石越峰 危鳳海 付衛(wèi)霖 蔡德鉤 姚建平 魏少偉

1.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100860

隨著線網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國鐵路面臨的運(yùn)營環(huán)境日趨復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)不斷增多，尤其近年來我國極端天氣頻發(fā)，鐵路防洪問題日益凸顯。目前，鐵路沿線防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查通常采用人力徒步巡查、目視檢查、手工量測(cè)等方式，存在作業(yè)效率低、研判識(shí)別率低、量測(cè)精度低等問題，無法對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患形成系統(tǒng)、全面、準(zhǔn)確的分析研判［1］。

無人機(jī)巡檢是近幾年發(fā)展起來的新興技術(shù)，融合了航空、遙感、電子、通信等多項(xiàng)高端技術(shù)［2-3］。無人機(jī)巡檢技術(shù)通過搭載不同載荷獲取地面信息，特別適用于高陡邊坡、深谷大跨橋梁、隧道洞口等巡檢人員難以到達(dá)、高安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的巡檢，不僅充分發(fā)揮了無人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且提高了巡檢效率和精度，降低了巡檢人員作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

在勘察設(shè)計(jì)階段，鐵路設(shè)計(jì)單位利用無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)，開展大范圍地質(zhì)調(diào)查、勘察測(cè)繪、輔助選線等工作，提高了工作效率，且數(shù)據(jù)精度可滿足上述應(yīng)用場(chǎng)景需求［4-6］。在新線建設(shè)階段，中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司等單位利用無人機(jī)搭載傾斜攝影相機(jī)，獲取鐵路沿線及周邊環(huán)境的影像和三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)在鐵路環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)保驗(yàn)收、靜態(tài)輔助驗(yàn)收中的應(yīng)用［7-8］。在既有線運(yùn)維階段，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司等單位提出了利用無人機(jī)判定鐵路沿線病害的工作流程與方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與評(píng)估［9］。

綜上所述，目前鐵路無人機(jī)巡檢技術(shù)主要集中在勘察設(shè)計(jì)、工程管理、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等方面，鮮有對(duì)鐵路防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查與評(píng)估的研究。隨著鐵路全年防洪、全員防洪、科學(xué)防洪理念的提出，亟待開展鐵路無人機(jī)防洪巡檢技術(shù)體系研究。本文提出鐵路無人機(jī)巡檢技術(shù)方案，建立基于無人機(jī)巡檢的鐵路防洪管理體系，并結(jié)合邯長(zhǎng)鐵路，系統(tǒng)介紹無人機(jī)巡檢技術(shù)在鐵路防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查中的功能實(shí)現(xiàn)與具體應(yīng)用情況。

1 無人機(jī)巡檢技術(shù)方案

1.1 無人機(jī)平臺(tái)

按照飛行原理劃分，無人機(jī)分為固定翼和旋翼兩大類。固定翼無人機(jī)在飛行速度、高度、觀測(cè)范圍、續(xù)航等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其起降要求高，通常需要跑道滑行，目前主要應(yīng)用于鐵路工程大范圍航空測(cè)繪、線路選線等方面［10］。旋翼無人機(jī)起降不受場(chǎng)地限制，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，且可空中定點(diǎn)懸停，雖然工作效率受制于無人機(jī)續(xù)航問題，但隨著電池行業(yè)的快速發(fā)展，續(xù)航得到明顯改善，成為鐵路領(lǐng)域應(yīng)用的主要機(jī)型。

輕量化、集成化和多樣化是無人機(jī)研發(fā)的重要發(fā)展方向。國內(nèi)多家廠商研制了滿足搭載不同載荷要求的系列無人機(jī)，例如大疆精靈4RTK無人機(jī)集成了導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，是輕量化、集成化機(jī)型的代表，大疆經(jīng)緯M300系列無人機(jī)突出飛行穩(wěn)定性、長(zhǎng)續(xù)航能力。代表性無人機(jī)機(jī)型及參數(shù)見表1、表2。其中D為測(cè)量距離，單位為km。

