柯 舒

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

在铁路勘察设计过程中，断面测量对线路方案选择起着至关重要的作用。目前，铁路断面采集主要依靠传统的外业现场实测或基于机载Lidar数据生成。传统外业实测，其勘测工期、成本、质量等受到多种自然条件及人为因素限制，劳动强度大、工作效率低[1]；机载Lidar数据获取速度快、精度高[2]，但是在植被茂密、地形突变及地物复杂区域存在一定的局限性[3]。为了提高铁路断面采集效率与精度，夏艳军[1]、马伟东[4]等提出了航测法测量铁路横断面的思想，但受影像分辨率及模型比例的局限，其断面采集精度不高，且需要大量的现场补核及修测工作。而Leica DMCⅢ数字航摄仪打破了这一局限性，其立体断面采集精度能够满足定测需求，可减少大量的外业工作，提高铁路勘测效率。

Leica DMCIII数字航摄仪是目前世界上传感器幅面最大的框幅式航摄仪之一，其传感器像元大小为3.9 μm，幅面为26112像元×15000像元，可获取多种分辨率的影像数据。现阶段，DMCIII数字航摄仪已广泛应用于不同比例的铁路地形图生产，并显著提高了制图精度[5]。然而，地形图生产只是DMCIII的能效之一，如何将其高分辨率的数码影像及高精度的POS数据服务于铁路定测断面采集，充分发挥其优势，提高立体采集断面精度是研究的重点。

1 方案设计

为满足定测阶段断面精度要求，从航飞设计、航测外业控制测量到空中三角解析测量、断面立体采集，每一道工序均需要严格遵守相关技术规定。定测阶段，航摄影像的地面分辨率应优于0.05 m。测区内以区域网方式布设像控点(局部可增加高程控制点)，内业基于影像pos数据及外控成果进行空中三角测量，建立测区立体模型，并收集线路中线实测中桩坐标及高程信息。依据上述作业内容定制作业流程(如图1所示)，以常益长铁路为例，详细讨论基于DMCⅢ数码影像立体采集铁路断面的技术方案。

图1 作业流程

1.1 航飞设计

常益长铁路设计正线长156.8 km，比较线长28 km，共184.8 km。测区靠近洞庭湖水域，地貌以平原、微丘陵为主，海拔范围20～250 m，平均海拔60 m。

本摄区使用DMCⅢ数字航空摄影仪，该相机将传感器单元、存储单元、控制单元、惯性测量单元等组件高度集成为一体[6]，且镜头系统同时采集R、G、B、PAN、NIR5个波段的数据，可输出RGB真彩色影像、Nir近红外影像、PAN全色影像，其自动化程度高、影像数据信息丰富。

本次摄影成果主要用于定测阶段断面采集工作，故按照1∶500的成图比例来进行航线设计，依据TB10050—2010《铁路工程摄影测量规范》[7]，各种比例地形图地面分辨率取值如表1。

表1 地面分辨率取值

地面分辨率GSD由数码相机像素尺寸R与摄影比例1/m确定[8]，计算公式为

GSD=R×m

摄影比例分母m由相对航高h与相机焦距f确定，即

m=h/f

则有

m=Rh/f

对于DMCⅢ，焦距f=92 mm，像素尺寸R=3.9 μm， GSD(地面分辨率)优于0.05 m，则相对航高应低于1 000 m；根据测区地形起伏、设备性能、飞机性能、测图比例、航带地面覆盖宽度、GSD、航线总里程、空域状况等因素，最终确定相对航高为950 m，地面分辨率为0.043 m，共计31条航线(包括27条测线和4条检校线)，航线总里程为1 150 km左右，如图2所示。

图2 摄区航线敷设示意

1.2 外业控制测量

基于DMCⅢ数码影像资料，本摄区采用区域网布设像控点[11]。参照GB/T 7931—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图航空摄影测量外业规范》[12]，考虑断面精度要求，区域内航线数量不宜超过10条，基线数不宜超过12条(约2 km)，并在区域两端及中间补充3至5排高程控制点，如图3所示。

图3 像控点布设示意

1.3 空中三角测量

空中三角测量是摄影测量内业测图和数字产品生成的第一道工序[13]，其核心内容是以像片上的像点坐标为依据，用摄影测量的方法解求测区内所有影像的外方位元素，并基于摄影过程的几何转换，重建可量测的几何立体模型，最后求出地面点的空间坐标[14]。

