“无人机+”测绘技术在铁路工程汇报展示中的应用

甘 俊

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

在铁路工程投标、勘察设计阶段，进行高质量的线路方案展示是一项重要工作。当前，多采用二维平面图、三维动画模拟方式进行铁路线位方案展示[1-3]，但存在二维平面图展示要素不够直观，三维动画模拟制作过程复杂、比例易失真、无地理精度等问题。已有许多学者进行了相关研究：赵小阳等认为采用二维平面图无法反映三维立体空间信息，对于复杂线路方案和复杂工点的整体视觉效果不佳[4]；米小珍采用三维动画模拟方式进行复杂工点的展示，认为这种方式存在制作过程复杂、周期长，成本高、缺乏地理定位精度、真实度差等问题[5]。在频繁的铁路工程展示汇报应用中，上述作业方式都难以在较短时间内完成铁路设计方案的精确展示。

无人机是一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，具有快速灵活，受天气、场地影响小等优势。利用无人机搭载各类传感器可获取铁路工程需要的各类数据，经过ppk后差分处理、地面实测GCP改正、多基线摄影测量等精度改正后，能实现对获取影像或视频数据的高精度定位，从而满足各类工程应用需求。蔡志洲对无人机在铁路工程建设中的应用进行深入分析，包括采用“无人机+”倾斜相机获取高精度三维模型成果，“无人机+”视频相机获取高清晰度、立体感强的视频影像辅助施工管理和环境监测[6-7]；徐建超等对无人机在铁路工程竣工验收的应用进行了研究[8-9]。在三维GIS平台的支撑下，“无人机+”测绘的各类成果可进行三维空间信息表达和管理，可为工程应用提供地理定位精度和仿真度更高的展示成果，从而服务铁路工程展示服务[10-12]。

2 “无人机+”测绘模式下的线路工程应用展示方法

“无人机+”测绘模式下的线路工程应用展示方法主要是指结合铁路工程预可研、可研、初步设计、施工图设计阶段的需求，在无人机平台上搭载相应的数据获取设备，利用配套的设计软件沿工程线路走向进行航带设计和地面控制点布设等工作，经后期数据处理，得到铁路工程展示的原数据(视频、影像、模型)[13-15]，并采用相关展示平台(3DGIS或多媒体展示软件)进行铁路工程要素展示内容的添加及展示效果的设计等，最后依据工程展示脚本文件完成录屏剪辑工作，获取铁路工程汇报展示视频成果。

2.1 “无人机+”常规航拍应用展示

该方式主要作业流程包括：①采用无人机加载量测相机或普通数码相机获取工程影像数据，利用常见的无人机数据处理软件系统如pix4D、ContextCapture(简称CC)、Inpho等，结合原始pos数据和地面GCP数据完成空三加密、DEM制作、DOM制作等工作；②将DEM和DOM数据通过三维GIS平台合成三维地形场景，基于该平台同步开展相关三维模型、矢量图形、文字注记的精确定位，形成铁路三维浏览展示系统(见图1)。其中，设计相关模型的制作需单独开展，模型的精细度依据设计资料的要求而定(通用模型、设计模型、BIM模型)。

图1 “无人机+”常规航拍制作三维场景的线路工程应用

三维浏览展示系统充分吸收了三维GIS平台的空间数据展示优势，可实现对工程方案任意方位、多视角、不同精细度的展示，可依据要求进行模型、矢量线位、注记等的任意修改。对于特殊工点(特别是铁路工程的上跨下钻、多线铁路并联等复杂情形)，通过在三维GIS平台中精确地理定位，加载事先制作的各类3D设计模型，可实现高精度的仿真效果。另外，由于无人机航飞制图是铁路工程设计中必要的工作，其数据获取可提前完成，故作业周期较短。

通过实际应用发现，该方式在铁路工程方案展示中尚存在一定局限性：①“无人机+”常规航拍方式制作DEM多采取自动密集匹配加人工简单编辑完成，依此制作的三维场景细节表现较差，在三维场景中，地表以上的目标(高架桥、房屋、树木等)多缺乏高度信息，难以有效反映铁路工程方案与周边目标的三维空间关系；②三维平台无法使用专业渲染器(如vray等)，且对加载模型的纹理等均有严格要求，导致加载的各类模型视角效果差、纹理细节少，与3Dmax等专业软件生成的模型在美感上差异较大；③三维GiS平台动态效果差，对于复杂的工点难以进行分层次、多尺度的动态模拟展示。

2.2 “无人机+”视频技术应用展示

无人机视频表现效果真实，立体感、彩色感强，其展现场景较人为加工的三维场景视觉效果好、清晰度高，是较理想的汇报视频表现方式。该方式采用无人机挂载视频相机对指定区域进行航飞获取视频影像，基于Adobe After Effects(简称AE)等视频处理软件进行姿态解析反求与跟踪，利用AE、Cinema 4D(简称 C4D)、Maya等视频编辑软件，结合地理定位信息和线路工程展示汇报脚本要求，将矢量线位或铁路工点模型与相机的位置点相匹配，通过对模型纹理材质、灯光的调节，渲染合成，使模型更自然地融入到视频之中，合成最终汇报视频需要的成果。

