倾斜摄影三维实景在铁路勘察设计中的应用

作为三维可视化大场景的基础，倾斜摄影测量技术实现了铁路工程空间数据的直观化和可视化。基于倾斜摄影测量技术的野外控制点布设方案作为三维模型精度控制的关键步骤，目前尚未制定相关技术标准。

基于某铁路建立试验区设计了14种像控点布设方案，对不同方案的空中三角测量精度和模型精度进行分析，总结出最优像控点布设方案。此外，以多个铁路工程应用为例，探讨倾斜三维实景模型在铁路工程不同阶段的实际应用，表明采用倾斜实景模型有效提高了铁路勘察设计的精度与效率，可在后续工程实践中广泛使用。

中铁第一勘察设计院集团有限公司测绘地理信息工程技术研究院（中铁一院测研院）成立于1970年，是国内最早将航测技术成功应用于铁路、公路、管线勘察设计及市政规划设计的单位之一。依托中铁一院的整体实力，经过50多年的蓬勃发展，生产领域不断拓展和延伸，产品科技含量大幅提升，在全数字摄影测量、三维激光扫描、精密工程测量、遥感技术应用、智能监测系统、地理信息系统、三维实景建模及景观漫游仿真等方面具有强大实力。近二十年来累计完成青藏铁路、川藏铁路、西成客专、银西客专、尼日利亚、几内亚等国内外铁路三百余项。

此次试验测区位于西安至武汉高铁西安至十堰段蓝田县附近,试验区位于关中平原,地形较平坦,地势开阔,地形等级为Ⅰ级。试验区交通便利,村庄、地物较多,无高层建筑。本次试验区采用CGCS2000国家大地坐标系,高程基准采用1985国家高程基准,数据处理采用TM投影,中央子午线108°,投影面大地高程0m。

根据试验区地形及天气条件选用科威泰KWTX6L电动多旋翼无人机作为飞行平台,搭载睿铂Riy-DG4倾斜五镜头相机,获取2cm分辨率的倾斜影像。

试验设计航线12条,航向基线70条,航高180m,航向重叠度75%,旁向重叠度60%。根据已有正射航空影像制作测区的正射影像进行像控点选点与布设,像控点按照航向5条基线、旁向隔两条航线的方式布设,测区内共布设平高像控点110个,均匀布设在村庄屋顶拐角、平坦道路或道路交叉处及田地中,像控点覆盖整个测区。图像采集时间为2018年9月,飞行时选择明亮的多云天气,正午时刻进行。

常用的像控点平面测量一般采用GNSS静态或快速静态相对定位、GNSS精密单点定位或GNSS-RTK测量的方式;高程测量一般采用GNSS水准高程拟合、GNSS高程测量或GNSS-RTK测量的方式进行。本次试验中采用GNSS-RTK测量的方式获取测区110个地面控制点的平面及高程坐标。

参照规范要求分别设计三类像控点布设方案:

(1)沿测区四周均匀布设;

(2)规则航线、基线间隔布设;

(3)分布式五点法。

为了分析不同像控点布设方案对模型成果的精度影响情况，综合考虑测区地形与建筑物密集程度，设计如下图中的14种像控点布设方案，采用各方案进行区域网平差计算，利用多余的地面控制点作为检查点对空三结果精度进行统计分析。

空中三角测量结果的精度由野外测量的多余控制点作为检查点来进行评定,通过空三加密后点的坐标值与野外量测检查点坐标的差值进行评价。当前针对倾斜摄影空中三角测量精度暂无明确规范要求,根据TB10050—2010《铁路工程摄影测量规范》对内业空三加密成果的规定,平地地形采用1∶500比例尺时平面及高程精度指标如表1所示。

试验选择了目标清晰、定位准确的45个检查点及采用的定向点分别对空三结果的平面及高程精度进行统计,计算其平面及高程最大残差。不同方案的定向点和检查点平面和高程最大残差如表2所示。

由于控制测量和空三测量的误差累积,平面点位精度较高程精度高。从表2可以看出,在区域四角布设4个平高控制点时测区检查点平面误差即可满足限差要求,因此本文对平面精度不深入讨论。高程精度方面,在方案k的布设情况下,检查点的最大高程残差满足规范要求。其中,方案k-方案n的检查点高程误差如下图所示。

