傳統(tǒng)航測(cè)結(jié)合傾斜攝影測(cè)量在大比例尺鐵路帶狀地形圖中的應(yīng)用

羅芬劉明

【摘要】針對(duì)鐵路帶狀大比例尺測(cè)圖的要求，本文討論如何利用傳統(tǒng)航測(cè)與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的方式獲取高分辨率影像、三維傾斜模型構(gòu)建以及完成高精度地形圖的生產(chǎn)。首先根據(jù)測(cè)區(qū)情況分析采取何種技術(shù)方法，像控點(diǎn)布設(shè)方案、航線規(guī)劃設(shè)計(jì)、空中三角測(cè)量要點(diǎn)分析、數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)采集效率提升分析；根據(jù)野外實(shí)地打檢查點(diǎn)與內(nèi)業(yè)采集完成的數(shù)字化地形圖進(jìn)行精度比對(duì)，精度比對(duì)表明采用該技術(shù)不僅滿足1：1000大比例尺帶狀地形圖的生產(chǎn)，為山區(qū)、丘陵地區(qū)數(shù)字化帶狀地形圖生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】傳統(tǒng)航測(cè)；傾斜攝影測(cè)量；三維傾斜模型；空中三角測(cè)量；數(shù)字化地形圖

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.093

1、概述

根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、交通運(yùn)輸部、國(guó)家鐵路局、中國(guó)鐵路總公司聯(lián)合發(fā)布《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》的總體部署，全國(guó)鐵路將分步推進(jìn)和基本完成客車徑路普速線路安保區(qū)劃定任務(wù)目標(biāo)。計(jì)劃開展線路用地圖測(cè)繪和安全保護(hù)區(qū)平面圖繪制工作。鑒于鐵路運(yùn)營(yíng)線處于全線封閉狀態(tài)，列車運(yùn)行速度快，且鐵路全線有山區(qū)、丘陵、城鎮(zhèn)等復(fù)雜地形，若采用全野外人工實(shí)測(cè)地形圖；第一，存在很大的安全隱患。第二，施測(cè)困難，作業(yè)周期長(zhǎng)。為了避免出現(xiàn)生產(chǎn)安全事故，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，本項(xiàng)目特采用無人機(jī)低空攝影測(cè)量的方式進(jìn)行作業(yè)；其中，全線路原測(cè)上采用無人機(jī)航空攝影方式取締傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)方式，在無人機(jī)無法兼顧的區(qū)域（限飛區(qū)和禁飛區(qū)）采用傳統(tǒng)的常規(guī)地形測(cè)量作業(yè)方式。

2、項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于廣東省境內(nèi)，整個(gè)區(qū)域跨越龍川縣、梅州市，全路段為客貨共線鐵路，采用標(biāo)準(zhǔn)間距的有砟軌道和有縫鋼軌鋪設(shè)，尚未實(shí)現(xiàn)電氣化。線路示意圖如圖1。

3、實(shí)施方案

3.1 無人機(jī)航空攝影

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的地形地貌、近期天氣情況，向所管轄的民航管理部門申請(qǐng)航空攝影空域。同時(shí)根據(jù)成果要求進(jìn)行野外探勘并進(jìn)項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目場(chǎng)站及村莊地區(qū)采用多旋五鏡頭傾斜攝影測(cè)量方法、場(chǎng)站外無人煙區(qū)域采用固定翼行傳統(tǒng)航測(cè)的方法。

3.1.1實(shí)地踏勘

獲取測(cè)區(qū)范圍后，需進(jìn)行實(shí)地踏勘，了解測(cè)區(qū)概況及地形地貌，尋找合適的起飛場(chǎng)地以便規(guī)劃航線時(shí)有效規(guī)避場(chǎng)地周邊較高的地物，確保航飛安全。

3.1.2像控點(diǎn)預(yù)布設(shè)

