Ⅰ类轻型无人机在铁路地质勘察中的应用与展望

李嘉雨 李 欣 樊 金 邓 悦

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；2.四川航空股份有限公司，四川成都 610202 )

近年来，随着无人机技术的高速发展和广泛应用，轻型无人机在远程遥控、续航时间、飞行品质上都有了明显的提高[1]，其在铁路地质勘察中的应用也越来越广泛。已有许多学者进行了相关研究：胡吉平等认为无人机遥感技术具有灵活性高、效率高、可获取实时信息等优点[2-3]；王志良等利用无人机开展了新建渝万铁路水土保持监测工作[4]。然而，固定翼无人机存在天气依赖性强、投入费用大、需申请空域等缺点[5-6]，限制了其在铁路地质勘察中的应用和快速发展。

2016年前后，旋翼无人机先后被应用于川藏线不良地质勘察、川黔线裁缝岩滑坡应急抢险、成昆线超高位危岩勘查等工程中，并取得了良好的经济效益[7-10]。此后，许多专家学者将无人机遥感技术应用于铁路弃渣场勘察[11]、特大型滑坡地质勘察[12]、边坡稳定性研究[13]、滑坡危险性分区等方面[14]。

我国对无人机飞行有较为严格的立法管理，即无人机飞行需要进行空域申请，导致使用无人机开展铁路勘察的效率大幅降低；另一方面，固定翼无人机的购置成本较高，对驾驶员的技术要求较高(动辄上万元的培训费用)，也阻碍了“空天地一体化”勘察的大规模应用。当前无人机在铁路地质勘察中面临空域申请难、飞行员培训费用高、费效比低等问题，而Ⅰ类轻型无人机可以很好地解决以上困境。

1 Ⅰ类无人机飞行的合规性探讨

目前，无人机飞行空域的申请程序繁琐，申请时间长，导致无人机难以在铁路地质勘察中大规模应用。依据当前的法律法规，Ⅰ类轻型无人机(无人机分类见表1)一般无需进行申请(除融合空域外)。

表1 无人机分类 kg

依据中国民用航空局飞行标准司2016年7月11日发布的《民用无人机驾驶员管理规定》，空机质量和起飞质量为0～1.5 kg(含)的无人机属Ⅰ类无人机，对于在视距内运行(半径不大于500 m，人、机相对高度不大于120 m)的Ⅰ、Ⅱ类无人机，无须证照管理。依据中国民用航空局空管行业管理办公室2016年9月12日发布的《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》，民用无人驾驶航空器在隔离空域内飞行，由组织单位和个人负责实施，并对其安全负责。依据2017年5月16日中国民用航空局航空器适航审定司发布的《民用无人驾驶航空器实名制登记管理》，起飞质量为0.250 kg(含0.250 kg)以上的民用无人机拥有者需进行实名登记。

在地方上，四川、新疆等地也相继出台了相关法律法规，明确了无人机生产、销售、使用及其安全管理的细则。

无论是国家层面的法律法规，还是地方层面的法律法规，都表明Ⅰ类无人机在视距内飞行，飞行人员可以不进行空域申请，也不需要无人机飞行驾驶证，但需要进行实名登记，并对其安全负责。这为Ⅰ类无人机的发展和应用提供了良好的法律环境。

2 轻型无人机勘察的实践与应用

2.1 Ⅰ类轻型无人机的技术特点

大疆晓spark无人机(见图1)起飞质量为0.3 kg；控制范围：水平距离2 km，垂直距离500 m，飞行限高120 m；最大水平速度为13.8 m/s，最大上升速度为3 m/s，最大飞行时间为16 min，最大起飞海拔高度为4 000 m，相机有效像素为1 200万，影像分辨率为1 080 p。采用两轴机械防抖云台来实现摄像头角度的旋转和拍摄姿态的稳定，具有价格实惠、小巧轻便、掌上起飞、高效机动、影像清晰等特点和基础的障碍感知的能力[15]，是一款便捷高效的Ⅰ类轻型无人机。

图1 大疆晓spark无人机

该型无人机体积虽小，但GPS导航、电子地理围栏、高清像素云台相机、智能避障系统一应俱全，能够实现实时图传，并自动识别当前所在区域是否具备起飞条件，感知自身飞行高度和距离，当电量不足时或失去信号时也能自动返航。

2019年3月，利用该型无人机在新建广州至湛江高速铁路(以下简称“广湛高铁”)的可研修编及初步设计阶段开展了不良地质遥感解译的应用尝试。

2.2 应用情况

首先通过卫星遥感图圈定不良地质异常区域，针对部分不良地质体“走路难到达”、“地面难辨识”、“遥感难看清”的三难问题，利用大疆晓spark无人机开展遥感勘察工作。

(1)凌云山滑坡遥感解译

凌云山滑坡位于广湛高铁凌云山隧道上方，通过卫星遥感解译(见图2)，发现存在异常不良地质体，但当勘察人员到达滑坡前缘时(见图3)，却发现该处滑坡难以辨识，即该处滑坡属于“地面难辨识”类型。通过无人机航拍，证实了滑坡前后缘及左右边界的存在(见图4)。认为该滑坡的诱因为滑坡前缘开挖。

