倾斜摄影测量技术在铁路工程中的精度分析及应用

李 丹

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

近年来，天、空、地一体化测绘新技术的飞速发展，丰富了传统勘察设计数据的获取手段，极大推动了我国铁路勘测工作革命性的进步，促进了铁路工程建设的蓬勃发展[1]。随着 “数字铁路”“孪生铁路”的提出，对更加完整、真实及高精度的地球空间基础信息的需求与日俱增。无论在工程勘察设计、施工建设还是运营维护阶段，都需要通过测绘技术，快速、准确地获取大范围的测绘地理信息数据。其中，三维实景模型这种空间信息数据作为航空摄影测量的重要产物，已逐渐成为空间数据框架的重要组成部分。

传统的航空摄影测量仅能获取建筑物的高度信息及顶部纹理信息，侧面纹理信息的提取还需投入大量的人工成本，降低了三维重建的效率[2]。倾斜摄影测量技术[3]作为近年来国际测绘遥感领域发展十分迅速的一项高新技术，为了充分获取地物侧面信息，与传统摄影测量方式不同的是，其通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，从一个垂直和多个倾斜的不同视角采集影像[4]，大规模、多角度地全面感知复杂场景，给仅通过垂直角度获取影像进行三维建模的传统摄影测量直接提供了丰富的地物侧面信息，减少了其需额外对建筑物侧面纹理信息进行采集及影像修正的工作量，使得三维重建技术的成本大大降低[5-6]。相对二维数据，通过高效的数据采集设备及专业数据处理流程生成的三维实景模型数据成果，真实直观地反映地物的外观、位置、高度等信息，满足用户多角度浏览和实时量测，全面的体现客观实际，作为三维可视化大场景的基础，实现空间数据的直观化与可视化[7-8]。同时在严格按照测量规范要求的前提下，地面控制测量完成对测区的控制网设计及测量，为模型成果的精度提供了基础[9]。

目前缺乏倾斜摄影的相关标准，常规作业仍旧参照传统框幅式航空摄影规范，造成布设控制点为常规航摄的几倍，增加了外业工作量及成本[10]。不仅无法体现倾斜航空摄影的技术特点，而且有些重要技术指标有很大区别，没有替代性。由于存在设计知识、经验分散，缺乏统一的技术标准的问题，如何在满足精度要求的前提下优化像控点布设方案，减少像控点数量、降低外业工作量及成本成为本文研究的重点。此外，随着近年来我国艰难山区铁路建设需求的提高，面对海拔高、高差大、交通不便、地质条件复杂等特征，且崩塌、泥石流、危岩落石等灾害发育的建设现状，传统勘察手段困难重重[11]。因此，本文根据某铁路项目试验区对适用于铁路工程的不同像控点布设方案对模型成果精度的影响进行统计分析，同时，探讨了倾斜三维实景模型在多个铁路工程中的应用。

1 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影技术突破传统的单镜头下视影像获取，采用下视镜头和4个侧视镜头结合的方式同时获取曝光点的多视角影像。通过多视影像与地面控制点进行联合平差获取影像的外方位元素和加密点坐标、然后通过密集匹配获取的高密度点云数据构建不规则三角网(简称TIN，即Triangulated Irregular Network)，基于多镜头相机获取最佳角度的影像对TIN网白模进行纹理贴图，从而获取高精度的实景三维模型。倾斜摄影三维实景建模流程见图1。

图1 倾斜摄影三维实景建模流程

影响三维倾斜实景模型精度的主要因素包括：镜头畸变、影像质量、影像重叠度、像控点选点及像控点布设方案等[12-13]。其中，高质量的像控点布设是保证多视影像联合平差计算精度的前提，对空中三角测量(以下简称“空三”)结果有直接影响，从而反映在后续三维模型的成果精度上。一般的，模型成果精度随像控点数量增多而提升，但当像控点数量达到一定程度后，再增加像控点数量对模型精度的提升不大。因此，在保证成果精度满足要求的前提下，如何控制外控点数量、减少外业工作量及成本成为一个难题。因此，根据某铁路项目建立试验区，对适用于长大带状铁路工程的不同像控点布设方案对倾斜模型成果精度的影响进行统计分析，总结出最优的像控点布设方案，为后续工程实践提供技术参照。

2 建模精度分析

2.1 测区概况

此次试验测区位于西安至武汉高铁西安至十堰段蓝田县附近，试验区位于关中平原，地形较平坦，地势开阔，地形等级为Ⅰ级。试验区交通便利，村庄、地物较多，无高层建筑。本次试验区采用CGCS2000国家大地坐标系，高程基准采用1985国家高程基准，数据处理采用TM投影，中央子午线108°，投影面大地高程0 m。

