傾斜攝影測量技術在鐵路工程中的精度分析及應用

李 丹

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

近年來，天、空、地一體化測繪新技術的飛速發展，豐富了傳統勘察設計數據的獲取手段，極大推動了我國鐵路勘測工作革命性的進步，促進了鐵路工程建設的蓬勃發展[1]。隨著 “數字鐵路”“孿生鐵路”的提出，對更加完整、真實及高精度的地球空間基礎信息的需求與日俱增。無論在工程勘察設計、施工建設還是運營維護階段，都需要通過測繪技術，快速、準確地獲取大范圍的測繪地理信息數據。其中，三維實景模型這種空間信息數據作為航空攝影測量的重要產物，已逐漸成為空間數據框架的重要組成部分。

傳統的航空攝影測量僅能獲取建筑物的高度信息及頂部紋理信息，側面紋理信息的提取還需投入大量的人工成本，降低了三維重建的效率[2]。傾斜攝影測量技術[3]作為近年來國際測繪遙感領域發展十分迅速的一項高新技術，為了充分獲取地物側面信息，與傳統攝影測量方式不同的是，其通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，從一個垂直和多個傾斜的不同視角采集影像[4]，大規模、多角度地全面感知復雜場景，給僅通過垂直角度獲取影像進行三維建模的傳統攝影測量直接提供了豐富的地物側面信息，減少了其需額外對建筑物側面紋理信息進行采集及影像修正的工作量，使得三維重建技術的成本大大降低[5-6]。相對二維數據，通過高效的數據采集設備及專業數據處理流程生成的三維實景模型數據成果，真實直觀地反映地物的外觀、位置、高度等信息，滿足用戶多角度瀏覽和實時量測，全面的體現客觀實際，作為三維可視化大場景的基礎，實現空間數據的直觀化與可視化[7-8]。同時在嚴格按照測量規范要求的前提下，地面控制測量完成對測區的控制網設計及測量，為模型成果的精度提供了基礎[9]。

目前缺乏傾斜攝影的相關標準，常規作業仍舊參照傳統框幅式航空攝影規范，造成布設控制點為常規航攝的幾倍，增加了外業工作量及成本[10]。不僅無法體現傾斜航空攝影的技術特點，而且有些重要技術指標有很大區別，沒有替代性。由于存在設計知識、經驗分散，缺乏統一的技術標準的問題，如何在滿足精度要求的前提下優化像控點布設方案，減少像控點數量、降低外業工作量及成本成為本文研究的重點。此外，隨著近年來我國艱難山區鐵路建設需求的提高，面對海拔高、高差大、交通不便、地質條件復雜等特征，且崩塌、泥石流、危巖落石等災害發育的建設現狀，傳統勘察手段困難重重[11]。因此，本文根據某鐵路項目試驗區對適用于鐵路工程的不同像控點布設方案對模型成果精度的影響進行統計分析，同時，探討了傾斜三維實景模型在多個鐵路工程中的應用。

1 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影技術突破傳統的單鏡頭下視影像獲取，采用下視鏡頭和4個側視鏡頭結合的方式同時獲取曝光點的多視角影像。通過多視影像與地面控制點進行聯合平差獲取影像的外方位元素和加密點坐標、然后通過密集匹配獲取的高密度點云數據構建不規則三角網(簡稱TIN，即Triangulated Irregular Network)，基于多鏡頭相機獲取最佳角度的影像對TIN網白模進行紋理貼圖，從而獲取高精度的實景三維模型。傾斜攝影三維實景建模流程見圖1。

圖1 傾斜攝影三維實景建模流程

影響三維傾斜實景模型精度的主要因素包括：鏡頭畸變、影像質量、影像重疊度、像控點選點及像控點布設方案等[12-13]。其中，高質量的像控點布設是保證多視影像聯合平差計算精度的前提，對空中三角測量(以下簡稱“空三”)結果有直接影響，從而反映在后續三維模型的成果精度上。一般的，模型成果精度隨像控點數量增多而提升，但當像控點數量達到一定程度后，再增加像控點數量對模型精度的提升不大。因此，在保證成果精度滿足要求的前提下，如何控制外控點數量、減少外業工作量及成本成為一個難題。因此，根據某鐵路項目建立試驗區，對適用于長大帶狀鐵路工程的不同像控點布設方案對傾斜模型成果精度的影響進行統計分析，總結出最優的像控點布設方案，為后續工程實踐提供技術參照。

2 建模精度分析

2.1 測區概況

此次試驗測區位于西安至武漢高鐵西安至十堰段藍田縣附近，試驗區位于關中平原，地形較平坦，地勢開闊，地形等級為Ⅰ級。試驗區交通便利，村莊、地物較多，無高層建筑。本次試驗區采用CGCS2000國家大地坐標系，高程基準采用1985國家高程基準，數據處理采用TM投影，中央子午線108°，投影面大地高程0 m。

