李嘉雨 李 欣 樊 金 鄧 悅

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2.四川航空股份有限公司，四川成都 610202 )

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，輕型無(wú)人機(jī)在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時(shí)間、飛行品質(zhì)上都有了明顯的提高[1]，其在鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：胡吉平等認(rèn)為無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有靈活性高、效率高、可獲取實(shí)時(shí)信息等優(yōu)點(diǎn)[2-3]；王志良等利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展了新建渝萬(wàn)鐵路水土保持監(jiān)測(cè)工作[4]。然而，固定翼無(wú)人機(jī)存在天氣依賴(lài)性強(qiáng)、投入費(fèi)用大、需申請(qǐng)空域等缺點(diǎn)[5-6]，限制了其在鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用和快速發(fā)展。

2016年前后，旋翼無(wú)人機(jī)先后被應(yīng)用于川藏線不良地質(zhì)勘察、川黔線裁縫巖滑坡應(yīng)急搶險(xiǎn)、成昆線超高位危巖勘查等工程中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[7-10]。此后，許多專(zhuān)家學(xué)者將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于鐵路棄渣場(chǎng)勘察[11]、特大型滑坡地質(zhì)勘察[12]、邊坡穩(wěn)定性研究[13]、滑坡危險(xiǎn)性分區(qū)等方面[14]。

我國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行有較為嚴(yán)格的立法管理，即無(wú)人機(jī)飛行需要進(jìn)行空域申請(qǐng)，導(dǎo)致使用無(wú)人機(jī)開(kāi)展鐵路勘察的效率大幅降低；另一方面，固定翼無(wú)人機(jī)的購(gòu)置成本較高，對(duì)駕駛員的技術(shù)要求較高(動(dòng)輒上萬(wàn)元的培訓(xùn)費(fèi)用)，也阻礙了“空天地一體化”勘察的大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前無(wú)人機(jī)在鐵路地質(zhì)勘察中面臨空域申請(qǐng)難、飛行員培訓(xùn)費(fèi)用高、費(fèi)效比低等問(wèn)題，而Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)可以很好地解決以上困境。

1 Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)飛行的合規(guī)性探討

目前，無(wú)人機(jī)飛行空域的申請(qǐng)程序繁瑣，申請(qǐng)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)難以在鐵路地質(zhì)勘察中大規(guī)模應(yīng)用。依據(jù)當(dāng)前的法律法規(guī)，Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)(無(wú)人機(jī)分類(lèi)見(jiàn)表1)一般無(wú)需進(jìn)行申請(qǐng)(除融合空域外)。

表1 無(wú)人機(jī)分類(lèi) kg

依據(jù)中國(guó)民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司2016年7月11日發(fā)布的《民用無(wú)人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》，空機(jī)質(zhì)量和起飛質(zhì)量為0～1.5 kg(含)的無(wú)人機(jī)屬Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)，對(duì)于在視距內(nèi)運(yùn)行(半徑不大于500 m，人、機(jī)相對(duì)高度不大于120 m)的Ⅰ、Ⅱ類(lèi)無(wú)人機(jī)，無(wú)須證照管理。依據(jù)中國(guó)民用航空局空管行業(yè)管理辦公室2016年9月12日發(fā)布的《民用無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》，民用無(wú)人駕駛航空器在隔離空域內(nèi)飛行，由組織單位和個(gè)人負(fù)責(zé)實(shí)施，并對(duì)其安全負(fù)責(zé)。依據(jù)2017年5月16日中國(guó)民用航空局航空器適航審定司發(fā)布的《民用無(wú)人駕駛航空器實(shí)名制登記管理》，起飛質(zhì)量為0.250 kg(含0.250 kg)以上的民用無(wú)人機(jī)擁有者需進(jìn)行實(shí)名登記。

在地方上，四川、新疆等地也相繼出臺(tái)了相關(guān)法律法規(guī)，明確了無(wú)人機(jī)生產(chǎn)、銷(xiāo)售、使用及其安全管理的細(xì)則。

無(wú)論是國(guó)家層面的法律法規(guī)，還是地方層面的法律法規(guī)，都表明Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)在視距內(nèi)飛行，飛行人員可以不進(jìn)行空域申請(qǐng)，也不需要無(wú)人機(jī)飛行駕駛證，但需要進(jìn)行實(shí)名登記，并對(duì)其安全負(fù)責(zé)。這為Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用提供了良好的法律環(huán)境。

2 輕型無(wú)人機(jī)勘察的實(shí)踐與應(yīng)用

2.1 Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

大疆曉spark無(wú)人機(jī)(見(jiàn)圖1)起飛質(zhì)量為0.3 kg；控制范圍：水平距離2 km，垂直距離500 m，飛行限高120 m；最大水平速度為13.8 m/s，最大上升速度為3 m/s，最大飛行時(shí)間為16 min，最大起飛海拔高度為4 000 m，相機(jī)有效像素為1 200萬(wàn)，影像分辨率為1 080 p。采用兩軸機(jī)械防抖云臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像頭角度的旋轉(zhuǎn)和拍攝姿態(tài)的穩(wěn)定，具有價(jià)格實(shí)惠、小巧輕便、掌上起飛、高效機(jī)動(dòng)、影像清晰等特點(diǎn)和基礎(chǔ)的障礙感知的能力[15]，是一款便捷高效的Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)。

