摄影测量与遥感技术在城市轨道交通工程建设中的应用

王磊 陆力

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300000）

1 引言

城市轨道交通作为城市重要交通基础设施，已成为城市建设和运营的生命线，深刻影响着整个城市形态的发展与演化，即沿线物理空间上将汇集越来越多极具经济价值的重要建（构）筑物，连同轨道交通自身一道形成城市最主要的固定资产。同时，地铁大规模建设和其他城市化快速进程也产生一种自然与人为共同作用下的新型城市综合环境问题。

本文以摄影测量与遥感技术为切入点，应用航空摄影测量、倾斜数字航空摄影、D-InSAR、三维激光扫描等技术，解决城市轨道交通工程建设中使用传统测量方法耗时长、作业困难的问题。传统测量方法投入的人力和资金量大、效率低、数据定位精度低、现势性差，与传统测量方法相比，摄影测量与遥感技术在上述几个方面拥有独特优势[1]，具体特点如下：

（1）大面积同步观测：遥感探测能在较短时间内，从空中对大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的影像数据。（2）时效性、周期性：获取信息的速度快、周期短，能及时获取所经地区的最新资料，或根据新旧资料变化进行动态监测，在航摄过程中可实行即时重拍、轨迹回放、分析漏拍等。（3）数据综合性、可比性和约束性：能动态反映地面事物的变化，遥感探测能按照一定周期对同一地区重复观测，有助于人们通过获取的遥感数据，发现并动态跟踪地表变化。（4）准确度高：无人机航空摄影是数字通信技术、摄像机、全球导航卫星系统设备等先进技术和设备的集合，各种设备技术的发展和系统整体集成技术相对成熟，可获取超高分辨率数字影像和定位数据。（5）操作简单方便：无人机航空摄影适于低空飞行，受天气因素影响较小，对起降场地要求低，机动灵活，可快速到达测区。（6）安全有保障：无人机航空摄影非载人飞行，进入高危地域测绘数据可大大减少危险性。

2 航空摄影测量

航空摄影测量（aerial photogrammetry）是指在飞机上搭载高清数码相机、DGPS、IMU 等设备进行测量。高清摄像机用于获取地面一定分辨率的影像数据，DGPS 和IMU 设备用于后处理或者实时获取相机的飞行位置与姿态数据。通过两张像片里的同名点进行前方交会即可得到地面点的三维测量坐标。航空摄影测量技术凭借快速、准确、效率高的特点被广泛应用于地铁建设里带状地形图测绘和地铁保护区巡护中。

2.1 带状地形图

城市轨道交通建设周期中的设计、勘察、岩土、水文、地质、施工等均需要以地铁线路沿线带状地形图为设计底图和勘察参考图纸，且带状地形图需具有较强的现势性和准确性。使用航空摄影技术制作带状地形图具有定位精度高、观测时间短、操作简便等特点，大大降低了工作量，提高了测量点位精度和作业效率。

无人机航空摄影制作带状地形图过程有飞行作业、数据处理、地形图制作三个阶段，主要内容如下：

（1）检查无人机、航摄仪等仪器设备的工作状态，按照预先规划的航线完成外业航飞工作。然后对数据进行质检，检查是否存在像片模糊、漏拍、重叠度不足、旋偏角或倾角过大、航线偏离过大等影响成图精度的问题。如果需要补飞，需制定补飞方案，开展补飞作业。 （2）像控点测量可采用网络RTK 进行测量，测量时所采用的参数覆盖范围必须包含像控点分布范围，每个像控点需分不同的时段进行两次数据采集，取两次平均值作为像控点最终值。

（3）摄影数据可使用随无人机配备的商用软件进行空三加密处理，首先对航飞的像片进行质检，对不满足要求的像片要进行分析检查，判断其像主点是否落水，对于旋偏角过大的像片进行删除。

（4）数字线划图制作。数据采集采用先内业采集后外业调绘的作业方法，先在室内按立体模型全要素采集数据，对立体模型清楚的地物、地貌要素准确无遗漏地采集，再套合DOM 回放出图后进行野外检核和补充调查，最后进行内业修改和采集，各要素相对位置应正确，并能准确反映各要素的分布特点及密度特征。另外，也可利用航空摄影像片，通过影像预处理、数字空中三角测量、数字高程模型制作、数字正射影像制作、专题处理整饰完成城市轨道交通沿线DOM 制作。

2.2 地铁保护区巡护

地铁是城市的重要交通设施，在地铁线路沿线开展安全巡护，获取并分析有关影像数据，判断地铁结构的安全状态，及时发现问题并采取相应措施，在确保地铁运营安全的同时，解决了人工巡护周期长、频率低等问题，利于违规施工取证、留存工作。从运营管理角度分析，开展安全巡护，能够掌握即时数据，预防重大安全事故，依据现场具体情况对地铁进行维护，对节约运营成本同样具有重要意义。

