鄧?yán)^偉

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

1 概述

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模的不斷擴(kuò)大,以無(wú)人機(jī)、激光雷達(dá)為代表的一大批高新智能裝備應(yīng)用比例不斷提升,可達(dá)到降低時(shí)間成本和人力成本,提高鐵路工程管理能力的目標(biāo)。靜態(tài)驗(yàn)收工作是對(duì)鐵路施工建設(shè)的全方位檢核,是投入運(yùn)營(yíng)的重要前提環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)靜態(tài)驗(yàn)收中,主要通過(guò)各專業(yè)驗(yàn)收人員到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照設(shè)計(jì)文件,相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定進(jìn)行檢查[2]。傳統(tǒng)靜態(tài)驗(yàn)收主要存在以下問(wèn)題:①驗(yàn)收過(guò)程數(shù)據(jù)資料以紙質(zhì)資料為主,無(wú)法直觀顯示、留存鐵路工程的建設(shè)情況;②某些高危路段(涉水大橋、高危陡坡等),驗(yàn)收人員難以到達(dá)現(xiàn)場(chǎng);③各專業(yè)間協(xié)同不夠緊密,對(duì)于單個(gè)工點(diǎn)需要逐專業(yè)進(jìn)行驗(yàn)收,驗(yàn)收數(shù)據(jù)專業(yè)間共享較困難。

針對(duì)以上問(wèn)題,已有學(xué)者開展相關(guān)研究,李西棟等對(duì)達(dá)標(biāo)驗(yàn)收實(shí)施過(guò)程中的靜態(tài)驗(yàn)收關(guān)鍵技術(shù)、動(dòng)態(tài)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)、達(dá)標(biāo)驗(yàn)收關(guān)鍵技術(shù)條件進(jìn)行分析,為高速鐵路營(yíng)業(yè)線達(dá)標(biāo)驗(yàn)收提供參考[3];徐建超等研究無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在鐵路竣工環(huán)保驗(yàn)收中的應(yīng)用,指出無(wú)人機(jī)區(qū)域遙感可為鐵路的環(huán)保驗(yàn)收提供高時(shí)效、多視角數(shù)據(jù)[4];耿小平等提出基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)輔助橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)管理的方法,可減少現(xiàn)場(chǎng)管理盲區(qū),提高現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的安全性和可視性[5]。

以下在前期既有研究基礎(chǔ)上,對(duì)基于無(wú)人機(jī)綜合巡線的輔助智能驗(yàn)交技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)構(gòu)建三維可視化的數(shù)字鐵路工程,以期實(shí)現(xiàn)從虛擬感觀、定量化量測(cè)到智能化分析,為施工建設(shè)管理、靜態(tài)驗(yàn)收、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

2 無(wú)人機(jī)綜合巡線技術(shù)

2.1 無(wú)人機(jī)及航攝傳感器要求

(1)無(wú)人機(jī)+視頻傳感器

無(wú)人機(jī)具有云臺(tái),并具備4K視頻的采集能力;配備GNSS和IMU,且慣導(dǎo)頻率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可獲取無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)[6]。

(2)無(wú)人機(jī)+影像傳感器

無(wú)人機(jī)具有云臺(tái)和高清影像采集能力。配備GNSS和IMU,且慣導(dǎo)頻率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可獲取無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)。

(3)無(wú)人機(jī)+傾斜攝影相機(jī)

無(wú)人機(jī)配備GNSS和IMU,且慣導(dǎo)頻率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可獲取無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置和姿態(tài);相機(jī)總像素不低于1.2億[7]。

(4)無(wú)人機(jī)+輕型激光雷達(dá)

無(wú)人機(jī)配備輔助RTK/PPK定位系統(tǒng),搭載輕型激光雷達(dá)系統(tǒng)和同步拍攝相機(jī)[8];激光雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 激光雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)

2.2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理

(1)高清視頻數(shù)據(jù)處理

針對(duì)無(wú)人機(jī)高清視頻數(shù)據(jù)量大、碼率高、傳輸速度慢及無(wú)空間定位信息等特點(diǎn),數(shù)據(jù)采集完成后,需要進(jìn)行低損壓縮、視頻數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布及視頻地形信息數(shù)據(jù)編碼等處理,以提升無(wú)人機(jī)高清視頻的共享性,建立視頻數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)、鐵路專題數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系[9]。

