鄧?yán)^偉

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著無人機(jī)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(jī)、激光雷達(dá)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(jī)平臺(tái)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(yùn)營里程超過13萬km，其中高鐵3.5萬km。在鐵路工程項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)階段中，直接或者間接地對(duì)航空攝影存在大量的需求。

1 無人機(jī)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(duì)于中小型的鐵路項(xiàng)目，采用大型固定翼飛機(jī)存在準(zhǔn)備周期長，單價(jià)高，受天氣、空域限制較大，性價(jià)比和時(shí)效性較差等缺點(diǎn)，亟需一種有效的替代方案。無人機(jī)航攝系統(tǒng)憑借其操控簡單、使用靈活、性價(jià)比高等特點(diǎn)，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(jī)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(fèi)級(jí)無人機(jī)解決局部問題。究其原因主要為：①安全因素制約了無人機(jī)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用(早期的無人機(jī)質(zhì)量參差不齊，事故率較高，而鐵路行業(yè)尤其是對(duì)鐵路既有線應(yīng)用方面的安全管控十分嚴(yán)格)；②鐵路工程航攝的各項(xiàng)要求較復(fù)雜，簡單的無人機(jī)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(jī)航攝系統(tǒng)作業(yè)效率低，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用需要；④無人機(jī)搭載的高精度輕型航攝設(shè)備發(fā)展相對(duì)滯后，難以充分發(fā)揮無人機(jī)航攝系統(tǒng)機(jī)動(dòng)、快速和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。

2 無人機(jī)類型及特點(diǎn)分析

無人機(jī)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(yù)為“空中機(jī)器人”[2]。

2.1 按結(jié)構(gòu)分類

按照結(jié)構(gòu)分類，無人機(jī)可分為固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)和其他飛行平臺(tái)[3]。固定翼無人機(jī)：機(jī)翼固定于機(jī)身，靠空氣對(duì)機(jī)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(jī)：由頂部水平旋轉(zhuǎn)的旋翼提供向上的升力和推進(jìn)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(jī)：擁有多個(gè)軸，靈活性介于固定翼和直升機(jī)之間，具有操縱簡單、起降靈活、成本低等特點(diǎn)[4-5]。

(1)固定翼無人機(jī)

根據(jù)動(dòng)力燃料的不同，固定翼無人機(jī)可以分為油動(dòng)和電動(dòng)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(dòng)和電動(dòng)固定翼無人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 電動(dòng)和油動(dòng)固定翼無人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

(2)多旋翼無人機(jī)

常用的多旋翼無人機(jī)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(jī)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(jī)的主要優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 多旋翼無人機(jī)主要優(yōu)缺點(diǎn)

(3)混合翼無人機(jī)

此類無人機(jī)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(dòng)力平飛，飛行結(jié)束后再切換為多旋翼動(dòng)力定點(diǎn)垂直降落。因此，混合翼無人機(jī)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(jī)作業(yè)

2.2 按用途分類

按用途劃分，無人機(jī)可分為軍用無人機(jī)、民用無人機(jī)和消費(fèi)類無人機(jī)三大類。

(1)軍用無人機(jī)

該類無人機(jī)對(duì)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(duì)抗和通信中繼等多種機(jī)型。

(2)民用無人機(jī)

該類無人機(jī)對(duì)于速度、升限和航程等要求較低，但對(duì)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(jī)市場在未來有很大潛力。

(3)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)

該類無人機(jī)常用于拍攝、娛樂和配送等用途。

3 鐵路工程中無人機(jī)航攝的應(yīng)用需求分析

3.1 鐵路行業(yè)常用的無人機(jī)集成裝備類型

無人機(jī)提供了靈活的空中平臺(tái)，可以根據(jù)不同的用途和目的選用相適應(yīng)的“無人機(jī)+傳感器”系統(tǒng)。目前，民用無人機(jī)可搭載的傳感器主要有：視頻傳感器、影像傳感器、激光雷達(dá)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(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

(1)無人機(jī)+視頻傳感器

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

(2)無人機(jī)+非量測數(shù)碼相機(jī)

“無人機(jī)+非量測數(shù)碼相機(jī)”多應(yīng)用于測繪行業(yè)，利用無人機(jī)平臺(tái)搭載非量測數(shù)碼相機(jī)，進(jìn)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(jī)RTK和PPK技術(shù)的不斷發(fā)展，以及中大畫幅數(shù)碼相機(jī)工藝的不斷成熟，無人機(jī)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(jī)+傾斜相機(jī)