本项目基于Inpho数字摄影测量系统进行空三加密，其Match-AT空三模块引入相机文件、影像及其POS数据，通过影像匹配算法，自动提取相邻航片及相邻航线之间的连接点，形成稳固的区域网模型；再导入外业控制点数据，通过人工立体量测及平差解算，生成高精度的空三模型[15]。

空三加密精度可依据1∶500地形图规范执行，即：模型连接点平面中误差≤0.15 m，高程精度≤0.2 m。为提高测区立体模型的精度，在空三加密前需对DMCⅢ数码影像进行匀光、匀色预处理，保证大范围内影像色调基本一致且纹理清晰，以提高空三加密模块自动提取模型连接点的精度及人工立体量测的精度。此外，可收集测区内已有的线路中桩实测数据(包括线路中桩坐标及高程信息)，辅助检核测区立体模型，对局部精度较差的区域，需手动增加模型连接点或补充外业控制点。

模型精度满足要求后，即可导出PatB格式与ZI格式的空三成果。

1.4 断面立体采集

基于JX4或者航天远景工作站，恢复PatB或ZI立体模型，并检查外控点精度及像对接边精度，满足要求后方可进行断面立体采集。

断面立体采集首先需要收集线路的原始资料，并从中整理出曲线要素表、中桩里程表及断面范围表三个文件。其中曲线要素表包含交点坐标(东方向、北方向)、曲线半径、前缓和曲线、后缓和曲线共五个要素，导入断面采集模块后可生成线路中线；中桩里程表包含中桩里程号、中桩坐标(东方向、北方向)及高程(若无则设为0)四个要素；断面范围表包含中桩里程号、中桩高程(若无则设为0)及断面线左右侧长度四个要素。

将上述三个文件依次导入断面立体采集模块(中桩坐标应与线路中线匹配一致)，并将外业实测中桩数据导入立体模型，检验其精度，若符合规范要求，便可进行断面采集，即从中桩开始，依次量测断面线左右两侧的特征点及变坡点坐标并记录其属性信息，采集方法与立体测图一致。所有断面采集完毕后，将断面文件转换成与外业一致的表格形式，便于外业复核或补测，如表2所示。

表2 断面成果格式示例

2 应用分析

高精度的立体模型、高分辨率的数码影像以及严格的质量控制，保证了DMCⅢ数码影像用于断面生产的可行性。在常益长铁路中，以益阳南站为例，将基于DMCⅢ数码影像立体采集的断面高程与外业实测高程进行对比(共计134个横断面)，统计精度如表3所示。在裸露地表区域，立体采集的断面高程中误差为0.187 m，稀疏植被区域中误差为0.243 m，均符合断面精度要求；在密林区域，由于植被遮挡，无法判断真实地表，立体采集断面精度呈现出不确定性。

表3 DMCⅢ立体采集断面高程精度统计

考虑到铁路勘测的精度要求，常益长的横断面生产采用DMCⅢ立体采集与外业实测相结合的方法。对于裸露地表区域，以航测立体采集为主，可高效精细地反映地貌变化；对于密林及涉水区域，由航测专业标示起止范围，提交外业补测。

常益长定测阶段，DMCⅢ数码影像主要用于站场、路基的横断面采集，其中站场断面数量较多且断面线较长，断面沿线植被相对稀疏，以航测立体采集为主；路基横断面多位于丘陵地带，植被茂密，断面线较短，以外业实测为主。

基于DMCⅢ数码影像立体采集的断面数据利用率如表4所示，其中有效断面线为剔除密林及涉水区域后的断面线，该部分数据无需外业补测或复核，可直接提交。经统计分析，对于站场断面，航测立体采集的有效数据占比为51.23%；对于路基断面，航测立体采集的有效数据占比为32.51%；航测数据的总利用率为46.14%。

表4 DMCⅢ立体采集断面利用率统计

3 结论

基于DMCⅢ数码影像立体断面采集表现出以下几点优势：

(1) 断面立体采集属于传统航测方法，断面生产流程简单，作业员接受程度高。

(2)非密林区域的采集精度较高，满足铁路相关规范要求。

(3) 在地物复杂区域，例如城区、站场等，DMCⅢ数码影像可提高地物辨识度及断面采集的准确度。

(4)相较于传统外业测量，基于DMCⅢ数码影像的立体断面采集可显著提高生产效率，节约外业成本。