表1 大疆精靈4RTK無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 大疆經(jīng)緯M300無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 載荷

1.2.1 正射相機(jī)

正射相機(jī)以可見光相機(jī)為主，通過搭載飛行平臺(tái)，以手動(dòng)或自動(dòng)曝光方式獲取被測(cè)目標(biāo)的影像。正射相機(jī)可通過正射糾正消除由于相機(jī)旋轉(zhuǎn)、地形起伏以及在圖像獲取和處理過程中產(chǎn)生的位置誤差，最終生成無變形、高精度、高分辨率的影像。本研究將索尼A7RⅡ型相機(jī)與激光雷達(dá)集成，相機(jī)總質(zhì)量582 g，可拍攝4 400萬像素相片。

1.2.2 視頻相機(jī)

視頻相機(jī)可直接安裝于輕型無人機(jī)云臺(tái)適當(dāng)位置，攝像機(jī)采集的視頻信號(hào)經(jīng)圖傳信號(hào)發(fā)送器傳送到地面的接收系統(tǒng)，再通過SDI/HDMI傳輸?shù)斤@示設(shè)備，操控者即可實(shí)時(shí)監(jiān)控航拍影像。目前機(jī)載實(shí)景視頻已成為電力、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、應(yīng)急等領(lǐng)域開展評(píng)估工作的重要數(shù)據(jù)。隨著相機(jī)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載視頻影像質(zhì)量更高，傳速度更快。本研究選用大疆精靈4RTK無人機(jī)搭載視頻相機(jī)，可拍攝2 000萬像素的相片及4 K/30 fps視頻，圖傳距離達(dá)7 km。

1.2.3 傾斜攝影相機(jī)

傾斜攝影相機(jī)可從前、后、左、右、垂直5個(gè)方向?qū)Φ匚镞M(jìn)行拍攝，同時(shí)獲取1個(gè)正射和4個(gè)方向的影像，再通過內(nèi)業(yè)的幾何校正、平差、多視影像匹配等一系列處理，即可得到具有地物全方位信息的數(shù)據(jù)［11］。本研究選用山東省科學(xué)院組織技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的塞爾102S傾斜攝影相機(jī)，該相機(jī)的具體技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 塞爾102 S相機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2.4 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)通過發(fā)射和接收激光束信號(hào)的時(shí)間差和相位差，計(jì)算到目標(biāo)對(duì)象的相對(duì)距離，同時(shí)利用此過程中收集到的目標(biāo)對(duì)象表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速建立被測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云模型［12］。多數(shù)激光雷達(dá)使用偏轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)激光束，以增加測(cè)試范圍，目前通過自旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)360°可見。本研究選用蜂鳥Genius16激光雷達(dá)，其具體技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 蜂鳥Genius16激光雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

1.3 航線設(shè)計(jì)

鐵路為帶狀工程，沿線經(jīng)過山區(qū)、河流等復(fù)雜地形，無人機(jī)采用傳統(tǒng)固定航高的飛行模式，這種飛行方式采集的影像數(shù)據(jù)沿航線變化，會(huì)導(dǎo)致被測(cè)目標(biāo)細(xì)節(jié)缺失，在地形落差較大的區(qū)域可能出現(xiàn)空三加密計(jì)算失敗的情況［13］。為了保證數(shù)據(jù)高精度與完整性，提高無人機(jī)巡檢作業(yè)效率，提出了仿地飛行的作業(yè)模式。仿地飛行是指無人機(jī)在飛行作業(yè)過程中，航線與三維地形實(shí)時(shí)保持相對(duì)固定的高差，使無人機(jī)能夠適應(yīng)不同的地形環(huán)境，根據(jù)地形執(zhí)行變高航線，不僅避免了無人機(jī)山區(qū)作業(yè)撞山事故，而且保持了重疊率與地面分辨率不受地形變化影響。無人機(jī)仿地飛行軌跡如圖1所示［14］。

