无人机在铁路总承包建设施工中的应用

2020-12-17王凯

铁道勘察 2020年6期

王凯

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

随着我国对无人机产品的研发投入不断加大，以及国外相关技术的引入，国内无人机发展迅速。国内无人机的研究发展在总体设计、飞行控制、组合导航，中继数据链路系统、传感器技术、图像传输、信息对抗与反对抗、发射回收、生产制造等诸多技术领域积累了许多经验，具备一定的技术基础[1]。

无人机具有快速灵活，受天气、场地影响小等特点。近年来，随着制造工艺的提升，其安全性得到了很大提高[2]。各种型号的无人机(如固定翼、多旋翼、垂直起降、油动、电动等)可以用来满足不同条件下的飞行任务[3]。轻型机载设备是在无人机快速发展基础上逐步兴起的，如小型数码相机、轻型激光雷达、微型倾斜摄影、视频光电球等，可用于大比例地形图、影像图、三维模型制作，视频巡线等。无人机设备的出现，能够弥补大型固定翼飞机周期长、费用高、管控严、场地少等缺点，提高航空平台数据获取的效率[4]。

然而，国内外铁路总包建设项目在建设管理过程中还存在一些难题亟需解决。

(1)铁路总包项目开始时，一般都已完成了常规初定测，随着建设的推进，会存在一些线位变更、取弃土场变更及控制工点补图等问题，需要制作大比例地形图，但是从经济角度考虑，无法采用大型固定翼飞机进行航摄，故需要一种新型的高效的替代方案。

(2)铁路工程建设过程中存在较多的管理难题，如征地后大量抢种、抢栽、抢盖等现象，建设单位收集证据困难，影响施工进度。

(3)建设过程中，安全质量监督检查难度较大。如对施工技术方法、方案的执行，对高路堑开挖防护监督，对高空作业的安全防护和质量检查等，常规方法很难对每个工点做到实时监控；另外，项目周边不稳定环境因素(人工临时建筑、垃圾、取弃土场、因恶劣天气引起的水淹、滑坡等灾害)会对项目正常开展带来一定的影响，需要定时对其监测和评估。

(4)铁路工程建设规模大、投资大、安全风险大、现场检查工作量大，需耗费大量人力、物力、时间；检查结果难以完整记录及追溯。

(5)节点验收没有较好的辅助手段，工作量大。

无人机具有机动灵活、平台数据获取能力强等优点。通过无人机视频巡线、无人机低空摄影测和无人机三维实景建模等技术手段，可以为铁路总承包项目提供局部大比例地形图补测，征拆取证，项目形象进度管理，工程质量、安全、环保监测[5]。以下从无人机类型及其载荷的选择，无人机数据采集，无人机数据相关处理、无人机数据管理与应用等方面展开论述。

2 研究内容与方法

2.1 无人机类型及其载荷的搭配

无人机是一种利用无线电遥控设备和编写的程序控制装置操纵的不载人飞机[6]，可以在无人驾驶条件下，完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，被誉为“空中机器人”[7]。按照结构分类，无人机可分为固定翼无人机平台、旋翼无人机平台和混合翼无人机[8]。

(1)固定翼无人机

其机翼固定于机身，依靠空气对机翼的作用力产生升力飞行。其水平方向飞行速度快、采集效率高；如中国ASN 系列固定翼无人机(如图1)可用于战场侦察、昼/夜监视、边境巡逻、火炮(落弹)观测、航空摄影等[9]。

图1 中国ASN 系列固定翼无人机

(2)旋翼无人机

由顶部的一个或多个水平旋转的旋翼提供向上升力和推进力而进行飞行[10]。旋翼无人机可以垂直升降、悬停、小速度向前或向后飞行，相较于固定翼无人机，其速度较低、能耗高、航程较短，但具有操纵简单，用途简单，成本较低等特点。如华测P550H，如图2 所示，有效荷载质量12 kg，可携带倾斜相机、工业相机等多种载荷。

图2 华测P550H 无人机

(3)混合翼无人机

混合翼是为了解决固定翼起飞降落不方便的情况而设计的。该无人机采用固定翼和多旋翼组合方式，先用多旋翼起飞，到空中后切换成固定翼动力，降落前再切换为多旋翼动力，以实现垂直起降[11]。该机型既拥有多旋翼的便利性，也拥有固定翼的高效率。