(2)高清影像屬性信息提取

對(duì)無(wú)人機(jī)拍的各重要工點(diǎn)大量高清影像進(jìn)行預(yù)處理,提取拍攝影像的地理空間坐標(biāo)、飛行姿態(tài)、焦距、像元尺寸、像幅大小等重要基礎(chǔ)信息;通過(guò)建立影像與屬性信息的索引關(guān)系,實(shí)現(xiàn)影像的地理信息化。

(3)局部高清數(shù)字地形更新

基于無(wú)人機(jī)的低空攝影測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的DSM(數(shù)字表面模型)和DOM(數(shù)字正射影像)的快速更新,提升重要工點(diǎn)的地形展示和量測(cè)時(shí)效性[10]。

(4)實(shí)景三維模型重建

無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理的基本流程是通過(guò)多視影像聯(lián)合平差、影像密集匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、三維模型紋理映射等過(guò)程最終實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型重建。

(5)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理包括以下內(nèi)容:點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理,包括POS和LAS數(shù)據(jù)解算等;DOM制作及激光點(diǎn)云賦色;點(diǎn)云的濾波和分類;基于分類后點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建高精度的DSM和DEM(數(shù)字高程模型)。

2.3 無(wú)人機(jī)綜合巡線技術(shù)應(yīng)用

(1)工程進(jìn)度展示

利用無(wú)人機(jī)巡檢快速掌握工程進(jìn)度情況。一方面,通過(guò)不同期次的無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,可以獲取該時(shí)間段內(nèi)的施工進(jìn)展速度和情況;另一方面,通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)和管理,可以對(duì)各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的建設(shè)歷史資料進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢和展示[11]。

(2)施工過(guò)程監(jiān)控

在鐵路工程施工和靜態(tài)驗(yàn)收階段,施工與設(shè)計(jì)的一致性關(guān)乎項(xiàng)目的管理、質(zhì)量乃至安全。通過(guò)定期、不定期的無(wú)人機(jī)巡檢,可以有效掌握施工和現(xiàn)場(chǎng)情況,達(dá)到設(shè)計(jì)一致性抽檢的作用。

(3)環(huán)水保應(yīng)用

利用“無(wú)人機(jī)+地表環(huán)境檢測(cè)(監(jiān)測(cè))傳感器”,通過(guò)無(wú)人機(jī)定期巡檢的方式,對(duì)無(wú)人機(jī)視頻、影像及多光譜等數(shù)據(jù)源進(jìn)行分類別提取,篩選出鐵路工程沿線的環(huán)水保問(wèn)題數(shù)據(jù),可以進(jìn)行施工紅線管理,施工期水環(huán)境監(jiān)測(cè),自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)監(jiān)測(cè),環(huán)水保專題數(shù)據(jù)庫(kù)建立等工作。

3 靜態(tài)驗(yàn)交應(yīng)用與數(shù)據(jù)提交

鐵路靜態(tài)驗(yàn)收的內(nèi)容主要包括外業(yè)檢查和內(nèi)業(yè)檢查。外業(yè)檢查包括觀感質(zhì)量檢查、主要功能檢查和實(shí)體質(zhì)量的抽查等;內(nèi)業(yè)檢查包括內(nèi)業(yè)資料的完整性和全面性檢查,及對(duì)有關(guān)內(nèi)業(yè)重點(diǎn)資料的抽查等,檢查結(jié)果應(yīng)符合相關(guān)專業(yè)要求。利用無(wú)人機(jī)輔助靜態(tài)驗(yàn)交的方式,可以根據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)成果,在內(nèi)業(yè)直接檢查觀感質(zhì)量和輔助專項(xiàng)問(wèn)題整治,不僅可以提升作業(yè)效率,還可以形成數(shù)字化存檔資料。

