倾斜摄影测量辅助城市地铁前期规划研究

柏文锋

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010)

城市地铁建设过程中，不可避免地会给沿线周边环境造成不利影响，并涉及到征地拆迁、交通疏解及管线迁改等工作。因此，对地铁建设进行科学的规划具有重要意义，有助于提高建设效率，降低不利影响[2]。传统的图纸化规划资料存在诸多弊端，不能满足管理和决策的需求。侯伟[3]利用CAD技术突破传统图纸模式，提高了工作效率，但主要成果模式主要还是在二维层面。随着信息技术的发展，三维信息化技术给城市规划管理工作带来新的机遇[4]。吕希奎等[5]利用建筑信息模型(BIM)的信息化、参数化和可视化优势，对其在城市轨道交通项目规划方面的应用进行了研究，但是仅限于宏观规划，缺乏具体的地理坐标。王保国等[6]根据倾斜摄影测量技术成本低、高效快捷、灵活可靠等优点，将其运用到规划方案的比选之中，其不足之处是利用倾斜摄影测量技术进行单体化建模的水平较低。田先斌等[7]探索了将无人机激光雷达航测与BIM技术相结合进行规划设计应用的可行性。程永志等[8]结合倾斜摄影、BIM以及地理信息系统(GIS)技术进行了城市轨道交通建设的应用研究。在已有的研究基础上，利用无人机沿地铁规划线路倾斜摄影，进行三维实景重建，结合数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)及BIM等构建多图层的地铁沿线三维地理信息系统。再通过各种空间分析方法获得拆迁、疏解等专题方案的表达，为地铁建设的前期规划管理提供了新的方法。

图1 倾斜摄影测量主要流程

1 倾斜摄影测量辅助地铁前期规划

利用倾斜摄影测量技术进行地铁建设前期规划的主要步骤包括数据获取、三维重建及三维地理信息系统空间分析等。数据获取指无人机沿地铁规划路线进行倾斜摄影和沿线的地面控制点测量。三维重建主要通过空三解算、影像密集匹配、不规则三角网构建及纹理映射等步骤实现。三维地理信息系统空间分析则是在倾斜摄影测量处理结果的基础上联合其他数据信息，采用空间分析方法得到地铁规划的专题方案。

1.1 倾斜摄影测量数据获取

利用无人机进行倾斜摄影测量的主要流程如图1所示，其中外业数据获取工作主要包括航线规划、地面控制测量和航空影像拍摄等[9]。无人机航摄前，需要对规划地铁沿线的航测区域进行勘察，科学规划飞行路线使之满足摄影需求。考虑无人机在飞行过程中的倾斜及航拍效率等问题，一般将航线设置为航向重叠度大于80%，旁向重叠度大于60%，便于自动生成更加精确的三维模型。地面控制测量需要完成对航测区域的控制网设计和像控点测量，在确定像控点的位置和数量时，应严格按照测量规范，使之满足数据处理解算的要求，同时需顾及地铁沿线的场区范围，一般要求像控点布设均匀适当。对于像控点的坐标测量，网络RTK方法可以方便快捷地获得安置于像控点的GNSS接收机移动站的坐标，其精度达到cm级，满足后期空中三角测量解算的精度要求。

无人机航空影像拍摄系统主要由飞行平台、云台相机、地面操作系统等部分构成[10]。飞行平台即无人机，用于搭载云台相机，主要分为多旋翼、固定翼两种类型。多旋翼无人机操作简单，可垂直起降和定点悬停，对起降场地要求低，常被应用于城市测绘行业的多旋翼无人机有大疆的经纬系列，以及南方、华测等测绘公司的相关产品。固定翼无人机的优势在于航时和飞行速度，可以进行长时间、大面积高空作业，作业效率较高，但固定翼无人机对起降场地和飞行技能要求较高。云台相机用于展开倾斜摄影，目前最常见的是五镜头倾斜摄影相机，即中心相机光轴垂直于水平面，四个方向上分别分布一个光轴与水平面成45°角的相机，如此便满足了一次飞行，同一地物三张以上不同角度影像的覆盖。五镜头相机工作稳定，采集质量高，集成度好，除此之外也有旋转式/摇摆式两镜头的倾斜摄影相机，其优势在于成本低和重量轻。地面操作系统的主要功能包括设置飞行路线和高度，同时负责无人机的飞行控制以及数据通信等工作。完成参数设置之后，即可控制无人机进行飞行拍摄。拍摄完成之后，将无人机采集到的数据进行下载整理，为数据处理做准备。