如纵横CW30 无人机，起飞质量可达30 kg，作业半径可达60 km，航时大于3 h，具备较强的数据采集能力，见图3。

图3 纵横CW30 垂起固定翼无人机

无人机提供了灵活的空中平台，实际使用时，可根据不同的用途和目的，采用不同类型的无人机及传感器[12]。目前，与无人机集成使用的传感器主要有:视频传感器、数码相机传感器、激光雷达传感器、红外传感器、多光谱传感器等[13]。下面结合在铁路行业实际应用情况进行介绍。

(1)视频传感器

目前的视频传感器多可达到4k 高清的效果。利用无人机搭载具有自稳定云台的视频传感器，可以实现沿线视频的拍摄。使用具有变焦功能的采集设备可实现局部信息的高清拍摄，例如使用大疆H20 可以达到23 倍光学变焦，以实现局部细节的高清拍摄。

(2)非量测数码相机

利用无人机平台搭载非量测数码相机进行航空摄影，获取立体像对数据；利用航空摄影测量技术进行地形图采集，用于大比例地形图的制作。常用的非量测相机有佳能5DMark、SONY a7 和黑卡、尼康D800 系列等。另外，近两年出现了无人机与飞思、哈苏等工业相机集成的系统，用于提高航测的效率和质量[15]。

(3)倾斜相机

无人机搭载小型倾斜摄影相机，可用于小范围实景三维数据的获取。倾斜摄影利用多个角度对地表进行拍摄，获取地物(尤其是建筑物)四周的侧面纹理，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。一般情况下，倾斜影像的分辨率为2～10 cm，利用倾斜影像采集的高程精度较传统航测高。倾斜相机多搭载于多旋翼无人机，也有少量搭载于固定翼无人机。

(4)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型化，典型的有Rigel 的VUX-1 轻型激光雷达，质量仅4 kg，能够在1 000 m 相对航高下进行数据获取，新推出的miniVUX-1 质量仅2.4 kg。另外， Velodyne 推出了16 线、32 线、64 线、128 线激光雷达，其质量更小，成本也更低。

(5)多功能相机

该设备可以实现“可见光拍摄+多光谱数据”的同时采集，此外还可以完成“长焦可见光+热红外”相机的搭配。同时完成高精度可见光、近红外、热红外等不同波段目标成像。

2.2 无人机数据的采集

无人机数据获取分为铁路工程总承包巡线视频拍摄、重点工点多角度高清照片拍摄、局部区域无人机数字航测、关注区域倾斜摄影和全景拍摄。具体而言，针对不同的工点类型和用途采用不同的数据采集方式。

沿施工线路进行视频拍摄，应均衡视频地表分辨率和飞行安全，一般采用相对地表航高100 ～150 m 仿地飞行拍摄，为了获取更好的地表立体效果，无人机云台采用与地面呈25°～30°夹角进行拍摄。以100 m 航高的大疆精灵4pro 为例，以其相机参数进行计算，得出其地表覆盖范围为120 m×150 m，单条航带的带幅可以覆盖铁路施工的范围。应根据施工建设不同阶段和线路的不同类型，采用不同角度进行拍摄。施工设备进场动工至路基、桥梁的架梁铺板前，宜采用位于线位正上方拍摄；路基和桥梁架梁铺板后，宜采用左、右侧视角进行侧方拍摄，以获取桥梁的墩柱等信息；隧道进出口、斜井口等工点宜采用无人机悬停定点拍摄的方式进行，以更好地拍摄工程具体细节；对于大临设施，如拌合站、轨枕基地、梁场、钢筋加工厂、项目分部、试验室等工点，宜采用高清影像悬停定点拍摄的方式进行；对于取土场、弃土场、弃渣场、深挖基坑、路堑等，可对该区域设计规划航线开展大比例无人机数字航测，并进行局部地形更新，按照航向70%、旁向60%的重叠率设计航向。