基于GoogleEarth衛(wèi)星影像，其中1：500比例尺的場(chǎng)站附近以150-200m間距，1：1000比例尺的鐵路線路以500-1000m間距，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的合適位置預(yù)先布設(shè)像控點(diǎn)，且像控點(diǎn)按“S”型方式布設(shè)。在施測(cè)過程中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整點(diǎn)位。

3.1.3像控點(diǎn)量測(cè)

根據(jù)相控預(yù)選點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，若實(shí)地水泥硬化的地方，則選擇噴漆的方式制作地面標(biāo)識(shí)，如實(shí)地沒有硬化地表的地方則選擇利用標(biāo)靶的形式制作地面標(biāo)識(shí)。

3.1.4分區(qū)及航線設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)區(qū)地形地貌進(jìn)行分區(qū)，測(cè)區(qū)屬于帶狀測(cè)區(qū)，分區(qū)原則主要根據(jù)地形高差、線路拐彎大小進(jìn)行分區(qū)。由于測(cè)區(qū)全線有山川、河流、村莊、城鎮(zhèn)、場(chǎng)站等，本次主要采取分區(qū)塊、和分區(qū)段兩種方式進(jìn)行分區(qū)。場(chǎng)站主要采取區(qū)塊的形式分區(qū)進(jìn)行傾斜攝影，鐵路路線主要采用區(qū)段的形式分區(qū)進(jìn)行正射攝影，航線飛行方向選擇東西方向飛行，部分區(qū)域也采用了南北方向飛行。本次飛行正射航向重疊度為70%，旁向重疊度為60%；傾斜攝影航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%。

3.1.5影像數(shù)據(jù)檢查及預(yù)處理

（1）正射地面分辨率優(yōu)于8cm，傾斜攝影地面分辨率為1.5cm

（2）通過目視觀察，確保影像質(zhì)量影像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致。有較豐富的層次、能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，滿足數(shù)據(jù)生產(chǎn)要求。

（3）由于不同的飛行天氣和不同飛行時(shí)段等原因，則會(huì)引起不同飛行架次之間的影像曝光度不均勻，明亮度不均勻等，在進(jìn)行空中三角測(cè)量前應(yīng)對(duì)照片進(jìn)行飽和度及亮度調(diào)整。

3.1.6解析空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是利用航攝相片與所攝目標(biāo)之間的空間幾何關(guān)系，利用共線方程根據(jù)少量相片控制點(diǎn)計(jì)算待求點(diǎn)的平面位置、高程和相片外方位元素，通過已知相片控制點(diǎn)推算未知點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)平差如公式1，完成空間位置坐標(biāo)系的傳遞任務(wù)。

本次飛行設(shè)備自帶ppk動(dòng)態(tài)后處理系統(tǒng)，通過ppk解算的POS數(shù)據(jù)可大大提高空三加密精度。

（1）資料準(zhǔn)備

a.航攝資料：原始照片影像，ppk動(dòng)態(tài)后處理解算的POS數(shù)據(jù)，相機(jī)參數(shù)；

b.其他資料：像控點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，已知像控點(diǎn)照片。

（2）空三加密

對(duì)于面積較大、照片數(shù)量較多的區(qū)域，需根據(jù)實(shí)際情況劃分子區(qū)，對(duì)每個(gè)子區(qū)進(jìn)行空三加密，然后需對(duì)各個(gè)相鄰分區(qū)進(jìn)行接邊檢查，調(diào)整誤差較大的連接點(diǎn)，重復(fù)接邊檢查和連接點(diǎn)調(diào)整操作，直至接邊誤差滿足精度要求，最后檢查空三加密成果是否符合要求。

3.1.7傾斜三維模型、立體相對(duì)構(gòu)建

本項(xiàng)目采用Context Capture Master軟件構(gòu)建場(chǎng)站的三維模型，Pix4D構(gòu)建鐵路線路的立體像對(duì)和正射影像。傾斜三維模型構(gòu)建流程如圖2，立體相對(duì)構(gòu)建流程如圖3。

