復雜艱險山區鐵路勘察設計階段航空攝影多源數據獲取研究

何穎博

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

目前,國外暫無針對鐵路勘察設計中航空攝影綜合方案的研究,國內有少量航空攝影在鐵路勘察設計中的應用研究,高文峰分析了POS輔助DMCII230在鐵路勘察設計應用中的精度,認為高程精度隨GSD的提高有明顯的提高,平面和高程精度隨著像控點數量的增加精度也有明顯提高,但當像控點達到一定數量時,其精度被其他誤差掩蓋,精度呈隨機變化特征[1];黃華平等在鐵路勘測中使用了機載激光雷達測量技術進行DOM、DEM、DLG的生產和斷面采集[2];董秀軍將三維激光掃描、數字攝影測量技術在地質調查中進行綜合應用[3];從以上研究來看,無論是常規數碼攝影、機載激光雷達攝影還是傾斜攝影,都在一定程度上能解決制圖、斷面和地質解譯的問題。另外,柯舒將DMC III數字航攝儀應用于常益長鐵路斷面采集中,但該條鐵路所經區域高差相對較小,研究成果難以滿足復雜山區鐵路的應用[4];劉建軍對無人機LiDAR技術在鐵路勘測中的應用進行了分析,認為無人機LiDAR技術成本更為經濟,但植被穿透性有所降低[5];李安福等分別對傾斜攝影和激光雷達的發展進行了總結[6-7]。可以看出,不同的航測手段各有千秋。在實際工程應用中,往往僅靠單一某項攝影技術,未覆蓋大范圍、多層次的攝影需求,難以滿足復雜地形地貌鐵路勘察設計需要。

2 主要攝影手段的特點與比較

近年來,民用無人機技術與航攝儀輕小型化的高速發展與結合,給航空攝影帶來了更多靈活的組合空間,同時也降低了航空攝影的技術、設備門檻。目前常見的航空攝影手段包括載人固定翼飛機、載人旋翼機(如直升機等)、無人旋翼機、無人固定翼飛機、垂直起降固定翼無人機5類飛行平臺(優缺點比較見表1、圖1)和數碼攝影、機載激光雷達攝影、傾斜攝影3類傳感器(優缺點比較見表2)。

圖1 各攝影平臺優缺點比較

表1 各攝影平臺優缺點

表2 各傳感器技術特點

續表2

3 西部地區某鐵路多源數據獲取方案

由于地形、地質條件復雜等原因,西部地區某鐵路選線難度極高。綜合考慮生態環境保護、區域經濟發展、國防等因素,線路比較方案較多,地理跨度較大,對數據獲取提出了“快準狠”的要求。以下主要從初測、定測兩個階段探究多源數據獲取方案。

3.1 初測階段主要方案

在初測階段,因地質、地形復雜等原因,西部地區某鐵路雖已有數條比較方案,但其方案存在較大的不穩定性。該階段的數據獲取目的主要是為快速制作全線大范圍的1∶2000地形圖。考慮到攝影面積大,飛行平臺宜主要采用載人固定翼飛機搭載常規數碼攝影儀的方式。線路途經的地形高差較大,部分區域甚至可達2000～3000m,加上海拔較高,決定采用國王350增壓艙航攝飛機與DMCⅢ系統,攝影季節選擇在測區旱季。

根據DMCⅢ的相機參數,為滿足GSD優于20cm的技術要求,相對高度應低于4800m。由于相對航高較高,角度誤差將帶來“差之毫厘謬以千里”的誤差放大,這對POS精度(特別是角元素精度)要求較高。在基站選擇時,盡可能采用高等級控制點,在數據處理及后期數據應用時,應注意角元素投影等問題。測區跨度較大,要根據項目實際需要自建投影方式,通常來講可采用高斯3°帶標準分帶投影,投影面0m或根據工程需要設置分帶方式與投影面。在后期內業實際操作中,通過細分投影方式處理后的EO精度可將影像直接定向誤差控制在2m以內,精度較好的EO即使不采用控制點直接進行絕對定向,也可基本滿足1∶2000地形圖的制圖需求。在沈翔等研究基礎上,提出一種國家坐標系下機載傳感器的直接對地目標定位方法,也可在一定程度上解決影像直接定向的問題[8-9]。

在航向與旁向重疊度的設計上,一方面要遵循1∶2000制圖規范要求,另一方面也應考慮航攝數據的綜合利用,如全線三維實景模型的應用等。因此,可適當增加重疊度,以提高三維模型質量與精度。在本項目中,綜合大范圍三維實景模型應用需要,我們采用了最高81%(航向)與59%(旁向)的重疊度,實現了數據的多層次使用。