“无人机+”视频技术采用现场真实视频场景加虚拟场景融合的方式，根据视频融合的难易程度，可以延伸为“线位+视频融合”与“3D设计模型+视频融合”两种。“线位+视频融合”方式为平面方案与视频相匹配，其贴地效果较好，与视频融合程度高(见图2)，而“3D设计模型+视频融合”则是将三维的设计方案模型匹配到视频中(见图3)，需要顾及模型实体与地面切合时裁剪问题和阴影问题，实施难度较大。

图2 无人机视频与铁路线位方案的融合展示

图3 无人机视频与铁路3D设计模型的融合展示

在制作方面，主要工作为视频数据获取、视频解析跟踪和三维模型制作等，尽管该方式展示效果较好，但需要多种软件联合作业，且在使用中有以下不利因素需克服：①数据本身不确定性因素多，受空域、天气、禁飞区等因素影响；②视频拍摄角度单一，无法依据修改后的要求调整展示视角等；③为保证视频应用效果与视频融合的成功率，对于线路方案、场站工点、跨水域与高山的工点，有视角、高度、光圈、速度等较严格的设置要求；④工点模型与视频的切合涉及模型的合理裁剪工序，工作难度较大；⑤视频处理软件效率有待提高，手工作业过程中地理定位精度无法保证。

2.3 “无人机+”倾斜摄影技术应用展示

在铁路工程施工交底阶段，多采用C4D、Maya等3D动画软件进行施工工艺过程的动画视频制作。但这种方式缺乏地理信息定位的概念，对于地形地貌的表现力较弱，而无人机倾斜摄影以三维场景为底图，具备高精度的空间位置信息，对于复杂环境下施工场地布置与空间关系分析优势明显(见图4)。

图4 利用无人机倾斜摄影实景模型进行施工场地布置模拟

“无人机+”倾斜摄影采用无人机挂载倾斜摄影测量相机对指定区域航飞获取影像数据，利用CC等倾斜建模软件完成高精度实景三维模型，并采用相关建模软件开展铁路工点建模工作，在C4D、skyline等软件平台上以实景三维为底图，结合工点模型开展特殊工点展示、工艺工法过程模拟等，最后合成汇报视频需要的成果。但该方式的应用还存在以下缺点：①实景三维制作成本高、周期长、效率低；②动画过程模拟对制作人员的专业知识要求高，容易出现因认识不到位、理解偏差而导致的大量返工；③动画模拟过程复杂(如工艺工法模拟涉及部件模型制作、工艺动作分解、动画路径设置等)，易导致制作周期较长。

3 几种铁路工程展示应用手段比较分析

选取南方某新建铁路项目的10个工点进行试验，对几种铁路工程展示应用手段的优缺点进行比较分析，具体思路为：同步采用“无人机+”测绘模式，基于C4D等常规的三维动画制作方法，从铁路工程预可研、可研、初步设计、施工图设计4个阶段出发，对制作过程中涉及的单工点平均制作成本、制作周期等指标进行分析(见表1)。

表1 几种铁路工程展示方式单工点平均制作成本与周期分析

最终表现效果指标分析如表2。

表2 几种铁路工程展示方式表现效果分析

从适用性方面看，影响铁路工程汇报展示应用方式选定的主要原因为项目需表现的具体内容。可根据表3相关内容进行选取。

表3 几种铁路工程展示方式适用类型分析

线路方案的研究往往会随着工程阶段的推进不断加深，综合不同的铁路工程展示应用方式，其应用策略总结如下。

(1)预可研阶段

以无人机常规航拍的三维场景为主要表现方式，该阶段线位方案往往不稳定，在方案波动段落可利用卫星影像部分替代无人机常规航拍。

(2)可研阶段

以“无人机视频+矢量”为主要表现方式，针对立交桥等无人机视频方式难以表现的重要工点，可采用无人机常规航拍的三维场景表现方式。

(3)初步设计阶段

以“无人机视频+模型”为主要表现方式，针对长大段落、大型水域等模型无法加载表现区域，可采用“无人机视频+矢量”方式进行补充；针对山区、水域等视频跟踪容易失败区域，以及立交桥、上跨下钻较频繁的重要工点，可采用无人机常规航拍三维场景表现方式进行补充。

(4)施工交底阶段

以“无人机倾斜实景+模型”为主要表现方式，开展施工场地布置，施工工艺、工法介绍等应用。

4 结论

“无人机+”测绘模式下的线路工程应用展示丰富了铁路工程汇报展示的手段，提升了汇报效果；结合工程实际应用，提炼出应用于铁路工程竞标及设计不同阶段的应用策略。