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高分辨率遥感卫星立体影像制作地形图在铁路勘测的应用

2016-05-19 15:46:20来源:中国土木工程设计研究院 编辑:浏览:

基于海外铁路项目勘测设计中面临的地形基础资料奇缺及获取困难等问题,应用高分辨率遥感卫星立体影像制作地形图技术可以解决。结合海外铁路工程实例,对高分辨率遥感卫星立体影像立体定位、测绘制图、应用效果等进行分析和介绍,证明其精度和功能可以满足铁路勘测设计1:2000地形图要求,该项技术在海外项目勘测设计中值得推广使用。

1引言

中国铁路自上世纪70年代走出国门,到如今以高铁技术为代表参与全球化竞争,是国家“走出去”战略成功实施的典型。中国高铁技术的逐步全球化,对促进高端技术产业的输出,扩大中国在世界的影响力,提升国家形象具有重要的意义。尼日利亚沿海铁路合同额近120亿美元,刷新了中国企业海外承包工程单体合同额最高纪录。中国铁建联合体承建的连接土耳其首都安卡拉和土最大城市伊斯坦布尔的高速铁路二期工程顺利实现通车,标志着中国铁路在更大范围、更宽领域、更高层次走向海外。

随着中国铁路的“走出去”,铁路勘测设计,特别是项目前期设计中不可避免地出现一些难题,非洲等一些不发达地区项目基础资料奇缺,项目前期阶段很难收集到当地的地形图资料,利用Google earth等一些免费的卫星地形数据为依据做出的技术方案难以满足设计精度要求,由此得出的技术方案及工程量往往不能反映项目的真实情况,给承包商的投标报价带来一定的风险。另一方面,由于各国政治体制的不同,在一些国家或地区难以实现大面积航飞测绘地形图,而传统的手工测图不但效率低,精度差,而且在测绘过程中难以保证人员设备安全。因此,如何寻找一种快速、便捷获得海外地区项目范围内较为准确地形资料的方法在海外项目勘测设计过程中越来越紧迫和重要。

2卫星影像定位原理

卫星影像是遥感卫星在太空中,探测地球地表物体对电磁波的反射及其发射的电磁波,从而提取该物体的信息,完成远距离识别物体,并将这些电磁波转换、识别得到可视图像,即为卫星影像,俗称“卫星地图”。

2.1RPC模型

成像期间卫星繁琐的姿态控制导致影像的严格几何模型形式极其复杂,要利用其提取地球空间三维信息,需要在向用户提供影像的同时把卫星详细的轨道星历、传感器成像参数和成像方式等信息一并交付,并且,最终用户需要具有摄影测量的专门知识和相当专业、复杂的应用处理系统。为了降低对用户专业水平的要求,扩大用户范围,同时保护卫星的核心技术参数不被泄漏,有些厂家开始向用户提供一种与传感器无关的通用型成像几何模型—RPC(Rational Polynomial Capability 或Rapid po-sitioning Capability) 模型,替代以共线条件为基础的严格几何模型。

RPC模型的实质是有理函数模型,使用2 组多项式函数,分别计算从地面空间坐标到影像的行列坐标,定义如下多项式:

式中,Nums(U,V,W)、Dens(U,V,W)、Numl(U,V,W)、Numl(U,V,W)都是三次多项式函数。(U,V,W)是标准化后的地面点空间坐标(纬度φ、经度λ、高程h)、(s,l)是像点原始坐标(S,L)标准化后的坐标,即

式中,φ0、λ0、h0、S0、L0 为标准化平移参数,φs、λs、hs、Ss、Ls 为标准化比例参数,这些参数与RPC模型中4个多项式的80个系数共同保存在卫星厂家提供给用户相应的RPC文件中。

2.2RPC模型的立体定位原理

联立(1)、(2)式,可将像点原始坐标(S,L)表示为:

将(3)式泰勒展开为一次项,于是求解地面点空间坐标的误差方程为:

根据同名像点的像坐标(S1,L1)、(Sr,Lr),可列出以下误差方程:

3卫星影像制作地形图过程

目前,在全球范围内从事民用卫星影像业务的主要是美国的多家商业卫星公司,在国内可以通过代理机构购买到他们的卫星影像资料,并能提供一些个性化服务,十分便捷。从事商业卫星影像业务的公司及其产品特征见表1,卫星影像样片见图1。

