基于無人機實景影像的齒軌鐵路三維線路設(shè)計方法研究

于 杰，王齊榮,婁星宇

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

伴隨著四川省地方標(biāo)準(zhǔn)《山地(齒輪)軌道交通技術(shù)規(guī)范》的頒布以及《四川山地軌道交通規(guī)劃》的出臺，齒軌鐵路在國內(nèi)山地觀光旅游中創(chuàng)造的經(jīng)濟價值潛力也被眾多景區(qū)管理者所發(fā)現(xiàn)。齒軌鐵路具有爬坡大、適應(yīng)性好等優(yōu)勢，是國內(nèi)山地旅游景點大力推廣的交通運輸方式[1-2]。

國外已建成的齒軌鐵路多達(dá)180余條，發(fā)展史已有200多年，在用的且技術(shù)發(fā)展較成熟的齒軌系統(tǒng)有Riggenbach、Abt、Strub、Von Roll和 Locher等系統(tǒng)，分布在瑞士、德國、法國、澳大利亞和日本等發(fā)達(dá)國家，總運營里程超過3 000 km；國外齒輪鐵路經(jīng)過多年的運營和實際研究，已大量應(yīng)用于礦山輔助作業(yè)和旅游觀光業(yè)之中[3-6]。我國在齒軌鐵路上的研究較晚，對齒軌鐵路的應(yīng)用也較晚；到目前為止，我國還沒有建成任何一條齒軌觀光鐵路，對齒軌觀光鐵路的研究尚處于起步階段，但是我國都江堰、九寨溝、張家界等地已計劃修建齒軌鐵路，四川省發(fā)改委已正式批復(fù)，同意建設(shè)都江堰至四姑娘山的齒軌項目[3][5]。本文以貢嘎山海螺溝山地度假旅游線沿線的帶狀遙感實景影像為基礎(chǔ)，構(gòu)建齒軌鐵路的三維線路模型，為未來幾年的山地軌道交通線路設(shè)計方式創(chuàng)新提供研究方向。

1 無人機傾斜遙感實景地圖構(gòu)建

2020年是不平凡的一年，世界因新冠而變，同年3月4日，中華人民共和國公安部交通運輸部針對疫情防控復(fù)工開工的通知中明確提出“抓緊開展現(xiàn)場勘察，充分利用無人機、衛(wèi)星遙感和BIM技術(shù)等，加強工程現(xiàn)場圖片和視頻資料收集、分析，加快工程可行性研究報告、勘察設(shè)計文件編制等工作”的倡議。本文的遙感地圖是通過六旋翼無人機采用傾斜攝影測量技術(shù)生成的，影像地面分辨率優(yōu)于5 cm。

1.1 無人機傾斜遙感測量的優(yōu)勢

多旋翼無人機具有上手快、靈活性強、體積小以及所獲數(shù)據(jù)高精度等諸多優(yōu)點，是小范圍航測任務(wù)的首選機型，且所獲數(shù)據(jù)適合開展高精度三維地形建模[7]；傾斜攝影同時從側(cè)視、垂直等不同角度采集地物影像，有效的彌補了傳統(tǒng)航空攝影的局限；生成的傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)能夠真實的反映地物位置、高度、外觀等多種屬性，是帶有空間位置信息的可量測影像的數(shù)據(jù)。

1.2 實景地圖的構(gòu)建

基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的實景地圖的構(gòu)建主要分為以下幾個步驟：

1.2.1 航測區(qū)域范圍

無人機航測作業(yè)區(qū)域為“磨西鎮(zhèn)-燕子溝-南門關(guān)溝”臺地區(qū)域，經(jīng)度范圍為：102. 055～102.145 °，緯度范圍為：29.625～29.740 °，航測范圍為以磨西臺地為主體，東西延伸至兩側(cè)河流及山腳區(qū)域，總面積約為16 km2。

1.2.2 航線規(guī)劃

本文采用的航線規(guī)劃軟件為DJI GS pro，通過直觀、簡單的交互設(shè)計，易于規(guī)劃復(fù)雜的航線任務(wù)，實現(xiàn)飛行點的全自動飛行操作[8]，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滿足文獻(xiàn)[9]～[10]要求。

