無人機航攝在鐵路工程中的應(yīng)用

鄧繼偉

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

隨著無人機應(yīng)用在測繪領(lǐng)域的快速發(fā)展，越來越多的專業(yè)航攝設(shè)備(比如數(shù)碼相機、激光雷達等)逐漸向輕型化、小型化和智能化發(fā)展[1]。輕型航攝設(shè)備可以充分利用無人機平臺的優(yōu)勢，開展高精度低空攝影測量，以提高航攝技術(shù)的應(yīng)用范圍和便捷性。

截止2019年底，我國的鐵路運營里程超過13萬km，其中高鐵3.5萬km。在鐵路工程項目的勘察設(shè)計、施工建設(shè)和運營維護階段中，直接或者間接地對航空攝影存在大量的需求。

1 無人機在鐵路行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在國內(nèi)，空域受到民航和空軍的雙重管制。對于中小型的鐵路項目，采用大型固定翼飛機存在準備周期長，單價高，受天氣、空域限制較大，性價比和時效性較差等缺點，亟需一種有效的替代方案。無人機航攝系統(tǒng)憑借其操控簡單、使用靈活、性價比高等特點，在鐵路行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢日漸凸顯。

在鐵路行業(yè)，無人機航攝技術(shù)還沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用，且已有的應(yīng)用多為利用消費級無人機解決局部問題。究其原因主要為：①安全因素制約了無人機在鐵路行業(yè)的應(yīng)用(早期的無人機質(zhì)量參差不齊，事故率較高，而鐵路行業(yè)尤其是對鐵路既有線應(yīng)用方面的安全管控十分嚴格)；②鐵路工程航攝的各項要求較復(fù)雜，簡單的無人機航攝系統(tǒng)無法很好地解決鐵路勘測難題；③鐵路工程呈帶狀特征，跨度較大，普通無人機航攝系統(tǒng)作業(yè)效率低，難以滿足實際生產(chǎn)應(yīng)用需要；④無人機搭載的高精度輕型航攝設(shè)備發(fā)展相對滯后，難以充分發(fā)揮無人機航攝系統(tǒng)機動、快速和經(jīng)濟的優(yōu)勢。

2 無人機類型及特點分析

無人機是無人駕駛飛行器的簡稱(UAV)，可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜的空中飛行任務(wù)，被譽為“空中機器人”[2]。

2.1 按結(jié)構(gòu)分類

按照結(jié)構(gòu)分類，無人機可分為固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機和其他飛行平臺[3]。固定翼無人機：機翼固定于機身，靠空氣對機翼的作用力產(chǎn)生飛行升力，水平方向飛行速度較快；無人直升機：由頂部水平旋轉(zhuǎn)的旋翼提供向上的升力和推進力，可以垂直升降、懸停、小速度向前或向后飛行，但速度較低、油耗量較高、航程較短；多旋翼無人機：擁有多個軸，靈活性介于固定翼和直升機之間，具有操縱簡單、起降靈活、成本低等特點[4-5]。

(1)固定翼無人機

根據(jù)動力燃料的不同，固定翼無人機可以分為油動和電動兩種；根據(jù)起飛方式不同，可以分為滑起滑降、彈射傘降、手拋傘降、垂直起降等。油動和電動固定翼無人機的優(yōu)缺點對比見表1。

表1 電動和油動固定翼無人機的優(yōu)缺點對比

(2)多旋翼無人機

常用的多旋翼無人機有四旋翼、六旋翼、八旋翼等，根據(jù)不同的使用場景，分別選用與之相適應(yīng)的傳感器類型和荷載重量。一般情況下，螺旋槳越多，無人機體積越大，可以搭載的傳感器重量越大，其耗電量也越大。多旋翼無人機的主要優(yōu)缺點見表2。

表2 多旋翼無人機主要優(yōu)缺點

(3)混合翼無人機

此類無人機采用固定翼和多旋翼組合的方式(見圖1)，先用多旋翼垂直起飛，到空中后切換成固定翼動力平飛，飛行結(jié)束后再切換為多旋翼動力定點垂直降落。因此，混合翼無人機既擁有多旋翼的便利性，也擁有固定翼的高效率，適用于中小范圍航攝數(shù)據(jù)的快速獲取。

圖1 混合翼無人機作業(yè)

2.2 按用途分類

按用途劃分，無人機可分為軍用無人機、民用無人機和消費類無人機三大類。

(1)軍用無人機

該類無人機對于靈敏度、飛行高度速度、智能化等要求最高，包括偵察、電子對抗和通信中繼等多種機型。

(2)民用無人機

該類無人機對于速度、升限和航程等要求較低，但對于操控人員的技能有較高的要求，需要較為成熟的軟硬件和技術(shù)支持服務(wù)。民用無人機市場在未來有很大潛力。