根据试验区地形及天气条件选用科威泰KWT-X6L电动多旋翼无人机作为飞行平台，搭载睿铂Riy-DG4倾斜五镜头相机，获取2 cm分辨率的倾斜影像。试验设计航线12条，航向基线70条，航高180 m，航向重叠度75%，旁向重叠度60%。根据已有正射航空影像制作测区的正射影像进行像控点选点与布设(图2)，像控点按照航向5条基线、旁向隔两条航线的方式布设，测区内共布设平高像控点110个，均匀布设在村庄屋顶拐角、平坦道路或道路交叉处及田地中，像控点覆盖整个测区。图像采集时间为2018年9月，飞行时选择明亮的多云天气，正午时刻进行。

图2 测区像控点布设

飞行结束后进行影像质量检查，获取有效影像4 265张。检查飞行POS数据完整，影像清晰、色彩一致，反差适中；影像无重影，无大面积反光、不清晰点。数据合格，可以满足试验要求。

2.2 像控点布设及空中三角测量

空中三角测量是进行航摄影像内业处理的关键步骤，目的是利用较少的地面控制点和多视影像进行联合平差，将基于影像特征提取的连接点纳入到已知控制点的坐标系中，从而获取每张影像精确的外方位元素及连接点的精确坐标信息。因此，外业地面控制点的布设及测量精度对空三精度有很大影响。

2.2.1 像控点施测

常用的像控点平面测量一般采用GNSS静态或快速静态相对定位、GNSS精密单点定位或GNSS-RTK测量的方式；高程测量一般采用GNSS水准高程拟合、GNSS高程测量或GNSS-RTK测量的方式进行。本次试验中采用GNSS-RTK测量的方式获取测区110个地面控制点的平面及高程坐标。

2.2.2 像控点布设

参照规范要求分别设计三类像控点布设方案：(1)沿测区四周均匀布设；(2)规则航线、基线间隔布设；(3)分布式五点法。为了分析不同像控点布设方案对模型成果的精度影响情况，综合考虑测区地形与建筑物密集程度，设计如图3中的14种像控点布设方案，采用各方案进行区域网平差计算，利用多余的地面控制点作为检查点对空三结果精度进行统计分析。

图3 像控点布设方案

2.2.3 空中三角测量

空中三角测量结果的精度由野外测量的多余控制点作为检查点来进行评定，通过空三加密后点的坐标值与野外量测检查点坐标的差值进行评价。当前针对倾斜摄影空中三角测量精度暂无明确规范要求，根据TB 10050—2010《铁路工程摄影测量规范》对内业空三加密成果的规定，平地地形采用1∶500比例尺时平面及高程精度指标如表1所示。

表1 空三测量精度指标 m

试验选择了目标清晰、定位准确的45个检查点及采用的定向点分别对空三结果的平面及高程精度进行统计，计算其平面及高程最大残差。不同方案的定向点和检查点平面和高程最大残差如表2所示。

表2 不同方案空三精度统计 m

由于控制测量和空三测量的误差累积，平面点位精度较高程精度高。从表2可以看出，在区域四角布设4个平高控制点时测区检查点平面误差即可满足限差要求，因此本文对平面精度不深入讨论。高程精度方面，在方案k的布设情况下，检查点的最大高程残差满足规范要求。其中，方案k～方案n的检查点高程误差如图4所示。

图4 方案k-n检查点高程误差

2.3 模型精度分析

三维模型数据生产是空三解算的后续流程，模型构建完成之后，便可得到直观的三维数据模型。三维模型的整体模型精度主要是以测图中的点位精度进行评价，点位精度是将实测检查点坐标与构建模型中量测的对应点坐标计算差值，统计其平面及高程中误差。中误差是衡量观测精度的一种数字标准，其反映了观测值精度的高低。中误差计算如下

(1)

(2)

式中，Δxi、Δyi、Δzi为不同方向外业实测检查点与模型上测量的检查点坐标的差值；mx为x方向中误差；my为y方向中误差；mxy为平面中误差；mz为高程中误差。

倾斜摄影的模型精度采用TB 10050—2010《铁路工程摄影测量规范》中地形图的精度要求进行评价，检查点的精度指标如表3所示。

表3 模型精度指标 m

选择满足空三精度要求的方案k～n分别构建三维模型，使用测区73个检查点对不同方案模型的点位坐标进行量测，根据公式(1)、公式(2)得不同布设方案的整体模型中误差如表4所示。

