“無人機+”測繪技術(shù)在鐵路工程匯報展示中的應(yīng)用

甘 俊

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

在鐵路工程投標(biāo)、勘察設(shè)計階段，進行高質(zhì)量的線路方案展示是一項重要工作。當(dāng)前，多采用二維平面圖、三維動畫模擬方式進行鐵路線位方案展示[1-3]，但存在二維平面圖展示要素不夠直觀，三維動畫模擬制作過程復(fù)雜、比例易失真、無地理精度等問題。已有許多學(xué)者進行了相關(guān)研究：趙小陽等認(rèn)為采用二維平面圖無法反映三維立體空間信息，對于復(fù)雜線路方案和復(fù)雜工點的整體視覺效果不佳[4]；米小珍采用三維動畫模擬方式進行復(fù)雜工點的展示，認(rèn)為這種方式存在制作過程復(fù)雜、周期長，成本高、缺乏地理定位精度、真實度差等問題[5]。在頻繁的鐵路工程展示匯報應(yīng)用中，上述作業(yè)方式都難以在較短時間內(nèi)完成鐵路設(shè)計方案的精確展示。

無人機是一種利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，具有快速靈活，受天氣、場地影響小等優(yōu)勢。利用無人機搭載各類傳感器可獲取鐵路工程需要的各類數(shù)據(jù)，經(jīng)過ppk后差分處理、地面實測GCP改正、多基線攝影測量等精度改正后，能實現(xiàn)對獲取影像或視頻數(shù)據(jù)的高精度定位，從而滿足各類工程應(yīng)用需求。蔡志洲對無人機在鐵路工程建設(shè)中的應(yīng)用進行深入分析，包括采用“無人機+”傾斜相機獲取高精度三維模型成果，“無人機+”視頻相機獲取高清晰度、立體感強的視頻影像輔助施工管理和環(huán)境監(jiān)測[6-7]；徐建超等對無人機在鐵路工程竣工驗收的應(yīng)用進行了研究[8-9]。在三維GIS平臺的支撐下，“無人機+”測繪的各類成果可進行三維空間信息表達(dá)和管理，可為工程應(yīng)用提供地理定位精度和仿真度更高的展示成果，從而服務(wù)鐵路工程展示服務(wù)[10-12]。

2 “無人機+”測繪模式下的線路工程應(yīng)用展示方法

“無人機+”測繪模式下的線路工程應(yīng)用展示方法主要是指結(jié)合鐵路工程預(yù)可研、可研、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計階段的需求，在無人機平臺上搭載相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，利用配套的設(shè)計軟件沿工程線路走向進行航帶設(shè)計和地面控制點布設(shè)等工作，經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理，得到鐵路工程展示的原數(shù)據(jù)(視頻、影像、模型)[13-15]，并采用相關(guān)展示平臺(3DGIS或多媒體展示軟件)進行鐵路工程要素展示內(nèi)容的添加及展示效果的設(shè)計等，最后依據(jù)工程展示腳本文件完成錄屏剪輯工作，獲取鐵路工程匯報展示視頻成果。

2.1 “無人機+”常規(guī)航拍應(yīng)用展示

該方式主要作業(yè)流程包括：①采用無人機加載量測相機或普通數(shù)碼相機獲取工程影像數(shù)據(jù)，利用常見的無人機數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)如pix4D、ContextCapture(簡稱CC)、Inpho等，結(jié)合原始pos數(shù)據(jù)和地面GCP數(shù)據(jù)完成空三加密、DEM制作、DOM制作等工作；②將DEM和DOM數(shù)據(jù)通過三維GIS平臺合成三維地形場景，基于該平臺同步開展相關(guān)三維模型、矢量圖形、文字注記的精確定位，形成鐵路三維瀏覽展示系統(tǒng)(見圖1)。其中，設(shè)計相關(guān)模型的制作需單獨開展，模型的精細(xì)度依據(jù)設(shè)計資料的要求而定(通用模型、設(shè)計模型、BIM模型)。