針對測區高山峽谷荒無人煙的特點,為減輕外業工作量,提高航飛與內業制圖精度,在航帶規劃時,測區分區不僅要考慮地形高差因素,還應考慮基站覆蓋、外業刺點等各種因素。一方面盡可能擴大單個測區范圍,以便后期進行大范圍區域網平差;另一方面將測區邊緣航線及航線端頭盡可能敷設在外業人員能夠方便到達的區域,提高外業人員工作效率,減少外業人員作業風險。測區為高山區域,作業時應充分考慮太陽高度角帶來的山體陰影問題,宜選擇中午時段進行。

3.2 初測階段補充方案

采用載人固定翼飛機搭載常規數碼攝影儀的方式進行攝影并撤場后,仍有可能遇到部分段落小規模改線等情況,此時宜采用無人機搭載數碼相機的方式進行補充。

由于西部地區某鐵路地形高差較大,飛行平臺一方面可采用垂直起降固定翼無人機進行較大范圍的補飛,另一方面可采用多旋翼無人機對小范圍工點或固定翼無人機航飛分辨率較差的區域進行補飛。無人機搭載的傳感器定姿定位精度通常較差,為盡可能減少外控刺點工作量,宜選擇帶GNSS接收機和IMU(或類似能記錄姿態的加速度計)的無人機。除與載人機航攝類似的作業方式外,還應注意引入顧及曝光延遲的平差模型[10]和鏡頭畸變模型[11],有

其中,[x,y,-f]T表示像點(x,y)在像空間坐標系下的坐標;λ表示投影系數,求解過程中相互抵消;R表示影像外方位元素的三個角元素構成的正交變換矩陣;表示記錄曝光時刻的攝站點GNSS位置;[x0,y0,z0]T表示GNSS天線相位中心在像空間坐標系下的坐標值;表示當前時刻的無人機平臺在三個方向上的速度矢量;[X,Y,Z]T表示像點對應的像空間輔助坐標;Δt表示相機曝光延遲時間。

其中,(Δx,Δy)為像點改正值;(x0,y0)為像主點;Kn為徑向畸變參數;Pn為切向畸變參數;α為像素的非正方形比例因子;β為CCD陣列排列非正交性畸變系數。

3.3 定測階段主要方案

在定測階段,鐵路線位雖仍會發生一定程度的變化,但其詳細走向和設站方案、車站規模等基本確定,一般只存在局部段落的走向比選。此時的測量工作主要是提供全線車站、路基、橋隧等段落、重要工點的1∶500地形圖、橫縱斷面等。隨著減災選線概念的提出,通過航空攝影手段解決部分不良地質辨識問題的方案也在不斷摸索中改進。

(1)直升機搭載大型LiDAR系統

如圖2所示,機載LiDAR系統對地定位屬于幾何定位的原理。根據激光發射點的空間坐標O(X0,Y0,Z0)、慣性導航系統測定飛機的空間姿態參數(ω,φ,κ)、激光發射點到地面激光腳點的矢量R,三者結合即可確定地面點P(Xi,Yi,Zi)的坐標。地面點的三維坐標通過一系列坐標系間的轉換最終得到,其轉換順序為:瞬時激光束坐標系→激光掃描參考坐標系→載體坐標系→慣導坐標系→導航坐標系→空間直角坐標系→局部坐標系。

圖2 機載LiDAR測量原理[12]

其中,[XYZ]mT為地面點在成圖坐標系下的坐標; [XGNSSYGNSSZGNSS]mT為GPS接收機天線相位中心在成圖坐標系下的坐標;為瞬時激光束坐標系到激光掃描坐標系的轉換矩陣;為激光掃描坐標系到慣導坐標系的轉換矩陣;為慣導坐標系到導航坐標系的轉換矩陣;為導航坐標系到空間直角坐標系的轉換矩陣;為空間直角坐標系到成圖坐標系的轉換矩陣;[ΔXMnΔYMnΔZMn]T+[ΔXLMΔYLMΔZLM]T為在慣導坐標系下,激光束發射點到GPS接收天線中心的偏移量;[ 0 0ρ]T為瞬時激光束掃描坐標系下的空間矢量。

