齿轨铁路三维线路设计方法

　　目前，在国内山地观光旅游中齿轨铁路是大力推广的交通运输方式。为寻求一种简洁高效的设计手段，减少线路初测与定测的外业工作量，文章以无人机低空遥感倾斜摄影技术生成的影像为基础，通过ContextCapture(Smart3D)软件进行解译得到摩西台地的三维实景地图。基于齿轨铁路构造物进行分类与编码，并以车辆工程为例进行详细划分与编码，通过CAD及SketchUp软件构建齿轨铁路构造物三维基元模型，选用ComponentFinder进行模型库管理。最后，搜集并整理选路沿线相关设计资料，利用铁路线路辅助设计软件CAＲA进行线路的平纵设计，将生成平面线路文件导入Google地图中，在三维实景地图中构建齿轨铁路的线路的三维模型。该设计方法可以展现线路建成后的效果，不失为一种简洁高效的设计手段，也可为未来贡嘎山海螺沟山地度假旅游线的建设提供设计方向。

　　【关键词】无人机(UAV);遥感;倾斜摄影测量;齿轨铁路;三维模型

　　伴随着四川省地方标准《山地(齿轮)轨道交通技术规范》的颁布以及《四川山地轨道交通规划》的出台，齿轨铁路在国内山地观光旅游中创造的经济价值潜力也被众多景区管理者所发现。齿轨铁路具有爬坡大、适应性好等优势，是国内山地旅游景点大力推广的交通运输方式［1－2］。国外已建成的齿轨铁路多达180余条，发展史已有200多年，在用的且技术发展较成熟的齿轨系统有Ｒiggenbach、Abt、Strub、VonＲoll和Locher等系统，分布在瑞士、德国、法国、澳大利亚和日本等发达国家，总运营里程超过3000km;国外齿轮铁路经过多年的运营和实际研究，已大量应用于矿山辅助作业和旅游观光业之中［3－6］。我国在齿轨铁路上的研究较晚，对齿轨铁路的应用也较晚;到目前为止，我国还没有建成任何一条齿轨观光铁路，对齿轨观光铁路的研究尚处于起步阶段，但是我国都江堰、九寨沟、张家界等地已计划修建齿轨铁路，四川省发改委已正式批复，同意建设都江堰至四姑娘山的齿轨项目［3］［5］。本文以贡嘎山海螺沟山地度假旅游线沿线的带状遥感实景影像为基础，构建齿轨铁路的三维线路模型，为未来几年的山地轨道交通线路设计方式创新提供研究方向。

　　1无人机倾斜遥感实景地图构建

　　2020年是不平凡的一年，世界因新冠而变，同年3月4日，中华人民共和国公安部交通运输部针对疫情防控复工开工的通知中明确提出“抓紧开展现场勘察，充分利用无人机、卫星遥感和BIM技术等，加强工程现场图片和视频资料收集、分析，加快工程可行性研究报告、勘察设计文件编制等工作”的倡议。本文的遥感地图是通过六旋翼无人机采用倾斜摄影测量技术生成的，影像地面分辨率优于5cm。

　　1．1无人机倾斜遥感测量的优势

　　多旋翼无人机具有上手快、灵活性强、体积小以及所获数据高精度等诸多优点，是小范围航测任务的首选机型，且所获数据适合开展高精度三维地形建模［7］;倾斜摄影同时从侧视、垂直等不同角度采集地物影像，有效的弥补了传统航空摄影的局限;生成的倾斜摄影技术三维数据能够真实的反映地物位置、高度、外观等多种属性，是带有空间位置信息的可量测影像的数据。

　　1．2实景地图的构建

　　基于无人机倾斜摄影测量技术的实景地图的构建主要分为以下几个步骤:1．2．1航测区域范围无人机航测作业区域为“磨西镇－燕子沟－南门关沟”台地区域，经度范围为:102．055～102．145°，纬度范围为:29．625～29．740°，航测范围为以磨西台地为主体，东西延伸至两侧河流及山脚区域，总面积约为16km2。1．2．2航线规划本文采用的航线规划软件为DJIGSpro，通过直观、简单的交互设计，易于规划复杂的航线任务，实现飞行点的全自动飞行操作［8］，相关技术标准满足文献［9］～［10］要求。1．2．3地面GPS基站与像控点布设建立地面的GPS基站，航拍过程中不断收集GPS数据并与机载GPS达到同步观测，进而计算生成机载GPS轨迹［11］。像控点是摄影测量控制、加密和制图的基础，采用动态实时GPS技术(GPS－ＲTK)进行观测，像控点相对于附近位置的基本控制点的位中误差小于0．1mm，高程的误差小于0．1m。当点位精度符合要求后，记录观测结果。1．2．4影像内业处理本文采用的影像解译软件为ContextCapture是Bentley公司的实景建模软件，原名Smart3D;对已校准55470张照片中的55263张，进行影像解译，得到磨西镇－燕子沟－南门关沟”台地区域的三维实景地图模型(图1)。为了更近一步看出生成三维实景模型的精度以及效果情况如何，图2给出了倾斜摄影部分区域放大三维景观。1．2．5质量检查对航测生成的三维模型的质量进行概括统计，得到表1。ＲMS为0．61个像素点，满足文献［12］对航测精度的要求。

