呂曉煜

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300134)

鐵路建設(shè)工期一般較長，建設(shè)期內(nèi)沿線地物變化明顯，施工設(shè)計采用的大比例地形圖及正攝影像圖現(xiàn)勢性差且分辨率低，難以反映現(xiàn)場的真實情況，對施工階段鐵路沿線的搶栽搶建、用地界管理、違建亂建等問題無法進(jìn)行有效的識別和監(jiān)督。傳統(tǒng)方法一般采用人工調(diào)查加分區(qū)實時監(jiān)管，效率低下且耗費巨大，既影響工程進(jìn)度，又易引起民事爭議。因此，研究一種高效、經(jīng)濟(jì)的方法非常有必要。

輕小型無人機(jī)是近幾年發(fā)展起來的一種新興航空遙感技術(shù)，正逐步成為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有效補(bǔ)充[1-2]。無人機(jī)攜帶的非量測型數(shù)碼相機(jī)平臺具有受天氣影響小，作業(yè)方式靈活快捷，影像時效性強(qiáng)，構(gòu)建、維護(hù)成本低等優(yōu)勢，在全景影像拼接、工程動態(tài)輔助管理方面發(fā)展迅速[3-4]。通常情況下，相機(jī)等成像設(shè)備受航高和焦距的限制，導(dǎo)致單張影像無法囊括所有感興趣區(qū)域，加之鐵路工程為帶狀區(qū)域且生成正攝影像需要耗費大量時間，無法滿足實時需求。目前，針對多幅無序影像序列進(jìn)行快速自動識別拼接的技術(shù)日趨完善[5]，其研究成果已廣泛應(yīng)用于農(nóng)林、海洋、能源、鐵路等各行業(yè)。如基于無人機(jī)傳感器平臺的鐵路環(huán)境監(jiān)測，可利用三維模型進(jìn)行環(huán)境管理[6]，將多期影像和矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS庫，實現(xiàn)區(qū)域空間分析的目的?；跓o人機(jī)影像的3D模型和DOM模型，可完成復(fù)雜山區(qū)地質(zhì)選線以及滑坡、斷層識別工作[7]。在鐵路工程建設(shè)數(shù)字化可視化管理方面，開展無人機(jī)影像和BIM技術(shù)的綜合應(yīng)用，可實現(xiàn)數(shù)字化施工和精細(xì)化管理[8]。鐵路BIM設(shè)計?；诙嘣吹乩硇畔?shù)據(jù)(主要為機(jī)載LiDAR和航空航天遙感數(shù)據(jù))。然而，這些研究基本是基于靜態(tài)正攝影像及三維模型，且效率較低，實時性差。

針對鐵路工程用地界管理中存在的搶栽搶建、違建亂建等問題，制定了一套完整的航拍方案，包含平臺選擇、航帶設(shè)計、外業(yè)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)處理等，以期解決鐵路建設(shè)征地過程中存在的問題。

1 石衡滄港城際鐵路工程概況

石衡滄港城際鐵路是京津冀城際鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重要線路，對于構(gòu)建京津冀城際鐵路網(wǎng)“四縱四橫”主骨架，打造石家莊至周邊主要城市一小時交通圈以及滄州、衡水兩個地區(qū)交通樞紐，完善黃驊港集疏運(yùn)體系具有重要意義。該城際鐵路起自石家莊站，利用石濟(jì)客專既有車站5座，經(jīng)武邑、阜城、交河、泊頭西、文廟至滄州西站；后經(jīng)滄州北站，并行朔黃鐵路向東，經(jīng)吳莊站，在黃驊東與環(huán)渤海城際共站；后折向東設(shè)南大港站、渤海西站，折向南至本線終點渤海站，新建正線長237.2 km。本線為新建雙線城際鐵路，設(shè)計行車速度250 km/h，測區(qū)內(nèi)地勢平坦，地形起伏較小。設(shè)計單位分別于2016年和2017年采用UCE數(shù)碼航攝儀和ALS80機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行了全線航飛成圖。近期，工程即將進(jìn)入開工階段，因原有地形圖時效性差且分辨率較低，為進(jìn)行施工現(xiàn)場的現(xiàn)狀調(diào)查以及用地界管理、監(jiān)督搶載搶建、預(yù)防違建亂建等特殊應(yīng)用，開展了此次無人機(jī)航拍。

