王 凱

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

隨著我國對無人機產(chǎn)品的研發(fā)投入不斷加大，以及國外相關(guān)技術(shù)的引入，國內(nèi)無人機發(fā)展迅速。 國內(nèi)無人機的研究發(fā)展在總體設(shè)計、飛行控制、組合導(dǎo)航，中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、圖像傳輸、信息對抗與反對抗、發(fā)射回收、生產(chǎn)制造等諸多技術(shù)領(lǐng)域積累了許多經(jīng)驗，具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

無人機具有快速靈活，受天氣、場地影響小等特點。 近年來，隨著制造工藝的提升，其安全性得到了很大提高[2]。 各種型號的無人機(如固定翼、多旋翼、垂直起降、油動、電動等)可以用來滿足不同條件下的飛行任務(wù)[3]。 輕型機載設(shè)備是在無人機快速發(fā)展基礎(chǔ)上逐步興起的，如小型數(shù)碼相機、輕型激光雷達、微型傾斜攝影、視頻光電球等，可用于大比例地形圖、影像圖、三維模型制作，視頻巡線等。 無人機設(shè)備的出現(xiàn)，能夠彌補大型固定翼飛機周期長、費用高、管控嚴、場地少等缺點，提高航空平臺數(shù)據(jù)獲取的效率[4]。

然而，國內(nèi)外鐵路總包建設(shè)項目在建設(shè)管理過程中還存在一些難題亟需解決。

(1)鐵路總包項目開始時，一般都已完成了常規(guī)初定測，隨著建設(shè)的推進，會存在一些線位變更、取棄土場變更及控制工點補圖等問題，需要制作大比例地形圖，但是從經(jīng)濟角度考慮，無法采用大型固定翼飛機進行航攝，故需要一種新型的高效的替代方案。

(2)鐵路工程建設(shè)過程中存在較多的管理難題，如征地后大量搶種、搶栽、搶蓋等現(xiàn)象，建設(shè)單位收集證據(jù)困難，影響施工進度。

(3)建設(shè)過程中，安全質(zhì)量監(jiān)督檢查難度較大。如對施工技術(shù)方法、方案的執(zhí)行，對高路塹開挖防護監(jiān)督，對高空作業(yè)的安全防護和質(zhì)量檢查等，常規(guī)方法很難對每個工點做到實時監(jiān)控；另外，項目周邊不穩(wěn)定環(huán)境因素(人工臨時建筑、垃圾、取棄土場、因惡劣天氣引起的水淹、滑坡等災(zāi)害)會對項目正常開展帶來一定的影響，需要定時對其監(jiān)測和評估。

(4)鐵路工程建設(shè)規(guī)模大、投資大、安全風險大、現(xiàn)場檢查工作量大，需耗費大量人力、物力、時間；檢查結(jié)果難以完整記錄及追溯。

(5)節(jié)點驗收沒有較好的輔助手段，工作量大。

無人機具有機動靈活、平臺數(shù)據(jù)獲取能力強等優(yōu)點。 通過無人機視頻巡線、無人機低空攝影測和無人機三維實景建模等技術(shù)手段，可以為鐵路總承包項目提供局部大比例地形圖補測，征拆取證，項目形象進度管理，工程質(zhì)量、安全、環(huán)保監(jiān)測[5]。 以下從無人機類型及其載荷的選擇，無人機數(shù)據(jù)采集，無人機數(shù)據(jù)相關(guān)處理、無人機數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用等方面展開論述。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 無人機類型及其載荷的搭配

無人機是一種利用無線電遙控設(shè)備和編寫的程序控制裝置操縱的不載人飛機[6]，可以在無人駕駛條件下，完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負載任務(wù)，被譽為“空中機器人”[7]。 按照結(jié)構(gòu)分類，無人機可分為固定翼無人機平臺、旋翼無人機平臺和混合翼無人機[8]。

(1)固定翼無人機

其機翼固定于機身，依靠空氣對機翼的作用力產(chǎn)生升力飛行。 其水平方向飛行速度快、采集效率高；如中國ASN 系列固定翼無人機(如圖1)可用于戰(zhàn)場偵察、晝/夜監(jiān)視、邊境巡邏、火炮(落彈)觀測、航空攝影等[9]。

圖1 中國ASN 系列固定翼無人機

(2)旋翼無人機

由頂部的一個或多個水平旋轉(zhuǎn)的旋翼提供向上升力和推進力而進行飛行[10]。 旋翼無人機可以垂直升降、懸停、小速度向前或向后飛行，相較于固定翼無人機，其速度較低、能耗高、航程較短，但具有操縱簡單，用途簡單，成本較低等特點。 如華測P550H，如圖2 所示，有效荷載質(zhì)量12 kg，可攜帶傾斜相機、工業(yè)相機等多種載荷。

