DMCIII數(shù)字航攝儀在常益長鐵路斷面采集中的應(yīng)用

柯 舒

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

在鐵路勘察設(shè)計過程中，斷面測量對線路方案選擇起著至關(guān)重要的作用。目前，鐵路斷面采集主要依靠傳統(tǒng)的外業(yè)現(xiàn)場實測或基于機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)生成。傳統(tǒng)外業(yè)實測，其勘測工期、成本、質(zhì)量等受到多種自然條件及人為因素限制，勞動強(qiáng)度大、工作效率低[1]；機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高[2]，但是在植被茂密、地形突變及地物復(fù)雜區(qū)域存在一定的局限性[3]。為了提高鐵路斷面采集效率與精度，夏艷軍[1]、馬偉東[4]等提出了航測法測量鐵路橫斷面的思想，但受影像分辨率及模型比例的局限，其斷面采集精度不高，且需要大量的現(xiàn)場補(bǔ)核及修測工作。而Leica DMCⅢ數(shù)字航攝儀打破了這一局限性，其立體斷面采集精度能夠滿足定測需求，可減少大量的外業(yè)工作，提高鐵路勘測效率。

Leica DMCIII數(shù)字航攝儀是目前世界上傳感器幅面最大的框幅式航攝儀之一，其傳感器像元大小為3.9 μm，幅面為26112像元×15000像元，可獲取多種分辨率的影像數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，DMCIII數(shù)字航攝儀已廣泛應(yīng)用于不同比例的鐵路地形圖生產(chǎn)，并顯著提高了制圖精度[5]。然而，地形圖生產(chǎn)只是DMCIII的能效之一，如何將其高分辨率的數(shù)碼影像及高精度的POS數(shù)據(jù)服務(wù)于鐵路定測斷面采集，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高立體采集斷面精度是研究的重點。

1 方案設(shè)計

為滿足定測階段斷面精度要求，從航飛設(shè)計、航測外業(yè)控制測量到空中三角解析測量、斷面立體采集，每一道工序均需要嚴(yán)格遵守相關(guān)技術(shù)規(guī)定。定測階段，航攝影像的地面分辨率應(yīng)優(yōu)于0.05 m。測區(qū)內(nèi)以區(qū)域網(wǎng)方式布設(shè)像控點(局部可增加高程控制點)，內(nèi)業(yè)基于影像pos數(shù)據(jù)及外控成果進(jìn)行空中三角測量，建立測區(qū)立體模型，并收集線路中線實測中樁坐標(biāo)及高程信息。依據(jù)上述作業(yè)內(nèi)容定制作業(yè)流程(如圖1所示)，以常益長鐵路為例，詳細(xì)討論基于DMCⅢ數(shù)碼影像立體采集鐵路斷面的技術(shù)方案。

圖1 作業(yè)流程

1.1 航飛設(shè)計

常益長鐵路設(shè)計正線長156.8 km，比較線長28 km，共184.8 km。測區(qū)靠近洞庭湖水域，地貌以平原、微丘陵為主，海拔范圍20～250 m，平均海拔60 m。

本攝區(qū)使用DMCⅢ數(shù)字航空攝影儀，該相機(jī)將傳感器單元、存儲單元、控制單元、慣性測量單元等組件高度集成為一體[6]，且鏡頭系統(tǒng)同時采集R、G、B、PAN、NIR5個波段的數(shù)據(jù)，可輸出RGB真彩色影像、Nir近紅外影像、PAN全色影像，其自動化程度高、影像數(shù)據(jù)信息豐富。

本次攝影成果主要用于定測階段斷面采集工作，故按照1∶500的成圖比例來進(jìn)行航線設(shè)計，依據(jù)TB10050—2010《鐵路工程攝影測量規(guī)范》[7]，各種比例地形圖地面分辨率取值如表1。

