無人機航空攝影測量在鐵路測繪的應用

游儒意　陳思怡　張運　仇靜靜

摘? 要? 無人機航空攝影測量技術具有安全高效、分辨率高、機動靈活、運行成本低、處理速度快等優點，能快速生成各種高精度數字測繪成果。本文以石長鐵路為例，探討無人機航空攝影測量技術在1：2000鐵路測繪中應用的技術流程，能夠為鐵路測繪項目提供參考。

關鍵詞? 無人機;航空攝影測量;鐵路測繪;石長鐵路

中圖分類號：P231.5 文獻標識碼：A

Application of UAV Aerial Photogrammetry in Railway

Surveying and Mapping

—Take Shichang Railway as an example.

You Ruyi1 ， Chen Siyi1， Zhang Yun2 ， Qiu Jingjing1

（1.The Third Surveying and Mapping Institute of Hunan， Changsha Hunan 410019， 2.Hunan Land and Resources Planning Institute，Changsha Hunan 410019）

Abstract： UAV aerial photogrammetry technology has the advantages of safety and efficiency， high resolution，flexibility， low operation cost? and fast processing speed ， which can quickly generate various high-precision digital surveying and mapping results. Taking Shichang Railway as an example， this paper discusses the application process of UAV aerial photogrammetry technology in1：2000Railway Surveying and mapping， so as to provide reference for railway surveying and mapping projects.

Keywords： UAV; aerial photogrammetry; railway surveying and mapping; Shichang railway

0? 引言

無人機航空攝影測量技術作為新型的測繪技術，主要是通過控制小型飛行器低空飛行來獲取地面信息的一項技術。相對于傳統的鐵路測繪方法，無人機航空攝影測量能有效避免強度大、效率低、周期長和重復測量等弊端，能充分發揮運行成本低、處理速度快等優點，能根據業主要求快速提供不同比例尺、現勢性極強的航空攝影測量數據，迅速在交通、水利、電力等行業廣泛應用[1]。近年來，無人機航空攝影測量融合了GPS差分定位、遙控及計算機軟件等先進技術，在積極的政策推動下，從設計、制造到飛行使用，以及后續的數據處理和信息共享都得到了快速發展[2]。將無人機航空攝影測量技術應用在鐵路測繪中，能有效降低鐵路測繪工作的危險性，快速提供符合要求的數據成果，對鐵路測繪的進步具有十分重要的意義。

本文主要探討無人機航空攝影測量在石長鐵路1：2000地形圖測繪中的技術流程，為提高鐵路測繪工作效率提供參考。

1? 項目技術設計

石長鐵路是石門到長沙的一條鐵路，全線位于湖南境內，全長264km，測區為帶狀，帶寬為500m，涉及主要地形為平地和丘陵地帶，業主要求制作1∶2000DLG數據。

航空攝影測量法，包括航空攝影、像片控制測量、空三加密、定向建模、正射影像圖制作、立體采集、外業調繪及修補測、數據編輯、質量檢查和成果提交等工序[3]。

石長鐵路數字地形圖的生產，利用2019年11月新航飛分辨率優于0.2米的數字航空影像和初始外方位元素，通過野外實測一定數量的地面控制點，進行空中三角測量獲取航空影像精確外方位元素，建立立體模型;利用影像匹配技術生成數字高程模型，對航空影像進行微分糾正，完成影像鑲嵌，制作數字正射影像圖;同時，在全數字攝影測量工作站中立體采集各類地形、地貌要素，輸出外業調繪工作底圖，通過野外調繪及修補測來提高地形、地貌的精度，完善屬性特征，再通過內業數據編輯來制作石長鐵路全線數字地形圖。無人機航空攝影技術在石長鐵路測繪中應用的總體技術路線圖如圖1所示。

2? 飛行方案

2.1 航飛及攝影設備

本項目采用iFly V5型無人機，該無人機一款專業智能航測無人機系統，采用成熟的飛控研發技術，成果更精準，同時采用專業定制化地面站軟件，無人機與地面站無縫對接，操作簡單，效率更高。航攝儀采用Sony RX1R II相機，焦距35mm，相機幅面為7952×5304像素，傳感器尺寸35.9×24mm，像元大小4.51μm，有效像素4200萬。

2.2 航線設計

本項目針對測區地形地貌特點，根據石長鐵路帶狀線路的走向，航線按線路中線兩側各250m、帶寬500m布設[4]。本項目航線設計示意圖如圖4所示，由于篇幅有限，圖4僅展示測區部分區域的航線設計。

2.3 飛行質量控制

按照設計航高飛行，攝影分區內實際航高與設計航高之差小于設計航高的5%[5]。同一航線上相鄰相片的航高差不得大于30米，最大航高差不得大于50米。同時為了防止飛行過程中飛機姿態變化過大造成GPS衛星信號失鎖，飛行過程中，要求飛機轉彎坡度不能大于35度，飛機上升、下降速率不大于10 m/s。選擇太陽高度角大于45°，陰影倍數小于2這段時間為航攝時間。

根據《低空數字航空攝影測量規范》（CH/Z3005-2010）規定，低空航測航向重疊度應為60%-80%，最小不小于53%，該項目設計航向重疊度約為76%。旁向重疊度一般應為15%-60%，最小不應小于8%，該項目設計旁向重疊度約為45%。像片傾斜角不大于5°，最大不超過12°，出現超過8°的片數不多于總數的10%。

3? 數據生產

3.1 工作準備

收集測區相關可用資料用于參考，同時對作業人員進行技術交底，確保數據生產流程規范、統一。

3.2 影像獲取

本項目于2019年11月組織開展無人機航飛，航測范圍為石長鐵路既有線全線兩側250米，縱向距離約為264公里。影像清晰、層次豐富、反差適中;能辯認出與航攝比例尺相適應的細小地物影像，能夠建立清晰的立體模型，能確保立體量測的精度。

