无人机航摄在铁路工程中的应用

邓继伟

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

随着无人机应用在测绘领域的快速发展，越来越多的专业航摄设备(比如数码相机、激光雷达等)逐渐向轻型化、小型化和智能化发展[1]。轻型航摄设备可以充分利用无人机平台的优势，开展高精度低空摄影测量，以提高航摄技术的应用范围和便捷性。

截止2019年底，我国的铁路运营里程超过13万km，其中高铁3.5万km。在铁路工程项目的勘察设计、施工建设和运营维护阶段中，直接或者间接地对航空摄影存在大量的需求。

1 无人机在铁路行业的应用现状

在国内，空域受到民航和空军的双重管制。对于中小型的铁路项目，采用大型固定翼飞机存在准备周期长，单价高，受天气、空域限制较大，性价比和时效性较差等缺点，亟需一种有效的替代方案。无人机航摄系统凭借其操控简单、使用灵活、性价比高等特点，在铁路行业的应用优势日渐凸显。

在铁路行业，无人机航摄技术还没有得到大规模的应用，且已有的应用多为利用消费级无人机解决局部问题。究其原因主要为：①安全因素制约了无人机在铁路行业的应用(早期的无人机质量参差不齐，事故率较高，而铁路行业尤其是对铁路既有线应用方面的安全管控十分严格)；②铁路工程航摄的各项要求较复杂，简单的无人机航摄系统无法很好地解决铁路勘测难题；③铁路工程呈带状特征，跨度较大，普通无人机航摄系统作业效率低，难以满足实际生产应用需要；④无人机搭载的高精度轻型航摄设备发展相对滞后，难以充分发挥无人机航摄系统机动、快速和经济的优势。

2 无人机类型及特点分析

无人机是无人驾驶飞行器的简称(UAV)，可以在无人驾驶的条件下完成复杂的空中飞行任务，被誉为“空中机器人”[2]。

2.1 按结构分类

按照结构分类，无人机可分为固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机和其他飞行平台[3]。固定翼无人机：机翼固定于机身，靠空气对机翼的作用力产生飞行升力，水平方向飞行速度较快；无人直升机：由顶部水平旋转的旋翼提供向上的升力和推进力，可以垂直升降、悬停、小速度向前或向后飞行，但速度较低、油耗量较高、航程较短；多旋翼无人机：拥有多个轴，灵活性介于固定翼和直升机之间，具有操纵简单、起降灵活、成本低等特点[4-5]。

(1)固定翼无人机

根据动力燃料的不同，固定翼无人机可以分为油动和电动两种；根据起飞方式不同，可以分为滑起滑降、弹射伞降、手抛伞降、垂直起降等。油动和电动固定翼无人机的优缺点对比见表1。

表1 电动和油动固定翼无人机的优缺点对比

(2)多旋翼无人机

常用的多旋翼无人机有四旋翼、六旋翼、八旋翼等，根据不同的使用场景，分别选用与之相适应的传感器类型和荷载重量。一般情况下，螺旋桨越多，无人机体积越大，可以搭载的传感器重量越大，其耗电量也越大。多旋翼无人机的主要优缺点见表2。

表2 多旋翼无人机主要优缺点

(3)混合翼无人机

此类无人机采用固定翼和多旋翼组合的方式(见图1)，先用多旋翼垂直起飞，到空中后切换成固定翼动力平飞，飞行结束后再切换为多旋翼动力定点垂直降落。因此，混合翼无人机既拥有多旋翼的便利性，也拥有固定翼的高效率，适用于中小范围航摄数据的快速获取。

图1 混合翼无人机作业

2.2 按用途分类

按用途划分，无人机可分为军用无人机、民用无人机和消费类无人机三大类。

(1)军用无人机

该类无人机对于灵敏度、飞行高度速度、智能化等要求最高，包括侦察、电子对抗和通信中继等多种机型。

(2)民用无人机

该类无人机对于速度、升限和航程等要求较低，但对于操控人员的技能有较高的要求，需要较为成熟的软硬件和技术支持服务。民用无人机市场在未来有很大潜力。

(3)消费级无人机

该类无人机常用于拍摄、娱乐和配送等用途。

3 铁路工程中无人机航摄的应用需求分析

3.1 铁路行业常用的无人机集成装备类型

无人机提供了灵活的空中平台，可以根据不同的用途和目的选用相适应的“无人机+传感器”系统。目前，民用无人机可搭载的传感器主要有：视频传感器、影像传感器、激光雷达传感器、红外传感器和多光谱传感器等。以下结合其在铁路行业的实际应用情况进行介绍。

(1)无人机+视频传感器

“无人机+视频传感器”可用于铁路工程项目的勘察设计、施工建设和运营维护等各阶段。如勘察设计专业调查、施工进度监控，安全监察，环境评估、违规取证、施工初期“三抢”取证、铁路运营期间巡检等。最常用的是大疆系列无人机，因其具有作业灵活、操控简单和性价比高等特点，在全世界范围内得到了广泛应用[6]。

(2)无人机+非量测数码相机

“无人机+非量测数码相机”多应用于测绘行业，利用无人机平台搭载非量测数码相机，进行低空航空摄影或地理信息数据采集，如大比例地形图、横断面和正射影像制作等[7-8]。随着无人机RTK和PPK技术的不断发展，以及中大画幅数码相机工艺的不断成熟，无人机航摄的数据获取效率和质量得到了很大提升，为其在各领域的应用奠定了良好基础。

