无人机在铁路工程辅助智能验交中的应用

2022-08-04邓继伟

铁道勘察 2022年4期

邓继伟

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

1 概述

随着我国铁路建设项目规模的不断扩大,以无人机、激光雷达为代表的一大批高新智能装备应用比例不断提升,可达到降低时间成本和人力成本,提高铁路工程管理能力的目标。静态验收工作是对铁路施工建设的全方位检核,是投入运营的重要前提环节[1]。传统静态验收中,主要通过各专业验收人员到现场对照设计文件,相关规范、标准、规定进行检查[2]。传统静态验收主要存在以下问题:①验收过程数据资料以纸质资料为主,无法直观显示、留存铁路工程的建设情况;②某些高危路段(涉水大桥、高危陡坡等),验收人员难以到达现场;③各专业间协同不够紧密,对于单个工点需要逐专业进行验收,验收数据专业间共享较困难。

针对以上问题,已有学者开展相关研究,李西栋等对达标验收实施过程中的静态验收关键技术、动态测试关键技术、达标验收关键技术条件进行分析,为高速铁路营业线达标验收提供参考[3];徐建超等研究无人机遥感技术在铁路竣工环保验收中的应用,指出无人机区域遥感可为铁路的环保验收提供高时效、多视角数据[4];耿小平等提出基于无人机倾斜摄影测量技术辅助桥梁施工现场管理的方法,可减少现场管理盲区,提高现场施工作业的安全性和可视性[5]。

以下在前期既有研究基础上,对基于无人机综合巡线的辅助智能验交技术进行研究。通过构建三维可视化的数字铁路工程,以期实现从虚拟感观、定量化量测到智能化分析,为施工建设管理、静态验收、后期运营维护提供科学数据支撑。

2 无人机综合巡线技术

2.1 无人机及航摄传感器要求

(1)无人机+视频传感器

无人机具有云台,并具备4K视频的采集能力;配备GNSS和IMU,且惯导频率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可获取无人机实时位置和姿态[6]。

(2)无人机+影像传感器

无人机具有云台和高清影像采集能力。配备GNSS和IMU,且惯导频率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可获取无人机实时位置和姿态。

(3)无人机+倾斜摄影相机

无人机配备GNSS和IMU,且惯导频率不低于20Hz,精度不低于0.1°,可获取无人机实时位置和姿态;相机总像素不低于1.2亿[7]。

(4)无人机+轻型激光雷达

无人机配备辅助RTK/PPK定位系统,搭载轻型激光雷达系统和同步拍摄相机[8];激光雷达的技术指标见表1。

表1 激光雷达技术指标

2.2 无人机数据处理

(1)高清视频数据处理

针对无人机高清视频数据量大、码率高、传输速度慢及无空间定位信息等特点,数据采集完成后,需要进行低损压缩、视频数据服务发布及视频地形信息数据编码等处理,以提升无人机高清视频的共享性,建立视频数据与地理空间数据、铁路专题数据之间的联系[9]。

(2)高清影像属性信息提取

对无人机拍的各重要工点大量高清影像进行预处理,提取拍摄影像的地理空间坐标、飞行姿态、焦距、像元尺寸、像幅大小等重要基础信息;通过建立影像与属性信息的索引关系,实现影像的地理信息化。

(3)局部高清数字地形更新

基于无人机的低空摄影测量技术,实现局部区域的DSM(数字表面模型)和DOM(数字正射影像)的快速更新,提升重要工点的地形展示和量测时效性[10]。

(4)实景三维模型重建

无人机倾斜摄影数据处理的基本流程是通过多视影像联合平差、影像密集匹配、三角网构建、三维模型纹理映射等过程最终实现实景三维模型重建。

(5)激光雷达数据处理

无人机激光雷达数据的处理包括以下内容:点云数据的预处理,包括POS和LAS数据解算等;DOM制作及激光点云赋色;点云的滤波和分类;基于分类后点云数据构建高精度的DSM和DEM(数字高程模型)。

2.3 无人机综合巡线技术应用

(1)工程进度展示

利用无人机巡检快速掌握工程进度情况。一方面,通过不同期次的无人机巡检数据的对比分析,可以获取该时间段内的施工进展速度和情况;另一方面,通过对无人机巡检数据进行数据入库和管理,可以对各个时间节点的建设历史资料进行存储、查询和展示[11]。

