復(fù)雜山區(qū)鐵路空天地一體化綜合測繪技術(shù)研究

張占忠

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

隨著國家西部交通強(qiáng)國、東數(shù)西算等政策的實(shí)施,亟需構(gòu)建西部交通樞紐網(wǎng)絡(luò)來連接?xùn)|西實(shí)體經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。因此,中國鐵路的主戰(zhàn)場由平緩的東部丘陵平原地區(qū)轉(zhuǎn)至西部復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū),其中以青藏鐵路、川藏鐵路、中尼鐵路、伊阿鐵路等為典型代表,項(xiàng)目多橫跨高山峻嶺與地質(zhì)活躍區(qū),地形復(fù)雜、晝夜溫差變化大、區(qū)域地形條件復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣等因素使得山區(qū)鐵路建設(shè)遭遇巨大挑戰(zhàn),傳統(tǒng)勘測技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)該類地區(qū)鐵路建設(shè)要求。另外,中國鐵路建設(shè)企業(yè)在海外市場份額日益增多,由于海外和國內(nèi)市場的差異性,需要根據(jù)海外環(huán)境特點(diǎn)、技術(shù)規(guī)范、地方居民習(xí)俗、當(dāng)?shù)卣?guī)劃等諸多要求開展線路勘測與設(shè)計(jì),迫切需要一種新的技術(shù)模式,用創(chuàng)新指引未來行業(yè)發(fā)展[1-3]。

針對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路勘察設(shè)計(jì)困難、效率低、精度低等難題,已有學(xué)者開展相關(guān)研究,劉歡等以成昆鐵路復(fù)線甘洛至喜德段為試驗(yàn)區(qū),探索基于“空天地”的勘察技術(shù)體系與方法,并形成應(yīng)用流程方案[4];馮濤等針對(duì)復(fù)雜巖溶環(huán)境的“空天地”勘察技術(shù)的實(shí)施條件,以及常規(guī)勘察技術(shù)弊端與現(xiàn)代新型技術(shù)手段的特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性闡述[5]。以往研究多側(cè)重于地質(zhì)勘察方面,在測繪領(lǐng)域研究不多。為此,提出一種適用復(fù)雜山區(qū)勘察“空天地”一體化的測繪技術(shù),通過在勘察設(shè)計(jì)不同階段融入新型測繪技術(shù),形成各類測繪產(chǎn)品,以滿足勘察設(shè)計(jì)對(duì)測繪資料的新要求,并以中尼鐵路吉隆藏布河谷區(qū)為試驗(yàn)區(qū),驗(yàn)證該技術(shù)的可行性。

1 鐵路勘察設(shè)計(jì)不同階段測繪技術(shù)方法及應(yīng)用范圍

目前,我國鐵路發(fā)展呈現(xiàn)厚積薄發(fā)的態(tài)勢,巨大的市場需求,推動(dòng)著鐵路上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,也推動(dòng)我國鐵路勘察技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,以滿足我國多樣化的復(fù)雜工程建設(shè)條件。如今,新型測繪技術(shù)手段呈現(xiàn)多樣化趨勢,多平臺(tái)、多層次、多空間的測繪新技術(shù)層出不窮。根據(jù)測繪所用傳感器載荷平臺(tái)作業(yè)空間高度不同,可分為“太空、天空、地表”三大類。

1.1 “太空”類測繪技術(shù)

“太空”類新型測繪技術(shù)主要包括:高、中、低分辨率衛(wèi)星影像測圖及解譯技術(shù),主要服務(wù)于項(xiàng)目預(yù)可研與初測階段。隨著航天遙感技術(shù)的發(fā)展,更為精準(zhǔn)的空間定位技術(shù)、高質(zhì)量的成像元器件、精密姿態(tài)控制系統(tǒng)的出現(xiàn),將遙感探索的視野從區(qū)域觀測拉高到對(duì)地全方位、全時(shí)段觀測的視野,出現(xiàn)多源、異構(gòu)、多層次、多頻譜等多樣化的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,進(jìn)而產(chǎn)生多空間層次軌道相結(jié)合的星座全球觀測系統(tǒng),可提供廣域觀測數(shù)據(jù),涵蓋多種空間分辨率、光譜分辨率、時(shí)間分辨率的對(duì)地觀測數(shù)據(jù)[6]。各種“太空”類測繪技術(shù)類型、技術(shù)特征、測繪產(chǎn)品及專業(yè)應(yīng)用見表1。

