傾斜攝影三維實景在鐵路勘察設計中的應用
發布時間：2022-08-04 相關標簽：
一、項目背景
作為三維可視化大場景的基礎，傾斜攝影測量技術實現了鐵路工程空間數據的直觀化和可視化?；趦A斜攝影測量技術的野外控制點布設方案作為三維模型精度控制的關鍵步驟，目前尚未制定相關技術標準。
基于某鐵路建立試驗區設計了14種像控點布設方案，對不同方案的空中三角測量精度和模型精度進行分析，總結出最優像控點布設方案。此外，以多個鐵路工程應用為例，探討傾斜三維實景模型在鐵路工程不同階段的實際應用，表明采用傾斜實景模型有效提高了鐵路勘察設計的精度與效率，可在后續工程實踐中廣泛使用。
二、單位簡介
中鐵第一勘察設計院集團有限公司測繪地理信息工程技術研究院（中鐵一院測研院）成立于1970年，是國內最早將航測技術成功應用于鐵路、公路、管線勘察設計及市政規劃設計的單位之一。依托中鐵一院的整體實力，經過50多年的蓬勃發展，生產領域不斷拓展和延伸，產品科技含量大幅提升，在全數字攝影測量、三維激光掃描、精密工程測量、遙感技術應用、智能監測系統、地理信息系統、三維實景建模及景觀漫游仿真等方面具有強大實力。近二十年來累計完成青藏鐵路、川藏鐵路、西成客專、銀西客專、尼日利亞、幾內亞等國內外鐵路三百余項。
三、建模精度分析
3.1?測區概況與航飛參數設計
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0m。
根據試驗區地形及天氣條件選用科威泰KWTX6L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2cm分辨率的傾斜影像。
試驗設計航線12條,航向基線70條,航高180m,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,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。
3.2?像控點布設及空中三角測量
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。
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，設計如下圖中的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。
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TB10050—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。
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。
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下圖所示。
3.3?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
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TB10050—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。
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。
經過分析,當采用方案k時,模型整體高程中誤差為0.135m,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TB10050—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0.2m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1km,旁向0.5km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。
3.4?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。
四、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?；诟呔鹊膬A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。
4.1?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,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。
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5cm的三維實景面積達680km²。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39.13km2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。
4.2?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。
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。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/895m,中度風險8處/1555m,低度風險9處/2250m的地質災害排查工作,確保了搶險工作的順利完成(圖7)。
4.3?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。
4.4?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下圖所示,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60m,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。
4.5?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,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?；趦A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下圖。
4.6?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。
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。
五、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。