LiDAR攝影為主動發射激光,探測地物回波從而確定地表的位置信息。從點云坐標計算公式可看出,一旦進行LiDAR數據采集,則其點云的坐標信息就已經確定。為消除LiDAR系統視準軸誤差、距離誤差,在航帶設計時,一般還要設計檢校場或構架航線。經過檢校場或構架航線進行誤差校正后的點云,其位置精度顯著提高,能滿足后續要求。經過誤差校正后的某測區參考面精度檢查結果見表3。

表3 參考面精度檢查結果 mm

一般情況下,不良地質體多采用定量定性辨識,對測量精度要求一般,但對DEM格網分辨率要求較高。由于測區植被較多,無法直觀辨識植被下的地質體,因此可采用LiDAR攝影。測試研究發現,為得到較小格網分辨率的DEM,設計點密度一般應大于1∶500地形圖所需的點云密度,建議為20pts/m2以上,植被茂密的可以為40～50pts/m2。

在完成點云自動分類后,進一步通過人工手動分類對點云進行處理,濾波掉高低植被、房屋等地物點云,篩選出準確的地面點云,最終將分類后的地面點云用于DEM生產。地質專業可通過DOM(見圖3)與DEM(見圖4)對不良地質體發育程度進行辨識。

圖3 測區某區域DOM

圖4 測區某區域DEM

(2)直升機同時搭載傾斜攝影儀和輕小型LiDAR系統

為解決不良地質體辨識問題,考慮到攝影效率、成本、效果,將傾斜攝影引入到鐵路勘察設計定測階段,通過直升機搭載LiDAR系統同時攝影的方式,對不易刺點的小范圍區域的高陡邊坡、危巖落石等不良地質體進行三維重建。LiDAR用于獲取樹林覆蓋下真實的地表數據,提供高精度DEM用于斷面采集、不良地質體辨識;傾斜攝影用于逼真還原測區真實現場,達到一次作業獲取兩類數據、數據互相利用、提高精度的目的。

3.4 定測階段補充方案

除大范圍或連續段落的攝影需求外,還有零星、分散、小面積的工點攝影需求,而利用載人固定翼飛機和載人旋翼機通常會產生較高的成本,此時就需結合無人機傾斜攝影技術與無人機機載激光雷達技術對其進行補充[13]。在攝影原理上無人機系統與載人機系統幾乎一致,但受制于設備載重原因,POS系統精度不高、激光測程較短,無法實現“傾斜+LiDAR”同時攝影。對于小范圍1∶1000三維建模需求,也可采用免像控無人機高清傾斜攝影[14]。除此之外,還應注意以下問題。

(1)無人機系統搭載的POS系統(特別是IMU)精度不高,在無人機轉彎時會引起較大誤差,故航線轉彎時采集的激光點云數據應裁掉;同時飛行高度不宜過高,避免因距離原因將角度誤差放大。

(2)為進一步提高GNSS差分精度,單架次作業時,無人機起降點及測區應控制在基站10km范圍內。

3.5 補定測與施工圖階段

該階段主要是零星補圖,不宜采用載人機作業,可采用無人機作業。

3.6 小結

通過對西部地區某鐵路踏勘、初測、定測、補定測、施工圖等各階段的地理信息獲取研究,結合各種航空攝影手段的優勢、特點,形成了針對復雜艱險山區鐵路具有通用性和指導性的多源數據獲取組合模式,也為各類線狀工程的勘察設計階段多源數據獲取提供了思路。各階段在數據獲取手段的選擇上,要體現從大范圍到小區域、從宏觀到微觀、從面到點、從低精度到高精度的層層推進,探索多技術的耦合關系,形成最佳應用方案[15]。復雜艱險山區鐵路勘察設計階段多源數據獲取技術體系見圖5。

圖5 復雜艱險山區鐵路勘察設計階段多源數據獲取技術體系

4 結語

通過對航空攝影各種數據獲取方式的深入研究,總結復雜艱險山區鐵路勘察設計階段多源數據獲取技術體系。在宏觀上,對各階段的數據獲取方式進行研究,充分發揮各種數據獲取方式的優點、特點,讓各種數據源在后期應用上做到互補;在微觀上,對各個階段每種獲取方式的具體問題進行了研究,對關鍵技術問題進行討論。這一技術體系的應用,可解決復雜艱險山區鐵路勘察工作難度大、效率低、效果差的難題,可廣泛應用于線狀工程的前期勘察設計中。隨著測繪技術的發展和研究的深入,免外控、免基站的作業模式將給鐵路勘察工作帶來更多便利。同時機載SAR的成熟應用,還可為勘測工作及后續應用帶來更多可能。