表1 地面分辨率取值

地面分辨率GSD由數(shù)碼相機(jī)像素尺寸R與攝影比例1/m確定[8]，計算公式為

GSD=R×m

攝影比例分母m由相對航高h(yuǎn)與相機(jī)焦距f確定，即

m=h/f

則有

m=Rh/f

對于DMCⅢ，焦距f=92 mm，像素尺寸R=3.9 μm， GSD(地面分辨率)優(yōu)于0.05 m，則相對航高應(yīng)低于1 000 m；根據(jù)測區(qū)地形起伏、設(shè)備性能、飛機(jī)性能、測圖比例、航帶地面覆蓋寬度、GSD、航線總里程、空域狀況等因素，最終確定相對航高為950 m，地面分辨率為0.043 m，共計31條航線(包括27條測線和4條檢校線)，航線總里程為1 150 km左右，如圖2所示。

圖2 攝區(qū)航線敷設(shè)示意

1.2 外業(yè)控制測量

基于DMCⅢ數(shù)碼影像資料，本攝區(qū)采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)像控點[11]。參照GB/T 7931—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》[12]，考慮斷面精度要求，區(qū)域內(nèi)航線數(shù)量不宜超過10條，基線數(shù)不宜超過12條(約2 km)，并在區(qū)域兩端及中間補(bǔ)充3至5排高程控制點，如圖3所示。

圖3 像控點布設(shè)示意

1.3 空中三角測量

空中三角測量是攝影測量內(nèi)業(yè)測圖和數(shù)字產(chǎn)品生成的第一道工序[13]，其核心內(nèi)容是以像片上的像點坐標(biāo)為依據(jù)，用攝影測量的方法解求測區(qū)內(nèi)所有影像的外方位元素，并基于攝影過程的幾何轉(zhuǎn)換，重建可量測的幾何立體模型，最后求出地面點的空間坐標(biāo)[14]。

本項目基于Inpho數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密，其Match-AT空三模塊引入相機(jī)文件、影像及其POS數(shù)據(jù)，通過影像匹配算法，自動提取相鄰航片及相鄰航線之間的連接點，形成穩(wěn)固的區(qū)域網(wǎng)模型；再導(dǎo)入外業(yè)控制點數(shù)據(jù)，通過人工立體量測及平差解算，生成高精度的空三模型[15]。

空三加密精度可依據(jù)1∶500地形圖規(guī)范執(zhí)行，即：模型連接點平面中誤差≤0.15 m，高程精度≤0.2 m。為提高測區(qū)立體模型的精度，在空三加密前需對DMCⅢ數(shù)碼影像進(jìn)行勻光、勻色預(yù)處理，保證大范圍內(nèi)影像色調(diào)基本一致且紋理清晰，以提高空三加密模塊自動提取模型連接點的精度及人工立體量測的精度。此外，可收集測區(qū)內(nèi)已有的線路中樁實測數(shù)據(jù)(包括線路中樁坐標(biāo)及高程信息)，輔助檢核測區(qū)立體模型，對局部精度較差的區(qū)域，需手動增加模型連接點或補(bǔ)充外業(yè)控制點。

模型精度滿足要求后，即可導(dǎo)出PatB格式與ZI格式的空三成果。

1.4 斷面立體采集

基于JX4或者航天遠(yuǎn)景工作站，恢復(fù)PatB或ZI立體模型，并檢查外控點精度及像對接邊精度，滿足要求后方可進(jìn)行斷面立體采集。

斷面立體采集首先需要收集線路的原始資料，并從中整理出曲線要素表、中樁里程表及斷面范圍表三個文件。其中曲線要素表包含交點坐標(biāo)(東方向、北方向)、曲線半徑、前緩和曲線、后緩和曲線共五個要素，導(dǎo)入斷面采集模塊后可生成線路中線；中樁里程表包含中樁里程號、中樁坐標(biāo)(東方向、北方向)及高程(若無則設(shè)為0)四個要素；斷面范圍表包含中樁里程號、中樁高程(若無則設(shè)為0)及斷面線左右側(cè)長度四個要素。