　　2构建齿轨铁路构造物三维基元库

　　齿轨铁路构造物类型较多且专业性较强［15］，因此，本文利用构造物基元模型库的方法进行使用与管理。

　　2．1基元模型编号

　　根据专业类别可以将齿轨铁路工程构造划分为:车辆、路基、轨道、桥涵、隧道以及通号等几个大类［13］，为了便于对构造物基元模型的调取以及组建齿轨铁路线路模型，参照文献［13］和文献［14］的EBS标准，进行本文的基元模型的分类与编码，以“XX+XX+XX”的方式，其分别代表着专业类别层、构造物层与标准基元层。

　　2．2车辆构造物模型编号及细分

　　由于齿轨铁路编码的分类及编号较为繁杂，因此本文以车辆工程为例进行详细划分与编码，以Budapest齿轨铁路的车辆组成结构为参考，车辆类型基于Strub系统建立而成。具体分类与编码方式如图3所示。以基元构建标准件的尺寸数据，以CAD绘制齿轨铁路构构造物的二维基元件图，再将其导入SketchUp中构建三维模型，并通过VＲay渲染将模型达到真实效果，以得到转向架结构为例进行展示(图4)。

　　2．3基元模型库的管理

　　本文采用ComponentFinder模型库管理插件来进行基元模型库的管理，此插件适用于新手，且操作简单，页面简明，在查找模型的过程中还可以正确的显示模型的缩略图，即使是几千个模型索引时间也不到10s。

　　3基于实景地图的齿轨铁路线路三维建模

　　3．1线路概况

　　该齿轨铁路项目位于四川省甘孜藏族自治州东南部青藏高原东缘向四川盆地过渡地带，为贡嘎山海螺沟山地度假旅游线，具体线路走向为:川藏铁路康定站－雅家情海－红石滩－燕子沟－磨西镇－杉树坪－草海子－海螺沟，是一条从起点康定市途径泸定县以及众多旅游风景区的南北走向的线路，经纬度范围为101．94～102．13°E、29．58～30．02°N，全线长度约为70km，其中有近1/3的线路位于磨西台地。项目位于四川盆地与青藏高原的过渡带上，地势由四川盆地向向川西高原急剧抬升，过渡性明显，地貌发育受构造控制。沿途经过大雪山山脉中南段，邛崃山脉以及相邻区域，途径鲜水河断裂带、大渡河断裂、安宁河断裂等，且全线均位于大渡河断裂区域内。因此，在线路设计时应格外注意对抗震结构的设计。

　　3．2线路平纵设计

　　线路平纵设计应满足文献［16］对于山地(齿轨)轨道交通线路的平纵要求，因此本线路以桥梁和路基为主，线路基本上走向为沿沟谷地带走，且沿原有公路地质较好路段敷设。本文采用铁路线路辅助设计软件CAＲA进行齿轨铁路线路的平纵设计，由于纵断面设计图幅较大，因此本文仅对平面线形进行展示，将CAＲA生成平面KML线路文件，导入Google地图中得到平面线位卫星图(图5)。

　　3．3基于实景地图的三维线路模型的建立

　　首先将处理后获得的无人机低空遥感地图在Google地图中将其覆盖于原遥感图片上，打开并导入文章上小节设计的线路位置的KML文件，由于全线齿轨铁路的三维模型过大，因此将SketchUp中百米齿轨铁路三维构造模型导入谷歌地图，得到路基与桥梁段的成果示意图(图6、图7)。图6基于实景地图建立的齿轨铁路路基段线路三维效果图7基于实景地图建立的齿轨跨河桥梁段线路三维效果跨河桥梁段的齿轨铁路线路三维效果图如上所示，图中红色的线为平面设计的线路中线位置，而所建的三维模型位于设计线上方。

　　4结论

　　本文通过在无人机低空遥感实景影像上构建齿轨铁路的三维线路模型，寻求一种简洁高效的设计手段，减少线路初测与定测的外业工作量，让设计师在设计线路时直观感知线路建成后的效果图，以便做出相应调整，也可为未来贡嘎山海螺沟山地度假旅游线的建设提供设计方向。本文中的主要结论如下:(1)通过六旋翼无人机进行外业勘测及ContextCapture(Smart3D)软件进行内业解译得到摩西台地的三维实景地图，相较于普通遥感影像具有精度高、成像清晰等特点，地面分辨率可达5cm，完全满足齿轨铁路线路设计对地图的要求。(2)通过对齿轨铁路构造物进行分类与编码的方式，使齿轨铁路众多构造物变得有序，便于后期模型的管理;并以基元构建标准件的尺寸数据，通过CAD绘制二维元件图，确保了基元标准件尺寸的规范性;再将其导入SketchUp中建立三维基元软件模型，并通过VＲay进行三维渲染，使基元模型具有较好的三维可视性与现实逼真性;最后，选用ComponentFinder进行模型库管理，增添后期线路建模的便捷性。(3)基于无人机遥感三维实景地图的构建的齿轨铁路线路三维模型，可以非常好的展现线路建成后的效果，可依据线路平面位置的改变而做出相应调整，不失为一种简洁高效的设计手段。

　　作者：于杰 王齐荣 娄星宇