3.1 全線層面數(shù)據(jù)應(yīng)用

利用全線中等分辨率精度的數(shù)據(jù)地形模型和傾斜實(shí)景模型構(gòu)建三維場(chǎng)景(見圖1),并加入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)圖層,結(jié)合無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行全線宏觀驗(yàn)收。具體包括:線路的運(yùn)營(yíng)環(huán)境,軌道、四電設(shè)施、界樁的布設(shè)情況,以及沿線臨時(shí)用地的拆遷整理和復(fù)耕復(fù)墾情況[12]。

圖1 鐵路三維可視化場(chǎng)景

3.2 工點(diǎn)層面數(shù)據(jù)觀感應(yīng)用

綜合利用無(wú)人機(jī)高清影像、視頻、DSM+DOM、傾斜實(shí)景三維模型等數(shù)據(jù)結(jié)合各個(gè)專業(yè)的檢查項(xiàng)目需求,開展鐵路工程工點(diǎn)層面的觀感輔助驗(yàn)交工作。

(1)無(wú)人機(jī)高清影像

利用無(wú)人機(jī)及其可變焦光學(xué)相機(jī)逐工點(diǎn)、分專業(yè)、逐構(gòu)件進(jìn)行高清照片或視頻影像的拍攝,同時(shí)可以進(jìn)行多期視頻比對(duì)(見圖2),以便更加清楚、直觀地輔助完成靜態(tài)驗(yàn)交。

圖2 多期視頻比對(duì)

①橋梁專業(yè):對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁、橋面及附屬設(shè)施、救援設(shè)施、橋梁排水設(shè)施等分別進(jìn)行拍攝,利用人工智能與人工目視判讀相結(jié)合的方式對(duì)發(fā)現(xiàn)的疑似點(diǎn)位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí),確保驗(yàn)交的準(zhǔn)確性[13]。

②隧道專業(yè):對(duì)端墻、擋翼墻、排水、截水設(shè)施、銘牌、檢查梯、排水溝出口、邊坡等目標(biāo)進(jìn)行高清拍攝,獲取目標(biāo)高清影像,通過(guò)影像解譯,判斷隧道整體及構(gòu)件觀感質(zhì)量情況。

③環(huán)水保專業(yè):對(duì)生態(tài)保護(hù)區(qū)、稀瀕危動(dòng)植物、文物古跡等進(jìn)行檢查拍照、錄制視頻,從而判釋保護(hù)措施的完成情況。對(duì)大型臨時(shí)工程的防護(hù)措施,聲屏障的外觀通過(guò)拍攝全景照片、視頻影像的方式進(jìn)行可視化描述,對(duì)防護(hù)措施進(jìn)行核實(shí)判定。

④路基專業(yè):對(duì)路塹邊坡、擋土墻砌筑(安裝)、漿砌(干砌)護(hù)坡、植物防護(hù)及綠化等目標(biāo)進(jìn)行全景照片拍照和視頻錄制,專業(yè)人員再進(jìn)行室內(nèi)輔助核驗(yàn)。

(2)高精度“DSM+DOM”

基于無(wú)人機(jī)低空攝影制作的高精度“DSM+DOM”,可以進(jìn)行如下應(yīng)用。

①線路專業(yè):對(duì)沿線設(shè)施進(jìn)行普查,檢查線外目標(biāo)是否存在侵線,以及對(duì)目標(biāo)與線路距離進(jìn)行空間量測(cè)分析,見圖3。

圖3 高精度DOM

②站場(chǎng)專業(yè):進(jìn)行信息標(biāo)志存在性檢查以及距離量測(cè),對(duì)排水溝與正線的位置進(jìn)行空間量測(cè)。

③環(huán)水保專業(yè):對(duì)植被、水體、裸土等目標(biāo)進(jìn)行分類,基于分類結(jié)果進(jìn)行水土流失情況、植被的覆蓋率計(jì)算,精確掌握復(fù)墾復(fù)耕情況。

(3)無(wú)人機(jī)傾斜實(shí)景三維模型

①線路專業(yè):利用沿線實(shí)景三維模型,對(duì)線路地界樁位置及設(shè)置情況進(jìn)行觀感檢查和間距量測(cè)分析。

②路基專業(yè):利用路基段落的實(shí)景三維模型對(duì)路基面、路基邊坡排水溝槽,防護(hù)柵欄,排水設(shè)施,電纜槽等進(jìn)行觀感質(zhì)量檢查,見圖4。