1.2 三维实景重建

获取倾斜摄影数据之后，采用数据处理软件即可进行三维实景的重建，常用的倾斜摄影测量数据处理软件有smart3D、Photoscan及Pix4D等。三维建模时涉及到的主要步骤包括空三加密、影像密集匹配、不规则三角网构建及纹理映射等[11]。

空三加密是倾斜摄影三维建模的核心步骤，即确定影像之间的关系并以拓扑形式重建。参照地面布设的像控点坐标，基于共线方程并利用光束法完成区域网平差。其主要功能是将无序的影像在空间中相互对齐并构建与真实状态下相接近的统一空间模型。大倾角多视影像自动配准将不可避免地产生粗差，应在空三加密前首先进行倾斜影像匹配点的粗差检测及自由网构建，然后进行倾斜影像区域网平差。

倾斜影像密集匹配可以获得高精度和高密度的点云数据，是实现精细三维建模的关键步骤。在空三加密完成之后，以相机的外方位元素为支撑，利用匹配影像上的所有点进行密集匹配，此过程中需要注意遮挡对密集匹配造成的影响。

通过倾斜影像密集匹配可获得高密度的三维点云数据。在自动三维重建之前，需要首先对点云数据去噪，提高精度，减少冗余，然后基于点云构建不同层次细节度下的不规则三角网(TIN)模型。通过对不规则三角网的优化处理，将内部三角形的尺寸调整到与原始影像分辨率相匹配的比例，对三角网进行简化，最大限度保持模型的几何形状，突出边缘信息。

纹理映射指将不规则三角网模型与纹理图像进行配准和贴附。由于倾斜摄影中同一地物会出现在多张影像上，需要选择最合适的目标影像，模型表面三角形面片的法线方程与二维图像的角度关系可作为纹理影像选择的标准，夹角越小，纹理质量越高。以此可使得每个三角形面片都唯一对应了一幅目标图像，进一步通过配准将纹理图像投影到对应的三角面片上，实现纹理贴附，最终实现三维实景的重建。

1.3 三维地理信息系统空间分析

通过倾斜摄影测量，不仅可以获得规划地铁沿线的三维实景模型，还可以得到正射影像(DOM)和数字高程(DEM)等数据[12]。将这些数据与设计的BIM模型、CAD图纸等在三维地理信息平台进行融合，即可构建三维地理信息系统，具体过程如图2所示。将倾斜摄影测量得到的三维实景与地形数据集进行叠加可得到地铁沿线城市三维模型。而与BIM等数据融合，则可获得具有空间地理信息的高质量单体化模型图层，同时，还可以进行属性的叠加。完成三维地理信息系统的构建之后，通过相应的空间分析，即可实现地铁建设的前期规划管理工作。