無人機(jī)搭載小型的傾斜相機(jī)，可用于小范圍的實(shí)景三維數(shù)據(jù)獲取。該系統(tǒng)從多個(gè)角度對(duì)地表進(jìn)行拍攝，獲取地物四周的側(cè)面紋理，再采用專門的實(shí)景建模軟件對(duì)傾斜影像進(jìn)行處理，獲取實(shí)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(jī)+輕型激光雷達(dá)

為了適應(yīng)無人機(jī)平臺(tái)，機(jī)載激光雷達(dá)也逐漸輕量化。國外激光雷達(dá)制造公司Rigel的VUX-1輕型激光雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)。無人機(jī)搭載輕型激光雷達(dá)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(diǎn)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(píng)和拆遷等提供決策依據(jù)[9-10]。

3.2 無人機(jī)應(yīng)用需求

結(jié)合近幾年中國鐵設(shè)無人機(jī)應(yīng)用情況，從勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)以及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修三個(gè)方面進(jìn)行簡要分析(見圖2)。

圖2 無人機(jī)在鐵路行業(yè)應(yīng)用需求分析

(1)勘察設(shè)計(jì)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(jī)航測快速補(bǔ)圖。

②地質(zhì)調(diào)查：通過無人機(jī)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(jī)航攝可以大幅提高工作效率且安全性較高。

④環(huán)境評(píng)估及車站調(diào)查：鐵路沿線環(huán)境評(píng)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(jī)傾斜攝影，為BIM設(shè)計(jì)提供三維實(shí)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(jī)視頻+設(shè)計(jì)方案”融合方式，直觀展示設(shè)計(jì)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(jī)拍攝影像或者視頻，留取法律證據(jù)。

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

③施工環(huán)境評(píng)估：對(duì)沿線局部重點(diǎn)滑坡、泥石流等進(jìn)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(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督取證(例如：防護(hù)措施是否到位，取棄土場是否是否按照設(shè)計(jì)到指定位置取棄土，棄土場的防護(hù)是否符合要求等)[13]。

(3)運(yùn)營維護(hù)階段

①運(yùn)營維護(hù)三維場景搭建：利用無人機(jī)航攝獲取高分辨率、高時(shí)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(yùn)營維護(hù)的信息化水平。

②安全巡檢：利用無人機(jī)對(duì)鐵路沿線進(jìn)行定期巡檢，快速識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)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(duì)鐵路沿線的地表環(huán)境變化情況進(jìn)行監(jiān)控，為智能運(yùn)維管理提供實(shí)時(shí)資料。

④危巖落石監(jiān)控：危巖落石會(huì)嚴(yán)重威脅山區(qū)鐵路建設(shè)及行車安全[15]，利用無人機(jī)監(jiān)控可以為安全運(yùn)維提供實(shí)時(shí)預(yù)警。

4 應(yīng)用案例

4.1 基于無人機(jī)的大比例地形圖測繪

(1)項(xiàng)目概況

河北境內(nèi)某鐵路鐵路項(xiàng)目約15 km長的線位超出既有航攝資料的范圍，計(jì)劃采用無人機(jī)航攝方案進(jìn)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(jī)的航空攝影(見圖3)。

圖3 航帶設(shè)計(jì)與像控點(diǎn)采集

(2)飛行平臺(tái)及傳感器選擇

本次航飛采用輕型固定翼無人機(jī)，巡航速度為80～120 km/h，單架次有效巡航時(shí)間為2 h。搭載Sony A7RII全畫幅微單相機(jī)(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(jì)了兩個(gè)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(jī)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(jí)地形的精度要求。

4.2 在建鐵路隧道滑坡監(jiān)測

(1)項(xiàng)目概況

浙江某鐵路項(xiàng)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(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模的方式對(duì)該區(qū)域進(jìn)行為期一周的監(jiān)測。

(2)飛行平臺(tái)及傳感器選擇

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

(3)飛行方案

設(shè)計(jì)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(diǎn)，每天拍攝一次，采用PhotoMesh軟件進(jìn)行三維重建。

(4)監(jiān)測效果

對(duì)重建的三維實(shí)景模型(見圖4)進(jìn)行量測比對(duì)分析，出具報(bào)告，由圖4可知，該方法展示直觀、計(jì)算精確，得到了參建各方的好評(píng)。

圖4 無人機(jī)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(jī)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(xiǎn)，充分體現(xiàn)了無人機(jī)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(jì)效益。隨著“無人機(jī)+”技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)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。