(3)消費級無人機

該類無人機常用于拍攝、娛樂和配送等用途。

3 鐵路工程中無人機航攝的應(yīng)用需求分析

3.1 鐵路行業(yè)常用的無人機集成裝備類型

無人機提供了靈活的空中平臺，可以根據(jù)不同的用途和目的選用相適應(yīng)的“無人機+傳感器”系統(tǒng)。目前，民用無人機可搭載的傳感器主要有：視頻傳感器、影像傳感器、激光雷達傳感器、紅外傳感器和多光譜傳感器等。以下結(jié)合其在鐵路行業(yè)的實際應(yīng)用情況進行介紹。

(1)無人機+視頻傳感器

“無人機+視頻傳感器”可用于鐵路工程項目的勘察設(shè)計、施工建設(shè)和運營維護等各階段。如勘察設(shè)計專業(yè)調(diào)查、施工進度監(jiān)控，安全監(jiān)察，環(huán)境評估、違規(guī)取證、施工初期“三搶”取證、鐵路運營期間巡檢等。最常用的是大疆系列無人機，因其具有作業(yè)靈活、操控簡單和性價比高等特點，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[6]。

(2)無人機+非量測數(shù)碼相機

“無人機+非量測數(shù)碼相機”多應(yīng)用于測繪行業(yè)，利用無人機平臺搭載非量測數(shù)碼相機，進行低空航空攝影或地理信息數(shù)據(jù)采集，如大比例地形圖、橫斷面和正射影像制作等[7-8]。隨著無人機RTK和PPK技術(shù)的不斷發(fā)展，以及中大畫幅數(shù)碼相機工藝的不斷成熟，無人機航攝的數(shù)據(jù)獲取效率和質(zhì)量得到了很大提升，為其在各領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

(3)無人機+傾斜相機

無人機搭載小型的傾斜相機，可用于小范圍的實景三維數(shù)據(jù)獲取。該系統(tǒng)從多個角度對地表進行拍攝，獲取地物四周的側(cè)面紋理，再采用專門的實景建模軟件對傾斜影像進行處理，獲取實景三維模型，多用于構(gòu)建三維虛擬場景、BIM應(yīng)用、虛擬施工以及大比例地形圖制作等。

(4)無人機+輕型激光雷達

為了適應(yīng)無人機平臺，機載激光雷達也逐漸輕量化。國外激光雷達制造公司Rigel的VUX-1輕型激光雷達重4 kg，miniVUX-1僅重2.4 kg；國內(nèi)也有多家公司研發(fā)了集成激光雷達系統(tǒng)。無人機搭載輕型激光雷達系統(tǒng)可以在飛行中同步獲取高精度、高密度的三維激光點云與影像數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)類型、定位精度等方面具有明顯優(yōu)勢，可以為鐵路工程提供各種比例的數(shù)字地形圖、影像圖、橫(縱)斷面和三維地形模型等數(shù)據(jù)，所獲取的數(shù)據(jù)具有非常好的現(xiàn)勢性，可為鐵路選線、地質(zhì)、環(huán)評和拆遷等提供決策依據(jù)[9-10]。

3.2 無人機應(yīng)用需求

結(jié)合近幾年中國鐵設(shè)無人機應(yīng)用情況，從勘察設(shè)計、施工建設(shè)以及運營養(yǎng)護維修三個方面進行簡要分析(見圖2)。

圖2 無人機在鐵路行業(yè)應(yīng)用需求分析

(1)勘察設(shè)計階段

①大比例地形圖制作：由于方案修改導(dǎo)致原地形圖范圍不夠，需要利用無人機航測快速補圖。

②地質(zhì)調(diào)查：通過無人機三維遙感技術(shù)獲取地質(zhì)體的形狀、大小、位置及特性，這種非接觸方式在地質(zhì)選線上具有極大的優(yōu)勢，提高了地質(zhì)調(diào)查的效率和精度。

③困難地區(qū)輔助調(diào)查踏勘：在困難地形條件下，如高邊坡，山區(qū)隧道洞口、山頂、跨河等，采用無人機航攝可以大幅提高工作效率且安全性較高。

④環(huán)境評估及車站調(diào)查：鐵路沿線環(huán)境評估及車站調(diào)查需要拍攝局部影像和視頻資料，僅靠人工調(diào)查難以滿足專業(yè)需求。