表4 不同方案检查点模型中误差 m

经过分析，当采用方案k时(图5)，模型整体高程中误差为0.135 m，其中残差小于1/2中误差的检查点占全部检查点的63%，残差大于1/2中误差且小于1倍中误差的检查点占全部检查点的28%。依照TB 10050—2010《铁路工程摄影测量规范》中检查点的高程中误差不得大于0.2 m的规定，该方案能够满足成果精度要求，此时像控点布设方案为在航向1 km，旁向0.5 km的区域4个角点及区域中心各布设1个平高控制点的五点法。

图5 方案k检查点模型高程误差及高程误差分布

2.4 小结

根据表2中不同方案模型整体精度可以看出，当采用方案k，即航向基线间隔35条、航线间隔6条的五点法时，模型成果精度已满足需求。此种方案像控点数量也远远少于根据传统航摄规范规定设计的像控点数量，大大减少了外业控制点测量的工作量，降低了成本，对后续工程实践具有一定的参考性。

3 铁路工程应用

高精度的倾斜实景模型数据基础是提高铁路勘察设计效率及质量的前提。倾斜实景模型不仅包含大量的地形、地物、地质信息，提供真实的地表情况，而且可通过先进的空间信息定位技术，引入精确的地理坐标信息，使得传统勘测需要外业进行的大量作业可以移到室内完成，降低了勘测的安全风险，很大程度上提高了铁路勘测的精度与效率，为铁路勘察、设计、选线、施工建设及运营维护全生命周期提供数据基础。

基于高精度的倾斜三维实景模型，我单位在工程勘察设计领域进行了大量工作，主要涉及的应用领域包括以下几个方面。

3.1 地质勘察

传统的地质工程勘察的主要手段是以罗盘、皮尺等方式采集现场数据，这种方法不但工作量大、效率低，而且得到的数据准确性较差。此外，传统的航空摄影测量主要用于地形图测绘工作。遥感技术通过建立三维模型，实现了对不良地质的遥感解译工作[14-15]，同时可实现数字调绘及艰难山区高陡边坡的地质信息、地质构造、不良地质解译，在一定程度上减少外业工作量，克服二维操作和地面调查的局限性，扩大地质勘察范围，加快工作进度，有效提高了信息采集、提取的准确性与效率，提高地质勘察信息化水平和质量，为铁路工程地质勘察与选线工作提供便捷可靠的手段，确保铁路建设与运营安全[16]。西藏地区位于青藏高原，该地区某铁路建设具有显著的地形高差大、板块活动强烈、山地灾害频发、生态环境脆弱、气候高寒缺氧等环境特征。针对测区植被覆盖茂密和地形艰险的现状，采用倾斜摄影技术获取了重点边坡坡面的地质信息，构建的优于5 cm的三维实景面积达680 km2。结合区域地质资料，采用实景三维模型、二维影像相结合的遥感解译技术方法，共完成19处工点约39.13 km2的地质信息(岩层产状、岩体结构面等)、地质构造(断层、断裂、褶皱等)、不良地质(滑坡、崩塌、错落、危岩体、岩堆、岩屑坡、碎屑流、泥石流等)及其他潜在威胁对象等因素的判别解译工作，提高了勘察效率和质量。见图6。

图6 西藏地区某铁路遥感地质解译

3.2 线路选线

铁路工程是以铁路线路为纽带的系统工程。在项目前期研究的过程中，通过对线路设计方案进行比选确定最优线路方案是最主要的工作之一[17]。近年来，铁路选线设计更注重环境选线、景观选线和地质选线，传统的基于地形图的二维线路设计理念表达信息有限，难以直观地观察、判断铁路线路与地形地物发生的空间冲突，已不能满足高速铁路发展的需求[18-19]。三维实景模型可用于辅助线路选线，提取敏感点高程值。通过将线路方案加载在三维模型上，可用于桥梁、隧道、路基等专业工点设置条件的初步评价，指导线路方案的优化、调整，使用范围广，发挥作用大。此外，结合倾斜模型可进行站场站位地形地貌及地物的立体观测，统计调查站场周边的拆迁状况，提取环境敏感点位置和高程信息，指导站位的优化、调整。

在宝成铁路王家沱至乐素河区间抢险工程中，为了查明区间沿线高陡斜坡地段危岩落石、崩塌、滑坡等不良地质特征以及裸露岩体的节理裂隙发育情况，通过构建三维实景模型，完成了高度风险4处/895 m，中度风险8处/1 555 m，低度风险9处/2 250 m的地质灾害排查工作，确保了抢险工作的顺利完成(图7)。

