成都至昆明铁路复线是在既有成昆铁路基础上新建或增建二线的铁路线, 施工期间称为成昆铁路扩能改造工程。全线分为成都至峨眉段、峨眉至米易段、米易至攀枝花段、永仁至广通段、广通至昆明段, 采取分段施工的方式进行改造。复线线路全长900 km。

由于成昆铁路复线地处西南山区, 段内属高山地貌, 所以传统测量手段受地形限制较大、安全性差、精度较低、时间成本高。小型无人机摄影测量技术具有及时、有效、直观的特点, 能大幅度提高地质生产效率, 保证安全施工作业^[1-8], 能很好地替代传统人工接触式测量手段, 高效率、高精度地完成勘测任务, 减少野外调查工作量^[9]。通过无人机摄影平台获取高清图像后, 结合实时定位技术和三维重建技术生成真实的三维模型^[10], 经过坐标转换后, 可输出代表性断面, 对铁路施工开挖土石方量进行计算。

1 无人机遥感影像数据获取方法

1) 航线规划。无人机在进行航拍作业之前, 需要在地面工作站对飞行航线进行设置, 由于铁路穿越的地区大多数河流深切、边坡陡峻且高差巨大, 所以在进行航线规划时不仅要考虑无人机的续航时间、续航里程等因素, 还需考虑无人机相机焦距以及高程, 避免飞进云层和绕避山体。不仅如此, 在规划航线时还要考虑飞机的飞行姿态、飞行角度、拍摄频率等, 保证摄影照片的航向重合率在80%以上, 旁向重合率60%;在高差不大的地方可以全部用正射拍摄, 对于高差大的地方则需要倾斜拍摄^[11]。

2) 像控点布设及测量。摄影测量像片控制点布设根据摄影资料、后续工序工艺流程及成图精度要求确定像片控制点的分布、数量、联测精度。按现行航空摄影测量外业规范在铁路高陡边坡布设像片控制点, 所需控制点数量较多, 外业施测工作量很大。另外, 由于铁路所穿越地区多高山河流, 外业人员很难到达, 有的地方甚至找不到满足要求的施测目标。因此, 在铁路工程无人机勘查作业中布设像控点时, 在达到规范要求的前提下, 应减少控制点的数量, 且控制点在航摄范围内均匀分布。像控点坐标的测量一般采用全站仪与工点已有的CPⅡ、CPⅢ控制点联测, 也可通过RTK(real-time kinematic)同步采集野外布设的控制点坐标数据, 其平面坐标精度和高程精度都达到了地形图航空摄影测量内业规范^[12]要求。

3) 无人机空中三角摄影测量作业流程。空中三角摄影测量是无人机摄影测量作业的关键步骤, 它利用少量地面控制点将整个区域网连接成一个整体, 通过区域网平差计算一个测区中所有影像的外方位元素和所有加密点的地面坐标, 用于生成测量对象三维点云模型及后续产品。无人机摄影测量内业工作处理的核心就是空中三角测量, 相对于普通地区, 在大高差铁路工程中无人机外业航拍工作更为困难, 内业空中三角测量精度需通过精度更高的像控点进行控制, 像控点坐标采用全站仪与工点已有位置最近的CPⅡ采用导线测量的方式进行联测, 整个作业流程大体相同, 主要为资料收集、现场踏勘→无人机航线设定、相机准备→像控点布设→控制测量(获取像控点工程独立坐标)→无人机高清影像获取→PIX4D软件解算→生成对象三维点云模型→Polywork软件内业处理(三维点云模型深挖方区域分析、代表性控制断面输出、便道断面开挖前原始地形线恢复、平均断面法土石方量计算)。