圖1 無人機(jī)仿地飛行軌跡示意

為保證數(shù)字成果內(nèi)業(yè)處理精度與效果，正射相機(jī)拍攝的旁向重疊度和航向重疊度分別為45%和65%，傾斜攝影相機(jī)的航線按照旁向重疊度75%、航向重疊度75%進(jìn)行設(shè)定，激光雷達(dá)的航線按照航帶重疊度10%進(jìn)行設(shè)定。

2 基于無人機(jī)巡檢的鐵路防洪管理體系

2.1 無人機(jī)巡檢成果形式與特點(diǎn)

無人機(jī)搭載正射相機(jī)、視頻相機(jī)、傾斜攝影相機(jī)、激光雷達(dá)等不同載荷，可分別獲取數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）、實(shí)景視頻、三維實(shí)景模型和三維點(diǎn)云模型。其中，三維實(shí)景模型包含DOM，經(jīng)處理可得到數(shù)字地表模型（Digital Surface Model，DSM）；三維點(diǎn)云模型經(jīng)不同處理可得到數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、DSM、數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）等不同數(shù)字成果。無人機(jī)巡檢成果類型如圖2所示。

圖2 無人機(jī)巡檢成果類型

各數(shù)字成果的展示形式、內(nèi)容、精度等特點(diǎn)不同，使得其在鐵路巡檢中的應(yīng)用場(chǎng)景和適用范圍不同。各類無人機(jī)巡檢成果形式與特點(diǎn)，見表5。

表5 不同數(shù)字成果特點(diǎn)

2.2 鐵路防洪管理場(chǎng)景

針對(duì)不同季節(jié)，開展汛前、汛中、汛后防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查以及各類專項(xiàng)排查。根據(jù)各階段防洪管理任務(wù)特點(diǎn)不同，防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查的側(cè)重點(diǎn)也不同［15］。

1）汛前風(fēng)險(xiǎn)隱患排查：對(duì)防洪設(shè)備進(jìn)行全面排查與評(píng)估，確定本年度防洪重點(diǎn)地段及防洪預(yù)搶工程，建立或修訂防洪設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)隱患臺(tái)賬與防洪預(yù)案。

2）汛中風(fēng)險(xiǎn)隱患排查：可分為雨前預(yù)警與響應(yīng)、雨中巡查與處置、雨后檢查與防范，排查水害發(fā)生情況，組織實(shí)施水害搶險(xiǎn)工程。

3）汛后風(fēng)險(xiǎn)隱患排查：對(duì)設(shè)備防洪能力進(jìn)行重新評(píng)估，分析重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)隱患的成因及發(fā)展趨勢(shì)，更新和完善設(shè)備履歷臺(tái)賬及歷史特征。

4）專項(xiàng)排查：根據(jù)線路及周邊環(huán)境特點(diǎn)，不定期開展滑坡、崩塌落石、泥石流、溜坍等地質(zhì)災(zāi)害或其他專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)隱患排查與評(píng)估。

2.3 多層次鐵路防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查體系框架

針對(duì)無人機(jī)巡檢不同成果的特點(diǎn)與適用范圍，結(jié)合現(xiàn)有鐵路防洪管理的方法和具體內(nèi)容，提出了鐵路無人機(jī)多層次防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查體系框架（表6），具體包括以下四個(gè)應(yīng)用層級(jí)。

表6 無人機(jī)多層次鐵路防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查體系框架

1）基于影像功能的沿線風(fēng)險(xiǎn)隱患排查。利用無人機(jī)DOM與實(shí)景視頻快速開展工務(wù)設(shè)備及周邊環(huán)境的表觀風(fēng)險(xiǎn)隱患排查，如廢舊軌枕、彩鋼瓦、地膜等異物侵限，以及主被動(dòng)網(wǎng)、攔石網(wǎng)、漿砌片石等防護(hù)設(shè)備損壞、排水設(shè)備失效等。