圖4 高精度傾斜實(shí)景三維模型

③環(huán)水保專業(yè):利用沿線實(shí)景三維模型對(duì)生態(tài)保護(hù)警示標(biāo)識(shí),聲屏障位置、型號(hào),動(dòng)物通道的規(guī)格、尺寸進(jìn)行虛擬驗(yàn)交。

3.3 竣工驗(yàn)收專項(xiàng)整治應(yīng)用

(1)外部環(huán)境整治應(yīng)用

綜合運(yùn)用無(wú)人機(jī)實(shí)景三維、高精度正射影像數(shù)據(jù)開展沿線外部環(huán)境整治工作。提取硬質(zhì)漂浮物、輕質(zhì)漂浮物、違法堆放類等危險(xiǎn)源,開展風(fēng)險(xiǎn)源分析(危險(xiǎn)源分類、與線路位置關(guān)系、距離),形成危險(xiǎn)目標(biāo)清單,見圖5,為建設(shè)單位與地方政府聯(lián)合專項(xiàng)整治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 外部環(huán)境整治目標(biāo)提取

(2)危巖落石整治應(yīng)用

利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行隧道上方、高邊坡區(qū)域的危巖落石和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查;通過(guò)無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與高精度三維重建;利用實(shí)景三維數(shù)據(jù)提取落石位置、幾何參數(shù)、線路距離、巖石走向、傾向等參數(shù);利用提取的參數(shù)結(jié)合高精度地形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)下落軌跡、沖擊能量估算(見圖6、圖7)。

圖6 危巖落石整治

圖7 下落軌跡和沖擊能量估算

3.4 驗(yàn)交成果提交

在鐵路工程驗(yàn)交中,應(yīng)用無(wú)人機(jī)可達(dá)到厘米級(jí)測(cè)量精度,有效提升驗(yàn)收過(guò)程可追溯性,形成無(wú)人機(jī)數(shù)字化驗(yàn)交成果數(shù)據(jù)。

(1)提交數(shù)據(jù)內(nèi)容

①全線數(shù)據(jù):包括全線巡線視頻、數(shù)字正射影像、中等分辨率的傾斜模型等,用于從宏觀角度為全線靜態(tài)驗(yàn)收提供直觀數(shù)據(jù),為線路外部環(huán)境、環(huán)水保驗(yàn)收等提供有力數(shù)據(jù)支持。

②工點(diǎn)數(shù)據(jù):以工點(diǎn)為單位,進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)化管理,為各工點(diǎn)各專業(yè)的靜態(tài)驗(yàn)收提供數(shù)據(jù)支持,具體包括高精度激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、高分辨率影像和高精度傾斜實(shí)景三維模型。

③應(yīng)用報(bào)表:針對(duì)無(wú)人機(jī)多源數(shù)據(jù)觀感與專項(xiàng)整治應(yīng)用形成各專業(yè)A、B問(wèn)題和專項(xiàng)整治目標(biāo)清單。

(2)數(shù)據(jù)提交方式

①系統(tǒng)化提交:通過(guò)構(gòu)建鐵路靜態(tài)驗(yàn)收私有云,在云端實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的存儲(chǔ)、管理與應(yīng)用,采用以現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收為主,云端虛擬驗(yàn)收為輔的技術(shù)思路,開展無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)虛擬化驗(yàn)交工作。

②歸檔數(shù)據(jù)提交:在靜態(tài)驗(yàn)收結(jié)束后,將驗(yàn)交過(guò)程中使用的無(wú)人機(jī)照片、視頻、模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用格式,歸檔數(shù)據(jù)及報(bào)表清單按照規(guī)范進(jìn)行分專業(yè)、分工點(diǎn)歸類,隨紙質(zhì)材料同步進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔。

