基于無人機航測技術的鐵路專業調查方法研究

胡玉雷

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

在鐵路勘測初測和定測階段,為比選線路方案,需針對各類設計控制因素開展大量的專業調查。 專業調查的對象包括線路范圍內的建筑物、構筑物、交通、水系、電力線、通訊線等,其工作內容一方面是測量控制因素的空間幾何信息,如坐標、面積、長度等;另一方面則是查其權屬、技術規格、結構、材質、產權等屬性信息[1]。 專業調查的成果質量和效率直接關乎鐵路選線質量,制約勘測設計周期,其成果形式直接決定勘測設計一體化程度[2]。 傳統專業調查作業方法主要是在現場人工采用GPS-RTK、全站儀等測量設備采集空間幾何信息,同時將屬性信息手工記錄在紙質記錄簿,調查測量結果以表格、CAD 文件、紙質文件等形式保存,存在外業工作量大、效率低、易出錯,信息化程度較低,成本高等弊端。

近年來,隨著低空航測技術發展迅猛,以無人機激光雷達、無人機傾斜攝影為代表的新技術在測量精度、易用性等方面均有大幅提升[3],隨著“互聯網+”的興起和5G 的進步,測繪學也向著地理空間信息智能服務科學發展[4]。 戴瑤等以OpenLayers 為客戶端發布專題地圖信息,提供公共衛星影像等基礎資料[5];郭靖將無人機和奧維平臺應用于困難山區鐵路調查工作[6];李海蓉基于奧維平臺將公共衛星影像應用于鐵路環水保調查[7];張浩基于Openlayers 開源框架開發鐵路勘測多專業綜合調查系統,構建鐵路勘測調查“一張圖”[8];蔡建國基于AutoCAD 平臺開發了一款鐵路勘測調查軟件,以人工交互的方式在地形圖上通過相關算法計算房屋、道路、管線的里程、面積、方位和距離等信息[9];羅超基于中海的安卓移動終端開發了一套通用鐵路外業勘測作業程序,集成了基礎的CAD 功能[10]。 然而,上述研究大多沒有涉及移動端應用程序,在時效性及精度方面存在不足,無法滿足鐵路勘測中各專業開展調查工作的要求。

隨著移動互聯網迅速發展,以安卓平板為代表的移動端平臺性能日趨強大,易用性不斷提高,成本也越來越低,這使得基于航測技術以及移動端應用程序輔助傳統人工外業調查成為可能。 以下基于無人機航測數據和安卓移動端應用程序實現專業調查工作內外業一體化,并在鐵路勘測項目中進行應用驗證。

1 技術路線

面向各專業的專業調查需求,制定技術路線,如圖1 所示,具體如下。

圖1 基于無人機航測技術的鐵路專業調查技術路線

(1)梳理線路、橋梁、路基、電力等各專業針對各類設計控制因素的調查需求,建立網絡端、移動端、桌面端等全平臺統一的專業調查數據庫。

(2)基于激光雷達、傾斜攝影技術獲取多源數據。

(3)基于多源航測數據提取調查對象(比如建筑物、管線)的幾何信息,成果以WFS(網絡要素服務)形式存入專業調查數據庫[11]。

(4)基于安卓平臺開發移動端專業調查系統。

(5)將生產的正射影像以及專業調查數據庫中的內業幾何信息成果導入移動端專業調查系統,外業調查時根據現場實際情況補充屬性信息,更新專業調查數據庫。 若發現內業采集的幾何信息不完整,現場采用GPS-RTK 補測。