若部分项目位于地表植被高度发育区，山间树木植被茂密、高差较大，这给航飞作业带来了极大的困难。其主要困难在于局部高差较大，若在同一平面内规划航线，则易出现像元比例差异较大；其次，区域植被高度发育，这给后期空三加密(图像特征匹配和连接点提取)带来了极大的困难，通常会出现连接点匹配错误，区域高度计算异常等问题。针对以上问题，可采用以下解决方案:①收集区域已有的数字地形数据，根据数字地形数据开展仿地飞行作业，保持相对航高的稳定，如图4；②选择早晨或傍晚等光线较为柔和、太阳高度角较小的时间段开展航飞作业。此时地表反射率均匀，不会出现植被热点现象。同时，通过调节相机的ISO(感光度)等参数可提高获取照片的对比度和饱和度，以提高的像片的采集质量。

图4 仿地飞行航向规划

对于重难点工段，为了更加直观表达地表的真实情况，采用无人机倾斜摄影的方式进行采集作业。倾斜摄影测量与普通的航空摄影的不同之处:传统航空摄影测量采用正射采集方式，光轴垂直于被测目标表面，其获取的信息为目标地表顶层的信息，无法获取目标地表侧面的纹理信息，如图5。倾斜摄影是从多个角度采集地物的信息，采用单架次多镜头倾斜相机进行采集，最为常用的为多角度5 镜头，分别获取下视、左视、右视、前视和后视5 个方向上影像的数据，如图6。

图5 正射数据采集

图6 倾斜摄影数据采集

倾斜摄影的另一种采集模式为同一航带多架次、多个角度进行采集。即在相同的航带下，一个架次获取一个角度的数据，下视、左视、右视、前视、后视依次采集。倾斜摄影可应用于项目重难点工程和项目建成后的车站、编组站等重要设施的展示。如图7 所示，实景倾斜数据与BIM 模型数据进行融合展示，可以对施工的进度情况进行有效比对。

图7 局部倾斜实景+BIM 融合场景

2.3 无人机数据处理

(1)视频数据的处理

无人机视频数据获取后，需要对数据进行处理。通过分析可知，无人机视频数据具有以下特点:①视频数据量大，铁路里程2 km 视频数据(分辨率为1 920×1 080)占用存储空间为4GB；②无人机视频的码率高，单位时间传送的数据位数可以达到30 Mbps，其画质水平远超普通显示器的显示能力，且不适应于网络传输，只适用于本机查看；③无人机视频数据属于多媒体数据，本身不具有地理空间信息，无法做到与地理空间场景和铁路里程相关联。

针对总包无人机巡线视频的应用现状，提出无人机视频的应用目标:①从技术角度上，理想目标是在占用最小的存储空间下获得更高的画质；②应扩大无人机视频的共享性，以视频流媒体的形式进行数据传输与展示；③建立无人机数据与地理空间数据和铁路专题数据之间的联系。

针对无人机数据特点，对巡线视频数据进行处理:

①降低视频的码率提高视频的存储利用率；②通过转换视频的编码方式，采用H265 视频编码进一步完成视频的压缩；③构建视频的播放索引，通过前端调用策略，提高视频的定位、加载速度。

(2)高清影像照片信息属性编码

无人机可以从空中抓拍到不同角度地表的高清影像数据，其本身不仅是多媒体数据的一种，同时在其EXIF 属性信息里蕴含着大量的信息，具体包括:地理空间坐标、飞行高度、飞行姿态、拍摄时间、照片焦距、像元尺寸、像素大小等。如何根据以上信息真实的还原照片所在空间位置和时间信息需要进行以下工作。①照片EXIF 信息提取，将无人机影像照片信息数据提取出来，并建立起照片与属性信息的索引关系；②根据以上信息计算照片的空间位置，进行照片空间覆盖区域的还原；③照片地理信息化，建立单张照片与地理空间坐标位置相关关系，实现单片的可量测化。

(3)局部高清数字地形更新

在无人机航飞外业采集后，应进行航飞内业数据处理，生成数字地表模型(DSM)和数据正射影像模型(DOM)。此外，还需要将局部影像和高程数据与场景影像、高程数据进行融合，保持数据在色彩、饱和度、亮度等方面的一致性。在此基础上，将DSM 和DOM 进行影像金字塔构建、影像发布切片转换为前端应用显示所需要的空间数据库数据。

