無人機(jī)航拍在鐵路日常巡查中的應(yīng)用

武岳龍 鐘 凡 高 月

（西安交通工程，陜西 西安710300）

1 無人機(jī)航拍技術(shù)發(fā)展歷程

人們常說要“知己知彼，才能百戰(zhàn)不殆”，所以，要想了解無人機(jī)航拍技術(shù)就要先了解無人機(jī)航拍的發(fā)展歷程。學(xué)者一致認(rèn)為，第一個出現(xiàn)在歷史舞臺上的無人機(jī)是1917 年。第一次世界大戰(zhàn)期間，皇家空軍采用了無線電技術(shù)，用一架裝滿炸藥小型飛機(jī)引入目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行攻擊；在同年的11 月，美國一架無人機(jī)在紐約長灘島試飛成功，這是真正意義上無人機(jī)首次實踐成功。由此可以看出，無人機(jī)起初出現(xiàn)的目的是運(yùn)用于軍事，是當(dāng)靶機(jī)來使用的，隨時可以犧牲。中國最早的無人機(jī)是在新中國成立之后的1966 年12 月試飛成功的“長江一號”，最初的目的是為軍事和國家安全服務(wù)的。由于各國對空領(lǐng)域管控十分嚴(yán)格，導(dǎo)致民用無人機(jī)很難發(fā)展。直到21 世紀(jì)，市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展日益活躍，民用無人機(jī)迎來了快速發(fā)展時期。

2 無人機(jī)航拍原理

2.1 遙感信息采集系統(tǒng)。遙感信息采集系統(tǒng)主要包括以下幾個方面：（1）無人機(jī)遙感平臺。航測和遙感技術(shù)使用無人機(jī)來安裝航拍數(shù)碼相機(jī)，并使用IMU（慣性檢查）/GPS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)來導(dǎo)航航拍。適用于低空飛行的航空測繪和遙感技術(shù)是基于遙感技術(shù)的中國的發(fā)展。新技術(shù)的優(yōu)勢在于可以快速，準(zhǔn)確，高效地獲取地理信息數(shù)據(jù)。無人機(jī)遙感檢查系統(tǒng)包括兩部分，即遙感信息采集系統(tǒng)和遙感信息處理系統(tǒng)。（2）地面監(jiān)測系統(tǒng)。全向天線，監(jiān)視軟件，電源系統(tǒng)和便攜式計算機(jī)構(gòu)成了地面監(jiān)視系統(tǒng)。不同鏈接的解密和組合彼此相關(guān)。技術(shù)人員可以操作地面監(jiān)控軟件?？茖W(xué)設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)，包括導(dǎo)航模式。選擇，攝像機(jī)曝光，基本飛行參數(shù)設(shè)置，路線計劃輸入；輸出和上傳調(diào)查數(shù)據(jù)，以及在突發(fā)情況下的警報設(shè)置。在實際操作中，機(jī)載飛行控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈路是鏈接的，飛行過程中的實際信息和數(shù)據(jù)可以在任何時間傳輸，更便于操作。（3）飛行控制系統(tǒng)。無人機(jī)飛行控制的關(guān)鍵內(nèi)容是飛行控制系統(tǒng)，其具體工作包括科學(xué)地使用定位系統(tǒng)導(dǎo)航來進(jìn)一步實現(xiàn)信號定位，實時掌握飛機(jī)平臺（如加速度計和陀螺儀）的特定工作狀態(tài)變化。這種工作流程實現(xiàn)了無人機(jī)的數(shù)字化監(jiān)控，基本實現(xiàn)了定點(diǎn)信息的采集任務(wù)。

2.2 遙感信息處理系統(tǒng)。遙感信息處理系統(tǒng)主要包括以下三個方面：第一，遙感圖像處理。遙感影像的處理主要是整合相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)和航拍規(guī)格表等數(shù)據(jù)文件。第二，空中三角檢查。空中三角檢查是遙感信息處理系統(tǒng)的關(guān)鍵。它是指通過一定的過程以及對極線圖像的生成而形成的三維三維模型。第三，三維建模系統(tǒng)。通過3D 建模系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬地形和要素的可視化以獲取特定信息。