3.3 外業像控測量

根據《1∶ 500? ?1∶ 1 000? ?1∶ 2000 地形圖航空攝影測量外業規范》（GB/T7931-2008）要求和及像控點設計經驗，該項目航測1：2000帶狀地形圖，像控點采用GNSS方法測量，像控布點要求如下：

1、航線每分段布設不少于6個平高點;

2、航線首末端上下兩控制點布設在通過像主點且垂直于方位線的直線上;

3、航線中間兩控制點應布設在首末控制點的中線上;

4、鐵路沿線經過大面積水域（如湘江、沅江等），航攝像主點可能落水，像控布點分開進行布設。

5、像控所選點位構成的圖形以大致成矩形為宜，點位高差不宜過大，同時要照顧調繪面積。選用的地面像控點點位目標影像應清晰，易于判刺和立體量測。同時在影像清晰的明顯地物上，宜選在交角良好的細小線狀地物交點、明顯地物折角頂點、影像小于0.1m的點狀地物中心、高程變化較小的地方。

3.4 空中三角測量

以像片控制點、航測資料為依據，結合數碼航攝的POS數據加進行空三加密，獲得內業測圖所需要的方位元素和加密點坐標等控制信息?？杖用懿捎肨rimble公司Inpho軟件的MATCH-AT模塊立體量測及解算。

整個流程包括資料準備、相對定向、粗差檢測與自動選點、絕對定向與區域網平差計算，經統計，空三測量精度平面中誤差正負0.03m、高程中誤差正負0.09m，區域網平差計算后檢查連接點精度均按照設計要求。

3.5 數字正射影像制作

本項目DOM生產僅用于外業調繪，不做最終成果上交，屬過程產品。數字正射影像使用Trimble公司INPHO軟件進行批量生產，其中涉及MATCH-T、Ortho Master、Ortho Vista三個模塊功能。數字正射影像圖生產需要進行影像糾正、勻色及影像處理、影像鑲嵌、圖幅裁切等流程[6]。

3.6 數字地形圖立體采集

內業在室內參照可用的輔助資料，在立體影像模型下根據影像對比，進行要素判讀與采集（包括圖形和屬性），對難以確認的要素內容進行標記;將內業采集的整幅DLG數據及其疑問標記進行圖形輸出，并將對應圖幅的正射影像圖，一并提交給外業。內業立體測圖作業主要步驟包括工作準備、定向建模、數據采集及圖形輸出。

3.7數字地形圖外業調繪及補測

按照《1∶500? ?1∶1000

1∶2000 地形圖航空攝影測量外業規范》（GB/T 7931-2008）的規定、相應的圖式要求要求進行野外調繪，將調繪結果標繪在外業工作底圖上，并對內業立體測圖時無法或不能準確采集的要素進行補測和編輯。

3.8數字地形圖內業編輯

基于外業調繪及補測成果，結合數字正射影像及專業數據資料，對內業采集的地物、地貌要素數據進行類型、邊界、屬性的修改編輯、接邊，制作元數據等，經過質量檢查，形成滿足相關技術規定要求的數字地形圖成果。

3.9 成果精度

為了驗證成果DLG的精度，在成果圖上均勻選取 100個平面和高程檢查點，并用RTK實測同名點分別進行平面和高程值進行驗證。根據計算，平面點最大中誤差為0.98m，高程點最大中誤差為0.39m，精度滿足 《1∶ 500? ?1∶ 1 000? ?1∶2 000 地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》（GB/T15967—2008）中1：2000比例尺地物點和高程注記點在平地和丘陵地的要求。

4? 結語

隨著我國科學技術的不斷進步和發展，我國無人機航空攝影測量技術也獲得了突飛猛進的進步，對于小型無人機來說，無論是飛行時間、飛行質量，還是飛行技術都有了很大的突破，在帶狀地形圖測量中具有明顯優勢[7]。將無人機航空攝影測量技術應用在鐵路測繪中，可大量節省野外測量人員工作量，降低測繪作業安全隱患，還能取得巨大的社會和經濟效益，對推動測繪行業進步具有十分顯著的作用[8]。

參考文獻/References

[1]吳現興. 無人機攝影測量及數據處理技術在地質災害應急調查中的應用—以婁底市婁星區杉山鎮同安村滑坡為例[J]. 國土資源導刊.2019，V.16;No.120（04）：65-68.

[2]陳莉. 基于低空無人機航攝系統試驗分析研究[J]. 國土資源導刊.2019，V.16;No.117（01）：25-29.

[3]張瑩，李星，王煥萍.無人機遙感技術在鐵路勘測設計中的應用[J].測繪標準化.2018（04）.

[4]周云.航空攝影技術在鐵路工程測量中的應用[J].鐵道工程學報.2006（01）.

[5]胡開全，張俊前.固定翼無人機低空遙感系統在山地區域影像獲取研究[J].北京測繪.2011（03）.

[6]楊慧琴.無人機航測技術在基層測繪工作中的應用分析[J].北京測繪.2015（06）.

[7]李德仁.攝影測量與遙感的現狀及發展趨勢[J].武漢測繪科技大學學報.2000（01）.

[8]卓寶熙.鐵路工程勘測技術的回顧、現狀與展望[J].鐵道工程學報.2007（01）.

*第一作者簡介：游儒意，男，1992年生，助理工程師，主要從事基礎測繪研究工作。E-mail： 904049307@qq.com。

收稿日期：2020-09-21; 改回日期：2020-10-15。