⑤BIM三維場景制作：通過無人機傾斜攝影，為BIM設(shè)計提供三維實景模型，為方案比選和虛擬施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[11]。

⑥方案展示：利用“無人機視頻+設(shè)計方案”融合方式，直觀展示設(shè)計方案的合理性，提升方案展示質(zhì)量和效果。

(2)施工建設(shè)階段

①“三搶”取證：建設(shè)初期，為防止劃定紅線內(nèi)發(fā)生“三搶”，可提前利用無人機拍攝影像或者視頻，留取法律證據(jù)。

②工程進度監(jiān)理：建設(shè)過程中，管理部門利用無人機進行定期巡視，留取進度資料，建立施工進度三維平臺，輔助開展施工組織安排。

③施工環(huán)境評估：對沿線局部重點滑坡、泥石流等進行視頻或者影像資料錄制，并據(jù)此完成估分析[12]。

④施工質(zhì)量監(jiān)督：施工建設(shè)過程中，管理部門對施工質(zhì)量進行監(jiān)督取證(例如：防護措施是否到位，取棄土場是否是否按照設(shè)計到指定位置取棄土，棄土場的防護是否符合要求等)[13]。

(3)運營維護階段

①運營維護三維場景搭建：利用無人機航攝獲取高分辨率、高時效性影像數(shù)據(jù)，搭建鐵路沿線三維地形場景，為管理部門提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，大幅提升運營維護的信息化水平。

②安全巡檢：利用無人機對鐵路沿線進行定期巡檢，快速識別風(fēng)險源(接觸網(wǎng)、非法侵線、非法工程及高危目標(biāo)等)[14]。

③環(huán)境變化監(jiān)測：對鐵路沿線的地表環(huán)境變化情況進行監(jiān)控，為智能運維管理提供實時資料。

④危巖落石監(jiān)控：危巖落石會嚴重威脅山區(qū)鐵路建設(shè)及行車安全[15]，利用無人機監(jiān)控可以為安全運維提供實時預(yù)警。

4 應(yīng)用案例

4.1 基于無人機的大比例地形圖測繪

(1)項目概況

河北境內(nèi)某鐵路鐵路項目約15 km長的線位超出既有航攝資料的范圍，計劃采用無人機航攝方案進行該段落約15 km2的1∶2 000地形圖制作。測區(qū)沿線地勢平坦、地物較少，有利于無人機的航空攝影(見圖3)。

圖3 航帶設(shè)計與像控點采集

(2)飛行平臺及傳感器選擇

本次航飛采用輕型固定翼無人機，巡航速度為80～120 km/h，單架次有效巡航時間為2 h。搭載Sony A7RII全畫幅微單相機(焦距33.6 mm，有效像素4 200萬)。

(3)飛行方案

影像地面分辨率為10 cm，航飛高度為750 m，航線重疊度為80%，旁向重疊度為55%。共設(shè)計了兩個分區(qū)、10條航線、6條構(gòu)架航線，產(chǎn)生了957張影像。

(4)航飛精度

基于該無人機航攝測繪的1∶2 000圖的平面中誤差為0.12 m，高程中誤差為0.14 m，滿足1∶2 000地形圖Ⅰ、Ⅱ級地形的精度要求。

4.2 在建鐵路隧道滑坡監(jiān)測

(1)項目概況

浙江某鐵路項目施工過程中，發(fā)現(xiàn)隧道口施工場地邊坡有滑坡跡象，采用無人機傾斜攝影三維實景建模的方式對該區(qū)域進行為期一周的監(jiān)測。

(2)飛行平臺及傳感器選擇

采用大疆M600Pro六旋翼無人機搭載高精度POS系統(tǒng)(GPS+IMU)、5鏡頭傾斜相機。

(3)飛行方案

設(shè)計了地面分辨率為3 cm的航線，在疑似滑坡的周圍布設(shè)像控點，每天拍攝一次，采用PhotoMesh軟件進行三維重建。

(4)監(jiān)測效果

對重建的三維實景模型(見圖4)進行量測比對分析，出具報告，由圖4可知，該方法展示直觀、計算精確，得到了參建各方的好評。

圖4 無人機傾斜攝影在某鐵路隧道滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

5 結(jié)束語

綜上所述，無人機航空攝影技術(shù)既減少了外業(yè)人員、設(shè)備的投入，又降低了安全風(fēng)險，充分體現(xiàn)了無人機系統(tǒng)高靈活性和低成本的優(yōu)勢，提高了工作效率和經(jīng)濟效益。隨著“無人機+”技術(shù)的快速發(fā)展，無人機航攝系統(tǒng)將在鐵路工程全生命周期中發(fā)揮更大的作用。