表1 “太空”類測繪技術(shù)類型、技術(shù)特征、測繪產(chǎn)品及專業(yè)應(yīng)用

1.2 “天空”類測繪技術(shù)

“天空”類新型測繪技術(shù)主要包括:數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)、機(jī)載合成孔徑測量技術(shù)、機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)、無人機(jī)測量技術(shù),以及面向大場景的航空無縫真實(shí)感立體影像模型制作技術(shù)等,這些測繪遙感技術(shù)多應(yīng)用于項(xiàng)目的初、定測階段。各種“天空”類測繪技術(shù)類型、技術(shù)特征、測繪產(chǎn)品及專業(yè)應(yīng)用見表2。

表2 “天空”類測繪技術(shù)類型、技術(shù)特征、測繪產(chǎn)品及專業(yè)應(yīng)用

1.3 “地表”類測繪技術(shù)

“地表”類新型測繪技術(shù)主要包括地面三維激光掃描技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)RTK測量技術(shù)、無人船測量技術(shù)等,主要服務(wù)于項(xiàng)目的初、定測及補(bǔ)充定測階段。各種“地表”類測繪新技術(shù)類型、技術(shù)特征、測繪產(chǎn)品及專業(yè)應(yīng)用見表3。

表3 “地表”類測繪新技術(shù)類型、技術(shù)特征、測繪產(chǎn)品及專業(yè)應(yīng)用

2 各勘察設(shè)計(jì)階段測繪技術(shù)方法組合原則

通常情況下,鐵路工程勘察按踏勘、初測、定測、補(bǔ)充定測階段開展工作,其產(chǎn)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接與預(yù)可行性研究、可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)4個(gè)階段相對(duì)應(yīng),通過不同的測繪手段得到成果則作為鐵路設(shè)計(jì)的依據(jù)。對(duì)于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路,傳統(tǒng)的勘測手段較為單一,難以滿足鐵路勘察設(shè)計(jì)深度要求,應(yīng)根據(jù)不同的工作內(nèi)容、測繪精度要求等進(jìn)行測繪新技術(shù)的組合運(yùn)用。

2.1 踏勘階段

該階段主要以“太空”類新型測繪技術(shù)為主,以提供1∶1萬～1∶5萬地形圖、1∶5萬～1∶20萬遙感影像圖、遙感地質(zhì)解譯圖為目的。新型測繪新技術(shù)應(yīng)用方法:在1∶1萬制圖環(huán)節(jié),選取分辨率為0.5～1.5m衛(wèi)星影像;遙感地質(zhì)解譯以國產(chǎn)資源三號(hào)、高分二號(hào)衛(wèi)星為主,對(duì)搜集影像進(jìn)行勻色、正射糾正、融合,形成專題解譯底圖圖件,然后在此基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)域地形、地震及地質(zhì)資料等開展大面積遙感解譯,形成各類報(bào)告與圖件,為選線工作服務(wù)。

1∶1萬地形圖作為鐵路設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù),多從項(xiàng)目所在地測繪管理部門搜集,但搜集的1∶1萬地形圖一般現(xiàn)勢性不高,在一定程度上影響線路方案的選擇。隨著我國測繪衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展,測繪遙感衛(wèi)星的數(shù)量、種類也在不斷增加,利用高分辨率衛(wèi)星遙感立體影像進(jìn)行地形圖生產(chǎn)已成為鐵路1∶1萬地形圖制作的主要手段,滿足1∶1萬成圖精度要求的國產(chǎn)衛(wèi)星主要有高分七號(hào)(GF-7)衛(wèi)星,“GF-7”衛(wèi)星上搭載了雙線陣立體相機(jī)、雙波束激光測高系統(tǒng)等,能夠獲取分辨率優(yōu)于0.8m的立體像對(duì)。由于其立體像對(duì)具有較大的基高比,通過對(duì)不同軌道、不同時(shí)相獲取的影像采用密集匹配方法自動(dòng)獲取連接點(diǎn),然后對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行粗差剔除與修測,相對(duì)定向像方殘差中誤差能夠達(dá)到1/3像素,絕對(duì)定向后物方平面、高程中誤差均能滿足TB 10050—2010《鐵路工程攝影測量規(guī)范》各項(xiàng)指標(biāo)精度要求。實(shí)踐證明,基于“GF-7”影像數(shù)據(jù)制作1∶1萬地形圖可作為傳統(tǒng)勘測手段有效補(bǔ)充和替換手段。