(2)施工过程监控

在铁路工程施工和静态验收阶段,施工与设计的一致性关乎项目的管理、质量乃至安全。通过定期、不定期的无人机巡检,可以有效掌握施工和现场情况,达到设计一致性抽检的作用。

(3)环水保应用

利用“无人机+地表环境检测(监测)传感器”,通过无人机定期巡检的方式,对无人机视频、影像及多光谱等数据源进行分类别提取,筛选出铁路工程沿线的环水保问题数据,可以进行施工红线管理,施工期水环境监测,自然保护区、风景名胜区监测,环水保专题数据库建立等工作。

3 静态验交应用与数据提交

铁路静态验收的内容主要包括外业检查和内业检查。外业检查包括观感质量检查、主要功能检查和实体质量的抽查等;内业检查包括内业资料的完整性和全面性检查,及对有关内业重点资料的抽查等,检查结果应符合相关专业要求。利用无人机辅助静态验交的方式,可以根据无人机航测数据成果,在内业直接检查观感质量和辅助专项问题整治,不仅可以提升作业效率,还可以形成数字化存档资料。

3.1 全线层面数据应用

利用全线中等分辨率精度的数据地形模型和倾斜实景模型构建三维场景(见图1),并加入设计数据图层,结合无人机巡检数据进行全线宏观验收。具体包括:线路的运营环境,轨道、四电设施、界桩的布设情况,以及沿线临时用地的拆迁整理和复耕复垦情况[12]。

图1 铁路三维可视化场景

3.2 工点层面数据观感应用

综合利用无人机高清影像、视频、DSM+DOM、倾斜实景三维模型等数据结合各个专业的检查项目需求,开展铁路工程工点层面的观感辅助验交工作。

(1)无人机高清影像

利用无人机及其可变焦光学相机逐工点、分专业、逐构件进行高清照片或视频影像的拍摄,同时可以进行多期视频比对(见图2),以便更加清楚、直观地辅助完成静态验交。

图2 多期视频比对

①桥梁专业:对预应力混凝土梁、桥面及附属设施、救援设施、桥梁排水设施等分别进行拍摄,利用人工智能与人工目视判读相结合的方式对发现的疑似点位进行现场核实,确保验交的准确性[13]。

②隧道专业:对端墙、挡翼墙、排水、截水设施、铭牌、检查梯、排水沟出口、边坡等目标进行高清拍摄,获取目标高清影像,通过影像解译,判断隧道整体及构件观感质量情况。

③环水保专业:对生态保护区、稀濒危动植物、文物古迹等进行检查拍照、录制视频,从而判释保护措施的完成情况。对大型临时工程的防护措施,声屏障的外观通过拍摄全景照片、视频影像的方式进行可视化描述,对防护措施进行核实判定。

④路基专业:对路堑边坡、挡土墙砌筑(安装)、浆砌(干砌)护坡、植物防护及绿化等目标进行全景照片拍照和视频录制,专业人员再进行室内辅助核验。

(2)高精度“DSM+DOM”

基于无人机低空摄影制作的高精度“DSM+DOM”,可以进行如下应用。

①线路专业:对沿线设施进行普查,检查线外目标是否存在侵线,以及对目标与线路距离进行空间量测分析,见图3。

图3 高精度DOM

②站场专业:进行信息标志存在性检查以及距离量测,对排水沟与正线的位置进行空间量测。

③环水保专业:对植被、水体、裸土等目标进行分类,基于分类结果进行水土流失情况、植被的覆盖率计算,精确掌握复垦复耕情况。

(3)无人机倾斜实景三维模型

①线路专业:利用沿线实景三维模型,对线路地界桩位置及设置情况进行观感检查和间距量测分析。

②路基专业:利用路基段落的实景三维模型对路基面、路基边坡排水沟槽,防护栅栏,排水设施,电缆槽等进行观感质量检查,见图4。

图4 高精度倾斜实景三维模型

③环水保专业:利用沿线实景三维模型对生态保护警示标识,声屏障位置、型号,动物通道的规格、尺寸进行虚拟验交。

3.3 竣工验收专项整治应用

(1)外部环境整治应用

综合运用无人机实景三维、高精度正射影像数据开展沿线外部环境整治工作。提取硬质漂浮物、轻质漂浮物、违法堆放类等危险源,开展风险源分析(危险源分类、与线路位置关系、距离),形成危险目标清单,见图5,为建设单位与地方政府联合专项整治提供基础数据。

