無人機航攝在鐵路工程中的應用

鄧繼偉

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

隨著無人機應用在測繪領域的快速發展，越來越多的專業航攝設備(比如數碼相機、激光雷達等)逐漸向輕型化、小型化和智能化發展[1]。輕型航攝設備可以充分利用無人機平臺的優勢，開展高精度低空攝影測量，以提高航攝技術的應用范圍和便捷性。

截止2019年底，我國的鐵路運營里程超過13萬km，其中高鐵3.5萬km。在鐵路工程項目的勘察設計、施工建設和運營維護階段中，直接或者間接地對航空攝影存在大量的需求。

1 無人機在鐵路行業的應用現狀

在國內，空域受到民航和空軍的雙重管制。對于中小型的鐵路項目，采用大型固定翼飛機存在準備周期長，單價高，受天氣、空域限制較大，性價比和時效性較差等缺點，亟需一種有效的替代方案。無人機航攝系統憑借其操控簡單、使用靈活、性價比高等特點，在鐵路行業的應用優勢日漸凸顯。

在鐵路行業，無人機航攝技術還沒有得到大規模的應用，且已有的應用多為利用消費級無人機解決局部問題。究其原因主要為：①安全因素制約了無人機在鐵路行業的應用(早期的無人機質量參差不齊，事故率較高，而鐵路行業尤其是對鐵路既有線應用方面的安全管控十分嚴格)；②鐵路工程航攝的各項要求較復雜，簡單的無人機航攝系統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，普通無人機航攝系統作業效率低，難以滿足實際生產應用需要；④無人機搭載的高精度輕型航攝設備發展相對滯后，難以充分發揮無人機航攝系統機動、快速和經濟的優勢。

2 無人機類型及特點分析

無人機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雜的空中飛行任務，被譽為“空中機器人”[2]。

2.1 按結構分類

按照結構分類，無人機可分為固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機和其他飛行平臺[3]。固定翼無人機：機翼固定于機身，靠空氣對機翼的作用力產生飛行升力，水平方向飛行速度較快；無人直升機：由頂部水平旋轉的旋翼提供向上的升力和推進力，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：擁有多個軸，靈活性介于固定翼和直升機之間，具有操縱簡單、起降靈活、成本低等特點[4-5]。

(1)固定翼無人機

根據動力燃料的不同，固定翼無人機可以分為油動和電動兩種；根據起飛方式不同，可以分為滑起滑降、彈射傘降、手拋傘降、垂直起降等。油動和電動固定翼無人機的優缺點對比見表1。

表1 電動和油動固定翼無人機的優缺點對比

(2)多旋翼無人機

常用的多旋翼無人機有四旋翼、六旋翼、八旋翼等，根據不同的使用場景，分別選用與之相適應的傳感器類型和荷載重量。一般情況下，螺旋槳越多，無人機體積越大，可以搭載的傳感器重量越大，其耗電量也越大。多旋翼無人機的主要優缺點見表2。

表2 多旋翼無人機主要優缺點

(3)混合翼無人機

此類無人機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力平飛，飛行結束后再切換為多旋翼動力定點垂直降落。因此，混合翼無人機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據的快速獲取。

圖1 混合翼無人機作業

2.2 按用途分類

按用途劃分，無人機可分為軍用無人機、民用無人機和消費類無人機三大類。

(1)軍用無人機

該類無人機對于靈敏度、飛行高度速度、智能化等要求最高，包括偵察、電子對抗和通信中繼等多種機型。

(2)民用無人機

該類無人機對于速度、升限和航程等要求較低，但對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支持服務。民用無人機市場在未來有很大潛力。

(3)消費級無人機

該類無人機常用于拍攝、娛樂和配送等用途。

3 鐵路工程中無人機航攝的應用需求分析

3.1 鐵路行業常用的無人機集成裝備類型

無人機提供了靈活的空中平臺，可以根據不同的用途和目的選用相適應的“無人機+傳感器”系統。目前，民用無人機可搭載的傳感器主要有：視頻傳感器、影像傳感器、激光雷達傳感器、紅外傳感器和多光譜傳感器等。以下結合其在鐵路行業的實際應用情況進行介紹。

(1)無人機+視頻傳感器

“無人機+視頻傳感器”可用于鐵路工程項目的勘察設計、施工建設和運營維護等各階段。如勘察設計專業調查、施工進度監控，安全監察，環境評估、違規取證、施工初期“三搶”取證、鐵路運營期間巡檢等。最常用的是大疆系列無人機，因其具有作業靈活、操控簡單和性價比高等特點，在全世界范圍內得到了廣泛應用[6]。

(2)無人機+非量測數碼相機

“無人機+非量測數碼相機”多應用于測繪行業，利用無人機平臺搭載非量測數碼相機，進行低空航空攝影或地理信息數據采集，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RTK和PPK技術的不斷發展，以及中大畫幅數碼相機工藝的不斷成熟，無人機航攝的數據獲取效率和質量得到了很大提升，為其在各領域的應用奠定了良好基礎。

(3)無人機+傾斜相機

無人機搭載小型的傾斜相機，可用于小范圍的實景三維數據獲取。該系統從多個角度對地表進行拍攝，獲取地物四周的側面紋理，再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，多用于構建三維虛擬場景、BIM應用、虛擬施工以及大比例地形圖制作等。