2.2 初測階段

該階段的測繪工作主要是開展全域1∶2000比例地形圖測繪,部分區(qū)域典型工點(diǎn)地形圖及斷面、中線測繪等,應(yīng)發(fā)揮“太空、天空”類測繪技術(shù)中的衛(wèi)星遙感測圖技術(shù)、有人機(jī)數(shù)碼攝影測量和無人機(jī)測繪技術(shù)的優(yōu)勢。新型測繪新技術(shù)應(yīng)用方法為:采用Worldview、Pleiades等衛(wèi)星影像作為制圖數(shù)據(jù)源,基于稀少控制點(diǎn)的布設(shè)及測量方法,采用PixelGrid區(qū)域網(wǎng)平差軟件進(jìn)行空三測量,滿足鐵路1∶2000比例地形圖精度要求;采用無人機(jī)LiDAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)小范圍典型工點(diǎn)地形圖、斷面及中線等測繪工作。

初測階段測繪專業(yè)主要工作任務(wù)之一是制作研究區(qū)域的1∶2000比例地形圖,隨著西部高原、艱險(xiǎn)地區(qū)勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目的推進(jìn),僅依靠有人機(jī)航空攝影存在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的諸多問題,如勘測區(qū)域距離可用航攝的機(jī)場過遠(yuǎn),邊境地區(qū)實(shí)施航空攝影困難等因素,使用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行1∶2000比例地形圖測圖,成為最佳選擇。其中,Worldview、Pleiades、GeoEye等50cm系列衛(wèi)星影像均能滿足鐵路1∶2000比例地形圖Ⅱ級(jí)～Ⅳ級(jí)地形等級(jí)制圖精度,Worldview(3、4星)、MAXAR 30cm HD立體衛(wèi)星影像分辨率更高,影像細(xì)節(jié)細(xì)膩,邊緣精確,能夠滿足各地形等級(jí)的1∶2000比例地形圖制作。

2.3 定測及補(bǔ)充定測階段

應(yīng)結(jié)合工程類型,以“天空”、“地表”類測繪方法為主,借助直升機(jī)、無人機(jī)等飛行平臺(tái),采用激光雷達(dá)測量技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)測制整個(gè)工程項(xiàng)目的工點(diǎn)地形圖、斷面、中線及實(shí)景三維模型等測繪成果,部分采用“天空”類測繪技術(shù)無法實(shí)施的隱蔽地區(qū),可采用“地表”類測繪技術(shù)如地基“LiDAR”,無人船測量等技術(shù)開展相關(guān)工作。

定測及補(bǔ)充定測階段線路方案已趨于穩(wěn)定,需要更高精度、更豐富的測繪成果用于項(xiàng)目的深化研究及設(shè)計(jì)。實(shí)踐中,可采取直升機(jī)、無人機(jī)、車載等平臺(tái)搭載多套不同類型的測繪設(shè)備(如激光雷達(dá)測量設(shè)備、傾斜攝影設(shè)備、視頻拍攝設(shè)備等)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取,一般激光點(diǎn)密度不小于16點(diǎn)/m2,傾斜影像分辨率不小于5cm,然后加工生成高精度的DEM數(shù)據(jù)、三維實(shí)景模型、現(xiàn)狀高清視頻等成果,作為勘測現(xiàn)場及后續(xù)初步設(shè)計(jì),施工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)測繪資料。

3 構(gòu)建 “空天地”一體化綜合測繪系統(tǒng)技術(shù)體系

復(fù)雜山區(qū)鐵路 “空天地”一體化綜合測繪技術(shù)體系主要圍繞鐵路工程踏勘、初測、定測、補(bǔ)充定測等工程任務(wù)建立,結(jié)合各種測繪技術(shù)優(yōu)勢,突出高效性、高質(zhì)量的特點(diǎn),從而形成有創(chuàng)新性、借鑒性的通用組合模式。開展相關(guān)類型項(xiàng)目時(shí),可根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)、區(qū)域地形地貌等按需選取不同的測繪方式,最終應(yīng)滿足勘察設(shè)計(jì)不同階段對(duì)測繪成果與精度要求。“空天地”一體化綜合測繪技術(shù)體系見圖1。各階段測繪工作應(yīng)體現(xiàn)先整體后局部、先控制后碎步的原則,并注重彼此之間的銜接,從而形成最佳的技術(shù)工作流程與應(yīng)用方案。