(6)基于鐵路專業調查數據庫,向各專業提供數據服務。

2 鐵路專業調查數據庫設計

2.1 專業調查數據需求調研

調研線路、站場、橋梁、隧道、地路、環保、工經、通信防護、給排水等專業調查需求,梳理出59 個調查項,見表1。

表1 調查數據需求

2.2 專業調查數據庫選型

為最優適配海量多源航測數據,選擇ArcGIS DataStore[12]作為專業調查數據庫管理系統。 ArcGIS DataStore 是基于ArcGIS Pro2.8 的一個全新的數據庫組件,用于存儲Portal for ArcGIS 產品中發布的要素服務的數據源。 DataStore 具有諸多優勢:①支持發布大量要素圖層,占用內存較少,可在硬件資源有限條件下存儲、發布更多的數據服務[13];②穩定的自動備份功能;③支持要素數據存儲的故障轉移;④支持掛接多種數據庫[14],比如PostgreSQL、MySQL。 綜合考慮專業調查需求、與ArcGIS 的適配性等因素,選擇PostgreSQL數據庫。 PostgreSQL 是一個功能非常強大的、源代碼開放的客戶/服務器關系型數據庫管理系統,其擁有很多大型商業數據庫管理系統所具有的特性,包括事務、子選擇、觸發器、視圖、外鍵引用完整性和復雜鎖定功能[15]。

2.3 專業調查數據表設計

專業調查系統是以安卓移動終端(如華為MatePad 11)為載體開展外業調查工作。 以線路拆遷建筑物調查數據為例,其空間幾何數據主要包括坐標、里程、偏距、長度、面積等,屬性數據主要包括行政區劃、結構類型、新舊程度、戶主、土地性質、層數、圍墻材質等。 拆遷建筑物調查見表2,35 kV 及以下電力線路調查見表3。

表2 拆遷建筑物調查

表3 35 kV 及以下電力線路調查

3 數據采集、處理與專業調查幾何信息提取

3.1 多源航測數據采集及處理

為滿足各設計專業的專業調查需求,采用如下技術手段獲取及處理多源航測數據[16]。

(1)激光點云數據采集

無人機激光雷達適用于高精度數字地形圖測繪(1 ∶500 地形圖、1 ∶2 000 地形圖)、斷面測量;便攜式激光雷達、地面激光雷達作為無人機激光雷達的補充,主要適用于對GNSS 信號被遮擋的小范圍區域進行三維數據采集,如房屋密集區、室內、隧道、地下工程等。便攜式激光雷達采用背包式或手持式平臺,其激光有效距離、掃描頻率、重量等指標均較低[17],其基于即時定位與地圖構建算法、全局優化算法,實現高精度定位與測量[18]。 定測階段,先采用無人機激光雷達對全線采集點云數據(見圖2),然后采用便攜式激光雷達對盲區和遺漏區域進行補測(見圖3)。

圖2 華測AS900 無人機激光雷達

圖3 GeoSLAM 便攜式激光雷達

(2)傾斜攝影數據采集

定測前使用無人機搭載多鏡頭傾斜相機[19],對全線線位(除隧道頂)一定寬度的區域開展傾斜攝影數據采集,對重點區域如隧道口、車站、貨場適當擴大范圍,見圖4。

圖4 縱橫CW15 無人機搭載傾斜攝影五鏡頭相機

(3)數據處理

為保證激光點云、傾斜攝影模型坐標系的統一,并與鐵路勘察設計坐標系保持一致,須基于統一的空間基準開展激光點云、傾斜攝影數據處理。 基于鐵路基礎平面控制網(CPI),沿線路方向每5~8 km 測量3 個平面、高程控制點,既可用于對激光點云做平面、高程精度檢查,又可用于對點云做航帶平差。 激光點云數據采集完成后,檢查點云的完整性、航帶接邊誤差、點云平面高程誤差,對點云進行航帶平差、高程擬合、點云分類等處理,分類后的點云用于地形圖測繪及開展專業調查。 同理,基于鐵路基礎平面控制網(CPI),沿線路方向每4 km 實測4 個像控點,供內業空三處理使用。 采用PhotoScan 軟件對多視角影像進行空三處理,接著將數據接入計算中心,采用100 余臺主機組成的計算集群,基于ContextCapture 軟件生產實景三維模型。

