形變量較大的點位[5]。利用三維激光掃描技術監(jiān)測隧道斷面，精度高、覆蓋全面，豐富的高精度點云數(shù)據(jù)能準確反映隧道斷面變化，為地鐵結構安全分析提供數(shù)據(jù)支撐。

5 D-InSAR 技術

合成孔徑雷達干涉測量（D-InSAR）技術是采用差分干涉技術獲取地面微小變化，當兩次成像期間地面發(fā)生微小形變時，將地形相位、平地相位、大氣延遲相位等從相位中去除，得到監(jiān)測區(qū)域的地表形變信息[6]。作為一種新型空間大地測量技術，D-InSAR 具有全天時、全天候、目標范圍廣的觀測能力，能獲取高精度、高分辨率、大范圍的地表形變信息，且不需要地面控制點。將這種新技術引入城市軌道交通工程，可準確監(jiān)測大范圍的地面沉降變化。

對于城市軌道交通工程中的長距離地下隧道、橋梁及地下深基礎工程，建設階段受到土體開挖、降水、打樁等影響，處于應力平衡狀態(tài)的地質環(huán)境遭到破壞，引起圍巖的垂直和水平位移變化，導致工程環(huán)境發(fā)生變形；在運營階段，由于過度抽取地下水、地下凍融及地上建筑物荷載的增加，形成城市沉降漏斗區(qū)和沉降帶。當有軌道穿越時，軌道結構在沉降區(qū)內、外的沉降量不一致，長期積累會產(chǎn)生嚴重的豎向不均勻變形，影響城市軌道交通線路的運營安全。開展城市軌道交通工程建設和運營期間的變形監(jiān)測，及時掌握工程及其周圍可能產(chǎn)生變形的區(qū)域及對象至關重要。

傳統(tǒng)的精密水準觀測和GPS 觀測存在測點分布稀疏、作業(yè)周期長、勞動強度大的問題，難以實時、客觀反映日益擴大的區(qū)域性地面沉降變化趨勢。D-InSAR技術具有非接觸測量、無需布設監(jiān)測控制網(wǎng)、效率高、精度高、覆蓋范圍廣、空間分辨率高、不受天氣影響等特點，將該技術引入城市軌道交通領域，可有效彌補傳統(tǒng)測量方法的缺陷，進一步完善已有的軌道交通地面沉降監(jiān)測技術體系。

6 結語

城市軌道交通的快速發(fā)展需要引進先進的測量技術和方法。與傳統(tǒng)的測量手段相比，攝影測量與遙感技術能夠及時、準確、快速地反映城市軌道交通沿線的地表信息，可為城市管理的決策工作提供重要支持。