1.2.3 地面GPS基站與像控點布設(shè)

建立地面的GPS基站，航拍過程中不斷收集GPS數(shù)據(jù)并與機載GPS達(dá)到同步觀測，進(jìn)而計算生成機載GPS軌跡[11]。像控點是攝影測量控制、加密和制圖的基礎(chǔ)，采用動態(tài)實時GPS技術(shù)(GPS-RTK)進(jìn)行觀測，像控點相對于附近位置的基本控制點的位中誤差小于0.1mm，高程的誤差小于0.1m。當(dāng)點位精度符合要求后，記錄觀測結(jié)果。

1.2.4 影像內(nèi)業(yè)處理

本文采用的影像解譯軟件為Context Capture是Bentley公司的實景建模軟件，原名Smart3D；對已校準(zhǔn)55 470張照片中的55 263張，進(jìn)行影像解譯，得到磨西鎮(zhèn)-燕子溝-南門關(guān)溝” 臺地區(qū)域的三維實景地圖模型(圖1)。

為了更近一步看出生成三維實景模型的精度以及效果情況如何，圖2給出了傾斜攝影部分區(qū)域放大三維景觀。

圖2 傾斜攝影實景地圖部分區(qū)域三維景觀

1.2.5 質(zhì)量檢查

對航測生成的三維模型的質(zhì)量進(jìn)行概括統(tǒng)計,得到表1。

表1 質(zhì)量概況

RMS為0.61個像素點，滿足文獻(xiàn)[12]對航測精度的要求。

2 構(gòu)建齒軌鐵路構(gòu)造物三維基元庫

齒軌鐵路構(gòu)造物類型較多且專業(yè)性較強[15]，因此，本文利用構(gòu)造物基元模型庫的方法進(jìn)行使用與管理。

2.1 基元模型編號

根據(jù)專業(yè)類別可以將齒軌鐵路工程構(gòu)造劃分為：車輛、路基、軌道、橋涵、隧道以及通號等幾個大類[13]，為了便于對構(gòu)造物基元模型的調(diào)取以及組建齒軌鐵路線路模型，參照文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]的EBS 標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行本文的基元模型的分類與編碼，以“XX+XX+XX”的方式，其分別代表著專業(yè)類別層、構(gòu)造物層與標(biāo)準(zhǔn)基元層。

2.2 車輛構(gòu)造物模型編號及細(xì)分

由于齒軌鐵路編碼的分類及編號較為繁雜，因此本文以車輛工程為例進(jìn)行詳細(xì)劃分與編碼，以Budapest齒軌鐵路的車輛組成結(jié)構(gòu)為參考，車輛類型基于Strub系統(tǒng)建立而成。具體分類與編碼方式如圖3所示。

圖3 齒軌車輛工程構(gòu)造物三維基元模型分類與編碼

以基元構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸數(shù)據(jù)，以CAD繪制齒軌鐵路構(gòu)構(gòu)造物的二維基元件圖，再將其導(dǎo)入SketchUp中構(gòu)建三維模型，并通過VRay渲染將模型達(dá)到真實效果，以得到轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行展示(圖4)。

圖4 車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)三維渲染效果

2.3 基元模型庫的管理

本文采用Component Finder模型庫管理插件來進(jìn)行基元模型庫的管理，此插件適用于新手，且操作簡單，頁面簡明，在查找模型的過程中還可以正確的顯示模型的縮略圖，即使是幾千個模型索引時間也不到10 s。

3 基于實景地圖的齒軌鐵路線路三維建模

3.1 線路概況

該齒軌鐵路項目位于四川省甘孜藏族自治州東南部青藏高原東緣向四川盆地過渡地帶，為貢嘎山海螺溝山地度假旅游線，具體線路走向為：川藏鐵路康定站-雅家情海-紅石灘-燕子溝-磨西鎮(zhèn)-杉樹坪-草海子-海螺溝，是一條從起點康定市途徑瀘定縣以及眾多旅游風(fēng)景區(qū)的南北走向的線路，經(jīng)緯度范圍為101.94～102.13°E、29.58～30.02°N，全線長度約為70 km，其中有近1/3的線路位于磨西臺地。

