CN112597664B - 一种基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法，包括：S1.获取铁路沿线数字表面模型数据；S2.根据建模精细度要求和项目精度需求确定最优的地面分辨率，根据该地面分辨率、相机的像元大小、相机焦距f计算摄影中心光线长；S3.航线参数计算；S4.航点参数计算；S5.安全飞行分析：根据规划好的航线，利用地面分辨率进行安全飞行分析，若飞行时飞机距测区内高压塔、高楼或其他地物的距离△H小于10米，则重复步骤S3‑S5，直至航线距离测区内的高地物至安全飞行距离。该方法有效减少了建模数据采集的工作量，提高了外业作业安全性，其航线规划简单、效率高、实用性强。

Description

一种基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计 方法

技术领域

本发明属于铁路工程勘测和运营维护技术领域，特别涉及一种基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法。

背景技术

随着我国高速铁路的快速发展，铁路勘测阶段涉及既有线勘测的工作越来越多，而既有线勘测有着上线困难、作业安全隐患高、作业效率低等缺点。

近几年，无人机以其成本低、操作灵活等优势在环境监测、电力巡检、轨道交通等领域的应用越来越广泛。因此，利用“无人机+”技术解决既有线勘测问题的实践也越来越多，无人机三维建模航摄就是其中的一种解决方式。目前，无人机三维建模航摄航带设计的方法主要有三种，一是传统航带法；二是环形航带法；三是“S”型航带法。这三种方法各有利弊，均能获得很好的铁轨建模效果，但是它们存在一个共同的缺点，即均无法避免在铁路上方航飞。由于实际航飞时会带来极高的安全隐患，严重影响铁路行车安全，因此，提供一种既能避免无人机处于铁路上方，又能获得很好的铁轨三维建模效果的无人机航带设计方法是目前需要解决的关键问题。

发明内容

本发明提供一种针对于既有铁路三维建模的无人机航带设计方法，以解决既有线无人机航飞时禁止跨线的问题。

为此，本发明的技术方案如下：

一种基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法，包括以下步骤：

S1.获取铁路沿线数字表面模型数据：根据既有台账资料或者三维地理信息平台制作线路三维中线文件，基于三维中线制作缓冲区，获取该区域的数字表面模型数据；

S2.地面分辨率和摄影中心光线长确定：根据建模精细度要求和项目精度需求确定最优的地面分辨率GSD，根据该地面分辨率、相机的像元大小μ、相机焦距f计算摄影中心光线长s；

S3.航线参数计算：确定各航线离轨道中心线的水平偏距d_i，i为航线号，各航线之间的水平距离控制在10-30米之间，线路左右各设置三条航线，各航线均与既有线平行；根据水平偏距d_i、摄影中心光线长s和相对航高h_i的数学关系确定各航线的相对航高h_i；

S4.航点参数计算，包括以下步骤：

S4-1，设各航带上的航点为(A_i1,…A_ij,…A_in)，其中，n为既有线线位上点的个数，j为单航带上的航点号，A_j为既有线上某点，A_ij为A_j在第i条设计航线上对应的航点，航点A_ij的三维坐标为(x_ij,y_ij,h_i)，x_ij和y_ij的计算方法如下：

根据公式(3)得到A_j、A_j+1间的方位角α_j：

A_j到航点A_ij的坐标分量为：

则A_ij点坐标为：

得到航点A_ij的三维坐标(x_ij,y_ij,h_i)，同理得到其他航点的三维坐标；

S4-2，航点A_ij处飞行器偏航角

为A_ij点至A_j点的方位角，航点A_kj处飞行器偏航角

为A_kj点至A_j点的方位角，则有：

S4-3，根据数学关系，求得航点A_ij镜头倾角w_ij为：

各航线上的航点在垂直切面上，处于以既有线中心点为圆心，以摄影中心光线长为半径的半圆上；

S5.安全飞行分析：根据规划好的航线，利用地面分辨率进行安全飞行分析，若飞行时飞机距测区内高压塔、高楼或其他地物的距离△H小于10米，则重复步骤S3-S5，直至航线距离测区内的高地物至安全飞行距离。