圖1 大疆曉spark無(wú)人機(jī)

該型無(wú)人機(jī)體積雖小，但GPS導(dǎo)航、電子地理圍欄、高清像素云臺(tái)相機(jī)、智能避障系統(tǒng)一應(yīng)俱全，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)圖傳，并自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前所在區(qū)域是否具備起飛條件，感知自身飛行高度和距離，當(dāng)電量不足時(shí)或失去信號(hào)時(shí)也能自動(dòng)返航。

2019年3月，利用該型無(wú)人機(jī)在新建廣州至湛江高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“廣湛高鐵”)的可研修編及初步設(shè)計(jì)階段開(kāi)展了不良地質(zhì)遙感解譯的應(yīng)用嘗試。

2.2 應(yīng)用情況

首先通過(guò)衛(wèi)星遙感圖圈定不良地質(zhì)異常區(qū)域，針對(duì)部分不良地質(zhì)體“走路難到達(dá)”、“地面難辨識(shí)”、“遙感難看清”的三難問(wèn)題，利用大疆曉spark無(wú)人機(jī)開(kāi)展遙感勘察工作。

(1)凌云山滑坡遙感解譯

凌云山滑坡位于廣湛高鐵凌云山隧道上方，通過(guò)衛(wèi)星遙感解譯(見(jiàn)圖2)，發(fā)現(xiàn)存在異常不良地質(zhì)體，但當(dāng)勘察人員到達(dá)滑坡前緣時(shí)(見(jiàn)圖3)，卻發(fā)現(xiàn)該處滑坡難以辨識(shí)，即該處滑坡屬于“地面難辨識(shí)”類(lèi)型。通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍，證實(shí)了滑坡前后緣及左右邊界的存在(見(jiàn)圖4)。認(rèn)為該滑坡的誘因?yàn)榛虑熬夐_(kāi)挖。

圖2 凌云山滑坡遙感衛(wèi)星影像

圖3 凌云山滑坡前緣

圖4 凌云山滑坡無(wú)人機(jī)航拍影像

(2)松柏煤礦采空塌陷區(qū)

松柏煤礦采空塌陷區(qū)位于廣湛線凌云山隧道左側(cè)，遙感解譯發(fā)現(xiàn)，該處存在異常地質(zhì)體(見(jiàn)圖5)，但該異常地質(zhì)體的形成具有多解性：①崩塌；②人工開(kāi)挖；③采空區(qū)地面塌陷；④礦井洞口。由于遙感圖像的多解性，且該處植被茂密，山高路陡(見(jiàn)圖6)，即該不良地質(zhì)體屬于“走路難到達(dá)”、“遙感難看清”類(lèi)型。通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍(見(jiàn)圖7)，證實(shí)該處確實(shí)存在地面塌陷現(xiàn)象。由圖7可知，該處地形較緩，無(wú)崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能；不良地質(zhì)體周?chē)鸁o(wú)道路可通達(dá)，且沒(méi)有人工構(gòu)筑物，故排除人工開(kāi)挖和礦井洞口，初步判定為松柏煤礦采空造成的塌陷。

圖5 松柏煤礦采空塌陷區(qū)遙感衛(wèi)星影像

圖6 地面塌陷區(qū)植被及地形

圖7 松柏煤礦采空塌陷區(qū)航拍影像(全貌)

(3)荷村水庫(kù)巖堆

荷村水庫(kù)巖堆位于廣湛線繞避采空區(qū)比選方案右側(cè)，遙感解譯發(fā)現(xiàn)，該處存在異常開(kāi)挖地質(zhì)體(見(jiàn)圖8)，該異常地質(zhì)體形成具有多解性：①滑坡形成的地質(zhì)體；②采石開(kāi)挖形成的地質(zhì)體；③地質(zhì)體出露為基巖；④地質(zhì)體出露為土層。由于遙感圖像的多解性，且該處巖石松散、斜坡陡峭(見(jiàn)圖9)，即該不良地質(zhì)體屬于“走路難到達(dá)”、“遙感難看清”類(lèi)型。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和無(wú)人機(jī)航拍(見(jiàn)圖10)，證實(shí)該處不良地質(zhì)體為采石開(kāi)挖形成，并通過(guò)人工堆填形成巖堆(巖堆后緣仍有大量松散碎石)。

