智能勘測(cè)技術(shù)在鐵路選線中的應(yīng)用研究

黃子懿 付盧萱

(1.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院 四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 四川成都 610031)

1 引言

隨著國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃鐵路建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，鐵路工程穿山越嶺已成常態(tài)，沿線地形高差顯著、板塊活動(dòng)強(qiáng)烈、山地災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境敏感，由此導(dǎo)致鐵路選線設(shè)計(jì)工作面臨巨大挑戰(zhàn)。鐵路勘測(cè)是鐵路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，貫穿了鐵路規(guī)劃、可研、初步設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)各個(gè)階段，勘測(cè)效率和質(zhì)量對(duì)鐵路線路的選線設(shè)計(jì)有重要影響。當(dāng)前鐵路勘測(cè)主要以使用GNSS-RTK＋全站儀的人工測(cè)量手段為主，存在勘察周期長(zhǎng)、人工工作量大、自動(dòng)化程度低、在復(fù)雜山區(qū)環(huán)境下開展勘測(cè)工作極為困難等問題，影響鐵路項(xiàng)目的進(jìn)展，壓縮了設(shè)計(jì)周期，進(jìn)一步影響整個(gè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

隨著測(cè)繪技術(shù)、裝備、軟件快速發(fā)展，當(dāng)前鐵路勘察已初步形成空、天、地一體化的數(shù)據(jù)采集和處理體系，鐵路勘測(cè)的成果質(zhì)量和作業(yè)效率顯著提升[1-2]。智能勘測(cè)為適應(yīng)鐵路勘察設(shè)計(jì)對(duì)三維數(shù)字化勘測(cè)成果的需求，綜合使用數(shù)字?jǐn)z影、激光雷達(dá)、傾斜攝影、水下地形測(cè)量船、無人機(jī)等新興測(cè)繪技術(shù)為主快速獲取大范圍三維空間數(shù)據(jù)[3-5]，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)化或半自動(dòng)化提取三維空間數(shù)據(jù)中的相關(guān)特征信息，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)聯(lián)合建模，快速生成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字化勘測(cè)產(chǎn)品，為鐵路二維、三維和BIM設(shè)計(jì)提供勘測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)[6]。因此，本文探討智能勘測(cè)在鐵路選線中的應(yīng)用，特別是在地形地質(zhì)條件復(fù)雜、大高差等困難環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以提高鐵路選線效率和成果質(zhì)量，為鐵路選線設(shè)計(jì)工作提供一定參考。

2 智能勘測(cè)技術(shù)

智能勘測(cè)新模式是在鐵路勘察設(shè)計(jì)中全面采用測(cè)繪新技術(shù)，并將智能勘測(cè)與智能設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，采用智能勘測(cè)手段實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集，深化智能勘測(cè)成果的應(yīng)用，部分替代或完全替代傳統(tǒng)勘測(cè)的相關(guān)工作，解決傳統(tǒng)鐵路勘測(cè)人力工作繁重、處理效率低下、質(zhì)量控制困難、產(chǎn)品形式固化的難題，實(shí)現(xiàn)外業(yè)工作航測(cè)化、內(nèi)業(yè)成果數(shù)字化、信息提取智能化、產(chǎn)品應(yīng)用服務(wù)化。