3.2 數(shù)字化地形圖測(cè)繪

3.2.1立體采集

（1）場(chǎng)站部分：利用傾斜攝影測(cè)量方法測(cè)制1：500地形圖，按照1：500的地形圖采集技術(shù)規(guī)范，采集鐵路要素及附屬設(shè)施、房屋、水系、地形地貌等要素如圖4。

（2）場(chǎng)站外其他線路部分：通過Pix4d軟件構(gòu)建鐵路線路空三加密，空三加密生成立體測(cè)圖工程進(jìn)行立體采集，按照1：1000的地形圖采集技術(shù)規(guī)范，采集鐵路設(shè)施要素、房屋、水系要素、地形地貌等要素如圖5。

3.2.2外業(yè)調(diào)繪

內(nèi)業(yè)定位外業(yè)定性，針對(duì)立體相對(duì)采集的圖形打印圖紙進(jìn)行野外調(diào)繪。外業(yè)調(diào)繪主要調(diào)繪的內(nèi)容包括房屋結(jié)構(gòu)、層數(shù)，陽臺(tái)、飄樓及房檐情況；百米標(biāo)、公里樁、曲線碑位置和屬性，信號(hào)燈屬性，隧道口名稱，管線（電力線和通訊線）連線，植被信息，溝渠流向和道路的鋪設(shè)材料。

3.2.3地圖編輯整飾

（1）為保證地形圖各要素的清晰，各符號(hào)間的距離不應(yīng)小于0.2mm。

（2）道路虛實(shí)邊線遵循陽光陰影法則。

（3）建筑區(qū)內(nèi)電力線、通訊線不連線，只在桿架處繪出連線方向，郊外采用連線表示。

（4）雙線道路與房屋、圍墻邊線重合時(shí)，可以建筑物邊線代替路邊線。

（5）水涯線與陡坎重合時(shí)，可用陡坎邊線代替水涯線。

（6）圖幅接邊時(shí)，地物平面位置及等高線接邊較差一般不得大于地形圖基本精度規(guī)定的相對(duì)中誤差的2倍。

3.2.4鐵路數(shù)字化地形圖分幅與編號(hào)

（1）數(shù)字化地圖分為車站用地圖、區(qū)間用地圖。

（2）車站、區(qū)間用地圖應(yīng)分線名、按線路里程增長(zhǎng)方向分幅，并以此順序編號(hào)；

（3）車站根據(jù)車站進(jìn)出站信號(hào)燈位置單獨(dú)分幅，車站用地圖一般每個(gè)車站為一幅圖。

（4）區(qū)間用地圖圖幅寬度采用841mm，按照4-5km長(zhǎng)度分幅。

3.2.5圖幅接邊

圖幅接邊原則：相鄰圖幅采取西北接邊。相鄰圖幅接邊應(yīng)采用“捕捉”方式，進(jìn)行圖廓線上端點(diǎn)的精度連接。線要素以及面要素既要進(jìn)行圖形、幾何位置、屬性接邊。

3.2.6禁飛區(qū)以及內(nèi)業(yè)無法判別地物補(bǔ)測(cè)

（1）針對(duì)禁飛區(qū)域采用了傳統(tǒng)測(cè)量的作業(yè)方式進(jìn)行地形圖測(cè)繪。

（2）由于項(xiàng)目實(shí)施為夏季，植被茂盛，需對(duì)內(nèi)業(yè)采集時(shí)辨別不清標(biāo)記為“A”的地物進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)。

（3）禁飛區(qū)域采取全野外實(shí)測(cè)。

4、精度檢查結(jié)果

地物點(diǎn)平面精度檢查：

在實(shí)地圖根點(diǎn)位置，對(duì)有條件設(shè)站區(qū)域內(nèi)的房角、圍墻點(diǎn)設(shè)站采集數(shù)據(jù)。共檢測(cè)點(diǎn)位2247個(gè)，將這些點(diǎn)位的數(shù)據(jù)與電腦中提取的圖面對(duì)應(yīng)點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)高精度檢測(cè)中誤差公式M=計(jì)算出平面點(diǎn)位中誤差為±4.6cm。

