基于傾斜攝影技術的復雜地形路橋選線研究

吳裕照 陳 杰

（中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮江 212000）

目前，我國進入了公路橋梁建設的快速發展時期，據交通運輸部2021年5月19日發布的《2020年交通行業發展統計公報》顯示，截至2020年末，全國公路橋梁共有91.28萬座，其中特大型橋梁6 444座，大型橋梁1.20萬座[1]，未來將持續新建公路橋梁工程。公路橋梁選線設計作為橋梁工程的首要工作，直接影響路橋工程的投資成本，施工難易程度和橋梁運營后的經濟效益等[2-4]。橋梁選線[5]引起了工程技術人員的極大重視。傳統的橋梁選線設計，主要依據人工踏勘與陸地觀測得出的數據成果，進行CAD[6-7]平面繪制后進行選線，二維選線并不能直觀表達橋梁線路是否與已有的構筑物發生三維空間沖突，在實際施工過程中需要不斷調整，人工成本增加，施工周期也相應延長，構建三維地形模型圖進行選線工作[8]，能夠有效節省施工成本和縮短工期。隨著無人機的發展，傾斜攝影技術[9-11]得到了工程技術人員的廣泛關注，并逐漸將無人機攝影技術應用到工程實地當中。

1 傾斜攝影測量技術介紹

傾斜攝影測量技術是通過攝影器械，從不同的角度拍攝，采集地表物體的信息[9-11]。

1.1 傾斜攝影測量技術原理

傾斜攝影技術建立的模型能夠為橋梁選線提供精確的地理位置信息。傾斜攝影兼具垂直攝影和地面攝影的特點，無人機航拍如圖1所示。

圖1 無人機航拍

傾斜攝影技術基于攝影測量學提出前方交匯的思想，利用共線方程式（1）和式（2）進行計算，獲得測量物體在三維空間信息（大小、形狀和位置等），經過多視影像的密集匹配獲得點云數據圖生成相關模型。

式中：x、y——圖像中被測目標物的平面坐標；f——攝像機的主距；ai，bi和ci——6個外方位元素組成的方向余弦；Xs、Ys和Zs——攝像機在空間坐標系內的空間三維坐標。

空中三角測量計算如圖2所示。

圖2 空中三角測量計算

1.2 傾斜攝影系統分類

傾斜攝影系統包括航空飛行器、傾斜攝像機、地圖模型、GIS平臺對接系統和數據應用。根據相機數量將傾斜系統分為三鏡頭、五鏡頭和七鏡頭。

1.3 傾斜攝影三維建模流程

利用傾斜攝影技術對目標建模，通過無人機搭載的傾斜攝影系統、垂直攝像機和傾斜攝像機拍攝垂直和多角度的滿足建模要求的影像圖片，同時獲得不同目標物對應的地理信息，具體的建模過程包括：

（1）圖像處理。無人機拍攝的圖像會出現遮蓋問題，需要對圖像進行灰度處理和幾何信息的修正，去除無效數據，保證建立模型的正確性和完整性。

（2）空中三角測量。對圖像中的物體進行地理信息計算，得出物體的精準方位元素和經過畸變修正的圖像，為后續的建模做準備工作。

（3）三維建模。利用空中三角測量的數值和多視影像密集匹配技術，計算拍攝物體的高密度點云圖像，生成三維模型。

1.4 傾斜攝影技術優勢

（1）能夠全面反映地點與物體的特征。通過傾斜攝影從多個角度觀測地物，充分展示出地物在三維環境中的情況。

（2）計算機自動建模。利用傾斜攝影技術所建立的模型，具有地物的精確信息，能夠有效展現幾何測量成果，提供精準的面積測算。

（3）便于共享。測量成果以及三維模型可通過數據平臺實現交互操作。

2 基于實際工程的傾斜攝影技術應用

2.1 項目概況

樣本項目為泰安至棗莊（魯蘇界）既有公路加寬，項目主線全長189.483 km。

2.2 項目選線難點分析

（1）項目周圍地形復雜，傳統的CAD二維選線容錯率較低，需要不斷修正才能滿足要求。

（2）項目為工程擴建，原公路繼續通車，工期緊張，傳統的選線方式不能滿足時間要求。

（3）道路及大橋的施工難度大，現有施工方案難以應對實際問題。

2.3 傾斜攝影技術在實際工程中的應用

項目難點側重于施工地形環境以及地形測量難度。實際工況中因人員配置問題無法完全依靠人工測量；原車道繼續通車，施工過程中的選線修調工作難度較大，二維CAD選線并不適用。為滿足施工需要，采用傾斜攝影技術，完成了道路基礎信息的測量以及數據建模。利用模型進行場地標高復核、施工便道及土方量計算，有效減低了人工用量。

樣本項目三維地貌模型和點云數據成果如圖3、圖4所示。

圖3 三維地貌模型

圖4 點云數據成果

2.4 基于傾斜攝影技術建立的地形圖與模型質量檢驗

基于傾斜攝影技術建立的地形圖與模型的精度影響著橋梁選線的可靠性。為驗證傾斜攝影技術在實際工程中的可行性，對地形圖和模型進行質量檢驗，檢驗包含數學精度檢驗、地理精度檢驗、附件質量檢驗、數據與結構正確性檢驗和整飾質量檢驗。其中附件質量檢驗、數據與結構正確性檢驗和整飾質量通過人工觀測的方式完成，依據相關規范與項目設計任務要求，對模型進行評價；數學精度檢驗和地理精度檢驗依靠外業工作人員進行實地測量復核，并與地形圖和模型中的待檢驗點數據進行對比。

在三維模型中選取平面待檢點20個、高程待檢點30個，采用絕對位置精度的計算方法核算誤差。經計算，平面點誤差平均值為0.23 m，滿足規范誤差限差為0.6 m的要求。高程點誤差為0.15 m，滿足規范誤差限差為0.7 m的要求。

同時選取三維模型重要構筑物的邊長10條，計算模型與地形圖同名邊長的誤差，相對精度誤差為0.09 m。

根據對比可知，基于傾斜攝影技術建立的模型和地形圖有效精度較高，能夠滿足實際工程需求，依據傾斜攝影技術建立的模型和地形圖橋梁選線成果可靠。

3 結語

傾斜攝影技術建立的模型能夠真實、全面地反映現實地形與物體的特征，有效展示建筑物側面的紋理；空間中各類型物體均可測量，降低了人工測量工作復雜程度。采傾斜攝影技術可以實現對現有道路基礎測量信息的高精度獲取，實現復雜地形的選線工作，有效避免了反復修正，降低了人員工作負荷，有效縮短工期，降低成本。對傾斜攝影技術建立的地形圖和模型進行質量檢驗，建立的模型和地形圖的成果精度較高，能夠滿足實際工程需要，依據模型成果選擇的橋梁走線精準可靠。