3 無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 提升了工作效率。在低空航攝過程中使用無人機(jī)不僅提升了反應(yīng)速率，還表現(xiàn)出顯著的機(jī)動性和靈活性，無較高的起降場地要求，形成了安裝和調(diào)試操作水平，可以在既定區(qū)域內(nèi)的突發(fā)事故或天氣惡劣環(huán)境中安排拍攝工作，在時間相對緊張，巡查工作十分繁重的前提下利用有關(guān)技術(shù)，能在短期內(nèi)迅速獲得影像信息，為處理地震、山體滑坡等突發(fā)事件提供參考數(shù)據(jù)。

3.2 獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。利用這項技術(shù)可以得到分辨率較高的影像，基本不會受到云層的干擾，同時自由掌控與地面形成的高度，得到的影像資料更為詳盡且高分辨率。

3.3 節(jié)省生產(chǎn)成本。在應(yīng)用無人機(jī)過程中投入成本相對不高，巡查過程中形成良好的反饋能力，不會浪費(fèi)時間，有利于轉(zhuǎn)換應(yīng)用在不同地區(qū)。無需構(gòu)建專業(yè)特點(diǎn)的起降場所，節(jié)省了人力成本，降低了投入。

4 無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用流程

4.1 科學(xué)規(guī)劃航線與巡查范圍。根據(jù)地形圖成圖比例尺，可以確定影像地面分辨率、像片攝影比例尺和飛行更高度；根據(jù)航空攝影航向旁向重疊度設(shè)計，確定基線距離和航線距離。但是這一過程中需要考慮無人機(jī)的飛行時間或有效飛行時間和起降場地選擇，防止在這一過程中消耗殆盡能源，引發(fā)嚴(yán)重的墜機(jī)問題?，F(xiàn)代無人飛行最長時間已經(jīng)達(dá)到60min，去除飛行中起降所需時間，整體拍攝操作所需大概50min 的時間。

4.2 飛行實施。無人機(jī)飛行實施是巡查外業(yè)數(shù)據(jù)采集階段。這一過程包括無人機(jī)飛行前檢查、飛行軌跡制作、照片及曝光位置設(shè)定、滑跑或彈射起飛、巡航壓線飛行、返航降落等。

4.3 建立區(qū)域控制網(wǎng)。要想對巡查工作不斷細(xì)化，應(yīng)結(jié)合真實狀況，對區(qū)域建立控制網(wǎng)。在建設(shè)項目中合理運(yùn)用該項技術(shù)。結(jié)合得到的地圖規(guī)格建立類似規(guī)模的控制網(wǎng)絡(luò)，并在實際操作中，嚴(yán)控網(wǎng)絡(luò)覆蓋的實際范圍，科學(xué)設(shè)計坐標(biāo)點(diǎn)，以此為標(biāo)準(zhǔn)，建立三維坐標(biāo)，通過這部分坐標(biāo)點(diǎn)明確其實際范圍，借助這一方法，簡化了處理后期數(shù)據(jù)的程度。

5 無人機(jī)航拍在鐵路日常巡查中存在的問題

5.1 天氣限制。有必要在無人機(jī)航拍之前觀察當(dāng)天的天氣。許多無人駕駛飛機(jī)尚不能抵御風(fēng)雨，強(qiáng)風(fēng)對無人機(jī)飛行有很大影響，并且容易發(fā)生危險。因此，在強(qiáng)風(fēng)，雷暴和其他天氣下，應(yīng)盡量避免無人機(jī)飛行。工作時，當(dāng)風(fēng)超過三級時，應(yīng)及時停止飛行。如果處于嚴(yán)寒天氣，則應(yīng)在飛行前對無人機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，在高海拔和極寒地區(qū)，無人機(jī)動力系統(tǒng)的性能會下降，并且飛行距離，飛行高度和信號接收也會降低都會受到很大的影響。因此，無人機(jī)應(yīng)嘗試選擇足夠的光線，晴朗的天氣以及沒有強(qiáng)風(fēng)的天氣來進(jìn)行航空攝影。