通过对地铁线路的安全巡护可以达到以下目的： （1）掌握周边环境及沿线各工点的施工对地铁安全的影响程度，为地铁管理单位提供支持。（2）坚持现场安全巡护日常化，为轨道交通结构提供安全保障。（3）通过信息反馈进行安全预测，在加强安全运营控制的同时减少投资，且使工程始终处于安全可控状态。（4）为后续相关工程设计、施工提供资料。

通过航拍采集的高清视频图像信息，能够根据地铁沿线安全巡护需要清晰记录地铁沿线的地形地貌、房屋道路、保护设施等信息，及时发现线路周围的环境变化，对影响地铁结构安全的因素进行准确定位，为快速响应和决策提供有利依据，争取宝贵时间。

3 倾斜数字航空摄影

倾斜数字航空摄影是航空摄影测量的一种应用方向，只在搭载的航摄仪上有区别，倾斜数字航空摄影是在无人机平台上搭载倾斜数字航摄仪。

倾斜航空摄影数据具有多视角、高重叠度、顶面和侧面纹理丰富等特点[2]，通过成熟的处理软件能够在航片数据获取后快速生产带真实纹理信息的高精度三维模型[3]。主要处理流程包括遥感影像预处理、数字空中三角测量、三维重建、三位一体化模型、空间地理要素提取、三维单体模型等。输出的成果为用户提供基础模型数据，包含不同细节层次。在城市轨道交通建设中，对建设范围内的主要道路、建筑、市政设施等建立三维模型，为城市轨道交通的规划、建设、管理提供虚拟可视化的数据支撑，实现对现状及规划方案三维化、实景化、标准化和数字化的叠加显示[4]。

4 三维激光扫描

隧道的形变监测对隧道施工及运营安全具有重要意义，目前隧道的监测方法主要是在隧道壁上埋点，利用全站仪、断面仪、收敛仪、自动测量机器人等仪器进行监测。全站仪搬站式测量适于变形速度小、荷载变化较小、不要求实时性的工程。传感器监测具有实时性特点，通过在隧道壁安放位移计、收敛计传感器等来测量安放点的相对形变量，从而实现隧道变形监测。随着全自动测量机器人的出现，测量机器人正在慢慢代替传统的全站仪，实时、自动监测。随着三维激光扫描技术的发展，可利用三维激光扫描仪快速获取隧道断面数据。

现有的收敛计、全站仪等形变监测手段仅能获取部分单点数据，难以全面反映隧道整体形变特征。三维激光技术可在短时间内全面获取变形监测对象的整体表面点云信息，通过对点云数据的处理提取中轴线，沿隧道中轴线等间隔连续截取隧道断面，并对截取的断面拟合椭圆，分析拟合出的长、短半轴与设计半径的差异，最后针对差异较大的断面找出形变量较大的点位[5]。利用三维激光扫描技术监测隧道断面，精度高、覆盖全面，丰富的高精度点云数据能准确反映隧道断面变化，为地铁结构安全分析提供数据支撑。

5 D-InSAR 技术

合成孔径雷达干涉测量（D-InSAR）技术是采用差分干涉技术获取地面微小变化，当两次成像期间地面发生微小形变时，将地形相位、平地相位、大气延迟相位等从相位中去除，得到监测区域的地表形变信息[6]。作为一种新型空间大地测量技术，D-InSAR 具有全天时、全天候、目标范围广的观测能力，能获取高精度、高分辨率、大范围的地表形变信息，且不需要地面控制点。将这种新技术引入城市轨道交通工程，可准确监测大范围的地面沉降变化。

对于城市轨道交通工程中的长距离地下隧道、桥梁及地下深基础工程，建设阶段受到土体开挖、降水、打桩等影响，处于应力平衡状态的地质环境遭到破坏，引起围岩的垂直和水平位移变化，导致工程环境发生变形；在运营阶段，由于过度抽取地下水、地下冻融及地上建筑物荷载的增加，形成城市沉降漏斗区和沉降带。当有轨道穿越时，轨道结构在沉降区内、外的沉降量不一致，长期积累会产生严重的竖向不均匀变形，影响城市轨道交通线路的运营安全。开展城市轨道交通工程建设和运营期间的变形监测，及时掌握工程及其周围可能产生变形的区域及对象至关重要。

传统的精密水准观测和GPS 观测存在测点分布稀疏、作业周期长、劳动强度大的问题，难以实时、客观反映日益扩大的区域性地面沉降变化趋势。D-InSAR技术具有非接触测量、无需布设监测控制网、效率高、精度高、覆盖范围广、空间分辨率高、不受天气影响等特点，将该技术引入城市轨道交通领域，可有效弥补传统测量方法的缺陷，进一步完善已有的轨道交通地面沉降监测技术体系。

6 结语

城市轨道交通的快速发展需要引进先进的测量技术和方法。与传统的测量手段相比，摄影测量与遥感技术能够及时、准确、快速地反映城市轨道交通沿线的地表信息，可为城市管理的决策工作提供重要支持。