其中，步骤S1具体包括：

S1-1，使用根据既有台账资料或者天地图等免费三维地理信息平台制作线路三维中线文件，按照直线段每隔20-50米量取一个点，曲线段每隔10-20米量取一个点，绘制既有线线位；

S1-2，铁路线位缓冲区制作；根据铁路线位走向，基于步骤S1-1得到铁路三维中线，按线位左右两侧各100米范围制作缓冲区；

S1-3，获取缓冲区内的数字表面模型数据，包括基于无人机粗略飞行的影像匹配生产的数字表面模型数据、SRTM数据及/或ASTER GDEM数据。

其中，步骤S2中摄影中心光线长s的计算公式为：

s＝f×GSD/μ 公式(1)。

优选的是，步骤S2中，所述地面分辨率≤0.02m。

在步骤S3中，相对航高h_i的计算公式为：

根据相关规定，铁路上方禁止放飞无人机，采用本发明的航带设计方法，不仅能满足相关规定，还能取得很好的建模效果。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明中，各航线上的航点在垂直切面上，处于以既有线中心点为圆心，以摄影中心光线长为半径的半圆上，不仅保证了摄影的多角度，还保证了每张影像的地面分辨率的一致性；

2.本发明有效减少了既有线无人机三维建模数据采集的工作量，并大幅提高了外业作业安全性，具有很大的实际应用价值；

3.本发明能有效地保证模型的成果精度，航线偏离轨道中心有一定的安全距离，避免了在线上作业，既满足了铁路运营安全的相关规定，又能达到轨道需要的建模效果和精度。

4.本发明数学模型简单，易编程实现，推广性强；

5.本发明的航线规划简单、效率高、实用性强、可推广性高，可为其他无人机三维建模航飞提供方法借鉴。

附图说明

图1是本发明设计方法的流程图；

图2是本发明中航带参数计算示意图；

图3是本发明中航点参数计算示意图；

图4是本发明中航带间相对位置关系示意图；

图5是本发明中的航线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法进行详细说明。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1，获取铁路沿线数字表面模型数据，具体包括以下步骤：

S1-1，使用根据既有台账资料或者天地图等免费三维地理信息平台制作线路三维中线文件，按照直线段每隔20-50米量取一个点，曲线段每隔10-20米量取一个点，绘制既有线线位；

S1-2，铁路线位缓冲区制作；根据铁路线位走向，基于步骤S1-1得到铁路三维中线，按线位左右两侧各100米范围制作缓冲区；

S1-3，获取缓冲区内的数字表面模型数据，例如基于无人机粗略飞行的影像匹配生产的数字表面模型数据、SRTM数据及/或ASTER GDEM数据。

S2，GSD和摄影中心光线长确定：

S2-1，根据建模精细度要求、项目精度需求以及步骤S1-3得到的缓冲区内的数字表面模型数据，确定最优的地面分辨率(GSD)，如果项目要求成果应达到既有线平面测绘的精度要求，则GSD应优于0.02m。

S2-2，确定GSD后，利用相机焦距f、像元大小μ、GSD，通过公式(1)计算得到摄影中心光线长s：

s＝f×GSD/μ 公式(1)

S3，航线参数计算，包括以下步骤：

S3-1，根据铁路安全管理的相关规定，确定各航线离轨道中心线的水平偏距d_i，i为航线号，最近航线应至少处于铁路安全保护区外10米，各航线之间的相邻间距控制在10-30米，线路左右各设置3条航线，共6条航线，即，i＝1,2,3,4,5,6；

S3-2，参见图2，根据水平偏距d_i、摄影中心光线长s、相对航高h_i三者之间的数学关系，求得相对航高h_i为：

S4，航点参数计算，包括以下步骤：

S4-1，约定各航带上的航点为(A_i1,…A_ij,…A_in)，其中，n为既有线线位上点的个数，j为单航带上的航点号。参见图3，A_j为既有线上某点，A_ij为A_j在第i条设计航线上对应的航点，航点A_ij的三维坐标为(x_ij,y_ij,h_i)，其中，h_i已由S3-2求得，x_ij和y_ij的计算方法如下：

