飛馬無人機在高寒、高海拔鐵路施工測量中的應用探討

朱峰 譙生有 周建東

摘要：隨著無人機硬件和軟件技術的不斷提升，利用無人機加載多鏡頭進行低空傾斜攝影測量技術手段，獲取高精度地形地貌信息和高清晰度正射影像，在鐵路施工測量中應用越來越多。某鐵路平均海拔在4000m左右具有高寒、高海拔、地形復雜、垂直落差大等特點，利用飛馬多旋翼無人機，機身重量輕、長航時、垂直起降的優(yōu)勢及“鐵五精測GIS信息平臺”無人機巡檢系統(tǒng)，對某鐵路超長隧道各洞口工點及線路帶狀地形進行了傾斜攝影測量，總結了高海拔地區(qū)無人機傾斜攝影測量的經驗。

關鍵詞：無人機航測技術;高寒、高海拔;施工測量;技術應用

引言

近年來，低空無人機在各行各業(yè)中的應用飛速發(fā)展，在鐵路工程施工測量中的應用越來越普遍，尤其在工程開工前期，需要快速獲取重點結構物線路帶狀三維模型或數(shù)字正射影像，為快速開展現(xiàn)狀核查和施工場地布設提供決策依據(jù)，高海拔、垂直落差大的鐵路施工地區(qū)，高原反應顯著，采用人工數(shù)字化測圖幾乎無法實現(xiàn)，而長航時、垂直起降，定點起降，操作簡便的低空無人機航測技術勞動強度小，對起降點地形要求不高，大大提高了施工測量的效率，降低了勞動強度，具有顯著的優(yōu)勢。

1 飛馬無人機航測系統(tǒng)的特點

D2000飛馬旋翼無人機系統(tǒng)的特點是多個旋翼，能長時間續(xù)航，機型小巧，外觀可同時把傾斜攝影、可見光視頻及熱紅外遙感等多種類型的功能模塊實現(xiàn)一機搭載，能在多元化基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的全方位采集。

飛馬無人機管家可提供數(shù)據(jù)信息的采集處理，顯示管理以及維護等一站式服務，它對飛行平臺的支持包括旋翼和固定翼，航線模式的適應飛行類型很廣，對真三維地形數(shù)據(jù)三維航線精準規(guī)劃，飛行質檢的快捷服務，實時三維飛行，維護保養(yǎng)的智能化服務，預處理數(shù)據(jù)工具箱以及精確控制的智能成圖。

1.1.機身小巧操控簡單

飛馬D2000無人機具有體型輕巧且操作簡單靈活的特點，對駕駛員操控無人機的技術要求難度較小。需在飛行過程中嚴密監(jiān)測機身飛行狀態(tài)，它小巧的機身體積讓自重得到最大限度的縮減[1]，飛行移動得以更加靈活，更容易操控它的起降，不用再勞神費力選擇起降地點，可以隨時隨地起降，它對風向變化的適應性非常強，能巧妙借用來控制自身的飛行振動，在進行航空拍攝時就可最大限度地避免誤差。

1.2高精度航怕

飛馬無人機可以較容易地實現(xiàn)高清專業(yè)測繪儀器和航拍設備的攜帶，加載的多鏡頭傾斜攝影測量和強大的數(shù)據(jù)處理功能，能確保質量精準的航拍影像，借助現(xiàn)代信息技術衍生的智能技術完成自動化和智能化極高的航拍測繪，繁重的外業(yè)和內業(yè)工作負擔得以大幅緩解，測量質量和效率得以大幅度提升?？梢詫崿F(xiàn)地理信息低空遙感勘測，能勝任低空環(huán)境，因而在工程測量和搶險救災中得到普遍使用[2]。

2.無人機航測系統(tǒng)和應用要點

2.1.無人機應用現(xiàn)狀

工程測量和航拍數(shù)據(jù)信息采集等產業(yè)迎來了迅猛發(fā)展的大好時光，截至目前，無人機航測的應用已經在多各領域得到大力推廣，尤其是在鐵路、公路、電力、農業(yè)、軍事等各個領域的作用更是舉足輕重，為國家經濟發(fā)展，社會進步做出了顯著的貢獻。

3 飛馬D2000無人機在川藏鐵路施工應用案例

3.1工程概況

某鐵路工程標段正線長度30km，包含隧道28966m/3座、橋梁1557.7m/4座、車站1座，該測區(qū)施工區(qū)域最高海拔約為4500m，最底海拔約為3500m，平均海拔約為4000m，海拔落差達1000m。