圖1 復(fù)雜山區(qū)鐵路勘察一體化測繪技術(shù)體系

4 應(yīng)用實(shí)例

中尼跨境鐵路是首條穿越喜馬拉雅山脈的鐵路,其地形、地貌及自然環(huán)境惡劣,是世界鐵路建設(shè)史上難度及風(fēng)險(xiǎn)極大的鐵路工程[14],其中吉隆縣至吉隆口岸段溝谷深切、人跡罕至,地形陡峻。在中國與尼泊爾邊境地區(qū),傳統(tǒng)的有人機(jī)航空攝影測量難以實(shí)施,決定采用“空天地”一體化綜合測繪技術(shù),在項(xiàng)目初測階段,以“空天”測繪技術(shù)組合為主,采用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行制作1∶10000～1∶2000比例地形圖,采用無人機(jī)“LiDAR”技術(shù)完成1∶1000～1∶500比例工點(diǎn)地形圖斷面測量。在衛(wèi)星影像制圖環(huán)節(jié),依據(jù)國內(nèi)外常用衛(wèi)星影像測制1∶50000～1∶2000比例地形圖精度的研究成果(見表4),選取合適的數(shù)據(jù)源,通過對(duì)本項(xiàng)目成圖精度及已有資料分析,決定采用Worldview1/2衛(wèi)星影像作為遙感數(shù)據(jù)源,共搜集到7對(duì)50cm分辨率Worldview衛(wèi)星影像立體像對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)品數(shù)據(jù),南北長約48km,東西寬約16km,試驗(yàn)區(qū)域見圖2。沿線路走向的河谷區(qū)域布設(shè)像控點(diǎn),共布設(shè)像控點(diǎn)32個(gè),采用PixelGrid軟件進(jìn)行空三測量,其中26個(gè)像控點(diǎn)參與定向,定向控制點(diǎn)的殘差見表5;定向控制點(diǎn)的均方根中誤差見表6,滿足GB/T 23236—2009《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》空中三角測量精度要求[15]。Worldview衛(wèi)星影像定位精度較穩(wěn)定,當(dāng)控制點(diǎn)間距相當(dāng)時(shí),控制點(diǎn)位置的選取對(duì)定位精度影響很小[16],且相較于常規(guī)有人機(jī)航攝,影像布設(shè)像控點(diǎn)數(shù)量大幅減少,而且可靈活布設(shè)在交通容易達(dá)到的河谷區(qū)域,外業(yè)像控點(diǎn)測量更加容易實(shí)施,非常適合該類地區(qū)1∶10000～1∶2000比例地形圖測繪。對(duì)于初測階段典型工點(diǎn)地形圖及斷面測繪工作,設(shè)計(jì)專業(yè)一般提供的制圖面積小,比較零散,本試驗(yàn)區(qū)共提18處需要高精度的測繪數(shù)據(jù),面積約17.6km2。

表4 國內(nèi)外常用高分辨率衛(wèi)星影像質(zhì)量及成圖精度統(tǒng)計(jì)

表5 定向控制點(diǎn)的殘差 m

表6 定向控制點(diǎn)均方根中誤差 m

圖2 中尼鐵路基隆藏布區(qū)域衛(wèi)星影像像控點(diǎn)布設(shè)

通過本項(xiàng)目試驗(yàn)分析,將高分辨率衛(wèi)星影像測繪技術(shù)與無人機(jī)“LiDAR”技術(shù)組合應(yīng)用于本項(xiàng)目初測階段,無論從技術(shù)上、經(jīng)費(fèi)上還是時(shí)間上都有無可比擬的優(yōu)勢,值得在同類項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

續(xù)表5

5 結(jié)論

(1)通過分析總結(jié)新型測繪技術(shù)特點(diǎn)、測繪產(chǎn)品及應(yīng)用范圍,提出針對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路勘察的“空天地”一體化綜合測繪技術(shù)方案,形成勘察設(shè)計(jì)不同階段各類測繪新技術(shù)應(yīng)用的組合原則及應(yīng)用方案。

(2)針對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路勘察構(gòu)建的“空天地”一體化綜合測繪體系能夠解決傳統(tǒng)勘察方式難以實(shí)現(xiàn)“上山到頂,下溝到底”的難題,滿足勘察設(shè)計(jì)對(duì)測繪成果與精度要求,可廣泛應(yīng)用于同類工程項(xiàng)目中。

(3)依托中尼鐵路工程勘察設(shè)計(jì)實(shí)踐,采用 “空天地”一體化綜合測繪手段和技術(shù)方法,通過在勘察設(shè)計(jì)不同階段融入新型測繪技術(shù),獲得豐富、準(zhǔn)確的勘察數(shù)據(jù),提高勘察效率和質(zhì)量,降低勘察風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用效果良好,滿足設(shè)計(jì)部門對(duì)測繪成果的要求。