基于无人机实景影像的齿轨铁路三维线路设计方

伴随着四川省地方标准《山地(齿轮)轨道交通技术规范》的颁布以及《四川山地轨道交通规划》的出台，齿轨铁路在国内山地观光旅游中创造的经济价值潜力也被众多景区管理者所发现。齿轨铁路具有爬坡大、适应性好等优势，是国内山地旅游景点大力推广的交通运输方式[1-2]。

国外已建成的齿轨铁路多达180余条，发展史已有200多年，在用的且技术发展较成熟的齿轨系统有Riggenbach、Abt、Strub、Von Roll和 Locher等系统，分布在瑞士、德国、法国、澳大利亚和日本等发达国家，总运营里程超过3 000 km；国外齿轮铁路经过多年的运营和实际研究，已大量应用于矿山辅助作业和旅游观光业之中[3-6]。我国在齿轨铁路上的研究较晚，对齿轨铁路的应用也较晚；到目前为止，我国还没有建成任何一条齿轨观光铁路，对齿轨观光铁路的研究尚处于起步阶段，但是我国都江堰、九寨沟、张家界等地已计划修建齿轨铁路，四川省发改委已正式批复，同意建设都江堰至四姑娘山的齿轨项目[3][5]。本文以贡嘎山海螺沟山地度假旅游线沿线的带状遥感实景影像为基础，构建齿轨铁路的三维线路模型，为未来几年的山地轨道交通线路设计方式创新提供研究方向。

1 无人机倾斜遥感实景地图构建

2020年是不平凡的一年，世界因新冠而变，同年3月4日，中华人民共和国公安部交通运输部针对疫情防控复工开工的通知中明确提出“抓紧开展现场勘察，充分利用无人机、卫星遥感和BIM技术等，加强工程现场图片和视频资料收集、分析，加快工程可行性研究报告、勘察设计文件编制等工作”的倡议。本文的遥感地图是通过六旋翼无人机采用倾斜摄影测量技术生成的，影像地面分辨率优于5 cm。

1.1 无人机倾斜遥感测量的优势

多旋翼无人机具有上手快、灵活性强、体积小以及所获数据高精度等诸多优点，是小范围航测任务的首选机型，且所获数据适合开展高精度三维地形建模[7]；倾斜摄影同时从侧视、垂直等不同角度采集地物影像，有效的弥补了传统航空摄影的局限；生成的倾斜摄影技术三维数据能够真实的反映地物位置、高度、外观等多种属性，是带有空间位置信息的可量测影像的数据。

1.2 实景地图的构建

基于无人机倾斜摄影测量技术的实景地图的构建主要分为以下几个步骤：

1.2.1 航测区域范围

无人机航测作业区域为“磨西镇-燕子沟-南门关沟”台地区域，经度范围为：102. 055～102.145 °，纬度范围为：29.625～29.740 °，航测范围为以磨西台地为主体，东西延伸至两侧河流及山脚区域，总面积约为16 km2。

1.2.2 航线规划

本文采用的航线规划软件为DJI GS pro，通过直观、简单的交互设计，易于规划复杂的航线任务，实现飞行点的全自动飞行操作[8]，相关技术标准满足文献[9]～[10]要求。

1.2.3 地面GPS基站与像控点布设

建立地面的GPS基站，航拍过程中不断收集GPS数据并与机载GPS达到同步观测，进而计算生成机载GPS轨迹[11]。像控点是摄影测量控制、加密和制图的基础，采用动态实时GPS技术(GPS-RTK)进行观测，像控点相对于附近位置的基本控制点的位中误差小于0.1mm，高程的误差小于0.1m。当点位精度符合要求后，记录观测结果。

1.2.4 影像内业处理

本文采用的影像解译软件为Context Capture是Bentley公司的实景建模软件，原名Smart3D；对已校准55 470张照片中的55 263张，进行影像解译，得到磨西镇-燕子沟-南门关沟” 台地区域的三维实景地图模型(图1)。

图1 三维实景地图模型解译

为了更近一步看出生成三维实景模型的精度以及效果情况如何，图2给出了倾斜摄影部分区域放大三维景观。

图2 倾斜摄影实景地图部分区域三维景观

1.2.5 质量检查

对航测生成的三维模型的质量进行概括统计,得到表1。

表1 质量概况数据库已校准张照片中的张(100%)关键点每个图像关键点的中位数个连接点个点,每张照片中位数为181点。重投影误差(RMS)0.61px定位/缩放使用照片元数据进行地理参考,而不使用控制点

RMS为0.61个像素点，满足文献[12]对航测精度的要求。

2 构建齿轨铁路构造物三维基元库

齿轨铁路构造物类型较多且专业性较强[15]，因此，本文利用构造物基元模型库的方法进行使用与管理。

2.1 基元模型编号

文章来源：《遥感学报》 网址: http://www.ygxbzz.cn/qikandaodu/2021/0409/596.html