將上述三個文件依次導(dǎo)入斷面立體采集模塊(中樁坐標(biāo)應(yīng)與線路中線匹配一致)，并將外業(yè)實測中樁數(shù)據(jù)導(dǎo)入立體模型，檢驗其精度，若符合規(guī)范要求，便可進(jìn)行斷面采集，即從中樁開始，依次量測斷面線左右兩側(cè)的特征點及變坡點坐標(biāo)并記錄其屬性信息，采集方法與立體測圖一致。所有斷面采集完畢后，將斷面文件轉(zhuǎn)換成與外業(yè)一致的表格形式，便于外業(yè)復(fù)核或補(bǔ)測，如表2所示。

表2 斷面成果格式示例

2 應(yīng)用分析

高精度的立體模型、高分辨率的數(shù)碼影像以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制，保證了DMCⅢ數(shù)碼影像用于斷面生產(chǎn)的可行性。在常益長鐵路中，以益陽南站為例，將基于DMCⅢ數(shù)碼影像立體采集的斷面高程與外業(yè)實測高程進(jìn)行對比(共計134個橫斷面)，統(tǒng)計精度如表3所示。在裸露地表區(qū)域，立體采集的斷面高程中誤差為0.187 m，稀疏植被區(qū)域中誤差為0.243 m，均符合斷面精度要求；在密林區(qū)域，由于植被遮擋，無法判斷真實地表，立體采集斷面精度呈現(xiàn)出不確定性。

表3 DMCⅢ立體采集斷面高程精度統(tǒng)計

考慮到鐵路勘測的精度要求，常益長的橫斷面生產(chǎn)采用DMCⅢ立體采集與外業(yè)實測相結(jié)合的方法。對于裸露地表區(qū)域，以航測立體采集為主，可高效精細(xì)地反映地貌變化；對于密林及涉水區(qū)域，由航測專業(yè)標(biāo)示起止范圍，提交外業(yè)補(bǔ)測。

常益長定測階段，DMCⅢ數(shù)碼影像主要用于站場、路基的橫斷面采集，其中站場斷面數(shù)量較多且斷面線較長，斷面沿線植被相對稀疏，以航測立體采集為主；路基橫斷面多位于丘陵地帶，植被茂密，斷面線較短，以外業(yè)實測為主。

基于DMCⅢ數(shù)碼影像立體采集的斷面數(shù)據(jù)利用率如表4所示，其中有效斷面線為剔除密林及涉水區(qū)域后的斷面線，該部分?jǐn)?shù)據(jù)無需外業(yè)補(bǔ)測或復(fù)核，可直接提交。經(jīng)統(tǒng)計分析，對于站場斷面，航測立體采集的有效數(shù)據(jù)占比為51.23%；對于路基斷面，航測立體采集的有效數(shù)據(jù)占比為32.51%；航測數(shù)據(jù)的總利用率為46.14%。

表4 DMCⅢ立體采集斷面利用率統(tǒng)計

3 結(jié)論

基于DMCⅢ數(shù)碼影像立體斷面采集表現(xiàn)出以下幾點優(yōu)勢：

(1) 斷面立體采集屬于傳統(tǒng)航測方法，斷面生產(chǎn)流程簡單，作業(yè)員接受程度高。

(2)非密林區(qū)域的采集精度較高，滿足鐵路相關(guān)規(guī)范要求。

(3) 在地物復(fù)雜區(qū)域，例如城區(qū)、站場等，DMCⅢ數(shù)碼影像可提高地物辨識度及斷面采集的準(zhǔn)確度。

(4)相較于傳統(tǒng)外業(yè)測量，基于DMCⅢ數(shù)碼影像的立體斷面采集可顯著提高生產(chǎn)效率，節(jié)約外業(yè)成本。