5、主要技術(shù)問題和處理方法

5.1 帶狀航線規(guī)劃

航線規(guī)劃主要有測(cè)區(qū)和測(cè)段兩種方式形式，針對(duì)鐵路存在諸多拐角的帶狀地形，采用測(cè)段模式顯然更為合理，但地面站軟件規(guī)劃航線時(shí)測(cè)段模式是在測(cè)區(qū)的模式下對(duì)航線進(jìn)行精簡(jiǎn)，雖減少了非必要航線的產(chǎn)生，節(jié)省了飛行時(shí)間，提高了作業(yè)效率，但也導(dǎo)致了無人機(jī)拍照時(shí)姿態(tài)不穩(wěn)定的情況，影響照片質(zhì)量甚至后期數(shù)據(jù)建模。

解決方案：為保證無人機(jī)拍照時(shí)處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)，在軟件自動(dòng)生成的航線基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)彎過急、過大的區(qū)域添加必要的非拍照航路點(diǎn)、設(shè)置預(yù)轉(zhuǎn)彎，方便調(diào)整無人機(jī)的進(jìn)場(chǎng)方向和姿態(tài)，保證照片質(zhì)量。

5.2 鐵路設(shè)施要素調(diào)查

鐵路線路上存在百米標(biāo)、公里樁等多種標(biāo)識(shí)，在：11000的影像中呈現(xiàn)為大小類似的小白點(diǎn)，內(nèi)業(yè)體力采集時(shí)無法區(qū)分各種標(biāo)識(shí)的相關(guān)屬性。鐵路設(shè)施要素位于運(yùn)營(yíng)線內(nèi)，時(shí)有火車通過，車速較快，采用實(shí)地調(diào)繪的方式不僅會(huì)危害火車的運(yùn)營(yíng)安全，還會(huì)給自身的人生安全帶來危險(xiǎn)。

解決方案

（1）無人區(qū)域

為保障作業(yè)員的人生安全，采用作業(yè)員乘坐火車，手持高像素的手機(jī)錄制視頻的方式獲取鐵路線路的真實(shí)情況，利用各種標(biāo)識(shí)周邊地物判斷標(biāo)識(shí)的大致位置，內(nèi)業(yè)采集人員通過比對(duì)正射影像和三維模型與視頻中地物的相似程度，選取相似程度最高的位置作為各種不同類型的鐵路設(shè)施要素，從而確定各種鐵路設(shè)施要素的位置及相關(guān)屬性。

（2）場(chǎng)站和有村莊的路段

采用按原比例尺放大1.5倍打印圖紙進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)繪，根據(jù)外業(yè)調(diào)繪圖紙與正射影像和三維模型比對(duì)確定公里標(biāo)和百米標(biāo)位置。

結(jié)語：

本文主要介紹了傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在鐵路帶狀地形圖生產(chǎn)中的具體流程，針對(duì)場(chǎng)站和村莊區(qū)域采用傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)方法生產(chǎn)數(shù)字化地形圖，場(chǎng)站、村莊外的無人區(qū)域采用正射的方法生產(chǎn)數(shù)字化地形圖。通過兩種不同的技術(shù)方法的相結(jié)合，以及對(duì)項(xiàng)目區(qū)地形圖成果精度檢查分析，發(fā)現(xiàn)采用兩種方法相結(jié)合在不同比例尺中的成圖精度均滿足要求，體現(xiàn)了不同區(qū)域利用不同技術(shù)方法不僅滿足相應(yīng)的精度要求，并且大大的提高效率，為長(zhǎng)距離跨越丘陵、山區(qū)線狀工程基礎(chǔ)資料的獲取、數(shù)字化鐵路的建設(shè)提供技術(shù)支撐。

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