3.2航測生產流程

根據(jù)該項目施工需要，制定航測生產流程如下圖1所示

3.3航測作業(yè)主要內容

本次航測內容是轄區(qū)內工程結構物，其中包括特長隧道6個斜井及出口洞門施工段、兩處棄渣場、施工便道、炸藥庫、應急中心、中心實驗室駐地臨建、容積、選址等航測任務。無人機一個駕次電池理論續(xù)航時間為45分種左右，由于測區(qū)處于高寒、高海拔地區(qū)，該測區(qū)一個駕次電池平均實際續(xù)航為30分種左右。本次航測作業(yè)共飛行25架次，獲取航拍相片數(shù)量8萬余張。

3.4航測參數(shù)設置

飛馬D2000無人機搭載OP-3000相機，加載5鏡頭，影像地面分辨率2cm，飛行拍攝模式為傾斜式，控制點平面中誤差2cm內，高程中誤差5cm內，航向重疊度80%和旁向重疊度為65%，轄區(qū)內地形較平坦的場地臨建、棄渣場及便道等區(qū)域相對航高設置為200m，對于斜井、隧道洞門段等地形落差大，山嶺陡峭區(qū)域采用仿地飛行模式。

3.5 GIS信息平臺的應用

應用具有自主知識產權的“鐵五精測GIS信息平臺”無人機巡檢系統(tǒng)對航測成果進行切片提取、模型與失量文件疊加、參數(shù)計算、虛擬放樣檢測、量測檢測、定位標注、提取剖面線計算工程量、可視化實景3D漫游等功能。

鐵五精測GIS信息平臺可實現(xiàn)以下功能：

（1）GIS信息平臺支持多類型文件格式導入，坐標系設置參數(shù)計算，測區(qū)坐標系為CGCS2000坐標系橢球體參考，中央子午96°00′標準3度帶，利用GIS信息平臺參數(shù)計算功能，可以投影轉化到對應的工程獨立坐標系中。

（2）虛擬放樣功能，系統(tǒng)平臺可對標記語言和電腦輔助設計軟件格式矢量文件提供導入支持，自動選擇拍攝測量建筑物的關鍵部位并據(jù)此生成三維立體模型與矢量文件進行疊加匹配，可對施工結構物成品或半成品位置、結構尺寸進行測量檢核，并對檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，篩選出位置或尺寸偏差不符合要求的結構物生成報告，防止施工放樣中粗差產生。

（3）量測、查詢和定位功能，在實體模型上對結構物進行規(guī)格尺寸準確性的檢測，幫助決策部門規(guī)劃部署施工便道和工程選址，大量節(jié)約工程成本費用，利用構建的三維立體模型還可對坐標進行查詢和定位，實現(xiàn)“所見即所得”，還能實現(xiàn)地標的同步保存。車站量測、查詢和定位展示，如下圖2。

（4）提取剖面線計算工程量功能，可利用無人機航測得到的路基影像資料，生成三維立體模型和工程地形圖，從而實現(xiàn)管段原地面現(xiàn)狀核查。中心實驗室臨建提取剖面線計算工程量展示，如下圖3。

（5）工點日志功能，無人機航測能準確拍攝記錄管段施工全過程，詳細反應施工現(xiàn)場的各種變化情況并標注備忘在三維立體模型。特長隧道進口施工概況展示，如下圖4。

（6）VR漫游展示功能，可實現(xiàn)施工區(qū)域的完整性拍攝，提供清晰影像實現(xiàn)電子沙盤功能，當施工內容發(fā)生變更時可提供準確參考。

（7）GIS信息平臺Web端拓展，將大量的航測成果存儲在云端減少本地資源占用，并可供多人同時在不同平臺上清晰瀏覽工程區(qū)域的三維場景。

5 小結

通過此次航測項目的實施，得出如下幾點結論：

（1）飛馬無人機長航時多鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)，能夠較好地適應高寒、高海拔地區(qū)大落差地形，對于高海拔冬季寒冷氣候條件下，電池實際續(xù)航時間約減少25%左右。

（2）高海拔地區(qū)高原反應較為顯著，人工測圖實現(xiàn)難度極大，無人機航測自動化程度高，可以有效降低勞動強度，提高作業(yè)效率。

（3）應用GIS應用平臺可以充分發(fā)揮無人機航測數(shù)據(jù)在施工測量中的應用效果。

參考文獻：

[1]周長志，陳瑞聰，李濤，苑慶中.河湖劃界測量應用探討——以聊城市河湖水利工程為例[J].測繪通報，2020（08）：105-107.

[2]吳迪軍，張建軍，李劍坤，熊偉，何廣源.帶狀區(qū)域無人機航測像控點布測方法研究[J].鐵道勘察，2017，43（06）：5-9.