图2 凌云山滑坡遥感卫星影像

图3 凌云山滑坡前缘

图4 凌云山滑坡无人机航拍影像

(2)松柏煤矿采空塌陷区

松柏煤矿采空塌陷区位于广湛线凌云山隧道左侧，遥感解译发现，该处存在异常地质体(见图5)，但该异常地质体的形成具有多解性：①崩塌；②人工开挖；③采空区地面塌陷；④矿井洞口。由于遥感图像的多解性，且该处植被茂密，山高路陡(见图6)，即该不良地质体属于“走路难到达”、“遥感难看清”类型。通过无人机航拍(见图7)，证实该处确实存在地面塌陷现象。由图7可知，该处地形较缓，无崩塌地质灾害发生的可能；不良地质体周围无道路可通达，且没有人工构筑物，故排除人工开挖和矿井洞口，初步判定为松柏煤矿采空造成的塌陷。

图5 松柏煤矿采空塌陷区遥感卫星影像

图6 地面塌陷区植被及地形

图7 松柏煤矿采空塌陷区航拍影像(全貌)

(3)荷村水库岩堆

荷村水库岩堆位于广湛线绕避采空区比选方案右侧，遥感解译发现，该处存在异常开挖地质体(见图8)，该异常地质体形成具有多解性：①滑坡形成的地质体；②采石开挖形成的地质体；③地质体出露为基岩；④地质体出露为土层。由于遥感图像的多解性，且该处岩石松散、斜坡陡峭(见图9)，即该不良地质体属于“走路难到达”、“遥感难看清”类型。通过现场调查和无人机航拍(见图10)，证实该处不良地质体为采石开挖形成，并通过人工堆填形成岩堆(岩堆后缘仍有大量松散碎石)。

图8 荷村水库岩堆遥感卫星图像

图9 荷村水库岩堆远景照

图10 荷村水库岩堆无人机航拍影像

本次勘察中，大疆晓spark无人机共飞行21架次；平均飞行距离为395 m，最大飞行距离为1 336 m；平均飞行时长7.6 min，最短飞行时长3 min，最大飞行时长12 min；平均飞行高度97 m，最大飞行高度120 m；共拍摄高清影像图片96张。

实践表明，该型无人机满足中低山区大中型不良地质体的勘察摄影任务。无人机勘察的应用，大大降低了野外地质人员的安全风险，提高了勘察精度和工作效率；可通过多架次飞行解决无人机续航较短的问题，取得了良好的经济效益。

3 无人机驾驶培训

大疆晓spark无人机具有简单易学、智能易操控等特点。该无人机属于Ⅰ类无人机，不需要取得飞行执照。

其操控培训包括理论学习、计算机模拟飞行练习、航模实际操作练习等。

4 无人机成本分析

参照互联网网上商城的售价，无人机的采购和培训成本见表2，无人机性能见表3。

由表2、表3可以看出，准专业级Ⅰ类无人机的购置培训成本只有Ⅱ类专业级无人机成本的29.5%。而消费级无人机大疆晓spark的购置培训成本仅为Ⅱ类专业级无人机成本的9.8%。

表2 无人机采购和培训成本分析 元

表3 各型无人机性能一览

尽管准专业无人机和Ⅱ类专业级无人机具有较大的续航时间、较高的摄影像素和分辨率，以及更大的起飞海拔高程和遥控距离。但其体积更大，质量更大，对起降平台的要求更高，不便于野外携带和起飞。因此，不适宜应用于野外地质调查。

综上所述，Ⅰ类轻型无人机(特别是大疆晓spark无人机)具有显著的成本优势，同时也能满足野外地质勘察的基本需求。

5 优缺点分析

Ⅰ类轻型无人机具有无须申请空域、购置成本低、适用性高、培训费用低等特点，配合现场勘察和卫星遥感，能够很好地解决部分不良地质体“走路难到达”、“地面难辨识”、“遥感难看清”的三难问题。可以提高野外勘察效率，降低野外作业风险。

另一方面，大疆spark无人机存在飞行时间较短、不能规划航线等缺点；对于特殊不良地质体(如大型泥石流沟、巨型崩塌、滑坡)的勘察，大疆spark无人机还存在局限性。

因此，为了实现对各类不良地质体遥感解译的全覆盖和高费效比，还应建立 “高低搭配”、“合成高效”的三级无人机梯队：针对巨型不良地质体或大范围的遥感工作，宜采用购买服务的方式来实现；针对铁路地质灾害抢险、特殊工点的不良地质体航拍或三维点云数据库，宜采用可规划航线的Ⅰ类轻型准专业无人机来实施；针对在预可研、可研、初步设计阶段开展的野外不良地质体调查，可以使用只有简单航拍功能的消费级无人机。

6 结论与建议

(1)在视距内飞行的Ⅰ类轻型无人机，可以不进行空域申请，也不需要无人机飞行驾驶证，但需要进行实名登记，并对其安全负责。

(2)相较于其他类别的无人机，Ⅰ类轻型无人机具有培训费用廉价、购置成本较低、适用性较高等特点。

(3)Ⅰ类轻型无人机能够满足中低山区大中型不良地质体的勘察摄影任务，大大降低野外地质人员的安全风险，提高勘察精度和工作效率。

(4)建立“高低搭配”、“合成高效”的三级无人机梯队，能够实现对各类不良地质体遥感解译的全覆盖和高费效比。