2）基于測(cè)繪功能的數(shù)字化臺(tái)賬管理。利用三維點(diǎn)云模型快速建立鐵路沿線DEM，掌握鐵路沿線地形、地貌等基礎(chǔ)勘測(cè)信息，同時(shí)利用激光點(diǎn)云植被穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)鐵路重點(diǎn)區(qū)段的沿線環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行快速排查。傾斜攝影航跡復(fù)雜、采集效率低，但成果可量測(cè)、直觀性強(qiáng)，可對(duì)重點(diǎn)區(qū)段的工務(wù)設(shè)備及沿線環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行定量排查，如工務(wù)設(shè)備幾何形位判斷、工務(wù)設(shè)備表面破損、開裂等排查。三維點(diǎn)云模型和三維實(shí)景模型精度優(yōu)于10 cm。

3）基于多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形變定量分析。利用多期三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，明確隧道洞口仰坡、擋護(hù)設(shè)備、排水設(shè)備及周邊環(huán)境是否發(fā)生變形，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)設(shè)備或區(qū)段的變形定量分析，同時(shí)結(jié)合人工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核與其他影像數(shù)據(jù)排查防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患。

4）基于應(yīng)急搶險(xiǎn)的水害復(fù)舊綜合處置。①利用DOM與實(shí)景視頻快速掌握水害規(guī)模、實(shí)際情況；②利用三維實(shí)景模型量測(cè)水害關(guān)鍵特征參數(shù)，開展水害影響評(píng)估與成因輔助分析；③利用三維點(diǎn)云模型快速獲取水害區(qū)段的平面圖與橫縱斷面圖，直接用于水害搶險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)與分析

邯鄲—長(zhǎng)治鐵路全長(zhǎng)221.7 km，沿線經(jīng)過清漳河和濁漳河兩條主要河流，地質(zhì)情況較為復(fù)雜。2021年5月和7月分別對(duì)邯長(zhǎng)鐵路懸鐘站至桃城站K130+874—K135+900、南峧站至下灣站區(qū)間K151+700—K156+572共計(jì)約10 km長(zhǎng)線路開展了兩次無人機(jī)巡檢。

3.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

按照預(yù)先設(shè)定的航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選用大疆精靈4RTK型無人機(jī)搭載1英寸影像傳感器采集實(shí)景視頻，選用大疆經(jīng)緯M300型無人機(jī)分別搭載塞爾102S傾斜攝影相機(jī)和蜂鳥Genius16激光雷達(dá)（集成索尼A7RⅡ型正射相機(jī)）采集傾斜攝影影像、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM。

飛行任務(wù)結(jié)束后，主要開展傾斜攝影影像、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。在傾斜攝影成果處理方面，首先檢查實(shí)際影像重疊度、像片傾角和旋角、航線彎曲度，攝取覆蓋范圍、影像的清晰度、像點(diǎn)位移等信息，核查數(shù)據(jù)質(zhì)量；然后將控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和影像的定位與定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS）數(shù)據(jù)作為外方位元素的初始值進(jìn)行聯(lián)合平差；最后使用內(nèi)業(yè)處理軟件生成三維實(shí)景模型。在激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方面，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括POS數(shù)據(jù)處理與GPS數(shù)據(jù)差分計(jì)算，將原始數(shù)據(jù)結(jié)算為可操作的LAS格式；然后將LAS格式的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、去噪濾波、分類；最后使用點(diǎn)云專業(yè)處理軟件生成三維點(diǎn)云模型。

3.2 結(jié)果分析

對(duì)邯長(zhǎng)鐵路K130+874—K135+900、K151+700—K156+572區(qū)段的隱患風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面分析。按照路基、橋梁、隧道等典型工務(wù)設(shè)備全覆蓋的原則，選取K132+739—K134+761為代表性區(qū)段，重點(diǎn)闡述該區(qū)段的分析結(jié)果。邯長(zhǎng)鐵路K132+739—K134+761沿線工務(wù)設(shè)備分布情況見表7。