圖2 華測P550H 無人機

(3)混合翼無人機

混合翼是為了解決固定翼起飛降落不方便的情況而設(shè)計的。 該無人機采用固定翼和多旋翼組合方式，先用多旋翼起飛，到空中后切換成固定翼動力，降落前再切換為多旋翼動力，以實現(xiàn)垂直起降[11]。 該機型既擁有多旋翼的便利性，也擁有固定翼的高效率。

如縱橫CW30 無人機，起飛質(zhì)量可達30 kg，作業(yè)半徑可達60 km，航時大于3 h，具備較強的數(shù)據(jù)采集能力，見圖3。

圖3 縱橫CW30 垂起固定翼無人機

無人機提供了靈活的空中平臺，實際使用時，可根據(jù)不同的用途和目的，采用不同類型的無人機及傳感器[12]。 目前，與無人機集成使用的傳感器主要有:視頻傳感器、數(shù)碼相機傳感器、激光雷達傳感器、紅外傳感器、多光譜傳感器等[13]。 下面結(jié)合在鐵路行業(yè)實際應(yīng)用情況進行介紹。

(1)視頻傳感器

目前的視頻傳感器多可達到4k 高清的效果。 利用無人機搭載具有自穩(wěn)定云臺的視頻傳感器，可以實現(xiàn)沿線視頻的拍攝。 使用具有變焦功能的采集設(shè)備可實現(xiàn)局部信息的高清拍攝，例如使用大疆H20 可以達到23 倍光學變焦，以實現(xiàn)局部細節(jié)的高清拍攝。

(2)非量測數(shù)碼相機

利用無人機平臺搭載非量測數(shù)碼相機進行航空攝影，獲取立體像對數(shù)據(jù)；利用航空攝影測量技術(shù)進行地形圖采集，用于大比例地形圖的制作。 常用的非量測相機有佳能5DMark、SONY a7 和黑卡、尼康D800 系列等。 另外，近兩年出現(xiàn)了無人機與飛思、哈蘇等工業(yè)相機集成的系統(tǒng)，用于提高航測的效率和質(zhì)量[15]。

(3)傾斜相機

無人機搭載小型傾斜攝影相機，可用于小范圍實景三維數(shù)據(jù)的獲取。 傾斜攝影利用多個角度對地表進行拍攝，獲取地物(尤其是建筑物)四周的側(cè)面紋理，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。 一般情況下，傾斜影像的分辨率為2～10 cm，利用傾斜影像采集的高程精度較傳統(tǒng)航測高。傾斜相機多搭載于多旋翼無人機，也有少量搭載于固定翼無人機。

(4)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型化，典型的有Rigel 的VUX-1 輕型激光雷達，質(zhì)量僅4 kg，能夠在1 000 m 相對航高下進行數(shù)據(jù)獲取，新推出的miniVUX-1 質(zhì)量僅2.4 kg。 另外， Velodyne 推出了16 線、32 線、64 線、128 線激光雷達，其質(zhì)量更小，成本也更低。

(5)多功能相機

該設(shè)備可以實現(xiàn)“可見光拍攝+多光譜數(shù)據(jù)”的同時采集，此外還可以完成“長焦可見光+熱紅外”相機的搭配。 同時完成高精度可見光、近紅外、熱紅外等不同波段目標成像。

2.2 無人機數(shù)據(jù)的采集

無人機數(shù)據(jù)獲取分為鐵路工程總承包巡線視頻拍攝、重點工點多角度高清照片拍攝、局部區(qū)域無人機數(shù)字航測、關(guān)注區(qū)域傾斜攝影和全景拍攝。 具體而言，針對不同的工點類型和用途采用不同的數(shù)據(jù)采集方式。