表1商业卫星公司及其产品特征

通过向代理机构购买获得所需区域的卫星立体影像(立体像对)后,需要对所在区域建立平面、高程测量控制网,进行外业控制测量。同时,对卫星影像上无法判读的地物、地名等进行实地调绘,最终形成完整的外业成果文件。制作地形图的过程与普通航空摄影测量绘制地形图过程基本类似。

需要指出的是,大部分地区仅有影像单片,若要获得满足制作地形图及精度要求的立体像对影像,需提前向卫星公司订购,周期一般需要数月甚至更长。

4工程应用情况及效果

4.1工程概况

埃塞俄比亚铁路Mieso-Dawanle段是新建标准轨铁路Ethiopia/Sebeta-Djibouti/Nagda的其中一段。线路西起埃塞中部的Mieso东至边境小镇Dawanle以东的埃-吉两国边境,线路全长339km。本段铁路西端同Sebeta-Mieso段铁路相接至埃塞俄比亚首都AddisAbaba,东端同吉布提境内铁路相接至吉布提港,将形成埃塞俄比亚至吉布提港的出海运输大通道。该项目采用中国规范设计,是非洲地区第一条完全采用中国规范标准和流程建设的铁路。主要技术标准如下

(1)正线数目:单线;

(2)限制坡度:双机18.5‰;

(3)设计行车速度:旅客列车最高速度120km/h;货物列车最高行车速度80km/h;

(4)牵引种类:电力;

(5)闭塞类型:半自动闭塞。

埃塞境内以山地高原为主,大部属埃塞俄比亚高原。线路起自埃塞东部高原,地形较平缓,部分地段有一定的起伏,属低缓丘陵地区,植被较发育。线路中段属于埃塞东部冲洪积平原区,地形平坦,植被不发育。线路尾段属于埃塞东部高原,属剥蚀丘陵地区,地形有较大的起伏,植被不发育,地形及地貌情况参见实景图2、图3。全线地形规定为Ⅰ~Ⅲ级。地形起伏不大,植被不发育地区有利于卫星影像高程信息采集精度的提高。

低丘地貌

平原地貌

4.2应用情况及效果

项目可研阶段采用WordView高分辨率(0.5m)卫星立体影像制作1:2000 地形图,线路两侧各500m,车站按要求加宽,共制图约350平方千米,全线共使用18个卫星立体像对。像控点联测采用GPS快速静态作业技术,人工调绘,地形图成果如图4所示。

图4WordView-Ⅱ卫星立体影像制作的1:2000地形图

为保证制图质量和精度,随机选取不同地段共262个离散点进行高程精度实地检测,其中84 个离散点进行了点位精度实地检测,误差分布情况见表2。

表2实地检测精度分布情况

统计数据计算表明,实际Ⅱ、Ⅲ级地形中平面中误差达到1.56m(《铁路工程测量规范》要求Ⅱ级地形2.0m、Ⅲ级地形2.4m),高程中误差达到0.33 m(《铁路工程测量规范》要求Ⅱ级地形0.96m、Ⅲ级地形1.6m),符合规范规定2000 地形图精度要求,国家规范及铁路行业规范对地形图点位及高程精度误差的规定见表3。

表3国家规范与铁路行业规范地形图精度要求

5结束语

高分辨率卫星影像可为铁路勘测制图提供新的数据来源,具有较高的定位精度和较强的时效性,并且脱离了地域、人为管制(如边境地区、禁飞区)等限制,可在任何区域开展勘测制图工作,尤其适合海外地区项目采用。同时,大面积的卫星影像制图能减少外业工作,通过合理布设定向外控点就能达到较高的定位精度,满足铁路勘察设计要求。我国已陆续成功发射“高分一号”、“高分二号”遥感卫星并投入使用,国产光学遥感卫星空间分辨率已达到亚米级,随着我国高精度卫星的发展,利用卫星影像制作地形图的成本还将大幅度降低,将与业内航空摄影测量形成互补,推动铁路勘测设计手段向更高效、更全面方向发展。

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WorldView-2

卫星类型: 对地观测

所属国家: 美国

分辨率: 0.5米

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