三维模型数据生产是空三解算的后续流程,模型构建完成之后,便可得到直观的三维数据模型。三维模型的整体模型精度主要是以测图中的点位精度进行评价,点位精度是将实测检查点坐标与构建模型中量测的对应点坐标计算差值,统计其平面及高程中误差。中误差是衡量观测精度的一种数字标准,其反映了观测值精度的高低。中误差计算如下

式中,Δxi、Δyi、Δzi为不同方向外业实测检查点与模型上测量的检查点坐标的差值;mx为x方向中误差;my为y方向中误差;mxy为平面中误差;mz为高程中误差。

倾斜摄影的模型精度采用TB10050—2010《铁路工程摄影测量规范》中地形图的精度要求进行评价,检查点的精度指标如表3所示。

选择满足空三精度要求的方案k~n分别构建三维模型,使用测区73个检查点对不同方案模型的点位坐标进行量测,根据公式(1)、公式(2)得不同布设方案的整体模型中误差如表4所示。

经过分析,当采用方案k时,模型整体高程中误差为0.135m,其中残差小于1/2中误差的检查点占全部检查点的63%,残差大于1/2中误差且小于1倍中误差的检查点占全部检查点的28%。依照TB10050—2010《铁路工程摄影测量规范》中检查点的高程中误差不得大于0.2m的规定,该方案能够满足成果精度要求,此时像控点布设方案为在航向1km,旁向0.5km的区域4个角点及区域中心各布设1个平高控制点的五点法。

根据表2中不同方案模型整体精度可以看出,当采用方案k,即航向基线间隔35条、航线间隔6条的五点法时,模型成果精度已满足需求。此种方案像控点数量也远远少于根据传统航摄规范规定设计的像控点数量,大大减少了外业控制点测量的工作量,降低了成本,对后续工程实践具有一定的参考性。

高精度的倾斜实景模型数据基础是提高铁路勘察设计效率及质量的前提。倾斜实景模型不仅包含大量的地形、地物、地质信息,提供真实的地表情况,而且可通过先进的空间信息定位技术,引入精确的地理坐标信息,使得传统勘测需要外业进行的大量作业可以移到室内完成,降低了勘测的安全风险,很大程度上提高了铁路勘测的精度与效率,为铁路勘察、设计、选线、施工建设及运营维护全生命周期提供数据基础。基于高精度的倾斜三维实景模型,我单位在工程勘察设计领域进行了大量工作,主要涉及的应用领域包括以下几个方面。

传统的地质工程勘察的主要手段是以罗盘、皮尺等方式采集现场数据,这种方法不但工作量大、效率低,而且得到的数据准确性较差。此外,传统的航空摄影测量主要用于地形图测绘工作。

遥感技术通过建立三维模型,实现了对不良地质的遥感解译工作,同时可实现数字调绘及艰难山区高陡边坡的地质信息、地质构造、不良地质解译,在一定程度上减少外业工作量,克服二维操作和地面调查的局限性,扩大地质勘察范围,加快工作进度,有效提高了信息采集、提取的准确性与效率,提高地质勘察信息化水平和质量,为铁路工程地质勘察与选线工作提供便捷可靠的手段,确保铁路建设与运营安全。

西藏地区位于青藏高原,该地区某铁路建设具有显著的地形高差大、板块活动强烈、山地灾害频发、生态环境脆弱、气候高寒缺氧等环境特征。针对测区植被覆盖茂密和地形艰险的现状,采用倾斜摄影技术获取了重点边坡坡面的地质信息,构建的优于5cm的三维实景面积达680km²。结合区域地质资料,采用实景三维模型、二维影像相结合的遥感解译技术方法,共完成19处工点约39.13km2的地质信息(岩层产状、岩体结构面等)、地质构造(断层、断裂、褶皱等)、不良地质(滑坡、崩塌、错落、危岩体、岩堆、岩屑坡、碎屑流、泥石流等)及其他潜在威胁对象等因素的判别解译工作,提高了勘察效率和质量。

铁路工程是以铁路线路为纽带的系统工程。在项目前期研究的过程中,通过对线路设计方案进行比选确定最优线路方案是最主要的工作之一。

近年来,铁路选线设计更注重环境选线、景观选线和地质选线,传统的基于地形图的二维线路设计理念表达信息有限,难以直观地观察、判断铁路线路与地形地物发生的空间冲突,已不能满足高速铁路发展的需求。三维实景模型可用于辅助线路选线,提取敏感点高程值。