2 全線域無人機(jī)航拍技術(shù)方案

工程施工初期，主要關(guān)注對象為全線域的基本地貌、地物和重點區(qū)域現(xiàn)勢性變化。依據(jù)業(yè)主實際需求規(guī)劃航飛方案，對沿線重點地段如禁飛區(qū)、機(jī)場、村莊、軌道交通、少數(shù)民族聚集區(qū)等進(jìn)行踏勘調(diào)研。

本次航拍采用大疆四旋翼“悟”Inspire1 V2.0云臺航攝傳感器一體機(jī)，其單架次巡航時間為25 min左右，具有抗4級風(fēng)安全飛行的能力，其飛行高度范圍可覆蓋30～120 m范圍，飛行平臺和航拍設(shè)備總重量為9.35 kg。外業(yè)飛行過程中，應(yīng)依據(jù)線路走向和航飛范圍規(guī)劃航飛路線并選擇能夠安全起降的場地，其完整的技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 無人機(jī)航拍技術(shù)方案

3 質(zhì)量控制及技術(shù)要求

航攝作業(yè)范圍覆蓋線位地面寬度不少于100 m(線位每側(cè)至少50 m)，單航帶布設(shè)。相機(jī)正下方地物的分辨率應(yīng)優(yōu)于1∶500比例地形圖[9](GSD優(yōu)于0.05 m)，遇到特殊情況時(如高壓塔、高速鐵路橋、高建筑物等)，可以適當(dāng)調(diào)整飛行高度，分辨率可以適當(dāng)降低。

依據(jù)國家相關(guān)航空管理規(guī)定，低空飛行拍攝的無人飛行器最大飛行高度不得高于120 m[10]。此次航飛平均相對航高為100 m，平均速度不大于5 m/s。此次航拍獲取的影像清晰、色調(diào)一致；獲取的視頻清晰、流暢，能清晰地反映沿線地物的形狀、結(jié)構(gòu)及相對位置關(guān)系。

大疆無人機(jī)“悟”配備了DJI4K相機(jī)，其云臺系統(tǒng)在獲取視頻素材的同時，可同步拍攝1 200萬像素靜態(tài)影像。系統(tǒng)支持錄制4K@100Mbps高清視頻，碼率為100 Mb/s，格式為MOV，靜態(tài)相機(jī)型號為FC350，相機(jī)以及攝影參數(shù)如表1所示。

該無人機(jī)機(jī)載平臺可實現(xiàn)米級定位，滿足鐵路沿線的現(xiàn)狀調(diào)查、地籍測量等工程需求。

表1 相機(jī)以及攝影參數(shù)

本次無人機(jī)航攝作業(yè)覆蓋石衡滄港鐵路共計約220 km，起點為衡水北，終至黃驊港，途經(jīng)滄州。本項目鐵路征地范圍為線路左右側(cè)各50 m。飛行效率方面，無人機(jī)單架次獲取的影像和視頻數(shù)據(jù)可覆蓋寬200 m、長約9 km的范圍。在天氣允許的條件下，配備航飛外業(yè)4個小組，每個小組累計飛行5個架次，即可完成全線的數(shù)據(jù)獲取工作。內(nèi)業(yè)包含2名數(shù)據(jù)處理人員，4臺HP-Z840圖形處理工作站，整個項目經(jīng)過約20個有效工作日，即可完成全部的數(shù)據(jù)獲取與處理工作。

4 基于SIFT特征的全景影像拼接

影像拼接又稱為影像鑲嵌，是將兩幅以上的影像拼接在一起，構(gòu)成一幅整體影像的技術(shù)過程[11]，全景拼接的過程由三部分組成(如圖2所示)。其中，基于尺度不變特征轉(zhuǎn)換尋找特征點(SIFT)的無人機(jī)影像匹配是拼接的基礎(chǔ)[12]，SIFT算子是一種用來偵測與描述影像局部特征的計算機(jī)視覺功能。它在尺度空間內(nèi)尋找極值點，并把一幅影像映射為一個局部特征向量集，特征向量具有旋轉(zhuǎn)、平移、縮放不變性，并且對光照變化、仿射變換和投影變換敏感度較低。采用無人機(jī)航拍時，很難精確計算相鄰兩幅影像之間的空間位置關(guān)系，容易出現(xiàn)各影像之間重疊度大小不一致、旋轉(zhuǎn)角變化沒有明顯規(guī)律、影像特征經(jīng)常斷開等情況。因此，基于尺度特征提取的影像匹配算法是相對最適合的算法[13]。