根據試驗區地形及天氣條件選用科威泰KWT-X6L電動多旋翼無人機作為飛行平臺，搭載睿鉑Riy-DG4傾斜五鏡頭相機，獲取2 cm分辨率的傾斜影像。試驗設計航線12條，航向基線70條，航高180 m，航向重疊度75%，旁向重疊度60%。根據已有正射航空影像制作測區的正射影像進行像控點選點與布設(圖2)，像控點按照航向5條基線、旁向隔兩條航線的方式布設，測區內共布設平高像控點110個，均勻布設在村莊屋頂拐角、平坦道路或道路交叉處及田地中，像控點覆蓋整個測區。圖像采集時間為2018年9月，飛行時選擇明亮的多云天氣，正午時刻進行。

圖2 測區像控點布設

飛行結束后進行影像質量檢查，獲取有效影像4 265張。檢查飛行POS數據完整，影像清晰、色彩一致，反差適中；影像無重影，無大面積反光、不清晰點。數據合格，可以滿足試驗要求。

2.2 像控點布設及空中三角測量

空中三角測量是進行航攝影像內業處理的關鍵步驟，目的是利用較少的地面控制點和多視影像進行聯合平差，將基于影像特征提取的連接點納入到已知控制點的坐標系中，從而獲取每張影像精確的外方位元素及連接點的精確坐標信息。因此，外業地面控制點的布設及測量精度對空三精度有很大影響。

2.2.1 像控點施測

常用的像控點平面測量一般采用GNSS靜態或快速靜態相對定位、GNSS精密單點定位或GNSS-RTK測量的方式；高程測量一般采用GNSS水準高程擬合、GNSS高程測量或GNSS-RTK測量的方式進行。本次試驗中采用GNSS-RTK測量的方式獲取測區110個地面控制點的平面及高程坐標。

2.2.2 像控點布設

參照規范要求分別設計三類像控點布設方案：(1)沿測區四周均勻布設；(2)規則航線、基線間隔布設；(3)分布式五點法。為了分析不同像控點布設方案對模型成果的精度影響情況，綜合考慮測區地形與建筑物密集程度，設計如圖3中的14種像控點布設方案，采用各方案進行區域網平差計算，利用多余的地面控制點作為檢查點對空三結果精度進行統計分析。

圖3 像控點布設方案

2.2.3 空中三角測量

空中三角測量結果的精度由野外測量的多余控制點作為檢查點來進行評定，通過空三加密后點的坐標值與野外量測檢查點坐標的差值進行評價。當前針對傾斜攝影空中三角測量精度暫無明確規范要求，根據TB 10050—2010《鐵路工程攝影測量規范》對內業空三加密成果的規定，平地地形采用1∶500比例尺時平面及高程精度指標如表1所示。

表1 空三測量精度指標 m

試驗選擇了目標清晰、定位準確的45個檢查點及采用的定向點分別對空三結果的平面及高程精度進行統計，計算其平面及高程最大殘差。不同方案的定向點和檢查點平面和高程最大殘差如表2所示。

表2 不同方案空三精度統計 m

由于控制測量和空三測量的誤差累積，平面點位精度較高程精度高。從表2可以看出，在區域四角布設4個平高控制點時測區檢查點平面誤差即可滿足限差要求，因此本文對平面精度不深入討論。高程精度方面，在方案k的布設情況下，檢查點的最大高程殘差滿足規范要求。其中，方案k～方案n的檢查點高程誤差如圖4所示。

圖4 方案k-n檢查點高程誤差

2.3 模型精度分析

三維模型數據生產是空三解算的后續流程，模型構建完成之后，便可得到直觀的三維數據模型。三維模型的整體模型精度主要是以測圖中的點位精度進行評價，點位精度是將實測檢查點坐標與構建模型中量測的對應點坐標計算差值，統計其平面及高程中誤差。中誤差是衡量觀測精度的一種數字標準，其反映了觀測值精度的高低。中誤差計算如下

(1)

(2)

式中，Δxi、Δyi、Δzi為不同方向外業實測檢查點與模型上測量的檢查點坐標的差值；mx為x方向中誤差；my為y方向中誤差；mxy為平面中誤差；mz為高程中誤差。

傾斜攝影的模型精度采用TB 10050—2010《鐵路工程攝影測量規范》中地形圖的精度要求進行評價，檢查點的精度指標如表3所示。

表3 模型精度指標 m

選擇滿足空三精度要求的方案k～n分別構建三維模型，使用測區73個檢查點對不同方案模型的點位坐標進行量測，根據公式(1)、公式(2)得不同布設方案的整體模型中誤差如表4所示。