5.2 信號干擾。在無人機(jī)飛行期間，它容易受到外部信號的干擾。高壓電力線，信號發(fā)生器和高層建筑物會影響無人機(jī)信號的接收，使無人機(jī)無法準(zhǔn)確定位。因此，在駕駛無人駕駛飛機(jī)時，請避免在干擾太大的地方進(jìn)行空中攝影任務(wù)，并避免在機(jī)場飛行，以免干擾飛機(jī)的正常飛行。

6 無人機(jī)航拍技術(shù)在鐵路日常巡查中的應(yīng)用

6.1 降低拍攝成本，提高鐵路日常巡查時效性。傳統(tǒng)鐵路日常檢查的航拍主要由配備攝像頭的直升機(jī)完成。鐵路日常檢查單位一般選擇出租方式。在拍攝過程中，照相機(jī)和導(dǎo)演等人員也需要共同努力，以完成大量的人力和物力資源。另外，選擇主題并申請路線需要花費(fèi)很長時間。一旦遇到突然的鐵路日常檢查事件，就很難及時射擊并錯過最佳機(jī)會。另外，使用直升機(jī)攜帶相機(jī)也需要大量的資本支出。使用無人機(jī)航空技術(shù)具有成本效益，而且購買無人機(jī)并不昂貴。一旦鐵路日常檢查突然發(fā)生，您可以迅速到達(dá)現(xiàn)場并完成所需的拍攝任務(wù)，大大提高了鐵路日常檢查的及時性，可以迅速贏得讀者，在市場競爭中占據(jù)有利位置。

6.2 靈活性和適應(yīng)性能力強(qiáng)，無需巡查員親身深入。無人機(jī)具有體積小和重量輕的特點(diǎn)，便于攜帶，通過精準(zhǔn)的操作可以打破空間的局限性。專業(yè)級的航拍無人機(jī)甚至可以在惡劣的環(huán)境下工作，尤其是在災(zāi)害性和調(diào)查性的報道中發(fā)揮出了較強(qiáng)的適應(yīng)能力。長期實踐表明，無人機(jī)完全可以代替巡查員進(jìn)入危險的現(xiàn)場拍攝，不但避免了人員傷亡，而且還可以拍攝到高質(zhì)量的視頻。

6.3 數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。高分辨率影像獲取是無人機(jī)航拍技術(shù)的一個特點(diǎn)，低空無人機(jī)作業(yè)幾乎不受云層影響，距地面的高度可以自己控制，這便于獲取更詳細(xì)，更高分辨率的圖像數(shù)據(jù)。工作人員可以靈活控制無人機(jī)的速度，將速度控制在最佳范圍內(nèi)，并且進(jìn)行變通，得到更加準(zhǔn)確的信息資料。通過無線傳輸方式，航攝數(shù)據(jù)可及時有效地傳播到地面設(shè)備上，通過軟件處理可形成準(zhǔn)確的正攝影像數(shù)據(jù)成果。

無人機(jī)航拍技術(shù)在鐵路日常巡查實踐過程中承擔(dān)了輔助性設(shè)備角色，這種新型檢查設(shè)備促進(jìn)了鐵路日常檢查行業(yè)的變化?，F(xiàn)階段無人機(jī)鐵路日常巡查發(fā)展迅猛，能夠深入惡劣的環(huán)境進(jìn)行拍攝，還能有效保地護(hù)人員安全，有效地降低資金支出，獲取最大的經(jīng)濟(jì)利益。