沿施工線路進行視頻拍攝，應(yīng)均衡視頻地表分辨率和飛行安全，一般采用相對地表航高100 ～150 m 仿地飛行拍攝，為了獲取更好的地表立體效果，無人機云臺采用與地面呈25°～30°夾角進行拍攝。 以100 m 航高的大疆精靈4pro 為例，以其相機參數(shù)進行計算，得出其地表覆蓋范圍為120 m×150 m，單條航帶的帶幅可以覆蓋鐵路施工的范圍。 應(yīng)根據(jù)施工建設(shè)不同階段和線路的不同類型，采用不同角度進行拍攝。 施工設(shè)備進場動工至路基、橋梁的架梁鋪板前，宜采用位于線位正上方拍攝；路基和橋梁架梁鋪板后，宜采用左、右側(cè)視角進行側(cè)方拍攝，以獲取橋梁的墩柱等信息；隧道進出口、斜井口等工點宜采用無人機懸停定點拍攝的方式進行，以更好地拍攝工程具體細節(jié)；對于大臨設(shè)施，如拌合站、軌枕基地、梁場、鋼筋加工廠、項目分部、試驗室等工點，宜采用高清影像懸停定點拍攝的方式進行；對于取土場、棄土場、棄渣場、深挖基坑、路塹等，可對該區(qū)域設(shè)計規(guī)劃航線開展大比例無人機數(shù)字航測，并進行局部地形更新，按照航向70%、旁向60%的重疊率設(shè)計航向。

若部分項目位于地表植被高度發(fā)育區(qū)，山間樹木植被茂密、高差較大，這給航飛作業(yè)帶來了極大的困難。 其主要困難在于局部高差較大，若在同一平面內(nèi)規(guī)劃航線，則易出現(xiàn)像元比例差異較大；其次，區(qū)域植被高度發(fā)育，這給后期空三加密(圖像特征匹配和連接點提取)帶來了極大的困難，通常會出現(xiàn)連接點匹配錯誤，區(qū)域高度計算異常等問題。 針對以上問題，可采用以下解決方案:①收集區(qū)域已有的數(shù)字地形數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)字地形數(shù)據(jù)開展仿地飛行作業(yè)，保持相對航高的穩(wěn)定，如圖4；②選擇早晨或傍晚等光線較為柔和、太陽高度角較小的時間段開展航飛作業(yè)。 此時地表反射率均勻，不會出現(xiàn)植被熱點現(xiàn)象。 同時，通過調(diào)節(jié)相機的ISO(感光度)等參數(shù)可提高獲取照片的對比度和飽和度，以提高的像片的采集質(zhì)量。

圖4 仿地飛行航向規(guī)劃

對于重難點工段，為了更加直觀表達地表的真實情況，采用無人機傾斜攝影的方式進行采集作業(yè)。 傾斜攝影測量與普通的航空攝影的不同之處:傳統(tǒng)航空攝影測量采用正射采集方式，光軸垂直于被測目標表面，其獲取的信息為目標地表頂層的信息，無法獲取目標地表側(cè)面的紋理信息，如圖5。 傾斜攝影是從多個角度采集地物的信息，采用單架次多鏡頭傾斜相機進行采集，最為常用的為多角度5 鏡頭，分別獲取下視、左視、右視、前視和后視5 個方向上影像的數(shù)據(jù)，如圖6。

圖5 正射數(shù)據(jù)采集

圖6 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

傾斜攝影的另一種采集模式為同一航帶多架次、多個角度進行采集。 即在相同的航帶下，一個架次獲取一個角度的數(shù)據(jù)，下視、左視、右視、前視、后視依次采集。 傾斜攝影可應(yīng)用于項目重難點工程和項目建成后的車站、編組站等重要設(shè)施的展示。 如圖7 所示，實景傾斜數(shù)據(jù)與BIM 模型數(shù)據(jù)進行融合展示，可以對施工的進度情況進行有效比對。

圖7 局部傾斜實景+BIM 融合場景

2.3 無人機數(shù)據(jù)處理

(1)視頻數(shù)據(jù)的處理

無人機視頻數(shù)據(jù)獲取后，需要對數(shù)據(jù)進行處理。通過分析可知，無人機視頻數(shù)據(jù)具有以下特點:①視頻數(shù)據(jù)量大，鐵路里程2 km 視頻數(shù)據(jù)(分辨率為1 920×1 080)占用存儲空間為4GB；②無人機視頻的碼率高，單位時間傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)可以達到30 Mbps，其畫質(zhì)水平遠超普通顯示器的顯示能力，且不適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)傳輸，只適用于本機查看；③無人機視頻數(shù)據(jù)屬于多媒體數(shù)據(jù)，本身不具有地理空間信息，無法做到與地理空間場景和鐵路里程相關(guān)聯(lián)。

針對總包無人機巡線視頻的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出無人機視頻的應(yīng)用目標:①從技術(shù)角度上，理想目標是在占用最小的存儲空間下獲得更高的畫質(zhì)；②應(yīng)擴大無人機視頻的共享性，以視頻流媒體的形式進行數(shù)據(jù)傳輸與展示；③建立無人機數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)和鐵路專題數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