4) 工程坐标转换及代表性断面输出成图。

① 工程坐标转换。铁路工程项目中的工程测量, 采用高程投影与高程基础相结合的方式来展开实际测量工作。为保证工程顺利完工, 在工程测量中常用的坐标系为工程独立坐标系, 这样能很好地控制投影变形, 便于施工测量。工程独立坐标系以测区的平均经度为中央子午线, 或以工程的主轴线为横轴, 将边长归化至测区平均高程面, 并以国家坐标系中的一个点和方向作为基准, 或假定一边方向和一点坐标, 构成工程独立坐标系。固定翼无人机获取的高分辨率遥感影像经过PIX4D软件解算后得到的点云数据属于WGS84空间直角坐标系, 所以需将点云三维坐标转换为工程坐标系, 以满足施工需求。

② 代表性断面输出。完成工程坐标转换后, 边坡点云数据的三维坐标从WGS84坐标转换为工程坐标, 将点云数据导入Polywork软件, 根据测区内深挖方所在区域对测区分段, 在每段内选择输出代表性断面, 设置断面点采样间距, 输出得到的断面可加载到施工平面图中, 在断面图上可通过三维模型及坐标对应的方法判识出便道在断面中的相应位置。

2 无人机摄影测量技术的应用

1) 工程概况。成昆铁路复线四川省凉山州甘洛县至越西县施工段施工便道测区属横断山中高山地貌, 地形起伏较大, 大渡河、牛日河深切, 到处是悬崖绝壁, 地面高程1 215~1 995m, 隧道最大埋深约1 065 m, 自然坡度5°~35°不等, 局部较陡。地表植被不发育, 多被垦为旱地, 沟槽等低洼地带覆土较厚。隧道进出口附近有公路相通, 交通条件较好。

2) 地形测量。应用固定翼无人机摄影测量技术对成昆铁路复线四川省凉山州甘洛至越西段施工便道进行了勘察, 获取便道所在地区的高清影像数据后, 通过软件进行建模, 得到该区域的三维点云模型。通过三维点云数据获取高精度数字高程模型、数字正射影像图和数字表面模型(图 1)等数字成果, 进而生成等高线和地形剖面。与传统地形测量相比, 能非常迅速地得到更为精细的测区等高线图。

3) 代表性断面输出。完成工程坐标转换后, 测区点云数据坐标已从WGS84坐标系转换为铁路工程独立坐标系。在工程坐标系下的测区三维点云数据模型和等高线中可对整个测区进行分析, 将测区便道分段, 并输出每段内代表性断面, 以计算整个测区开挖土石方量。

4) 土石方量平均断面计算法。全测区覆盖面积22.638 km², 若以传统式人工测量, 费时费力且安全系数差, 采用无人机在半天内可获取到全测区高清影像, 生成全测区三维点云数据模型, 精度高、高效且省时省力。由于缺失测区便道开挖前的等高线图, 所以采用平均断面法计算测区便道开挖土石方量, 即工程技术人员利用三维点云数据模型对测区便道进行分段, 在Polywork软件中输出代表性横断面之后, 利用CAD恢复代表性横断面图原始地形线, 计算出断面上的开挖面积, 乘以段内长度, 结合现场实际勘查及三维点云数据模型, 计算得到测区便道开挖土石方量(表 1), 最终得到成昆铁路四川省凉山州境内甘洛县至越西县段便道开挖量:土方158 394.27 m³, Ⅲ级(硬土)527 694.648 m³, Ⅱ级(普通土)3 714.2m³。

3 结束语

与传统的勘测技术相比, 无人机摄影测量技术应用于铁路施工工程具有以下优势:①数据更为全面。利用无人机摄影测量技术可获取到测区等高线图、数字表面模型图、三维点云数据模型、谷歌瓦片等, 而传统工程测量只能得到二维的等高线图。②可回溯性强。一次性获取测区工点的三维点云数据后, 无需进行反复实地勘察, 可对其三维模型进行数据分析。③效率高、劳动强度低。该方法将传统的工程测量方法从繁重的野外工程测量变成了室内解译, 提高了勘测效率, 大大降低了劳动强度。④安全性好。采用该方法无需调查人员攀爬陡峭的山坡, 保证了调查人员的人身安全, 同时对于运营的铁路线也可进行安全调查。