無人機航拍在鐵路建設管理中的研究應用

呂曉煜

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300134)

鐵路建設工期一般較長，建設期內沿線地物變化明顯，施工設計采用的大比例地形圖及正攝影像圖現勢性差且分辨率低，難以反映現場的真實情況，對施工階段鐵路沿線的搶栽搶建、用地界管理、違建亂建等問題無法進行有效的識別和監督。傳統方法一般采用人工調查加分區實時監管，效率低下且耗費巨大，既影響工程進度，又易引起民事爭議。因此，研究一種高效、經濟的方法非常有必要。

輕小型無人機是近幾年發展起來的一種新興航空遙感技術，正逐步成為傳統航空攝影測量手段的有效補充[1-2]。無人機攜帶的非量測型數碼相機平臺具有受天氣影響小，作業方式靈活快捷，影像時效性強，構建、維護成本低等優勢，在全景影像拼接、工程動態輔助管理方面發展迅速[3-4]。通常情況下，相機等成像設備受航高和焦距的限制，導致單張影像無法囊括所有感興趣區域，加之鐵路工程為帶狀區域且生成正攝影像需要耗費大量時間，無法滿足實時需求。目前，針對多幅無序影像序列進行快速自動識別拼接的技術日趨完善[5]，其研究成果已廣泛應用于農林、海洋、能源、鐵路等各行業。如基于無人機傳感器平臺的鐵路環境監測，可利用三維模型進行環境管理[6]，將多期影像和矢量數據導入GIS庫，實現區域空間分析的目的。基于無人機影像的3D模型和DOM模型，可完成復雜山區地質選線以及滑坡、斷層識別工作[7]。在鐵路工程建設數字化可視化管理方面，開展無人機影像和BIM技術的綜合應用，可實現數字化施工和精細化管理[8]。鐵路BIM設計常基于多源地理信息數據(主要為機載LiDAR和航空航天遙感數據)。然而，這些研究基本是基于靜態正攝影像及三維模型，且效率較低，實時性差。

針對鐵路工程用地界管理中存在的搶栽搶建、違建亂建等問題，制定了一套完整的航拍方案，包含平臺選擇、航帶設計、外業質量控制、數據處理等，以期解決鐵路建設征地過程中存在的問題。

1 石衡滄港城際鐵路工程概況

石衡滄港城際鐵路是京津冀城際鐵路網規劃中的重要線路，對于構建京津冀城際鐵路網“四縱四橫”主骨架，打造石家莊至周邊主要城市一小時交通圈以及滄州、衡水兩個地區交通樞紐，完善黃驊港集疏運體系具有重要意義。該城際鐵路起自石家莊站，利用石濟客專既有車站5座，經武邑、阜城、交河、泊頭西、文廟至滄州西站；后經滄州北站，并行朔黃鐵路向東，經吳莊站，在黃驊東與環渤海城際共站；后折向東設南大港站、渤海西站，折向南至本線終點渤海站，新建正線長237.2 km。本線為新建雙線城際鐵路，設計行車速度250 km/h，測區內地勢平坦，地形起伏較小。設計單位分別于2016年和2017年采用UCE數碼航攝儀和ALS80機載激光雷達進行了全線航飛成圖。近期，工程即將進入開工階段，因原有地形圖時效性差且分辨率較低，為進行施工現場的現狀調查以及用地界管理、監督搶載搶建、預防違建亂建等特殊應用，開展了此次無人機航拍。

2 全線域無人機航拍技術方案

工程施工初期，主要關注對象為全線域的基本地貌、地物和重點區域現勢性變化。依據業主實際需求規劃航飛方案，對沿線重點地段如禁飛區、機場、村莊、軌道交通、少數民族聚集區等進行踏勘調研。

本次航拍采用大疆四旋翼“悟”Inspire1 V2.0云臺航攝傳感器一體機，其單架次巡航時間為25 min左右，具有抗4級風安全飛行的能力，其飛行高度范圍可覆蓋30～120 m范圍，飛行平臺和航拍設備總重量為9.35 kg。外業飛行過程中，應依據線路走向和航飛范圍規劃航飛路線并選擇能夠安全起降的場地，其完整的技術方案如圖1所示。

圖1 無人機航拍技術方案

3 質量控制及技術要求

航攝作業范圍覆蓋線位地面寬度不少于100 m(線位每側至少50 m)，單航帶布設。相機正下方地物的分辨率應優于1∶500比例地形圖[9](GSD優于0.05 m)，遇到特殊情況時(如高壓塔、高速鐵路橋、高建筑物等)，可以適當調整飛行高度，分辨率可以適當降低。

依據國家相關航空管理規定，低空飛行拍攝的無人飛行器最大飛行高度不得高于120 m[10]。此次航飛平均相對航高為100 m，平均速度不大于5 m/s。此次航拍獲取的影像清晰、色調一致；獲取的視頻清晰、流暢，能清晰地反映沿線地物的形狀、結構及相對位置關系。

大疆無人機“悟”配備了DJI4K相機，其云臺系統在獲取視頻素材的同時，可同步拍攝1 200萬像素靜態影像。系統支持錄制4K@100Mbps高清視頻，碼率為100 Mb/s，格式為MOV，靜態相機型號為FC350，相機以及攝影參數如表1所示。

