飛馬無(wú)人機(jī)在高寒、高海拔鐵路施工測(cè)量中的應(yīng)用探討

朱峰 譙生有 周建東

摘要：隨著無(wú)人機(jī)硬件和軟件技術(shù)的不斷提升，利用無(wú)人機(jī)加載多鏡頭進(jìn)行低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)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(cè)量中應(yīng)用越來(lái)越多。某鐵路平均海拔在4000m左右具有高寒、高海拔、地形復(fù)雜、垂直落差大等特點(diǎn)，利用飛馬多旋翼無(wú)人機(jī)，機(jī)身重量輕、長(zhǎng)航時(shí)、垂直起降的優(yōu)勢(shì)及“鐵五精測(cè)GIS信息平臺(tái)”無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)，對(duì)某鐵路超長(zhǎng)隧道各洞口工點(diǎn)及線路帶狀地形進(jìn)行了傾斜攝影測(cè)量，總結(jié)了高海拔地區(qū)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù);高寒、高海拔;施工測(cè)量;技術(shù)應(yīng)用

引言

近年來(lái)，低空無(wú)人機(jī)在各行各業(yè)中的應(yīng)用飛速發(fā)展，在鐵路工程施工測(cè)量中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，尤其在工程開(kāi)工前期，需要快速獲取重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物線路帶狀三維模型或數(shù)字正射影像，為快速開(kāi)展現(xiàn)狀核查和施工場(chǎng)地布設(shè)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(yīng)顯著，采用人工數(shù)字化測(cè)圖幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而長(zhǎng)航時(shí)、垂直起降，定點(diǎn)起降，操作簡(jiǎn)便的低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)勞動(dòng)強(qiáng)度小，對(duì)起降點(diǎn)地形要求不高，大大提高了施工測(cè)量的效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

1 飛馬無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

D2000飛馬旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是多個(gè)旋翼，能長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航，機(jī)型小巧，外觀可同時(shí)把傾斜攝影、可見(jiàn)光視頻及熱紅外遙感等多種類型的功能模塊實(shí)現(xiàn)一機(jī)搭載，能在多元化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的全方位采集。

飛馬無(wú)人機(jī)管家可提供數(shù)據(jù)信息的采集處理，顯示管理以及維護(hù)等一站式服務(wù)，它對(duì)飛行平臺(tái)的支持包括旋翼和固定翼，航線模式的適應(yīng)飛行類型很廣，對(duì)真三維地形數(shù)據(jù)三維航線精準(zhǔn)規(guī)劃，飛行質(zhì)檢的快捷服務(wù)，實(shí)時(shí)三維飛行，維護(hù)保養(yǎng)的智能化服務(wù)，預(yù)處理數(shù)據(jù)工具箱以及精確控制的智能成圖。

1.1.機(jī)身小巧操控簡(jiǎn)單

飛馬D2000無(wú)人機(jī)具有體型輕巧且操作簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，對(duì)駕駛員操控?zé)o人機(jī)的技術(shù)要求難度較小。需在飛行過(guò)程中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)機(jī)身飛行狀態(tài)，它小巧的機(jī)身體積讓自重得到最大限度的縮減[1]，飛行移動(dòng)得以更加靈活，更容易操控它的起降，不用再勞神費(fèi)力選擇起降地點(diǎn)，可以隨時(shí)隨地起降，它對(duì)風(fēng)向變化的適應(yīng)性非常強(qiáng)，能巧妙借用來(lái)控制自身的飛行振動(dòng)，在進(jìn)行航空拍攝時(shí)就可最大限度地避免誤差。

1.2高精度航怕

飛馬無(wú)人機(jī)可以較容易地實(shí)現(xiàn)高清專業(yè)測(cè)繪儀器和航拍設(shè)備的攜帶，加載的多鏡頭傾斜攝影測(cè)量和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，能確保質(zhì)量精準(zhǔn)的航拍影像，借助現(xiàn)代信息技術(shù)衍生的智能技術(shù)完成自動(dòng)化和智能化極高的航拍測(cè)繪，繁重的外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作負(fù)擔(dān)得以大幅緩解，測(cè)量質(zhì)量和效率得以大幅度提升。可以實(shí)現(xiàn)地理信息低空遙感勘測(cè)，能勝任低空環(huán)境，因而在工程測(cè)量和搶險(xiǎn)救災(zāi)中得到普遍使用[2]。

2.無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)和應(yīng)用要點(diǎn)

2.1.無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

工程測(cè)量和航拍數(shù)據(jù)信息采集等產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了迅猛發(fā)展的大好時(shí)光，截至目前，無(wú)人機(jī)航測(cè)的應(yīng)用已經(jīng)在多各領(lǐng)域得到大力推廣，尤其是在鐵路、公路、電力、農(nóng)業(yè)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域的作用更是舉足輕重，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步做出了顯著的貢獻(xiàn)。

3 飛馬D2000無(wú)人機(jī)在川藏鐵路施工應(yīng)用案例

3.1工程概況

某鐵路工程標(biāo)段正線長(zhǎng)度30km，包含隧道28966m/3座、橋梁1557.7m/4座、車站1座，該測(cè)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(dá)1000m。