(4)無人機+輕型激光雷達

為了適應無人機平臺，機載激光雷達也逐漸輕量化。國外激光雷達制造公司Rigel的VUX-1輕型激光雷達重4 kg，miniVUX-1僅重2.4 kg；國內也有多家公司研發了集成激光雷達系統。無人機搭載輕型激光雷達系統可以在飛行中同步獲取高精度、高密度的三維激光點云與影像數據，在數據類型、定位精度等方面具有明顯優勢，可以為鐵路工程提供各種比例的數字地形圖、影像圖、橫(縱)斷面和三維地形模型等數據，所獲取的數據具有非常好的現勢性，可為鐵路選線、地質、環評和拆遷等提供決策依據[9-10]。

3.2 無人機應用需求

結合近幾年中國鐵設無人機應用情況，從勘察設計、施工建設以及運營養護維修三個方面進行簡要分析(見圖2)。

圖2 無人機在鐵路行業應用需求分析

(1)勘察設計階段

①大比例地形圖制作：由于方案修改導致原地形圖范圍不夠，需要利用無人機航測快速補圖。

②地質調查：通過無人機三維遙感技術獲取地質體的形狀、大小、位置及特性，這種非接觸方式在地質選線上具有極大的優勢，提高了地質調查的效率和精度。

③困難地區輔助調查踏勘：在困難地形條件下，如高邊坡，山區隧道洞口、山頂、跨河等，采用無人機航攝可以大幅提高工作效率且安全性較高。

④環境評估及車站調查：鐵路沿線環境評估及車站調查需要拍攝局部影像和視頻資料，僅靠人工調查難以滿足專業需求。

⑤BIM三維場景制作：通過無人機傾斜攝影，為BIM設計提供三維實景模型，為方案比選和虛擬施工提供基礎數據[11]。

⑥方案展示：利用“無人機視頻+設計方案”融合方式，直觀展示設計方案的合理性，提升方案展示質量和效果。

(2)施工建設階段

①“三搶”取證：建設初期，為防止劃定紅線內發生“三搶”，可提前利用無人機拍攝影像或者視頻，留取法律證據。

②工程進度監理：建設過程中，管理部門利用無人機進行定期巡視，留取進度資料，建立施工進度三維平臺，輔助開展施工組織安排。

③施工環境評估：對沿線局部重點滑坡、泥石流等進行視頻或者影像資料錄制，并據此完成估分析[12]。

④施工質量監督：施工建設過程中，管理部門對施工質量進行監督取證(例如：防護措施是否到位，取棄土場是否是否按照設計到指定位置取棄土，棄土場的防護是否符合要求等)[13]。

(3)運營維護階段

①運營維護三維場景搭建：利用無人機航攝獲取高分辨率、高時效性影像數據，搭建鐵路沿線三維地形場景，為管理部門提供基礎地理信息數據，大幅提升運營維護的信息化水平。

②安全巡檢：利用無人機對鐵路沿線進行定期巡檢，快速識別風險源(接觸網、非法侵線、非法工程及高危目標等)[14]。

③環境變化監測：對鐵路沿線的地表環境變化情況進行監控，為智能運維管理提供實時資料。

④危巖落石監控：危巖落石會嚴重威脅山區鐵路建設及行車安全[15]，利用無人機監控可以為安全運維提供實時預警。

4 應用案例

4.1 基于無人機的大比例地形圖測繪

(1)項目概況

河北境內某鐵路鐵路項目約15 km長的線位超出既有航攝資料的范圍，計劃采用無人機航攝方案進行該段落約15 km2的1∶2 000地形圖制作。測區沿線地勢平坦、地物較少，有利于無人機的航空攝影(見圖3)。

圖3 航帶設計與像控點采集

(2)飛行平臺及傳感器選擇

本次航飛采用輕型固定翼無人機，巡航速度為80～120 km/h，單架次有效巡航時間為2 h。搭載Sony A7RII全畫幅微單相機(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%。共設計了兩個分區、10條航線、6條構架航線，產生了957張影像。

(4)航飛精度

基于該無人機航攝測繪的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級地形的精度要求。

4.2 在建鐵路隧道滑坡監測

(1)項目概況

浙江某鐵路項目施工過程中，發現隧道口施工場地邊坡有滑坡跡象，采用無人機傾斜攝影三維實景建模的方式對該區域進行為期一周的監測。

(2)飛行平臺及傳感器選擇

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

(3)飛行方案

設計了地面分辨率為3 cm的航線，在疑似滑坡的周圍布設像控點，每天拍攝一次，采用PhotoMesh軟件進行三維重建。

(4)監測效果

對重建的三維實景模型(見圖4)進行量測比對分析，出具報告，由圖4可知，該方法展示直觀、計算精確，得到了參建各方的好評。

圖4 無人機傾斜攝影在某鐵路隧道滑坡監測中的應用

5 結束語

綜上所述，無人機航空攝影技術既減少了外業人員、設備的投入，又降低了安全風險，充分體現了無人機系統高靈活性和低成本的優勢，提高了工作效率和經濟效益。隨著“無人機+”技術的快速發展，無人機航攝系統將在鐵路工程全生命周期中發揮更大的作用。