4 “BIM+GIS”融合技術(shù)應(yīng)用展望

鐵路竣工驗(yàn)交工作周期長(zhǎng)、任務(wù)復(fù)雜,亟需采用先進(jìn)技術(shù)手段,優(yōu)化竣工驗(yàn)交工作方式,提高竣工驗(yàn)交的質(zhì)量和效率;另外,為運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供初始工程狀態(tài)也非常重要。因此,統(tǒng)籌考慮驗(yàn)收、交付、運(yùn)維,以“BIM+GIS”融合技術(shù)為基礎(chǔ),建立統(tǒng)一的鐵路工程竣工驗(yàn)交管理平臺(tái),集成和管理竣工驗(yàn)交資料,打造數(shù)字孿生鐵路,輔助鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)[14]。

4.1 智能分析技術(shù)

基于影像和點(diǎn)云大數(shù)據(jù),利用人工智能、云計(jì)算等智能分析技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值是未來(lái)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。綜合發(fā)掘點(diǎn)云、影像等數(shù)據(jù)資料,利用大數(shù)據(jù)和智能分析技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)鐵路周邊環(huán)境因素的自動(dòng)分類,識(shí)別鐵路周邊安全隱患,并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、分析。

4.2 驗(yàn)交平臺(tái)建設(shè)

綜合應(yīng)用“BIM+GIS”融合技術(shù),集成基礎(chǔ)地形、設(shè)計(jì)資料、施工過(guò)程資料、靜態(tài)驗(yàn)收資料,采用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)獲取處理與發(fā)布技術(shù)、鐵路信息模型建模技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合集成與管理技術(shù)等,建立三維驗(yàn)交管理平臺(tái),構(gòu)建數(shù)字化、可視化場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備瀏覽、定位和查詢。

4.3 拓展運(yùn)維應(yīng)用

快速建立資產(chǎn)臺(tái)賬,在高精度三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)工務(wù)、電務(wù)、供電、房建以及其他專業(yè)鐵路設(shè)施設(shè)備模型的瀏覽定位,將設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的資料進(jìn)行整理編碼建庫(kù),建立與相關(guān)設(shè)施設(shè)備模型的關(guān)聯(lián);綜合利用已有監(jiān)測(cè)檢測(cè)設(shè)備,集成多種傳感器的數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)檢測(cè)成果[15],建立運(yùn)維數(shù)據(jù)與BIM模型關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線查看、分析及評(píng)估。

4.4 模型和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合竣工驗(yàn)交和運(yùn)維管理需求,梳理現(xiàn)有的各專業(yè)數(shù)據(jù)和模型表達(dá)內(nèi)容、表現(xiàn)方式、模型精度以及深度等;在數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)入庫(kù)和數(shù)據(jù)接口方面進(jìn)行總結(jié)提煉,形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),如設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)分類編碼及入庫(kù)規(guī)則;施工過(guò)程資料數(shù)據(jù)庫(kù)的接入規(guī)則及數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn);驗(yàn)交資料數(shù)據(jù)的入庫(kù)規(guī)則和應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn);業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)的接入規(guī)則及數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)等。

5 結(jié)論

無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、采集精度高及視場(chǎng)廣等特性,深入研究無(wú)人機(jī)搭載輕量化傳感器輔助開展輔助智能驗(yàn)交工作可行性,得出以下結(jié)論。

(1)綜合利用無(wú)人機(jī)巡檢視頻、高清影像、激光雷達(dá)和傾斜攝影等多種作業(yè)方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路工程的三維可視化現(xiàn)實(shí)重構(gòu)。以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),可在一定程度上實(shí)現(xiàn)鐵路工程的直觀感知、定量分析、專業(yè)間高效數(shù)據(jù)共享等,輔助各專業(yè)解決重要或復(fù)雜工點(diǎn)的靜態(tài)驗(yàn)交工作。

(2)基于無(wú)人機(jī)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助驗(yàn)交,其應(yīng)用范圍主要集中在觀感驗(yàn)交和實(shí)體質(zhì)量的定量量測(cè)等方面,但無(wú)法對(duì)鐵路工程的功能性進(jìn)行檢驗(yàn)。

(3)基于無(wú)人機(jī)技術(shù)、BIM+GIS、多傳感器等高新技術(shù)構(gòu)建起基于三維真實(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生鐵路工程,可用于鐵路工程的靜態(tài)驗(yàn)收,后期運(yùn)營(yíng)維護(hù),實(shí)現(xiàn)由數(shù)字鐵路到智慧鐵路的轉(zhuǎn)換。