3.2航測(cè)生產(chǎn)流程

根據(jù)該項(xiàng)目施工需要，制定航測(cè)生產(chǎn)流程如下圖1所示

3.3航測(cè)作業(yè)主要內(nèi)容

本次航測(cè)內(nèi)容是轄區(qū)內(nèi)工程結(jié)構(gòu)物，其中包括特長(zhǎng)隧道6個(gè)斜井及出口洞門施工段、兩處棄渣場(chǎng)、施工便道、炸藥庫(kù)、應(yīng)急中心、中心實(shí)驗(yàn)室駐地臨建、容積、選址等航測(cè)任務(wù)。無(wú)人機(jī)一個(gè)駕次電池理論續(xù)航時(shí)間為45分種左右，由于測(cè)區(qū)處于高寒、高海拔地區(qū)，該測(cè)區(qū)一個(gè)駕次電池平均實(shí)際續(xù)航為30分種左右。本次航測(cè)作業(yè)共飛行25架次，獲取航拍相片數(shù)量8萬(wàn)余張。

3.4航測(cè)參數(shù)設(shè)置

飛馬D2000無(wú)人機(jī)搭載OP-3000相機(jī)，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(diǎn)平面中誤差2cm內(nèi)，高程中誤差5cm內(nèi)，航向重疊度80%和旁向重疊度為65%，轄區(qū)內(nèi)地形較平坦的場(chǎng)地臨建、棄渣場(chǎng)及便道等區(qū)域相對(duì)航高設(shè)置為200m，對(duì)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(tái)的應(yīng)用

應(yīng)用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“鐵五精測(cè)GIS信息平臺(tái)”無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)對(duì)航測(cè)成果進(jìn)行切片提取、模型與失量文件疊加、參數(shù)計(jì)算、虛擬放樣檢測(cè)、量測(cè)檢測(cè)、定位標(biāo)注、提取剖面線計(jì)算工程量、可視化實(shí)景3D漫游等功能。

鐵五精測(cè)GIS信息平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）GIS信息平臺(tái)支持多類型文件格式導(dǎo)入，坐標(biāo)系設(shè)置參數(shù)計(jì)算，測(cè)區(qū)坐標(biāo)系為CGCS2000坐標(biāo)系橢球體參考，中央子午96°00′標(biāo)準(zhǔn)3度帶，利用GIS信息平臺(tái)參數(shù)計(jì)算功能，可以投影轉(zhuǎn)化到對(duì)應(yīng)的工程獨(dú)立坐標(biāo)系中。

（2）虛擬放樣功能，系統(tǒng)平臺(tái)可對(duì)標(biāo)記語(yǔ)言和電腦輔助設(shè)計(jì)軟件格式矢量文件提供導(dǎo)入支持，自動(dòng)選擇拍攝測(cè)量建筑物的關(guān)鍵部位并據(jù)此生成三維立體模型與矢量文件進(jìn)行疊加匹配，可對(duì)施工結(jié)構(gòu)物成品或半成品位置、結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測(cè)量檢核，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，篩選出位置或尺寸偏差不符合要求的結(jié)構(gòu)物生成報(bào)告，防止施工放樣中粗差產(chǎn)生。

（3）量測(cè)、查詢和定位功能，在實(shí)體模型上對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行規(guī)格尺寸準(zhǔn)確性的檢測(cè)，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(fèi)用，利用構(gòu)建的三維立體模型還可對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行查詢和定位，實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”，還能實(shí)現(xiàn)地標(biāo)的同步保存。車站量測(cè)、查詢和定位展示，如下圖2。

（4）提取剖面線計(jì)算工程量功能，可利用無(wú)人機(jī)航測(cè)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(shí)現(xiàn)管段原地面現(xiàn)狀核查。中心實(shí)驗(yàn)室臨建提取剖面線計(jì)算工程量展示，如下圖3。

（5）工點(diǎn)日志功能，無(wú)人機(jī)航測(cè)能準(zhǔn)確拍攝記錄管段施工全過(guò)程，詳細(xì)反應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)的各種變化情況并標(biāo)注備忘在三維立體模型。特長(zhǎng)隧道進(jìn)口施工概況展示，如下圖4。

（6）VR漫游展示功能，可實(shí)現(xiàn)施工區(qū)域的完整性拍攝，提供清晰影像實(shí)現(xiàn)電子沙盤功能，當(dāng)施工內(nèi)容發(fā)生變更時(shí)可提供準(zhǔn)確參考。

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

5 小結(jié)

通過(guò)此次航測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）飛馬無(wú)人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)多鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)，能夠較好地適應(yīng)高寒、高海拔地區(qū)大落差地形，對(duì)于高海拔冬季寒冷氣候條件下，電池實(shí)際續(xù)航時(shí)間約減少25%左右。

（2）高海拔地區(qū)高原反應(yīng)較為顯著，人工測(cè)圖實(shí)現(xiàn)難度極大，無(wú)人機(jī)航測(cè)自動(dòng)化程度高，可以有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

（3）應(yīng)用GIS應(yīng)用平臺(tái)可以充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)在施工測(cè)量中的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]周長(zhǎng)志，陳瑞聰，李濤，苑慶中.河湖劃界測(cè)量應(yīng)用探討——以聊城市河湖水利工程為例[J].測(cè)繪通報(bào)，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(wú)人機(jī)航測(cè)像控點(diǎn)布測(cè)方法研究[J].鐵道勘察，2017，43（06）：5-9.