图5 外部环境整治目标提取

(2)危岩落石整治应用

利用无人机进行隧道上方、高边坡区域的危岩落石和地质灾害调查;通过无人机贴近摄影测量技术进行数据采集与高精度三维重建;利用实景三维数据提取落石位置、几何参数、线路距离、岩石走向、倾向等参数;利用提取的参数结合高精度地形数据实现下落轨迹、冲击能量估算(见图6、图7)。

图6 危岩落石整治

图7 下落轨迹和冲击能量估算

3.4 验交成果提交

在铁路工程验交中,应用无人机可达到厘米级测量精度,有效提升验收过程可追溯性,形成无人机数字化验交成果数据。

(1)提交数据内容

①全线数据:包括全线巡线视频、数字正射影像、中等分辨率的倾斜模型等,用于从宏观角度为全线静态验收提供直观数据,为线路外部环境、环水保验收等提供有力数据支持。

②工点数据:以工点为单位,进行高精度数据采集与系统化管理,为各工点各专业的静态验收提供数据支持,具体包括高精度激光雷达数据、高分辨率影像和高精度倾斜实景三维模型。

③应用报表:针对无人机多源数据观感与专项整治应用形成各专业A、B问题和专项整治目标清单。

(2)数据提交方式

①系统化提交:通过构建铁路静态验收私有云,在云端实现多数据源的存储、管理与应用,采用以现场验收为主,云端虚拟验收为辅的技术思路,开展无人机数据虚拟化验交工作。

②归档数据提交:在静态验收结束后,将验交过程中使用的无人机照片、视频、模型和点云数据转换为通用格式,归档数据及报表清单按照规范进行分专业、分工点归类,随纸质材料同步进行数据归档。

4 “BIM+GIS”融合技术应用展望

铁路竣工验交工作周期长、任务复杂,亟需采用先进技术手段,优化竣工验交工作方式,提高竣工验交的质量和效率;另外,为运营维护提供初始工程状态也非常重要。因此,统筹考虑验收、交付、运维,以“BIM+GIS”融合技术为基础,建立统一的铁路工程竣工验交管理平台,集成和管理竣工验交资料,打造数字孪生铁路,辅助铁路运营维护[14]。

4.1 智能分析技术

基于影像和点云大数据,利用人工智能、云计算等智能分析技术挖掘数据价值是未来应用发展趋势。综合发掘点云、影像等数据资料,利用大数据和智能分析技术,最终实现铁路周边环境因素的自动分类,识别铁路周边安全隐患,并自动统计、分析。

4.2 验交平台建设

综合应用“BIM+GIS”融合技术,集成基础地形、设计资料、施工过程资料、静态验收资料,采用基础地理数据获取处理与发布技术、铁路信息模型建模技术、多源数据融合集成与管理技术等,建立三维验交管理平台,构建数字化、可视化场景,实现设施设备浏览、定位和查询。

4.3 拓展运维应用

快速建立资产台账,在高精度三维场景中实现工务、电务、供电、房建以及其他专业铁路设施设备模型的浏览定位,将设计和施工过程中的资料进行整理编码建库,建立与相关设施设备模型的关联;综合利用已有监测检测设备,集成多种传感器的数据和监测检测成果[15],建立运维数据与BIM模型关联,实现数据在线查看、分析及评估。

4.4 模型和数据接口标准

结合竣工验交和运维管理需求,梳理现有的各专业数据和模型表达内容、表现方式、模型精度以及深度等;在数据建模、数据入库和数据接口方面进行总结提炼,形成统一标准,如设计资料数据分类编码及入库规则;施工过程资料数据库的接入规则及数据接口标准;验交资料数据的入库规则和应用接口标准;业务数据库的接入规则及数据接口标准等。