圖1 “無人機+”常規(guī)航拍制作三維場景的線路工程應(yīng)用

三維瀏覽展示系統(tǒng)充分吸收了三維GIS平臺的空間數(shù)據(jù)展示優(yōu)勢，可實現(xiàn)對工程方案任意方位、多視角、不同精細(xì)度的展示，可依據(jù)要求進行模型、矢量線位、注記等的任意修改。對于特殊工點(特別是鐵路工程的上跨下鉆、多線鐵路并聯(lián)等復(fù)雜情形)，通過在三維GIS平臺中精確地理定位，加載事先制作的各類3D設(shè)計模型，可實現(xiàn)高精度的仿真效果。另外，由于無人機航飛制圖是鐵路工程設(shè)計中必要的工作，其數(shù)據(jù)獲取可提前完成，故作業(yè)周期較短。

通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該方式在鐵路工程方案展示中尚存在一定局限性：①“無人機+”常規(guī)航拍方式制作DEM多采取自動密集匹配加人工簡單編輯完成，依此制作的三維場景細(xì)節(jié)表現(xiàn)較差，在三維場景中，地表以上的目標(biāo)(高架橋、房屋、樹木等)多缺乏高度信息，難以有效反映鐵路工程方案與周邊目標(biāo)的三維空間關(guān)系；②三維平臺無法使用專業(yè)渲染器(如vray等)，且對加載模型的紋理等均有嚴(yán)格要求，導(dǎo)致加載的各類模型視角效果差、紋理細(xì)節(jié)少，與3Dmax等專業(yè)軟件生成的模型在美感上差異較大；③三維GiS平臺動態(tài)效果差，對于復(fù)雜的工點難以進行分層次、多尺度的動態(tài)模擬展示。

2.2 “無人機+”視頻技術(shù)應(yīng)用展示

無人機視頻表現(xiàn)效果真實，立體感、彩色感強，其展現(xiàn)場景較人為加工的三維場景視覺效果好、清晰度高，是較理想的匯報視頻表現(xiàn)方式。該方式采用無人機掛載視頻相機對指定區(qū)域進行航飛獲取視頻影像，基于Adobe After Effects(簡稱AE)等視頻處理軟件進行姿態(tài)解析反求與跟蹤，利用AE、Cinema 4D(簡稱 C4D)、Maya等視頻編輯軟件，結(jié)合地理定位信息和線路工程展示匯報腳本要求，將矢量線位或鐵路工點模型與相機的位置點相匹配，通過對模型紋理材質(zhì)、燈光的調(diào)節(jié)，渲染合成，使模型更自然地融入到視頻之中，合成最終匯報視頻需要的成果。

“無人機+”視頻技術(shù)采用現(xiàn)場真實視頻場景加虛擬場景融合的方式，根據(jù)視頻融合的難易程度，可以延伸為“線位+視頻融合”與“3D設(shè)計模型+視頻融合”兩種。“線位+視頻融合”方式為平面方案與視頻相匹配，其貼地效果較好，與視頻融合程度高(見圖2)，而“3D設(shè)計模型+視頻融合”則是將三維的設(shè)計方案模型匹配到視頻中(見圖3)，需要顧及模型實體與地面切合時裁剪問題和陰影問題，實施難度較大。

圖2 無人機視頻與鐵路線位方案的融合展示

圖3 無人機視頻與鐵路3D設(shè)計模型的融合展示

在制作方面，主要工作為視頻數(shù)據(jù)獲取、視頻解析跟蹤和三維模型制作等，盡管該方式展示效果較好，但需要多種軟件聯(lián)合作業(yè)，且在使用中有以下不利因素需克服：①數(shù)據(jù)本身不確定性因素多，受空域、天氣、禁飛區(qū)等因素影響；②視頻拍攝角度單一，無法依據(jù)修改后的要求調(diào)整展示視角等；③為保證視頻應(yīng)用效果與視頻融合的成功率，對于線路方案、場站工點、跨水域與高山的工點，有視角、高度、光圈、速度等較嚴(yán)格的設(shè)置要求；④工點模型與視頻的切合涉及模型的合理裁剪工序，工作難度較大；⑤視頻處理軟件效率有待提高，手工作業(yè)過程中地理定位精度無法保證。