圖8 荷村水庫(kù)巖堆遙感衛(wèi)星圖像

圖9 荷村水庫(kù)巖堆遠(yuǎn)景照

圖10 荷村水庫(kù)巖堆無(wú)人機(jī)航拍影像

本次勘察中，大疆曉spark無(wú)人機(jī)共飛行21架次；平均飛行距離為395 m，最大飛行距離為1 336 m；平均飛行時(shí)長(zhǎng)7.6 min，最短飛行時(shí)長(zhǎng)3 min，最大飛行時(shí)長(zhǎng)12 min；平均飛行高度97 m，最大飛行高度120 m；共拍攝高清影像圖片96張。

實(shí)踐表明，該型無(wú)人機(jī)滿足中低山區(qū)大中型不良地質(zhì)體的勘察攝影任務(wù)。無(wú)人機(jī)勘察的應(yīng)用，大大降低了野外地質(zhì)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了勘察精度和工作效率；可通過(guò)多架次飛行解決無(wú)人機(jī)續(xù)航較短的問(wèn)題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 無(wú)人機(jī)駕駛培訓(xùn)

大疆曉spark無(wú)人機(jī)具有簡(jiǎn)單易學(xué)、智能易操控等特點(diǎn)。該無(wú)人機(jī)屬于Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)，不需要取得飛行執(zhí)照。

其操控培訓(xùn)包括理論學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)模擬飛行練習(xí)、航模實(shí)際操作練習(xí)等。

4 無(wú)人機(jī)成本分析

參照互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)上商城的售價(jià)，無(wú)人機(jī)的采購(gòu)和培訓(xùn)成本見(jiàn)表2，無(wú)人機(jī)性能見(jiàn)表3。

由表2、表3可以看出，準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)級(jí)Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)的購(gòu)置培訓(xùn)成本只有Ⅱ類(lèi)專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)成本的29.5%。而消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)大疆曉spark的購(gòu)置培訓(xùn)成本僅為Ⅱ類(lèi)專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)成本的9.8%。

表2 無(wú)人機(jī)采購(gòu)和培訓(xùn)成本分析 元

表3 各型無(wú)人機(jī)性能一覽

盡管準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)和Ⅱ類(lèi)專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)具有較大的續(xù)航時(shí)間、較高的攝影像素和分辨率，以及更大的起飛海拔高程和遙控距離。但其體積更大，質(zhì)量更大，對(duì)起降平臺(tái)的要求更高，不便于野外攜帶和起飛。因此，不適宜應(yīng)用于野外地質(zhì)調(diào)查。

綜上所述，Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)(特別是大疆曉spark無(wú)人機(jī))具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能滿足野外地質(zhì)勘察的基本需求。

5 優(yōu)缺點(diǎn)分析

Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)具有無(wú)須申請(qǐng)空域、購(gòu)置成本低、適用性高、培訓(xùn)費(fèi)用低等特點(diǎn)，配合現(xiàn)場(chǎng)勘察和衛(wèi)星遙感，能夠很好地解決部分不良地質(zhì)體“走路難到達(dá)”、“地面難辨識(shí)”、“遙感難看清”的三難問(wèn)題?？梢蕴岣咭巴饪辈煨?，降低野外作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，大疆spark無(wú)人機(jī)存在飛行時(shí)間較短、不能規(guī)劃航線等缺點(diǎn)；對(duì)于特殊不良地質(zhì)體(如大型泥石流溝、巨型崩塌、滑坡)的勘察，大疆spark無(wú)人機(jī)還存在局限性。

因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)不良地質(zhì)體遙感解譯的全覆蓋和高費(fèi)效比，還應(yīng)建立 “高低搭配”、“合成高效”的三級(jí)無(wú)人機(jī)梯隊(duì)：針對(duì)巨型不良地質(zhì)體或大范圍的遙感工作，宜采用購(gòu)買(mǎi)服務(wù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；針對(duì)鐵路地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)、特殊工點(diǎn)的不良地質(zhì)體航拍或三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)，宜采用可規(guī)劃航線的Ⅰ類(lèi)輕型準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)來(lái)實(shí)施；針對(duì)在預(yù)可研、可研、初步設(shè)計(jì)階段開(kāi)展的野外不良地質(zhì)體調(diào)查，可以使用只有簡(jiǎn)單航拍功能的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)。

6 結(jié)論與建議

(1)在視距內(nèi)飛行的Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)，可以不進(jìn)行空域申請(qǐng)，也不需要無(wú)人機(jī)飛行駕駛證，但需要進(jìn)行實(shí)名登記，并對(duì)其安全負(fù)責(zé)。

(2)相較于其他類(lèi)別的無(wú)人機(jī)，Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)具有培訓(xùn)費(fèi)用廉價(jià)、購(gòu)置成本較低、適用性較高等特點(diǎn)。

(3)Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)能夠滿足中低山區(qū)大中型不良地質(zhì)體的勘察攝影任務(wù)，大大降低野外地質(zhì)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高勘察精度和工作效率。

(4)建立“高低搭配”、“合成高效”的三級(jí)無(wú)人機(jī)梯隊(duì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各類(lèi)不良地質(zhì)體遙感解譯的全覆蓋和高費(fèi)效比。