像控点布设方案对既有线中线测量精度影响分析

宗伟丽

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

全站仪、GPS-RTK方法是目前既有线中线测量中最普遍的方法，该类方法可满足既有线勘察设计的精度要求，但上线工作量较大且效率较低。

考虑既有线上线作业的时间、上线作业的安全风险等因素，基于DMC230大幅面数码航摄仪，开展了多个项目的既有线测绘应用研究，形成一套完整的作业方案，实现了航测既有线技术在横断面测量、中线测量等方面的应用。

文献[1]阐述了POS辅助数码航空摄影测量在既有铁路测绘中的应用，证明了航测方法应用于既有线测量的可行性，为既有线测绘工作提供了一种全新的方法。在前期航测方法解决既有线测绘实践应用的基础上，针对应用中的问题，对像控点布设方法进行改进，并进行精度验证。

研究思路为：首先分析目前航测方法既有线中线测量像控点布设过程中面临的问题，提出抽稀曲线内侧像控点布设方案，对其精度进行统计，并对作业过程中影响中线测量的误差进行分析。

1 像控点地面标志布设现状分析

(1)像控标志布设困难

既有线测绘项目中航测像控点通常采用布设地面标志的方式。基于提高像控点辨认度和量测精度的考虑，对既有线测绘项目中航测像控点地面标志的尺寸、样式、材质等已经进行了充分的研究论证，形成了初步的结论，但针对积雪覆盖的山地、淤泥遍布的田地等难以通行的测区，外业像控点布设则较为困难且效率低下。

(2)像控点布设数量大

既有线测绘项目单航带布设存在覆盖宽度小、线路走向复杂、航线设计测区多等问题，导致传统布设方式下像控点布设数量较多。

此外，周围坏境、天气因素、人为破坏、航飞进度的滞后等因素也会导致像控点被破坏。因此，在保证既有线中线测量精度的前提下，合理优化像控点的布设方案是十分必要的。

2 方案实施

基于航测方法既有线中线测量的现状，探求一种既保证既有线中线测量精度，又能提高作业效率的技术方案十分必要。提出一种抽稀曲线内侧像控点的技术方案，并与外业实测数据进行对比论证。

2.1 数据源

试验区域选取东北某既有线电气化改造项目，航飞采用DMC230数码航摄仪，POS系统为POS AV510。数码航摄仪焦距为92.049 cm，像素为5.6 μm，像幅尺寸为87.0912 mm×79.206 4 mm，为保证既有线测绘的精度，应在航空摄影前布设像控点地面标志。本次航飞获取了5 cm高分辨率数码影像(航向重叠度60%、旁向重叠度30%)。航飞过程中需架设地面基站进行同步观测，采用差分解算获取每一张航片的外方位元素。获取的高分辨率航摄影像如图1所示(图中铁轨、枕木、枕木刷标清晰可见)。

图1 5 cm高分辨率影像

2.2 技术流程

航测方法既有线中线测量流程如图2所示。

图2 航测方法既有线中线测量流程

2.3 技术方案

(1)传统像控点布设方案

该既有线电气化改造项目中线位稳定，航飞获取数据覆盖范围小，且全部是单航线。受铁路走向影响，测线较短。为增加空三加密的稳定性，将多条测线合并为同一个区域网进行空三加密。在带状区域网两端各布设一对像控点，在航向相接处各布设一对像控点。为了充分利用外业资料，提高测量精度，将2 km间距的水准点作为平高点加入测区，试验区内包含三条单航线，设置平高控制点及水准点共18个，如图3所示。

图3 试验区内传统像控点布设示意

空三加密后对既有线中线进行采集，考虑既有线内轨加宽外轨加高的特性，直线段采集左轨、曲线段采集外轨，通过偏移的方式获取既有线中线，并与外业实测数据进行对比。采集的既有线中线为单一的线状地物，若采用里程坐标法进行精度对比会将里程丈量误差累计并影响精度对比结果。因此，试验采用垂直偏差法进行精度分析。该方法以获取的既有线中线为基础，采取垂直投影的方式进行里程定位并进行精度对比，统计垂线偏差如表1所示。