图7 宝成铁路抢险工程三维选线设计

3.3 桥梁设计

基于实景模型可立体观测桥隧位置及周边地形地貌环境，辅助进行桥梁位置和隧道出入口的调整，提取敏感点高程值，指导桥梁隧道工点的优化和调整。

在设计阶段，可进行桥梁设计模型与地表既有附属物的设计碰撞，让设计人员全面把控现场环境，及早发现设计隐患。如图8所示为西藏某铁路在设计阶段的BIM模型，将其加载到倾斜实景模型上，能够实现设计时的工点优化。在施工阶段，通过施工现场三维实景模型的建立，还可以进行施工现场管理与桥梁外观检查等工作，确保施工的顺利进行。

图8 西藏地区某铁路基于倾斜模型的桥梁BIM模型

3.4 路基与隧道设计

倾斜三维实景模型在路基处理中主要用于高陡边坡、隧道洞口防护等的稳定性评估，通过利用三维实景模型，可以协同优化隧道洞口设计及针对隧道的洞口防护措施。如西藏地区某高原铁路某隧道洞口设计，初测洞口位置设计如图9(a)所示，该隧道洞口上方斜坡整体呈上下较陡中部较缓，陡坡上裸露基岩为燕山期侵入花岗闪长岩，节理发育，存在不利结构面，发育大量危岩体及落石，前期发生过多处多期崩塌，需大量设置主、被动防护网，成本较高，工程安全性差且留有隐患。定测勘察利用倾斜摄影三维实景模型与原方案进行比较分析后，将洞口位置向右侧移动约60 m(图9(b))，优化后，隧道洞口远离上方可能溜塌的大型岩屑坡，洞口防护措施和投资大大减少，从洞口危岩落石防护角度来看，优化后的洞口更加安全、经济。

此外，基于密集匹配的高密度点云数据还可以进行裸露地表的路基断面提取、坡面斜率及填挖土方量计算等工作，较传统基于二维地形图的作业方式，精度及效率均得到了提高。

图9 西藏地区某铁路隧道洞口及防护优化设计

3.5 测绘应用

相比传统的航空摄影测量，倾斜摄影测量建立的三维模型数据在精确反映地物地理信息的同时，还实现了多角度、大范围、高清晰的复杂真实场景感知[20]，完成了基于小范围立体像对和点特征的传统航测技术向基于多视影像和对象特征的真三维倾斜摄影测量技术的转变[6]。

基于倾斜三维模型数据可以快速完成大比例尺地形图测绘、电子调绘、地籍管理及各类工程规划建设系统地理数据获取等工作。基于倾斜模型的地形图制作见图10。

3.6 BIM应用

近年来，随着“智慧城市”等综合性规划理念的提出，工程项目与环境的联系越来越密切，这就要求在项目的决策阶段之前便将工程的位置、环境信息进行综合考虑。BIM技术贯穿铁路工程规划、设计、施工、运维全阶段，实现数据共享、多专业协同设计、多阶段无缝衔接，推进铁路建设数字化、信息化和智能化发展，改变了传统铁路设计流程，BIM技术的发展和应用是工程勘察设计的二次革命[21-23]。

倾斜摄影技术通过快速高效的数据获取方式实现了空间地理基础建立、信息采集，将其以辅助形式输入GIS平台，实现了“GIS与BIM结合”，满足铁路BIM设计过程中的各种工程数据交互，实现可视化，是必然发展趋势。一方面能直观地表现成果，在进行三维展示、线路方案汇报时，有助于进一步分析铁路设计的优缺点，另外能快速表达设计意图，加快校审进度。另一方面将铁路各专业模型包括BIM模型在GIS平台中进行整合应用具有实际工程意义。此外，基于倾斜实景三维模型和BIM模型数据搭建工程管理平台，与实际业务相关联，能够满足BIM在施工管理和运营维护中全生命周期应用。

然而，目前BIM在铁路领域的应用尚不成熟，工程实践大多能够停留在具体工点应用上，对大范围地形及海量模型数据的表达仍需深入探索[24]。

4 结语

结合铁路工程实践的需求，以西武高铁某试验区为例，统计分析了14种不同像控点布设方案的空中三角测量及模型精度，总结了适用于铁路工程1:500比例尺精度要求的最优外业像控点布设方案。与传统框幅式航空摄影规范的规定相比，很大程度上减少了外业控制点的布设数量，降低了野外作业的工作量和成本，提高了工作效率，为后续工程实践提供了技术参照。

此外，通过多个铁路工程勘察设计的应用实例表明，将三维实景模型应用于铁路勘察设计中，克服了基于传统二维平面操作的局限性，有效提高了铁路勘测的精度与效率，成功辅助铁路勘察设计的高效高质量进行，在铁路工程领域具有广阔的应用前景。