針對無人機數(shù)據(jù)特點，對巡線視頻數(shù)據(jù)進行處理:

①降低視頻的碼率提高視頻的存儲利用率；②通過轉(zhuǎn)換視頻的編碼方式，采用H265 視頻編碼進一步完成視頻的壓縮；③構(gòu)建視頻的播放索引，通過前端調(diào)用策略，提高視頻的定位、加載速度。

(2)高清影像照片信息屬性編碼

無人機可以從空中抓拍到不同角度地表的高清影像數(shù)據(jù)，其本身不僅是多媒體數(shù)據(jù)的一種，同時在其EXIF 屬性信息里蘊含著大量的信息，具體包括:地理空間坐標、飛行高度、飛行姿態(tài)、拍攝時間、照片焦距、像元尺寸、像素大小等。 如何根據(jù)以上信息真實的還原照片所在空間位置和時間信息需要進行以下工作。①照片EXIF 信息提取，將無人機影像照片信息數(shù)據(jù)提取出來，并建立起照片與屬性信息的索引關(guān)系；②根據(jù)以上信息計算照片的空間位置，進行照片空間覆蓋區(qū)域的還原；③照片地理信息化，建立單張照片與地理空間坐標位置相關(guān)關(guān)系，實現(xiàn)單片的可量測化。

(3)局部高清數(shù)字地形更新

在無人機航飛外業(yè)采集后，應(yīng)進行航飛內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，生成數(shù)字地表模型(DSM)和數(shù)據(jù)正射影像模型(DOM)。 此外，還需要將局部影像和高程數(shù)據(jù)與場景影像、高程數(shù)據(jù)進行融合，保持數(shù)據(jù)在色彩、飽和度、亮度等方面的一致性。 在此基礎(chǔ)上，將DSM 和DOM 進行影像金字塔構(gòu)建、影像發(fā)布切片轉(zhuǎn)換為前端應(yīng)用顯示所需要的空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

2.4 基于無人機傾斜攝影的地表實景模型構(gòu)建

無人機傾斜攝影的地表實景模型構(gòu)建與局部高清地形更新的數(shù)據(jù)處理有相似之處，都要經(jīng)過圖像特征匹配、空三加密過程，不同之處在于其表面紋理的重構(gòu)過程。 總承包項目途經(jīng)深山密林，其無人機傾斜攝影其具有特殊性。 通常情況下，傾斜攝影關(guān)注的目標為房屋、道路等城市目標，而對于工程傾斜攝影而言，關(guān)注的是橋梁、隧道口、深挖路塹，相較于規(guī)則的城市建筑物，鐵路目標形狀特征并不規(guī)則，單體精度要求較高。

對于傾斜攝影模型而言，模型的精度取決于目標體多角度數(shù)據(jù)的覆蓋程度，需要目標體各個部位、角度的影像照片。 因此，在正常多角度航飛作業(yè)的基礎(chǔ)上，需要對關(guān)注目標進行補拍，以保證目標圖像信息的完整性。 在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理上，傾斜實景重構(gòu)軟件的空三加密能力較弱，而一般航測軟件的三維重構(gòu)能力也有限，在山區(qū)密林區(qū)，工程目標的三維模型重構(gòu)面臨巨大的挑戰(zhàn)。 需要采取以下策略:①在正常傾斜航測5 鏡頭數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，與對弱紋理區(qū)域進行無人機、地面補拍數(shù)據(jù)融合建模；②綜合運用光束平差和計算機視覺算法加強建模區(qū)域的空三加密精度，利用高精度的空三結(jié)果的基礎(chǔ)上開展地表實景三維重構(gòu)。

2.5 無人機數(shù)據(jù)的管理及應(yīng)用

系統(tǒng)主要實現(xiàn)對多種無人機數(shù)據(jù)源的存儲、管理與前端展示應(yīng)用。 系統(tǒng)架構(gòu)采用B/S 架構(gòu)，后臺采用分布式服務(wù)器云端存儲，視頻、高清照片數(shù)據(jù)采用共有云存儲，帶有地理信息的數(shù)據(jù)采用本地服務(wù)器存儲。前端采用html5 頁面，采用skyline 三維地理信息平臺進行三維地理信息的展示與地理信息的相關(guān)操作。 系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)架構(gòu)

(1)系統(tǒng)后臺

首先是實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的上傳，將帶有地理信息坐標的原始影像照片數(shù)據(jù)進行上傳與解析入庫；實現(xiàn)原始視頻數(shù)據(jù)的上傳、壓縮、轉(zhuǎn)碼與規(guī)范化存儲與管理。