表4 不同方案檢查點模型中誤差 m

經過分析，當采用方案k時(圖5)，模型整體高程中誤差為0.135 m，其中殘差小于1/2中誤差的檢查點占全部檢查點的63%，殘差大于1/2中誤差且小于1倍中誤差的檢查點占全部檢查點的28%。依照TB 10050—2010《鐵路工程攝影測量規范》中檢查點的高程中誤差不得大于0.2 m的規定，該方案能夠滿足成果精度要求，此時像控點布設方案為在航向1 km，旁向0.5 km的區域4個角點及區域中心各布設1個平高控制點的五點法。

圖5 方案k檢查點模型高程誤差及高程誤差分布

2.4 小結

根據表2中不同方案模型整體精度可以看出，當采用方案k，即航向基線間隔35條、航線間隔6條的五點法時，模型成果精度已滿足需求。此種方案像控點數量也遠遠少于根據傳統航攝規范規定設計的像控點數量，大大減少了外業控制點測量的工作量，降低了成本，對后續工程實踐具有一定的參考性。

3 鐵路工程應用

高精度的傾斜實景模型數據基礎是提高鐵路勘察設計效率及質量的前提。傾斜實景模型不僅包含大量的地形、地物、地質信息，提供真實的地表情況，而且可通過先進的空間信息定位技術，引入精確的地理坐標信息，使得傳統勘測需要外業進行的大量作業可以移到室內完成，降低了勘測的安全風險，很大程度上提高了鐵路勘測的精度與效率，為鐵路勘察、設計、選線、施工建設及運營維護全生命周期提供數據基礎。

基于高精度的傾斜三維實景模型，我單位在工程勘察設計領域進行了大量工作，主要涉及的應用領域包括以下幾個方面。

3.1 地質勘察

傳統的地質工程勘察的主要手段是以羅盤、皮尺等方式采集現場數據，這種方法不但工作量大、效率低，而且得到的數據準確性較差。此外，傳統的航空攝影測量主要用于地形圖測繪工作。遙感技術通過建立三維模型，實現了對不良地質的遙感解譯工作[14-15]，同時可實現數字調繪及艱難山區高陡邊坡的地質信息、地質構造、不良地質解譯，在一定程度上減少外業工作量，克服二維操作和地面調查的局限性，擴大地質勘察范圍，加快工作進度，有效提高了信息采集、提取的準確性與效率，提高地質勘察信息化水平和質量，為鐵路工程地質勘察與選線工作提供便捷可靠的手段，確保鐵路建設與運營安全[16]。西藏地區位于青藏高原，該地區某鐵路建設具有顯著的地形高差大、板塊活動強烈、山地災害頻發、生態環境脆弱、氣候高寒缺氧等環境特征。針對測區植被覆蓋茂密和地形艱險的現狀，采用傾斜攝影技術獲取了重點邊坡坡面的地質信息，構建的優于5 cm的三維實景面積達680 km2。結合區域地質資料，采用實景三維模型、二維影像相結合的遙感解譯技術方法，共完成19處工點約39.13 km2的地質信息(巖層產狀、巖體結構面等)、地質構造(斷層、斷裂、褶皺等)、不良地質(滑坡、崩塌、錯落、危巖體、巖堆、巖屑坡、碎屑流、泥石流等)及其他潛在威脅對象等因素的判別解譯工作，提高了勘察效率和質量。見圖6。

圖6 西藏地區某鐵路遙感地質解譯

3.2 線路選線

鐵路工程是以鐵路線路為紐帶的系統工程。在項目前期研究的過程中，通過對線路設計方案進行比選確定最優線路方案是最主要的工作之一[17]。近年來，鐵路選線設計更注重環境選線、景觀選線和地質選線，傳統的基于地形圖的二維線路設計理念表達信息有限，難以直觀地觀察、判斷鐵路線路與地形地物發生的空間沖突，已不能滿足高速鐵路發展的需求[18-19]。三維實景模型可用于輔助線路選線，提取敏感點高程值。通過將線路方案加載在三維模型上，可用于橋梁、隧道、路基等專業工點設置條件的初步評價，指導線路方案的優化、調整，使用范圍廣，發揮作用大。此外，結合傾斜模型可進行站場站位地形地貌及地物的立體觀測，統計調查站場周邊的拆遷狀況，提取環境敏感點位置和高程信息，指導站位的優化、調整。

在寶成鐵路王家沱至樂素河區間搶險工程中，為了查明區間沿線高陡斜坡地段危巖落石、崩塌、滑坡等不良地質特征以及裸露巖體的節理裂隙發育情況，通過構建三維實景模型，完成了高度風險4處/895 m，中度風險8處/1 555 m，低度風險9處/2 250 m的地質災害排查工作，確保了搶險工作的順利完成(圖7)。