2.1 數(shù)據(jù)采集

近年來，以北斗導(dǎo)航定位技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)、無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)、移動(dòng)SLAM技術(shù)為代表的數(shù)據(jù)采集手段在鐵路勘察領(lǐng)域獲得了極大的推廣應(yīng)用，各技術(shù)手段主要功能及應(yīng)用描述見表1[7-9]。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)精密工程測(cè)量成果在成果提交時(shí)易造成文件發(fā)送錯(cuò)誤、成果數(shù)據(jù)更新不及時(shí)等問題，隨著激光雷達(dá)、傾斜攝影等新技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，生成的點(diǎn)云和實(shí)景模型數(shù)據(jù)量巨大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式已無法滿足高效數(shù)據(jù)管理應(yīng)用需求?；诙嘣纯臻g數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建技術(shù)及三維數(shù)據(jù)可視化展示與仿真技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，打造智能鐵路測(cè)量數(shù)據(jù)庫和地理信息服務(wù)平臺(tái)。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建庫是在數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)到基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的整理加工，生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)檢合格后的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的建庫管理，滿足后續(xù)數(shù)據(jù)管理應(yīng)用需求，如圖1所示。解決智能勘測(cè)數(shù)據(jù)的管理問題，在為各設(shè)計(jì)專業(yè)提供高質(zhì)量測(cè)量數(shù)據(jù)的同時(shí)提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)

智能勘測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式，數(shù)據(jù)和分析功能都由計(jì)算存儲(chǔ)中心的服務(wù)器以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)形式發(fā)布，在應(yīng)用終端無需任何其他數(shù)據(jù)庫、GIS等專業(yè)軟件，只需通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問服務(wù)器地址即可獲取數(shù)據(jù)和分析服務(wù)。在B/S模式下，無論是桌面端還是手機(jī)平板等移動(dòng)端，甚至一些專業(yè)設(shè)計(jì)軟件端，都能通過相同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口獲取對(duì)應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，有效提高了數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用的便捷性，降低了終端數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)的成本。

依托智能勘測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以為設(shè)計(jì)專業(yè)提供全方位的地理空間數(shù)據(jù)服務(wù)，打造勘測(cè)與設(shè)計(jì)既職責(zé)明確，又協(xié)同一體的新的工作模式。該方案通過開發(fā)形成高識(shí)別度、高容量、高現(xiàn)勢(shì)性的三維鐵路勘察數(shù)據(jù)庫，對(duì)海量勘測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)行集中統(tǒng)一管理，借助網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，參與項(xiàng)目的所有設(shè)計(jì)師無需安裝專業(yè)軟件、無需拷貝海量數(shù)據(jù)，直接通過開放的服務(wù)接口利用瀏覽器即可訪問所有勘測(cè)數(shù)據(jù)，滿足了扁平化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化勘測(cè)設(shè)計(jì)需求[10-12]。

3 鐵路選線中的應(yīng)用

3.1 虛擬踏勘

虛擬踏勘在智能勘測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)上進(jìn)行，線、橋、地、站、隧等各專業(yè)能直觀地在三維場(chǎng)景中進(jìn)行方案瀏覽和比選，通過大數(shù)據(jù)平臺(tái)輔助本專業(yè)定線工作，有效地降低了外業(yè)踏勘的人力和時(shí)間投入，提高了踏勘的效率，如圖2所示[13-15]。

3.2 無人機(jī)輔助踏勘

對(duì)于室內(nèi)虛擬踏勘無法完全看清的工點(diǎn)，需要實(shí)地踏勘。實(shí)地踏勘采用無人機(jī)航拍配合，踏勘效率和質(zhì)量得到大幅提高，踏勘結(jié)果可回溯、真實(shí)留存，極大幫助了設(shè)計(jì)人員了解工程現(xiàn)場(chǎng)情況。

3.3 控制因素測(cè)量

道路、房屋、水系等各種影響線路設(shè)計(jì)的控制因素的測(cè)量，綜合采用立體影像、激光點(diǎn)云和傾斜攝影等智能勘測(cè)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行內(nèi)業(yè)掃描，內(nèi)業(yè)較難判識(shí)或遮擋嚴(yán)重部分由外業(yè)實(shí)測(cè)[16-17]。

3.4 中線和斷面測(cè)量

粗縱斷面:利用DEM模型自動(dòng)生成，快速反饋，輔助穩(wěn)定線位。

精縱斷面:內(nèi)業(yè)提取、外業(yè)補(bǔ)充，河流、水塘、高等級(jí)公路跨點(diǎn)及既有線等位置由外業(yè)實(shí)測(cè)。