其次是成果數(shù)據(jù)的上傳，正射影像(DOM)、數(shù)字地表模型(DSM)成果數(shù)據(jù)的上傳與存儲管理；正射影像地圖服務(wù)的切片緩存的生成，發(fā)布與掛接；三維傾斜數(shù)據(jù)的管理與存儲，三維地圖緩存的生成與發(fā)布。 線位矢量格式數(shù)據(jù)的上傳存儲與管理，矢量圖層支持KML、KMZ、shap 等主流矢量格式。

(2)數(shù)據(jù)的管理

包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)刪除；數(shù)據(jù)相關(guān)統(tǒng)計具體包括空間層次統(tǒng)計、里程具體覆蓋、期次數(shù)據(jù)覆蓋情況等。 系統(tǒng)的功能界面如圖9 所示。

(3)用戶權(quán)限管理

圖9 無人機后臺數(shù)據(jù)管理界面

后臺分角色權(quán)限進行用戶的創(chuàng)建與刪除、權(quán)限的授予與收回。 用戶的權(quán)限分為超級管理員(具有系統(tǒng)的全部權(quán)限，包括數(shù)據(jù)的操作、用戶的權(quán)限的相關(guān)操作)、用戶管理員(負責用戶的創(chuàng)建和用戶權(quán)限的分發(fā))、數(shù)據(jù)管理員(負責數(shù)據(jù)的上傳的審核、數(shù)據(jù)修改與刪除操作)、數(shù)據(jù)采集員(負責基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的上傳)、一般用戶(數(shù)據(jù)的瀏覽與標記)。 不同的用戶享有不同區(qū)域和不同權(quán)限等級的用戶服務(wù)。

(4)前端設(shè)計

基于skyline 平臺開發(fā)，采用基礎(chǔ)平臺進行項目三維場景加載，實現(xiàn)場景的基礎(chǔ)操作，場景的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、基礎(chǔ)量測(距離、面積)等操作。

實現(xiàn)通過場景的矢量熱點等形式，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的定位與同步播放。 視頻同步飛行中，接受人為場景角度調(diào)整，對于橋梁重點工點進行多視角觀察。 實現(xiàn)視頻與場景、視頻與視頻的同步對比播放。

大臨場景采用列表式前段檢索展示，并實現(xiàn)對查詢目標的場景轉(zhuǎn)向，三維場景上進行實景照片的熱點鏈接。 支持用戶自定義圈畫。

實現(xiàn)生態(tài)紅線等范圍緩沖區(qū)分析、取棄土場、渣場土方量計算等空間分析功能。 對空間分析的功能進行報表分析與導(dǎo)出。

(5)系統(tǒng)人性化操作

系統(tǒng)支持功能、操作模糊、快捷鍵查詢并進行相應(yīng)的操作功能調(diào)用。 系統(tǒng)支持場景與視頻幀的截圖與導(dǎo)出操作。

2.6 成果展示

無人機在昌景黃、杭紹臺、鹽通、龍龍、汕汕鐵路總承包項目中進行實際應(yīng)用，累計獲取全線巡線數(shù)據(jù)2 000 km 以上，重點工點數(shù)據(jù)500 余處。 分別從施工進度、質(zhì)量安全、環(huán)水保、征拆等多個專業(yè)開展應(yīng)用。 通過應(yīng)用統(tǒng)計，累計共享數(shù)據(jù)5TB 以上，累計輔助施工管理會議20 余處，發(fā)現(xiàn)違章建筑30 余處，施工越界、水體污染50 余處，取得了較為顯著的應(yīng)用效果，為輔助鐵路總承包施工管理提供了強大的數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)論

(1)在鐵路工程總承包施工無人機應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同用途選擇合適的數(shù)據(jù)類型載體。 線路施工數(shù)據(jù)的采集應(yīng)以視頻為主，對重點的工點應(yīng)綜合使用視頻、影像、實景模型進行綜合的信息采集與表達。

(2)無人機視頻數(shù)據(jù)工程的應(yīng)用的關(guān)鍵在于后期視頻數(shù)據(jù)的壓縮與編碼處理，以降低數(shù)據(jù)的冗余度，提高數(shù)據(jù)的存儲與傳輸速度。

(3)使用BS 架構(gòu)系統(tǒng)進行鐵路工程總承包無人機應(yīng)用，可以有效提高數(shù)據(jù)的共享性和數(shù)據(jù)的利用率，取得較好的應(yīng)用效果。