該無人機機載平臺可實現米級定位，滿足鐵路沿線的現狀調查、地籍測量等工程需求。

表1 相機以及攝影參數

本次無人機航攝作業覆蓋石衡滄港鐵路共計約220 km，起點為衡水北，終至黃驊港，途經滄州。本項目鐵路征地范圍為線路左右側各50 m。飛行效率方面，無人機單架次獲取的影像和視頻數據可覆蓋寬200 m、長約9 km的范圍。在天氣允許的條件下，配備航飛外業4個小組，每個小組累計飛行5個架次，即可完成全線的數據獲取工作。內業包含2名數據處理人員，4臺HP-Z840圖形處理工作站，整個項目經過約20個有效工作日，即可完成全部的數據獲取與處理工作。

4 基于SIFT特征的全景影像拼接

影像拼接又稱為影像鑲嵌，是將兩幅以上的影像拼接在一起，構成一幅整體影像的技術過程[11]，全景拼接的過程由三部分組成(如圖2所示)。其中，基于尺度不變特征轉換尋找特征點(SIFT)的無人機影像匹配是拼接的基礎[12]，SIFT算子是一種用來偵測與描述影像局部特征的計算機視覺功能。它在尺度空間內尋找極值點，并把一幅影像映射為一個局部特征向量集，特征向量具有旋轉、平移、縮放不變性，并且對光照變化、仿射變換和投影變換敏感度較低。采用無人機航拍時，很難精確計算相鄰兩幅影像之間的空間位置關系，容易出現各影像之間重疊度大小不一致、旋轉角變化沒有明顯規律、影像特征經常斷開等情況。因此，基于尺度特征提取的影像匹配算法是相對最適合的算法[13]。

圖2 全景影像拼接流程

拼接的過程還包括影像配準和影像融合兩個關鍵環節。影像配準的目標是找出重疊區域兩幅或多幅影像之間的變換關系，確立影像坐標變換模型，并將多幅影像變換到統一的坐標系下。影像配準的關鍵環節是求解一個8參數變換矩陣M。以下采用的變換模型為投影變換(透視變換)，其模型如公式(1)。其中，M為投影矩陣，它是一個任意的3×3矩陣，M是齊次的，公式(1)可表示為公式(2)，即

(2)

投影變換矩陣擁有8個自由度，配準精度高，基本適用于所有的影像配準情況，可表達復雜的相機運動，尤其適用于單視點旋轉拍攝和多視點等近似平面場景[15]。

一般情況下，拍攝環境變化、視差效應、配準誤差等可導致影像間存在色彩和光照差異。因此，拼接后的全景影像接縫處有明顯的明暗差異，同時伴有錯位現象。應采用合適的融合策略，使拼接后的影像具有視覺的一致性。

采用Matthew Brown等提出的增益補償(Gain compensation)調整全景影像的色差，采用Burt等提出的多波段融合方法(Multi-Band Blending)調整全景影像配準誤差帶來的拼接縫[16]。增益補償的主要思想是對所有影像的總增益定義一個誤差函數，計算所有重疊像素的增益歸一化強度誤差和，即

(3)

公式(3)表達的含義為使得各重疊區域所有像素灰度差的總和最小。多波段融合是為了解決配準誤差和幾何錯位的影響，即在增益補償之后，影像的邊緣仍然可見(如影像邊緣暗淡、模糊等)。該方法的基本原理是將要融合的影像重疊區域分解成波段不同的一組影像(構建高斯金字塔)，然后在不同波段的影像上，即金字塔各層上選擇合適的拼接策略進行拼接，最后把所有波段的影像進行合成，從而重構出影像[17]。本項目采用自開發的軟件完成拼接，全線單航線遙感影像1 054張，拼接完成需用時1 d，其靜態影像全景拼接的部分成果如圖3所示。

圖3 全景拼接成果

5 視頻編緝

航拍獲取的動態視頻素材需進行后期編輯才可使用，主要編輯的內容包含兩方面：首先是視頻的比例和色彩，其次是在視頻中添加線位、里程、村莊、地標、航飛軌跡、道路、文字等工程屬性信息。

編輯、合成后的視頻將成為具有“地理信息和地物屬性”的影視集。一般原始視頻素材通過非線性編輯軟件EDIUS和PHOTOSHOP進行編輯。EDIUS擁有最佳的基于文件的工作流程，具備實時，多軌，混合格式的編輯、合成、色鍵、字幕以及時間線輸出功能[16]。而PHOTOSHOP具備圖像處理功能，主要作用是搭建各類參照物。視頻編輯的主要過程如下：

(1)依據施工線位制作動態航跡。首先在GoogleEarth中依據施工線位選取多幀影像，包含地物、村名、線位里程等信息，將包含工程信息的多幀影像在EDIUS軟件中進行編緝。

(2)運用PHOTOSHOP軟件制作航飛導航方位，飛行中的導航方位需要用文字和箭頭表示，在PHOTOSHOP中保存為PGN格式，最后通過EDIUS軟件合成、編緝所有的附屬工程信息。

效率方面，原始4K視頻數據量約176.7 GB，制作后數據量約90.2 GB，制作周期為15 d。圖4為編輯后的動態視頻成果，影視中左上角動態合成圖片下載自GoogleEarth18級影像，其中包含線位軌跡、里程、道路、村莊信息。將全景快拼圖疊加于Google中，可實現查詢功能。

圖4 動態視頻成果