項目位于四川盆地與青藏高原的過渡帶上，地勢由四川盆地向向川西高原急劇抬升，過渡性明顯，地貌發(fā)育受構(gòu)造控制。沿途經(jīng)過大雪山山脈中南段，邛崍山脈以及相鄰區(qū)域，途徑鮮水河斷裂帶、大渡河斷裂、安寧河斷裂等，且全線均位于大渡河斷裂區(qū)域內(nèi)。因此，在線路設(shè)計時應(yīng)格外注意對抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

3.2 線路平縱設(shè)計

線路平縱設(shè)計應(yīng)滿足文獻(xiàn)[16]對于山地(齒軌)軌道交通線路的平縱要求，因此本線路以橋梁和路基為主，線路基本上走向為沿溝谷地帶走，且沿原有公路地質(zhì)較好路段敷設(shè)。本文采用鐵路線路輔助設(shè)計軟件CARA進(jìn)行齒軌鐵路線路的平縱設(shè)計，由于縱斷面設(shè)計圖幅較大，因此本文僅對平面線形進(jìn)行展示，將CARA生成平面KML線路文件，導(dǎo)入Google地圖中得到平面線位衛(wèi)星圖(圖5)。

圖5 平面設(shè)計線位

3.3 基于實景地圖的三維線路模型的建立

首先將處理后獲得的無人機低空遙感地圖在Google地圖中將其覆蓋于原遙感圖片上，打開并導(dǎo)入文章上小節(jié)設(shè)計的線路位置的KML文件，由于全線齒軌鐵路的三維模型過大，因此將SketchUp中百米齒軌鐵路三維構(gòu)造模型導(dǎo)入谷歌地圖，得到路基與橋梁段的成果示意圖(圖6、圖7)。

圖6 基于實景地圖建立的齒軌鐵路路基段線路三維效果

圖7 基于實景地圖建立的齒軌跨河橋梁段線路三維效果

跨河橋梁段的齒軌鐵路線路三維效果圖如上所示，圖中紅色的線為平面設(shè)計的線路中線位置，而所建的三維模型位于設(shè)計線上方。

4 結(jié)論

本文通過在無人機低空遙感實景影像上構(gòu)建齒軌鐵路的三維線路模型，尋求一種簡潔高效的設(shè)計手段，減少線路初測與定測的外業(yè)工作量，讓設(shè)計師在設(shè)計線路時直觀感知線路建成后的效果圖，以便做出相應(yīng)調(diào)整，也可為未來貢嘎山海螺溝山地度假旅游線的建設(shè)提供設(shè)計方向。本文中的主要結(jié)論如下：

(1)通過六旋翼無人機進(jìn)行外業(yè)勘測及Context Capture(Smart 3D)軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)解譯得到摩西臺地的三維實景地圖，相較于普通遙感影像具有精度高、成像清晰等特點，地面分辨率可達(dá)5 cm，完全滿足齒軌鐵路線路設(shè)計對地圖的要求。

(2)通過對齒軌鐵路構(gòu)造物進(jìn)行分類與編碼的方式，使齒軌鐵路眾多構(gòu)造物變得有序，便于后期模型的管理；并以基元構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸數(shù)據(jù)，通過CAD繪制二維元件圖，確保了基元標(biāo)準(zhǔn)件尺寸的規(guī)范性；再將其導(dǎo)入SketchUp中建立三維基元軟件模型，并通過VRay進(jìn)行三維渲染，使基元模型具有較好的三維可視性與現(xiàn)實逼真性；最后，選用Component Finder進(jìn)行模型庫管理，增添后期線路建模的便捷性。

(3)基于無人機遙感三維實景地圖的構(gòu)建的齒軌鐵路線路三維模型，可以非常好的展現(xiàn)線路建成后的效果，可依據(jù)線路平面位置的改變而做出相應(yīng)調(diào)整，不失為一種簡潔高效的設(shè)計手段。