复杂艰险山区铁路勘察设计阶段航空摄影多源数据获取研究

航空摄影作为一种可以快速获取大范围地形数据的技术手段,在铁路勘察设计阶段有着重要作用。为提高复杂艰险山区铁路勘察设计阶段的数据获取精度,尽可能缩短摄影工期,以西部地区某铁路为例,研究如何在兼顾成果精度与工作效率的前提条件下,将载人固定翼飞机、载人旋翼机(如直升机等)、无人旋翼机、无人固定翼飞机、垂直起降固定翼无人机5类飞行平台和数码摄影、机载激光雷达摄影、倾斜摄影3类传感器有效结合,并对多源数据的后续利用提出综合性方案。研究表明,(1)针对铁路勘察设计不同阶段的特点,应采用不同摄影手段;载人机与无人机相互补充,可满足点线面各类测区的摄影需求。(2)摄影方式不能仅为单一应用考虑,在航线规划时,应考虑多种数据应用方式,也要兼顾多种摄影方式数据相互补充。项目应用效果表明：在复杂艰险山区铁路勘察设计阶段采用航空摄影多源数据获取综合方案,摄影直接成本减少25%以上,部分野外工作减少40%以上,成果数据满足了不同摄影需求,成果利用率超150%。该方案具有成本管理精细化、野外作业少量化、航摄成果品质化、数据应用多元化等优势,可为今后类似工程应用提供参考。     

基于三维大场景的铁路线路方案优化技术研究及应用

随着正射影像采集、无人机倾斜摄影、点云激光扫描等技术的发展，在GIS平台中构建三维场景的方法日趋成熟，现有的数字化选线软件多为图形、数据分离的二维设计软件，在GIS平台下开发的具备符合线路设计业务且勘察设计流程的软件较为欠缺，因此，从统筹规划、数据筛选和利用服务进行铁路选线的角度出发，开发GIS平台下的人机交互线路方案优化功能势在必行。将目前三维GIS领域的新技术应用于系统开发中，结合铁路选线的常规调整优化作业流程，提出基于GIS三维大场景中的线路方案优化流程、三维单一及二、三维组合场景下的线路方案优化方法。通过集成线路表达参数、平面交点、断链、纵断面等线路走向控制数据，对优化区域内的线路方案进行空间变换及同步调整，为线路设计提供更加直观、全面的环境信息，以及与之契合的线路空间实体。在铁路大场景系统中开发线路方案优化模块，通过对2.3 km线路方案进行功能应用，验证了本文所提方法的科学性和实用性。     

无人机LiDAR及倾斜摄影测量技术在复杂河道工程测绘中的融合研究

复杂河道工程测绘中往往受到植被茂盛、信号链接弱、山体遮挡等多种因素影响，导致传统测绘手段难以开展，通过在复杂河道工程测绘中对无人机LiDAR及倾斜摄影测量技术进行对比研究，找出两者之间的互补优势及融合方法。经试验证明，融合纹理影像信息的LiDAR数据既具有准确的空间地理信息，又具有清晰的地物边界信息。采用LiDAR数据校正的倾斜模型细节表达明显改善，模型轮廓表达清晰，人工判读更加容易。该成果有效克服了无人机单一测量技术及传统测量技术的弊端，可快速构建更加精准的河道数字孪生模型。     

基于动态流场数据的虚拟港口建模方法

为了实现港口数字化升级，提出了一种基于动态流场数据的虚拟港口建模方法；采用三维重建模型从无人机倾斜摄影影像数据中重建了港口几何特征，获取高精度三维模型；引入了基于二次误差度量的边折叠算法简化模型，以避免数据量过大致使渲染效率低的问题；分析了欧拉法数值计算过程中的高耗时环节，建立了神经网络模型学习流场演化特征，加速投影项计算得到实时变化的流场数据，通过流场数据驱动水流动态渲染，结合光滑粒子流体动力学方法表现水流与船舶、陆地的交互动态，在保证渲染实时性的同时，提高渲染真实感。研究结果表明:重建的港口三维重建模型顶点数量可达3 320 937个，重建的网格模型在Meshlab中渲染频率为78.7 Hz；经过模型简化降低90.0%的模型顶点数量后，模型顶点数量缩减为332 836个，渲染频率提升至108.7 Hz，模型简化后几何误差小于2.0%；在256×256的流场网格下，采用神经网络加速的网格流体计算方法所得水流速度场平均更新间隔约为17 ms，平均仿真精度为88.6%；通过开源图像引擎驱动流场数据和港口三维模型，平均渲染频率可达50.5 Hz。可见，该方法可有效解决高精度实时渲染中的关键问题，以达到仿真精度与渲染效率间的动态平衡，在精度损失较小的情况下实现较高精度的虚拟港口建模与实时动态仿真。      