图2 三维地理信息系统的构建过程

地铁建设前期的规划管理工作涉及到周边环境探查、地铁保护区设置、征地拆迁、管线迁改及交通疏解等。对于周边环境探查和地铁保护区设置的工作，可在三维地理信息系统中通过空间信息量算完成。在三维模型上进行精细化判读与室内量测，可以准确地量测地铁沿线的坐标、长度、宽度和面积等信息，可高效地完成周边环境探查工作。对于征地拆迁，可采用缓冲区分析来实现，缓冲区分析是针对点、线、面等地理实体，自动在其周围建立一定宽度范围的缓冲区多边形，即确定地理空间目标的影响范围。沿地铁线路划分缓冲区，对缓冲区内的建筑物楼层数与实际面积进行快速统计，从而有效估算必需的房屋拆迁量，使工程赔偿造价准确合理。管线迁改可通过叠加分析来进行规划，将管线层与地铁线路开挖层进行叠加，产生一个新的数据层，即可确定受到地铁线路开挖影响的地下管线，然后在此基础上进行迁改工作。地铁开挖建设期间势必会对地面交通带来不便，合理的交通疏解方案可以有效降低不利影响。地理信息系统的网络分析可为交通疏解提供有效保障。网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好。通过对交通线路模型化，进行路径规划，寻求最佳路径，即可获得最佳的交通疏解方案。

2 工程实例

某市规划地铁x号线一期工程线路全长36.2 km，设立31座地下车站。现根据要求进行全线倾斜摄影测量，测量范围为线路中心两侧各200 m范围，车站两侧各300 m范围，然后制作DOM、DEM及沿线的三维实景模型。本项目数据采集的飞行平台为天途六轴多旋翼无人机，搭载的倾斜相机的详细参数如表1所示。经现场踏勘、资料收集及设备准备等工作后，进行航空摄影及像控点测量等工作。单架次的航线长度平均为8.2 km，车站点拍摄相片数1 500张，线路区间2 800张。总共飞行了125架次，有效架次92次，总航线长度为730 km，整个航摄过程历时约1周。

表1 倾斜摄影测量数据采集详细参数

像控点测量采用网络RTK进行，有效使用点数为106个，测量坐标结果转化到当地城市坐标系统。无人机数据采集及网络RTK像控点坐标测量的作业过程如图3所示。

图3 无人机倾斜摄影测量及像控点测量作业

获取倾斜摄影测量照片之后，结合像控点坐标及无人机POS数据，采用Bentley Context Capture(smart3D)软件生成DOM、DEM及三维实景模型[13]。数据处理过程涉及到空三加密、影像密集匹配、不规则三角网构建及纹理映射等步骤，以该规划地铁线路其中的一个地铁站为例，展示了三维实景重建的具体过程(见图4)。

图4 某规划地铁站三维实景重建过程

图5 地铁规划线路周边环境探查

根据倾斜摄影测量的数据处理结果，利用三维地理信息系统平台Skyline TerraBuilder，建立该规划地铁线路沿线的城市三维模型[14]，并通过3DMax等软件对模型进行精化。，根据房调资料和管线数据库进行BIM建模[15]，结合模型的坐标位置信息，将其与倾斜摄影测量的结果进行融合。在系统中通过空间信息量算获得周边环境的长度和面积信息(如图5所示)。利用缓冲区分析，对该规划地铁沿线拆迁范围内的房屋面积进行统计，估算相应的房屋拆迁量(如图6所示)。管线迁改方面，将Revit软件建立的管线BIM模型与规划地铁施工区域进行叠加分析，得出受到地铁施工影响的管线信息并提出迁改方案(如图7所示)。

图6 地铁规划线路附近征地拆迁量估算

图7 地铁规划中管线迁改方案设计

3 结束语

无人机倾斜摄影测量的诞生，颠覆了传统的测绘作业模式，推动测绘工作向高科技方向发展。倾斜摄影测量技术在数字城市建设、应急救灾及文物保护等方面具有广泛的应用前景，同样，在地铁建设的前期规划管理中也得到了应用。通过倾斜摄影测量建立三维实景模型，再结合BIM和三维地理信息系统等技术，可为地铁建设的前期规划管理提供方便快捷的解决方案。相较于传统的规划管理方法，其数据采集效率高，分析结果可三维直观显示，且能与城市地理坐标相对应，是一种高效的数字化地铁建设前期规划管理方法。