2.4 基于无人机倾斜摄影的地表实景模型构建

无人机倾斜摄影的地表实景模型构建与局部高清地形更新的数据处理有相似之处，都要经过图像特征匹配、空三加密过程，不同之处在于其表面纹理的重构过程。总承包项目途经深山密林，其无人机倾斜摄影其具有特殊性。通常情况下，倾斜摄影关注的目标为房屋、道路等城市目标，而对于工程倾斜摄影而言，关注的是桥梁、隧道口、深挖路堑，相较于规则的城市建筑物，铁路目标形状特征并不规则，单体精度要求较高。

对于倾斜摄影模型而言，模型的精度取决于目标体多角度数据的覆盖程度，需要目标体各个部位、角度的影像照片。因此，在正常多角度航飞作业的基础上，需要对关注目标进行补拍，以保证目标图像信息的完整性。在内业数据处理上，倾斜实景重构软件的空三加密能力较弱，而一般航测软件的三维重构能力也有限，在山区密林区，工程目标的三维模型重构面临巨大的挑战。需要采取以下策略:①在正常倾斜航测5 镜头数据的基础上，与对弱纹理区域进行无人机、地面补拍数据融合建模；②综合运用光束平差和计算机视觉算法加强建模区域的空三加密精度，利用高精度的空三结果的基础上开展地表实景三维重构。

2.5 无人机数据的管理及应用

系统主要实现对多种无人机数据源的存储、管理与前端展示应用。系统架构采用B/S 架构，后台采用分布式服务器云端存储，视频、高清照片数据采用共有云存储，带有地理信息的数据采用本地服务器存储。前端采用html5 页面，采用skyline 三维地理信息平台进行三维地理信息的展示与地理信息的相关操作。系统的总体架构如图8 所示。

图8 系统架构

(1)系统后台

首先是实现原始数据的上传，将带有地理信息坐标的原始影像照片数据进行上传与解析入库；实现原始视频数据的上传、压缩、转码与规范化存储与管理。

其次是成果数据的上传，正射影像(DOM)、数字地表模型(DSM)成果数据的上传与存储管理；正射影像地图服务的切片缓存的生成，发布与挂接；三维倾斜数据的管理与存储，三维地图缓存的生成与发布。线位矢量格式数据的上传存储与管理，矢量图层支持KML、KMZ、shap 等主流矢量格式。

(2)数据的管理

包括系统数据查询、数据修改、数据删除；数据相关统计具体包括空间层次统计、里程具体覆盖、期次数据覆盖情况等。系统的功能界面如图9 所示。

(3)用户权限管理

图9 无人机后台数据管理界面

后台分角色权限进行用户的创建与删除、权限的授予与收回。用户的权限分为超级管理员(具有系统的全部权限，包括数据的操作、用户的权限的相关操作)、用户管理员(负责用户的创建和用户权限的分发)、数据管理员(负责数据的上传的审核、数据修改与删除操作)、数据采集员(负责基础数据的上传)、一般用户(数据的浏览与标记)。不同的用户享有不同区域和不同权限等级的用户服务。

(4)前端设计

基于skyline 平台开发，采用基础平台进行项目三维场景加载，实现场景的基础操作，场景的缩放、平移、旋转、基础量测(距离、面积)等操作。

实现通过场景的矢量热点等形式，实现视频数据的定位与同步播放。视频同步飞行中，接受人为场景角度调整，对于桥梁重点工点进行多视角观察。实现视频与场景、视频与视频的同步对比播放。

大临场景采用列表式前段检索展示，并实现对查询目标的场景转向，三维场景上进行实景照片的热点链接。支持用户自定义圈画。

实现生态红线等范围缓冲区分析、取弃土场、渣场土方量计算等空间分析功能。对空间分析的功能进行报表分析与导出。

(5)系统人性化操作

系统支持功能、操作模糊、快捷键查询并进行相应的操作功能调用。系统支持场景与视频帧的截图与导出操作。

2.6 成果展示

无人机在昌景黄、杭绍台、盐通、龙龙、汕汕铁路总承包项目中进行实际应用，累计获取全线巡线数据2 000 km 以上，重点工点数据500 余处。分别从施工进度、质量安全、环水保、征拆等多个专业开展应用。通过应用统计，累计共享数据5TB 以上，累计辅助施工管理会议20 余处，发现违章建筑30 余处，施工越界、水体污染50 余处，取得了较为显著的应用效果，为辅助铁路总承包施工管理提供了强大的数据支持。