无人机倾斜摄影与BIM技术在牵引变电所选址中的应用

针对传统牵引变电所选址方法可靠性低的问题，提出一种将无人机倾斜摄影和BIM技术相结合的选址方法，利用倾斜摄影三维实景模型和BIM模型可视化的特性进行融合分析选址。首先，让无人机在外业现场执行特定的航拍飞行路线，从低空垂直正向和斜向多个角度拍摄现场地面环境图片；接着，在计算机倾斜摄影数据处理软件中生成密集点云、关联地表纹理、重构现场三维实景模型；然后，在三维地理信息分析软件中实现三维实景模型与牵引变电所BIM模型融合；最后，在集成的三维演示环境中直观地观察和分析牵引变电所与拟选所址三维空间的位置关系，提取拟选所址区域的风险点位，自动调取风险点位关联图片，为选址方案的最终确定提供更多维度的决策支持。在工程实例中进行了方案验证，在拟选所址区域共发现8处风险点位，利用三维实景模型测量风险物体尺寸，结合数百张关联的航拍图片辨识风险物体外观，在三维实景模型中精确规划所址方案，在满足功能需求的前提下尽量规避风险点，减少征拆工程、土建工程、外电工程的投资。结果表明，本文提出的方法相比传统人工现场判视方法，能从更多维度对现场进行记录和分析，选址结果可靠性和经济性更高。     

无人机倾斜摄影和移动GIS技术在道路资产调查中的应用

针对传统人工纸质调查道路资产工作中存在的效率低、 人员投入大、 调查数据质量不高等问题, 文章提出基于无人机倾斜摄影实景三维模型融合地形图等多源数据, 利用移动 GIS 技术, 开展道路资产全数字化调查工作, 以此形成一套完备的作业流程方案, 为相关资产调查工作提供思路和技术支持。     

倾斜摄影航线规划在桥梁建模中的应用研究

介绍了针对在建桥梁进行快速建模的精细化航线规划的基本原理和方法，选用无人机首先采用环形航线或五向飞行航线建立桥梁的粗略倾斜摄影三维模型后，在粗模上标记特征点，依据特征点规划精细化航线，最后建立精细倾斜摄影三维模型。通过在实际工程中的应用发现，相比环形航线和五向飞行航线，无人机精细化航线能有效提高航线效率，减少飞行时间，且能实现多高度、多角度观测，有效减少视觉盲区，模型完整度和纹理细节都更优，重建模型的精细化程度更高。     

基于三维重构的钢桥表面锈蚀提取方法研究

为实现钢桥表面锈蚀的准确提取及可视化，提出基于三维重构的钢桥锈蚀提取方法。该方法利用无人机采集桥梁影像，基于倾斜摄影生成三维点云模型，通过点云模型进行RGB颜色分布直方图统计，获取模型初始聚类中心，运用K-means聚类算法结合最大类间方差法获取锈蚀最佳分割阈值，进而对锈蚀率及锈蚀等级进行评估，并结合点云模型实现锈蚀可视化。以某钢桁拱桥为背景，采用该方法提取锈蚀区域，基于视觉分析和定量分析进行精确度评价，验证方法的有效性。结果表明，该钢桥的表面锈蚀率1.3%～9.4%,锈蚀等级为3～4级；提出的钢桥锈蚀提取方法平均正确提取率可达90.1%,平均漏提取率、误提取率分别为9.9%、8.2%,可有效用于钢桥表面锈蚀提取。     

基于实景三维铁路选线的空间控制要素研究

随着选线环境日渐复杂，约束种类日益多样，空间约束逐渐成为影响线路方案最终决策的关键因素，但现有的数字化选线软件缺少对空间控制要素的自动提取和位置分析。针对上述问题，提出“矢量面提取-简化-单体化”的方法从倾斜摄影模型中自动提取空间约束；对线路设计过程中涉及的多种空间约束进行归纳、分类，定制支持参数化修改的约束实体；确定各类空间约束与线路的碰撞检测规则，优化检测过程中的求交算法，完成约束和线路空间位置关系的快速分析，实现实景三维铁路线路调整过程中空间约束的实时检测、预警。根据上述方法在大场景铁路线路设计系统中开发空间约束处理模块，通过实际案例分析验证本文所提方法的可靠性和高效性。     

复杂地形下的危岩落石被动防护网三维防护效果评估研究

为评估复杂地形下被动防护网的落石防护效果，利用无人机摄影测量方法，获取复杂地形的坡表形态并生成数字模型。基于RocPro3D模拟不同条件下的落石运动轨迹并评估防护网性能，对比二维与三维落石模拟结果中防护网性能的差异。计算结果表明：被动防护网缺陷的主要表现形式为防护高度不足、防护范围不足以及其他防护网缺陷引起的自身防护能力未完全发挥；被动防护系统最优防护效果表现为按照防护网布设位置，自上而下，防护网拦截率及作用在防护网上的冲击能量逐级降低；针对复杂地形下的被动防护体系评估，三维分析比二维分析的结果更加全面，更具参考价值。研究成果为被动防护网评估提供更多思路。