通过将线路方案加载在三维模型上,可用于桥梁、隧道、路基等专业工点设置条件的初步评价,指导线路方案的优化、调整,使用范围广,发挥作用大。此外,结合倾斜模型可进行站场站位地形地貌及地物的立体观测,统计调查站场周边的拆迁状况,提取环境敏感点位置和高程信息,指导站位的优化、调整。在宝成铁路王家沱至乐素河区间抢险工程中,为了查明区间沿线高陡斜坡地段危岩落石、崩塌、滑坡等不良地质特征以及裸露岩体的节理裂隙发育情况,通过构建三维实景模型,完成了高度风险4处/895m,中度风险8处/1555m,低度风险9处/2250m的地质灾害排查工作,确保了抢险工作的顺利完成(图7)。

基于实景模型可立体观测桥隧位置及周边地形地貌环境,辅助进行桥梁位置和隧道出入口的调整,提取敏感点高程值,指导桥梁隧道工点的优化和调整。在设计阶段,可进行桥梁设计模型与地表既有附属物的设计碰撞,让设计人员全面把控现场环境,及早发现设计隐患。如图8所示为西藏某铁路在设计阶段的BIM模型,将其加载到倾斜实景模型上,能够实现设计时的工点优化。在施工阶段,通过施工现场三维实景模型的建立,还可以进行施工现场管理与桥梁外观检查等工作,确保施工的顺利进行。

倾斜三维实景模型在路基处理中主要用于高陡边坡、隧道洞口防护等的稳定性评估,通过利用三维实景模型,可以协同优化隧道洞口设计及针对隧道的洞口防护措施。

如西藏地区某高原铁路某隧道洞口设计,初测洞口位置设计如下图所示,该隧道洞口上方斜坡整体呈上下较陡中部较缓,陡坡上裸露基岩为燕山期侵入花岗闪长岩,节理发育,存在不利结构面,发育大量危岩体及落石。前期发生过多处多期崩塌,需大量设置主、被动防护网,成本较高,工程安全性差且留有隐患。

定测勘察利用倾斜摄影三维实景模型与原方案进行比较分析后,将洞口位置向右侧移动约60m,优化后,隧道洞口远离上方可能溜塌的大型岩屑坡,洞口防护措施和投资大大减少,从洞口危岩落石防护角度来看,优化后的洞口更加安全、经济。

此外,基于密集匹配的高密度点云数据还可以进行裸露地表的路基断面提取、坡面斜率及填挖土方量计算等工作,较传统基于二维地形图的作业方式,精度及效率均得到了提高。

相比传统的航空摄影测量,倾斜摄影测量建立的三维模型数据在精确反映地物地理信息的同时,还实现了多角度、大范围、高清晰的复杂真实场景感知,完成了基于小范围立体像对和点特征的传统航测技术向基于多视影像和对象特征的真三维倾斜摄影测量技术的转变。基于倾斜三维模型数据可以快速完成大比例尺地形图测绘、电子调绘、地籍管理及各类工程规划建设系统地理数据获取等工作。基于倾斜模型的地形图制作见下图。

近年来,随着“智慧城市”等综合性规划理念的提出,工程项目与环境的联系越来越密切,这就要求在项目的决策阶段之前便将工程的位置、环境信息进行综合考虑。

BIM技术贯穿铁路工程规划、设计、施工、运维全阶段,实现数据共享、多专业协同设计、多阶段无缝衔接,推进铁路建设数字化、信息化和智能化发展,改变了传统铁路设计流程,BIM技术的发展和应用是工程勘察设计的二次革命。

倾斜摄影技术通过快速高效的数据获取方式实现了空间地理基础建立、信息采集,将其以辅助形式输入GIS平台,实现了“GIS与BIM结合”,满足铁路BIM设计过程中的各种工程数据交互,实现可视化,是必然发展趋势。

一方面能直观地表现成果,在进行三维展示、线路方案汇报时,有助于进一步分析铁路设计的优缺点,另外能快速表达设计意图,加快校审进度。另一方面将铁路各专业模型包括BIM模型在GIS平台中进行整合应用具有实际工程意义。

此外,基于倾斜实景三维模型和BIM模型数据搭建工程管理平台,与实际业务相关联,能够满足BIM在施工管理和运营维护中全生命周期应用。然而,目前BIM在铁路领域的应用尚不成熟,工程实践大多能够停留在具体工点应用上,对大范围地形及海量模型数据的表达仍需深入探索。

结合铁路工程实践的需求,以西武高铁某试验区为例,统计分析了14种不同像控点布设方案的空中三角测量及模型精度,总结了适用于铁路工程1:500比例尺精度要求的最优外业像控点布设方案。