表1 传统像控点布设方案采集中线与外业实测中线垂线偏差对比

将传统像控点布设方案下采集的中线与外业实测中线进行对比：最大垂线偏差为9.83 cm，最小垂线偏差为0.03 cm，计算中误差为3.85 cm，满足《TB10101—2009 铁路工程测量规范》中线测量中的有关规定。

(2)曲线内侧抽稀像控点方案

在传统像控点布设方案的基础上，通过合理划分测区，在保证每一区域网四个角点都有平高点，航线与航线连接处曲线外侧都有像控点的前提下，抽稀曲线内侧像控点。为了充分利用外业资料，提高测量精度，将间距为2 km的水准点作为平高点加入区域网，为了便于比较，采用相同的试验测区，像控点布设示意如图4所示。

图4 试验区内抽稀曲线内侧像控点布设示意

空三加密后，用同样的方法采集既有线中线，并统计与外业实测中线的垂线偏差(如表2所示)。

表2 抽稀曲线内侧像控点布设方案采集中线与外业实测中线垂线偏差对比

将抽稀曲线内侧像控点布设方案下采集的中线与外业实测的中线进行对比：最大垂线偏差为9.41 cm，最小垂线偏差为0.00 cm，计算中误差为3.54 cm，满足《TB10101—2009 铁路工程测量规范》中线测量有关的规定。

3 精度对比及误差分析

两种像控点布设方案下采集的中线都能满足既有线中线测量的精度要求。为了更直观地分析对比两种方案之间的精度，将其与外业实测中线的差值绘制成图表，如图5所示。

图5 两种像控布设方案下采集中线与外业实测中线差值比较

从图5可以看出，两种像控布设方案下中线误差都呈现出不规律的上下波动，主要是因为受到多种不确定误差源的影响。航测方法既有线中线测量的误差主要来源于以下几个方面。

(1)像控点外业量测误差

为了提高既有线测量的精度，既有线测绘项目全部采用人工布设地面标志的方式，即使地面标志的规格、材质、符号经过多个项目的经验积累已经相当成熟，但是像控点量测过程中受到卫星星历、控制网精度、坐标转换误差等因素影响，还是存在一定程度的误差。

(2)像控点内业量测误差

空三加密像控点量测时受到航摄影像质量、测区内连接点匹配误差的影响。

(3)外业实测中线误差

外业实测中线通过RTK采集，其精度受外业像控点精度、作业人员操作习惯等方面的影响。

(4)立体采集中线误差

立体采集误差存在于每一个作业员，受到作业习惯、立体辨识能力、影像质量、身体状况、环境光线等诸多因素的影响，成为最难把控的一项误差，这既有不同作业员之间的误差，也有同一作业员在不同的时期、不同立体像对之间的误差。

多种误差源的存在也是造成两种方案下误差不稳定、呈现不规律波动的主要原因，有效控制各种误差，是提高工程应用精度的必要手段。

[1] 高文峰.POS辅助数码航空摄影测量在既有铁路测绘中的应用[J].铁道勘察，2017(1):17-21

[2] 王正银.铁路航摄的影响因素及其对策研究[J].铁道勘察，2015(1):30-32

[3] 宗伟丽，甘俊.DMC230检校场布设方案及检校精度分析[J].铁道勘察，2011(5):29-31

[4] 杨少文.IMU/DGPS辅助航空摄影技术在铁路勘测中的应用[J].铁道勘察，2011(5):25-28

[5] 袁修孝.GPS辅助空中三角测量原理及应用[M].北京：测绘出版社，2001

[6] 张祖勋，张剑清.数字摄影测量[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1997

[7] 宗伟丽.航测外业新方法探索[J].铁道勘察，2012(5):19-21

[8] 张建民，刘晓明.GPS-RTK三维一体化既有线测绘方法的研究[J].铁道勘察，2012(5):6-9

[9] 武汉测绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础[M].北京：测绘出版社，2000

[10] 中铁二院工程集团有限公司.TB10101—2009 铁路工程测量规范[S].北京：中国铁道出版社，2010