(3)无人机+倾斜相机

无人机搭载小型的倾斜相机，可用于小范围的实景三维数据获取。该系统从多个角度对地表进行拍摄，获取地物四周的侧面纹理，再采用专门的实景建模软件对倾斜影像进行处理，获取实景三维模型，多用于构建三维虚拟场景、BIM应用、虚拟施工以及大比例地形图制作等。

(4)无人机+轻型激光雷达

为了适应无人机平台，机载激光雷达也逐渐轻量化。国外激光雷达制造公司Rigel的VUX-1轻型激光雷达重4 kg，miniVUX-1仅重2.4 kg；国内也有多家公司研发了集成激光雷达系统。无人机搭载轻型激光雷达系统可以在飞行中同步获取高精度、高密度的三维激光点云与影像数据，在数据类型、定位精度等方面具有明显优势，可以为铁路工程提供各种比例的数字地形图、影像图、横(纵)断面和三维地形模型等数据，所获取的数据具有非常好的现势性，可为铁路选线、地质、环评和拆迁等提供决策依据[9-10]。

3.2 无人机应用需求

结合近几年中国铁设无人机应用情况，从勘察设计、施工建设以及运营养护维修三个方面进行简要分析(见图2)。

图2 无人机在铁路行业应用需求分析

(1)勘察设计阶段

①大比例地形图制作：由于方案修改导致原地形图范围不够，需要利用无人机航测快速补图。

②地质调查：通过无人机三维遥感技术获取地质体的形状、大小、位置及特性，这种非接触方式在地质选线上具有极大的优势，提高了地质调查的效率和精度。

③困难地区辅助调查踏勘：在困难地形条件下，如高边坡，山区隧道洞口、山顶、跨河等，采用无人机航摄可以大幅提高工作效率且安全性较高。

④环境评估及车站调查：铁路沿线环境评估及车站调查需要拍摄局部影像和视频资料，仅靠人工调查难以满足专业需求。

⑤BIM三维场景制作：通过无人机倾斜摄影，为BIM设计提供三维实景模型，为方案比选和虚拟施工提供基础数据[11]。

⑥方案展示：利用“无人机视频+设计方案”融合方式，直观展示设计方案的合理性，提升方案展示质量和效果。

(2)施工建设阶段

①“三抢”取证：建设初期，为防止划定红线内发生“三抢”，可提前利用无人机拍摄影像或者视频，留取法律证据。

②工程进度监理：建设过程中，管理部门利用无人机进行定期巡视，留取进度资料，建立施工进度三维平台，辅助开展施工组织安排。

③施工环境评估：对沿线局部重点滑坡、泥石流等进行视频或者影像资料录制，并据此完成估分析[12]。

④施工质量监督：施工建设过程中，管理部门对施工质量进行监督取证(例如：防护措施是否到位，取弃土场是否是否按照设计到指定位置取弃土，弃土场的防护是否符合要求等)[13]。

(3)运营维护阶段

①运营维护三维场景搭建：利用无人机航摄获取高分辨率、高时效性影像数据，搭建铁路沿线三维地形场景，为管理部门提供基础地理信息数据，大幅提升运营维护的信息化水平。

②安全巡检：利用无人机对铁路沿线进行定期巡检，快速识别风险源(接触网、非法侵线、非法工程及高危目标等)[14]。

③环境变化监测：对铁路沿线的地表环境变化情况进行监控，为智能运维管理提供实时资料。

④危岩落石监控：危岩落石会严重威胁山区铁路建设及行车安全[15]，利用无人机监控可以为安全运维提供实时预警。

4 应用案例

4.1 基于无人机的大比例地形图测绘

(1)项目概况

河北境内某铁路铁路项目约15 km长的线位超出既有航摄资料的范围，计划采用无人机航摄方案进行该段落约15 km2的1∶2 000地形图制作。测区沿线地势平坦、地物较少，有利于无人机的航空摄影(见图3)。

图3 航带设计与像控点采集

(2)飞行平台及传感器选择

本次航飞采用轻型固定翼无人机，巡航速度为80～120 km/h，单架次有效巡航时间为2 h。搭载Sony A7RII全画幅微单相机(焦距33.6 mm，有效像素4 200万)。

(3)飞行方案

影像地面分辨率为10 cm，航飞高度为750 m，航线重叠度为80%，旁向重叠度为55%。共设计了两个分区、10条航线、6条构架航线，产生了957张影像。

(4)航飞精度

基于该无人机航摄测绘的1∶2 000图的平面中误差为0.12 m，高程中误差为0.14 m，满足1∶2 000地形图Ⅰ、Ⅱ级地形的精度要求。

4.2 在建铁路隧道滑坡监测

(1)项目概况

浙江某铁路项目施工过程中，发现隧道口施工场地边坡有滑坡迹象，采用无人机倾斜摄影三维实景建模的方式对该区域进行为期一周的监测。

(2)飞行平台及传感器选择

采用大疆M600Pro六旋翼无人机搭载高精度POS系统(GPS+IMU)、5镜头倾斜相机。

(3)飞行方案

设计了地面分辨率为3 cm的航线，在疑似滑坡的周围布设像控点，每天拍摄一次，采用PhotoMesh软件进行三维重建。

(4)监测效果

对重建的三维实景模型(见图4)进行量测比对分析，出具报告，由图4可知，该方法展示直观、计算精确，得到了参建各方的好评。

图4 无人机倾斜摄影在某铁路隧道滑坡监测中的应用

5 结束语

综上所述，无人机航空摄影技术既减少了外业人员、设备的投入，又降低了安全风险，充分体现了无人机系统高灵活性和低成本的优势，提高了工作效率和经济效益。随着“无人机+”技术的快速发展，无人机航摄系统将在铁路工程全生命周期中发挥更大的作用。