2.3 “無人機+”傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用展示

在鐵路工程施工交底階段，多采用C4D、Maya等3D動畫軟件進行施工工藝過程的動畫視頻制作。但這種方式缺乏地理信息定位的概念，對于地形地貌的表現(xiàn)力較弱，而無人機傾斜攝影以三維場景為底圖，具備高精度的空間位置信息，對于復(fù)雜環(huán)境下施工場地布置與空間關(guān)系分析優(yōu)勢明顯(見圖4)。

圖4 利用無人機傾斜攝影實景模型進行施工場地布置模擬

“無人機+”傾斜攝影采用無人機掛載傾斜攝影測量相機對指定區(qū)域航飛獲取影像數(shù)據(jù)，利用CC等傾斜建模軟件完成高精度實景三維模型，并采用相關(guān)建模軟件開展鐵路工點建模工作，在C4D、skyline等軟件平臺上以實景三維為底圖，結(jié)合工點模型開展特殊工點展示、工藝工法過程模擬等，最后合成匯報視頻需要的成果。但該方式的應(yīng)用還存在以下缺點：①實景三維制作成本高、周期長、效率低；②動畫過程模擬對制作人員的專業(yè)知識要求高，容易出現(xiàn)因認(rèn)識不到位、理解偏差而導(dǎo)致的大量返工；③動畫模擬過程復(fù)雜(如工藝工法模擬涉及部件模型制作、工藝動作分解、動畫路徑設(shè)置等)，易導(dǎo)致制作周期較長。

3 幾種鐵路工程展示應(yīng)用手段比較分析

選取南方某新建鐵路項目的10個工點進行試驗，對幾種鐵路工程展示應(yīng)用手段的優(yōu)缺點進行比較分析，具體思路為：同步采用“無人機+”測繪模式，基于C4D等常規(guī)的三維動畫制作方法，從鐵路工程預(yù)可研、可研、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計4個階段出發(fā)，對制作過程中涉及的單工點平均制作成本、制作周期等指標(biāo)進行分析(見表1)。

表1 幾種鐵路工程展示方式單工點平均制作成本與周期分析

最終表現(xiàn)效果指標(biāo)分析如表2。

表2 幾種鐵路工程展示方式表現(xiàn)效果分析

從適用性方面看，影響鐵路工程匯報展示應(yīng)用方式選定的主要原因為項目需表現(xiàn)的具體內(nèi)容。可根據(jù)表3相關(guān)內(nèi)容進行選取。

表3 幾種鐵路工程展示方式適用類型分析

線路方案的研究往往會隨著工程階段的推進不斷加深，綜合不同的鐵路工程展示應(yīng)用方式，其應(yīng)用策略總結(jié)如下。

(1)預(yù)可研階段

以無人機常規(guī)航拍的三維場景為主要表現(xiàn)方式，該階段線位方案往往不穩(wěn)定，在方案波動段落可利用衛(wèi)星影像部分替代無人機常規(guī)航拍。

(2)可研階段

以“無人機視頻+矢量”為主要表現(xiàn)方式，針對立交橋等無人機視頻方式難以表現(xiàn)的重要工點，可采用無人機常規(guī)航拍的三維場景表現(xiàn)方式。

(3)初步設(shè)計階段

以“無人機視頻+模型”為主要表現(xiàn)方式，針對長大段落、大型水域等模型無法加載表現(xiàn)區(qū)域，可采用“無人機視頻+矢量”方式進行補充；針對山區(qū)、水域等視頻跟蹤容易失敗區(qū)域，以及立交橋、上跨下鉆較頻繁的重要工點，可采用無人機常規(guī)航拍三維場景表現(xiàn)方式進行補充。

(4)施工交底階段

以“無人機傾斜實景+模型”為主要表現(xiàn)方式，開展施工場地布置，施工工藝、工法介紹等應(yīng)用。

4 結(jié)論

“無人機+”測繪模式下的線路工程應(yīng)用展示豐富了鐵路工程匯報展示的手段，提升了匯報效果；結(jié)合工程實際應(yīng)用，提煉出應(yīng)用于鐵路工程競標(biāo)及設(shè)計不同階段的應(yīng)用策略。