圖2 全景影像拼接流程

拼接的過程還包括影像配準(zhǔn)和影像融合兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影像配準(zhǔn)的目標(biāo)是找出重疊區(qū)域兩幅或多幅影像之間的變換關(guān)系，確立影像坐標(biāo)變換模型，并將多幅影像變換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。影像配準(zhǔn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是求解一個8參數(shù)變換矩陣M。以下采用的變換模型為投影變換(透視變換)，其模型如公式(1)。其中，M為投影矩陣，它是一個任意的3×3矩陣，M是齊次的，公式(1)可表示為公式(2)，即

(2)

投影變換矩陣擁有8個自由度，配準(zhǔn)精度高，基本適用于所有的影像配準(zhǔn)情況，可表達(dá)復(fù)雜的相機(jī)運(yùn)動，尤其適用于單視點旋轉(zhuǎn)拍攝和多視點等近似平面場景[15]。

一般情況下，拍攝環(huán)境變化、視差效應(yīng)、配準(zhǔn)誤差等可導(dǎo)致影像間存在色彩和光照差異。因此，拼接后的全景影像接縫處有明顯的明暗差異，同時伴有錯位現(xiàn)象。應(yīng)采用合適的融合策略，使拼接后的影像具有視覺的一致性。

采用Matthew Brown等提出的增益補(bǔ)償(Gain compensation)調(diào)整全景影像的色差，采用Burt等提出的多波段融合方法(Multi-Band Blending)調(diào)整全景影像配準(zhǔn)誤差帶來的拼接縫[16]。增益補(bǔ)償?shù)闹饕枷胧菍λ杏跋竦目傇鲆娑x一個誤差函數(shù)，計算所有重疊像素的增益歸一化強(qiáng)度誤差和，即

(3)

公式(3)表達(dá)的含義為使得各重疊區(qū)域所有像素灰度差的總和最小。多波段融合是為了解決配準(zhǔn)誤差和幾何錯位的影響，即在增益補(bǔ)償之后，影像的邊緣仍然可見(如影像邊緣暗淡、模糊等)。該方法的基本原理是將要融合的影像重疊區(qū)域分解成波段不同的一組影像(構(gòu)建高斯金字塔)，然后在不同波段的影像上，即金字塔各層上選擇合適的拼接策略進(jìn)行拼接，最后把所有波段的影像進(jìn)行合成，從而重構(gòu)出影像[17]。本項目采用自開發(fā)的軟件完成拼接，全線單航線遙感影像1 054張，拼接完成需用時1 d，其靜態(tài)影像全景拼接的部分成果如圖3所示。

圖3 全景拼接成果

5 視頻編緝

航拍獲取的動態(tài)視頻素材需進(jìn)行后期編輯才可使用，主要編輯的內(nèi)容包含兩方面：首先是視頻的比例和色彩，其次是在視頻中添加線位、里程、村莊、地標(biāo)、航飛軌跡、道路、文字等工程屬性信息。

編輯、合成后的視頻將成為具有“地理信息和地物屬性”的影視集。一般原始視頻素材通過非線性編輯軟件EDIUS和PHOTOSHOP進(jìn)行編輯。EDIUS擁有最佳的基于文件的工作流程，具備實時，多軌，混合格式的編輯、合成、色鍵、字幕以及時間線輸出功能[16]。而PHOTOSHOP具備圖像處理功能，主要作用是搭建各類參照物。視頻編輯的主要過程如下：

(1)依據(jù)施工線位制作動態(tài)航跡。首先在GoogleEarth中依據(jù)施工線位選取多幀影像，包含地物、村名、線位里程等信息，將包含工程信息的多幀影像在EDIUS軟件中進(jìn)行編緝。

(2)運(yùn)用PHOTOSHOP軟件制作航飛導(dǎo)航方位，飛行中的導(dǎo)航方位需要用文字和箭頭表示，在PHOTOSHOP中保存為PGN格式，最后通過EDIUS軟件合成、編緝所有的附屬工程信息。

效率方面，原始4K視頻數(shù)據(jù)量約176.7 GB，制作后數(shù)據(jù)量約90.2 GB，制作周期為15 d。圖4為編輯后的動態(tài)視頻成果，影視中左上角動態(tài)合成圖片下載自GoogleEarth18級影像，其中包含線位軌跡、里程、道路、村莊信息。將全景快拼圖疊加于Google中，可實現(xiàn)查詢功能。

圖4 動態(tài)視頻成果