3.2 專業調查內業幾何信息提取方法

房屋密集區域的無人機激光點云見圖5,房屋密集區域的便攜式激光點云見圖6,基于高密度激光點云及精細實景三維模型繪制房屋矢量圖,分棟分層統計面積,并判識房屋層數,見圖7。 基于激光點云數據和實景三維模型對35 kV 及以上架空電力線路、變電站等設施開展幾何測量,見圖8,將成果存儲為ShapeFile 格式[20],以WFS 形式發布到鐵路專業調查數據庫,供移動端專業調查系統調用。 對于直接影響方案是否成立的重要控制因素,開展GPS-RTK 現場實測。

圖5 房屋密集區域的無人機激光點云

圖6 房屋密集區域的便攜式激光點云

圖7 基于多鏡頭傾斜實景三維模型繪制房屋矢量圖

圖8 基于激光點云測量電力設施

4 移動端專業調查系統開發

4.1 系統總體架構

移動端專業調查工具的系統總體架構分為4 層,見圖9,分別為基礎設施層、數據資源層、平臺服務層以及應用服務層。 基礎設施層包括系統運行的環境以及計算機的硬件環境、網絡環境及虛擬硬件資源,以滿足GIS 服務的需要。 數據資源層主要用來管理移動端需要的相關GIS 底圖以及業務采集的數據。 平臺服務層為后端管理數據資源層發布的全部GIS 服務,可提供調用與高效檢索以及目錄結構化管理。 應用服務層為外業調查系統提供專業的功能服務和專題數據應用服務。

圖9 移動端專業調查系統架構

4.2 系統功能設計

(1) 用戶管理模塊

用戶管理模塊實現了登錄與注冊等常用功能,用戶信息包括登錄工號、登錄密碼、手機號碼以及常用郵箱等。

(2) 多源航測數據加載

ArcGIS DataStore 是基于ArcGIS Pro2.8 的一個全新的數據庫組件,它支持在移動端、桌面端、網頁端發布大量二維、三維圖層,占用內存較少,可在硬件資源有限條件下存儲、發布、展示大量空間數據。 基于ArcGIS Javascript SDK 開發多源航測數據加載功能,將高精度地形圖、正射影像等地理空間數據制作成WMS(網絡地圖服務)離線地圖包[21],同時加載滿足I3S 標準的實景三維模型(?. slpk 格式),實現移動端高效調度和流暢展示多源地理空間數據,為各專業外業調查提供優質、全面的底圖數據。

(3) 外業調查數據采集功能

調查數據采集包含2 個方面,一是地物要素幾何信息復核、編輯;二是地物要素屬性記錄。 在外業現場,加載數據庫中的高清正射影像,選擇調查表,對內業提取的幾何信息(點、線、面)進行復核,根據現場實際情況進行編輯(新增、刪除、修改),見圖10,然后補充屬性信息。 以線路專業拆遷建筑物調查為例,其幾何數據主要包括房屋各角點 的坐標,里程、偏距、面積等數據,屬性數據主要包括行政區劃、結構類型、新舊程度、戶主、土地性質、層數、圍墻材質等。

圖10 加載影像及編輯房屋輪廓線

(4)調查成果導出及統計

根據線路、地質、通防、橋梁等專業的調查需求,導出各類調查對象的空間坐標、屬性、編碼、線型、圖層、顏色、寬度等,并對調查對象的面積、數量、類型進行統計,生成調查統計報表。

(5)輔助功能

為提升調查人員的工作效率,利用移動終端自帶的GPS 模塊開發了導航功能。 另外,還實現了長度、面積、方位角等測量功能以及經緯度定位、手寫標繪、拍照、錄音、錄像等功能。