精橫斷面:采用“內(nèi)業(yè)采集＋外業(yè)實(shí)測(cè)“的作業(yè)方式，大部分?jǐn)?shù)據(jù)通過內(nèi)業(yè)獲取，河流、水塘、高等級(jí)公路跨點(diǎn)及既有線等位置由外業(yè)實(shí)測(cè)，如圖3所示。

3.5 房屋拆遷調(diào)查及測(cè)量

定測(cè)前對(duì)全線主要房屋密集區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影并完成傾斜建模，由線站和勘察專業(yè)室內(nèi)在傾斜模型上進(jìn)行房屋量測(cè)工作，后期線站專業(yè)只需拿平板進(jìn)行入戶調(diào)查和少量補(bǔ)測(cè)即可完成工作。

3.6 不良地質(zhì)調(diào)查

通過傾斜模型，幫助地路專業(yè)識(shí)別不良地質(zhì)體。在沒有傾斜模型的情況下，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合正射影像幫助地質(zhì)專業(yè)識(shí)別不良地質(zhì)體。對(duì)于內(nèi)業(yè)判識(shí)不清的可疑點(diǎn)，采用無人機(jī)航拍輔助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。

3.7 通防調(diào)查

基于激光點(diǎn)云、傾斜攝影實(shí)景三維模型可以快速、高效確定高壓電塔角點(diǎn)位置，結(jié)合原始影像可以判別線路走向，對(duì)同一條線路內(nèi)電塔進(jìn)行識(shí)別、提取并確認(rèn)電塔屬性信息?；诩す恻c(diǎn)云可以高精度測(cè)量鐵塔風(fēng)車、高度及跨線路處高壓線最低點(diǎn)距軌面標(biāo)高等信息。

4 工程應(yīng)用

在某鐵路工程中，線路經(jīng)過區(qū)域地形總體上呈現(xiàn)兩端低、中間高的形態(tài)，地貌以丘陵區(qū)、山地為主。該工程采用智能勘測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)勘測(cè)手段進(jìn)行對(duì)比，見表2。傳統(tǒng)勘測(cè)以GNSS-RTK＋全站儀為普遍測(cè)量手段，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)投入大量人力(測(cè)量和專業(yè)技術(shù)人員)開展實(shí)地踏勘調(diào)查和數(shù)據(jù)采集的勞動(dòng)密集型作業(yè)。智能勘測(cè)充分利用無人機(jī)結(jié)合激光雷達(dá)、傾斜攝影、北斗導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)等新興測(cè)繪手段和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速獲取大范圍三維空間數(shù)據(jù)，形成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字化勘測(cè)產(chǎn)品，為鐵路工程項(xiàng)目的BIM和智能化設(shè)計(jì)提供勘測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)，將勘測(cè)階段大量作業(yè)人工用新技術(shù)、新方法解放出來，目前鐵路勘測(cè)由外業(yè)轉(zhuǎn)向內(nèi)業(yè)的工作內(nèi)容，如橫斷面、縱斷面、控制因素掃描、工點(diǎn)圖制作等工作基本由外業(yè)轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)處理。

表2 傳統(tǒng)勘測(cè)與智能勘測(cè)工作對(duì)比

5 結(jié)束語

隨著鐵路勘察設(shè)計(jì)向著數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，智能勘測(cè)綜合使用數(shù)字?jǐn)z影、激光雷達(dá)、傾斜攝影、水下地形測(cè)量船、無人機(jī)等新興測(cè)繪技術(shù)快速獲取大范圍三維空間數(shù)據(jù)，為鐵路二維、三維和BIM設(shè)計(jì)提供勘測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)新模式。本文在實(shí)際的鐵路勘測(cè)項(xiàng)目中，通過傳統(tǒng)勘測(cè)和智能勘測(cè)的對(duì)比，表明智能勘測(cè)能有效提高勘測(cè)成果質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期，在極復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)環(huán)境下優(yōu)勢(shì)顯著，在鐵路選線中具有廣闊的應(yīng)用前景。