表7 邯長(zhǎng)鐵路K 132+739—K134+761工務(wù)設(shè)備分布情況

3.2.1 基于影像功能的沿線風(fēng)險(xiǎn)隱患排查

根據(jù)鐵運(yùn)〔2008〕96號(hào)《鐵路路基大維修規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定，利用DOM和實(shí)景視頻對(duì)被測(cè)區(qū)段全線的風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)K132+856—K132+885、K134+369—K134+389、K134+403—K134+447共三個(gè)路基區(qū)段在線路兩側(cè)堆放了大量軌枕，同時(shí)K134+369—K134+447區(qū)段存在排水溝排水不暢等隱患，如圖3所示。

圖3 某工點(diǎn)軌枕侵限與排水溝排水不暢

3.2.2 基于測(cè)繪功能的數(shù)字化臺(tái)賬管理

根據(jù)邯長(zhǎng)鐵路重點(diǎn)區(qū)段的三維實(shí)景模型和三維點(diǎn)云模型，通過量測(cè)功能，明確了沿線工務(wù)設(shè)備的分布情況，建立了工務(wù)設(shè)備和風(fēng)險(xiǎn)隱患數(shù)字化臺(tái)賬管理，極大地提升了工務(wù)部門管理效率與水平。典型區(qū)段的三維實(shí)景模型與三維點(diǎn)云模型如圖4所示。

圖4 典型區(qū)段三維實(shí)景模型與三維點(diǎn)云模型

3.2.3 基于多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形變定量分析

針對(duì)被測(cè)區(qū)段的隧道洞口、防護(hù)設(shè)備、排水設(shè)備等重點(diǎn)工務(wù)設(shè)備，利用2021年5月和7月兩期三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)裁剪、去噪、配準(zhǔn)、面變形對(duì)比，直觀分析被測(cè)目標(biāo)的變形情況，如圖5所示。其中藍(lán)色區(qū)域表示被測(cè)目標(biāo)未發(fā)生變形，其余顏色則表示產(chǎn)生變形。由圖5（a）可知，邯長(zhǎng)鐵路K132+856靳家會(huì)1號(hào)隧道洞口未發(fā)生變形，各項(xiàng)工務(wù)設(shè)備服役狀態(tài)良好。根據(jù)圖5（b）和圖5（c）的分析結(jié)果可知，邯長(zhǎng)鐵路K134+447小會(huì)1號(hào)隧道洞口產(chǎn)生變形，且變形主要集中在排水溝附近，結(jié)合三維實(shí)景模型和人工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核情況，確定該處排水溝存在淤堵、排水不暢的隱患。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)多期對(duì)比結(jié)果與變形工點(diǎn)影像

3.2.4 基于應(yīng)急搶險(xiǎn)的水害復(fù)舊綜合處置

邯長(zhǎng)鐵路一路塹高擋墻頂部發(fā)生淺層滑坡，通過無人機(jī)搭載激光雷達(dá)和正射相機(jī)，將三維點(diǎn)云模型與DOM進(jìn)行融合處理，形成了水害工點(diǎn)的三維數(shù)字模型，快速掌握了水害全貌特征，經(jīng)處理得到水害工點(diǎn)的平面地形圖和橫、縱斷面圖（圖6），為水害搶險(xiǎn)工程的快速、科學(xué)設(shè)計(jì)提供了有力支撐。

圖6 一水害工點(diǎn)無人機(jī)巡檢成果

4 結(jié)語

鐵路防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查主要以人工巡檢為主的模式，存在效率低、成本高、人員安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題，無法滿足鐵路大規(guī)模、精細(xì)化、智能化巡檢要求。本文在系統(tǒng)總結(jié)梳理了無人機(jī)飛行平臺(tái)、載荷、航線設(shè)計(jì)、數(shù)字成果等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路防洪管理特點(diǎn)，提出了具備沿線隱患排查、數(shù)字化臺(tái)賬管理、形變定量分析、水害應(yīng)急處置等功能的無人機(jī)多層次鐵路防洪風(fēng)險(xiǎn)隱患排查體系框架，并依托邯長(zhǎng)鐵路進(jìn)行了示范應(yīng)用，為無人機(jī)巡檢技術(shù)在鐵路防洪管理中的應(yīng)用提供了有力支撐。