5 工程應用

5.1 工程概況

長沙至贛州高速鐵路(簡稱“長贛高鐵”)位于湖南省東部和江西省西南部,西起湖南省長沙,途經瀏陽、萍鄉、 井岡山等地, 東至贛州市, 正線全長429.48 km, 其中橋梁長 167.208 km、 隧道長202.521 km,橋隧比86.1%。 長贛高鐵地處華南,沿線多為山區、丘陵,城鎮密集,植被十分茂密,地形起伏大,海拔最低處31 m,最高處705 m。 另外,線路跨越湘江、贛江、瀏陽河、撈刀河、遂川江等多條水系,并上跨京港澳、長沙繞城、瀏洪、泉南等多條既有高速公路以及京廣、滬昆、吉衡、京港等多條高速鐵路。 長贛高鐵不僅線路里程長,而且涉及諸多水系、既有高速公路、既有鐵路,采用GPS-RTK、全站儀人工實測開展專業調查面臨實測難度大、周期長、成本高等難題。

5.2 數據獲取、處理與幾何信息提取

(1)無人機傾斜攝影

由于長贛高鐵線路較長,僅對全線重點區域(含線路區間、站場、聯絡線、既有線接軌段、橋梁、隧道口等)生產傾斜攝影三維實景模型,共覆蓋191.682 km。采用飛馬 V100 無人機搭載五鏡頭傾斜相機DOP3000 執行傾斜航飛,地面分辨率優于5 cm,航向重疊度85%,旁向重疊度70%,下視影像分辨率優于0.05 m,生產的精細實景三維模型的平面精度優于0.1 m,高程精度優于0.15 m。

(2)無人機激光雷達

采用華測AS900 無人機激光雷達按線路左右各600 m 采集激光點云數據,點云密度優于50 個/m2,平面精度優于0.1 m,高程精度優于0.15 m。

(3)便攜式激光雷達

為補充無人機激光點云的不足,采用便攜式激光雷達GeoSLAM 對既有長沙南站(站臺、雨棚、接觸網等)和跨既有線的涵洞、橋梁等進行補充掃描,并與無人機激光點云進行配準。

(4)專業調查幾何信息提取

在長贛高鐵定測階段,第二、四、五測段采用傳統方法開展幾何信息測量,第一、三測段采用4.2 所述方法提取房屋、管線設施的幾何信息,存儲于專業調查數據庫。

5.3 基于移動端專業調查系統開展外業調查

長贛高鐵定測第二、四、五測段采用傳統方采集控制要素的屬性信息,第一、三測段采用移動端專業調查系統配合各專業開展專業調查,對地物要素幾何信息進行復核、編輯,錄入控制要素的屬性信息,各專業基于多源航測數據和調查成果數據,開展虛擬踏勘、控制因素匯總展示、方案展示與比選、方案評審匯報、取棄土場選址、四電場坪選址、面積測量等工作。

5.4 效率比較

對長贛高鐵定測全線的房屋、管線調查工作量及耗時進行統計(見表4),采用傳統方法的第二、四、五測段的房屋調查平均效率為0.49 km/h,管線調查平均效率為1.11 處/h,采用新方法的第一、三測段的房屋調查平均效率為0.39 km/h,管線調查平均效率為0.87 處/h。 相較于傳統GPS-RTK、全站儀實測以及現場人工調查,新方法的房屋調查效率提升幅度達26.4%,管線調查效率提升幅度達27.6%,大幅提高了專業調查的工作效率。

表4 新方法與傳統方法效率比較

6 結語

調研了鐵路勘察設計中線路、橋梁、隧道等各專業的調查需求,基于ArcGIS Datastore 建立專業調查數據庫;基于無人機激光雷達、便攜式激光雷達和無人機傾斜攝影等技術獲取三維數據,并采集調查對象的幾何信息,存儲于數據庫;基于安卓平臺研發了一款移動端專業調查系統,用于外業現場采集調查對象的屬性信息。 綜上所述,提出一種基于無人機航測技術和移動端系統的鐵路專業調查方法。 經過項目驗證,該方法對鐵路專業調查工作的效率提升幅度較大,并提高了鐵路專業調查的信息化程度。