圖7 寶成鐵路搶險工程三維選線設計

3.3 橋梁設計

基于實景模型可立體觀測橋隧位置及周邊地形地貌環境，輔助進行橋梁位置和隧道出入口的調整，提取敏感點高程值，指導橋梁隧道工點的優化和調整。

在設計階段，可進行橋梁設計模型與地表既有附屬物的設計碰撞，讓設計人員全面把控現場環境，及早發現設計隱患。如圖8所示為西藏某鐵路在設計階段的BIM模型，將其加載到傾斜實景模型上，能夠實現設計時的工點優化。在施工階段，通過施工現場三維實景模型的建立，還可以進行施工現場管理與橋梁外觀檢查等工作，確保施工的順利進行。

圖8 西藏地區某鐵路基于傾斜模型的橋梁BIM模型

3.4 路基與隧道設計

傾斜三維實景模型在路基處理中主要用于高陡邊坡、隧道洞口防護等的穩定性評估，通過利用三維實景模型，可以協同優化隧道洞口設計及針對隧道的洞口防護措施。如西藏地區某高原鐵路某隧道洞口設計，初測洞口位置設計如圖9(a)所示，該隧道洞口上方斜坡整體呈上下較陡中部較緩，陡坡上裸露基巖為燕山期侵入花崗閃長巖，節理發育，存在不利結構面，發育大量危巖體及落石，前期發生過多處多期崩塌，需大量設置主、被動防護網，成本較高，工程安全性差且留有隱患。定測勘察利用傾斜攝影三維實景模型與原方案進行比較分析后，將洞口位置向右側移動約60 m(圖9(b))，優化后，隧道洞口遠離上方可能溜塌的大型巖屑坡，洞口防護措施和投資大大減少，從洞口危巖落石防護角度來看，優化后的洞口更加安全、經濟。

此外，基于密集匹配的高密度點云數據還可以進行裸露地表的路基斷面提取、坡面斜率及填挖土方量計算等工作，較傳統基于二維地形圖的作業方式，精度及效率均得到了提高。

圖9 西藏地區某鐵路隧道洞口及防護優化設計

3.5 測繪應用

相比傳統的航空攝影測量，傾斜攝影測量建立的三維模型數據在精確反映地物地理信息的同時，還實現了多角度、大范圍、高清晰的復雜真實場景感知[20]，完成了基于小范圍立體像對和點特征的傳統航測技術向基于多視影像和對象特征的真三維傾斜攝影測量技術的轉變[6]。

基于傾斜三維模型數據可以快速完成大比例尺地形圖測繪、電子調繪、地籍管理及各類工程規劃建設系統地理數據獲取等工作?；趦A斜模型的地形圖制作見圖10。

3.6 BIM應用

近年來，隨著“智慧城市”等綜合性規劃理念的提出，工程項目與環境的聯系越來越密切，這就要求在項目的決策階段之前便將工程的位置、環境信息進行綜合考慮。BIM技術貫穿鐵路工程規劃、設計、施工、運維全階段，實現數據共享、多專業協同設計、多階段無縫銜接，推進鐵路建設數字化、信息化和智能化發展，改變了傳統鐵路設計流程，BIM技術的發展和應用是工程勘察設計的二次革命[21-23]。

傾斜攝影技術通過快速高效的數據獲取方式實現了空間地理基礎建立、信息采集，將其以輔助形式輸入GIS平臺，實現了“GIS與BIM結合”，滿足鐵路BIM設計過程中的各種工程數據交互，實現可視化，是必然發展趨勢。一方面能直觀地表現成果，在進行三維展示、線路方案匯報時，有助于進一步分析鐵路設計的優缺點，另外能快速表達設計意圖，加快校審進度。另一方面將鐵路各專業模型包括BIM模型在GIS平臺中進行整合應用具有實際工程意義。此外，基于傾斜實景三維模型和BIM模型數據搭建工程管理平臺，與實際業務相關聯，能夠滿足BIM在施工管理和運營維護中全生命周期應用。

然而，目前BIM在鐵路領域的應用尚不成熟，工程實踐大多能夠停留在具體工點應用上，對大范圍地形及海量模型數據的表達仍需深入探索[24]。

4 結語

結合鐵路工程實踐的需求，以西武高鐵某試驗區為例，統計分析了14種不同像控點布設方案的空中三角測量及模型精度，總結了適用于鐵路工程1:500比例尺精度要求的最優外業像控點布設方案。與傳統框幅式航空攝影規范的規定相比，很大程度上減少了外業控制點的布設數量，降低了野外作業的工作量和成本，提高了工作效率，為后續工程實踐提供了技術參照。

此外，通過多個鐵路工程勘察設計的應用實例表明，將三維實景模型應用于鐵路勘察設計中，克服了基于傳統二維平面操作的局限性，有效提高了鐵路勘測的精度與效率，成功輔助鐵路勘察設計的高效高質量進行，在鐵路工程領域具有廣闊的應用前景。