首先，根据公式(3)得到A_j、A_j+1间的方位角α_j：

A_j到航点A_ij的坐标分量为：

则A_ij点坐标为：

至此，得到航点A_ij的三维坐标(x_ij,y_ij,h_i)。可由同样的思路得到其他航点的三维坐标。

S4-2，参见图3，航点A_ij处飞行器偏航角

应为A_ij点至A_j点的方位角，航点A_kj处飞行器偏航角

应为A_kj点至A_j点的方位角，根据图上关系，则有：

S4-3，参见图2，根据数学关系，可求得航点A_ij镜头倾角w_ij为：

参见图4，各航线上的航点在垂直切面上，应处于以既有线中心点为圆心，以摄影中心光线长为半径的半圆上。

S5，安全飞行分析：

将初步设计好的航点坐标和数字表面模型导入到Global Mapper中进行三维分析，如图5所示，量取航线至测区内高压塔、高楼或其他地物的距离△H，若△H<10米，则会危及飞行安全，需重新调整水平偏距，重复步骤S3-S5，直至达到安全飞行要求。

Claims (5)

1.一种基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法，包括以下步骤：

S1.获取铁路沿线数字表面模型数据：根据既有台账资料或者三维地理信息平台制作线路三维中线文件，基于三维中线制作缓冲区，获取该区域的数字表面模型数据；

S2.地面分辨率和摄影中心光线长确定：根据建模精细度要求和项目精度需求确定最优的地面分辨率GSD，根据该地面分辨率、相机的像元大小μ、相机焦距f计算摄影中心光线长s；

S3.航线参数计算：确定各航线离轨道中心线的水平偏距d_i，i为航线号，各航线之间的水平距离控制在10-30米之间，线路左右各设置三条航线，各航线均与既有线平行；根据水平偏距d_i、摄影中心光线长s和相对航高h_i的数学关系确定各航线的相对航高h_i；

S4.航点参数计算，包括以下步骤：

S4-1，设各航带上的航点为(A_i1，…A_ij，…A_in)，其中，n为既有线线位上点的个数，j为单航带上的航点号，A_j为既有线上某点，A_ij为A_j在第i条设计航线上对应的航点，航点A_ij的三维坐标为(x_ij，y_ij，h_i)，x_ij和y_ij的计算方法如下：

根据公式(3)得到A_j、A_j+1间的方位角α_j：

A_j到航点A_ij的坐标分量为：

则A_ij点坐标为：

得到航点A_ij的三维坐标(x_ij，y_ij，h_i)，同理得到其他航点的三维坐标；

S4-2，航点A_ij处飞行器偏航角

为A_ij点至A_j点的方位角，航点A_kj处飞行器偏航角

为A_kj点至A_j点的方位角，则有：

S4-3，根据数学关系，求得航点A_ij镜头倾角w_ij为：

各航线上的航点在垂直切面上，处于以既有线中心点为圆心，以摄影中心光线长为半径的半圆上；

S5.安全飞行分析：根据规划好的航线，利用地面分辨率进行安全飞行分析，若飞行时飞机距测区内高压塔、高楼或其他地物的距离△H小于10米，则重复步骤S3-S5，直至航线距离测区内的高地物至安全飞行距离。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法，其特征在于：步骤S1具体包括：

S1-1，使用根据既有台账资料或者天地图等免费三维地理信息平台制作线路三维中线文件，按照直线段每隔20-50米量取一个点，曲线段每隔10-20米量取一个点，绘制既有线线位；

S1-2，铁路线位缓冲区制作；根据铁路线位走向，基于步骤S1-1得到铁路三维中线，按线位左右两侧各100米范围制作缓冲区；

S1-3，获取缓冲区内的数字表面模型数据，包括基于无人机粗略飞行的影像匹配生产的数字表面模型数据、SRTM数据及/或ASTER GDEM数据。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法，其特征在于：步骤S2中，摄影中心光线长s的计算公式为：

s＝f×GSD/μ 公式(1)。

4.根据权利要求3所述的基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法，其特征在于：步骤S2中，所述地面分辨率≤0.02m。

5.根据权利要求1所述的基于无人机的铁路既有线精细实景三维建模航带设计方法，其特征在于：步骤S3中，相对航高h_i的计算公式为：

Images