面向防洪管理的鐵路無人機巡檢體系研究與應(yīng)用

石越峰 危鳳海 付衛(wèi)霖 蔡德鉤 姚建平 魏少偉

1.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；4.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860

隨著線網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，我國鐵路面臨的運營環(huán)境日趨復(fù)雜，安全風(fēng)險不斷增多，尤其近年來我國極端天氣頻發(fā)，鐵路防洪問題日益凸顯。目前，鐵路沿線防洪風(fēng)險隱患排查通常采用人力徒步巡查、目視檢查、手工量測等方式，存在作業(yè)效率低、研判識別率低、量測精度低等問題，無法對潛在的風(fēng)險隱患形成系統(tǒng)、全面、準確的分析研判［1］。

無人機巡檢是近幾年發(fā)展起來的新興技術(shù)，融合了航空、遙感、電子、通信等多項高端技術(shù)［2-3］。無人機巡檢技術(shù)通過搭載不同載荷獲取地面信息，特別適用于高陡邊坡、深谷大跨橋梁、隧道洞口等巡檢人員難以到達、高安全風(fēng)險區(qū)域的巡檢，不僅充分發(fā)揮了無人機機動性強的特點，而且提高了巡檢效率和精度，降低了巡檢人員作業(yè)安全風(fēng)險。

在勘察設(shè)計階段，鐵路設(shè)計單位利用無人機獲取影像數(shù)據(jù)，開展大范圍地質(zhì)調(diào)查、勘察測繪、輔助選線等工作，提高了工作效率，且數(shù)據(jù)精度可滿足上述應(yīng)用場景需求［4-6］。在新線建設(shè)階段，中國鐵路設(shè)計集團有限公司等單位利用無人機搭載傾斜攝影相機，獲取鐵路沿線及周邊環(huán)境的影像和三維數(shù)字模型，實現(xiàn)在鐵路環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保驗收、靜態(tài)輔助驗收中的應(yīng)用［7-8］。在既有線運維階段，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司等單位提出了利用無人機判定鐵路沿線病害的工作流程與方法，同時實現(xiàn)了對滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測與評估［9］。

綜上所述，目前鐵路無人機巡檢技術(shù)主要集中在勘察設(shè)計、工程管理、地質(zhì)災(zāi)害評估等方面，鮮有對鐵路防洪風(fēng)險隱患排查與評估的研究。隨著鐵路全年防洪、全員防洪、科學(xué)防洪理念的提出，亟待開展鐵路無人機防洪巡檢技術(shù)體系研究。本文提出鐵路無人機巡檢技術(shù)方案，建立基于無人機巡檢的鐵路防洪管理體系，并結(jié)合邯長鐵路，系統(tǒng)介紹無人機巡檢技術(shù)在鐵路防洪風(fēng)險隱患排查中的功能實現(xiàn)與具體應(yīng)用情況。

1 無人機巡檢技術(shù)方案

1.1 無人機平臺

按照飛行原理劃分，無人機分為固定翼和旋翼兩大類。固定翼無人機在飛行速度、高度、觀測范圍、續(xù)航等方面均具有明顯優(yōu)勢，但其起降要求高，通常需要跑道滑行，目前主要應(yīng)用于鐵路工程大范圍航空測繪、線路選線等方面［10］。旋翼無人機起降不受場地限制，機動性強，且可空中定點懸停，雖然工作效率受制于無人機續(xù)航問題，但隨著電池行業(yè)的快速發(fā)展，續(xù)航得到明顯改善，成為鐵路領(lǐng)域應(yīng)用的主要機型。

輕量化、集成化和多樣化是無人機研發(fā)的重要發(fā)展方向。國內(nèi)多家廠商研制了滿足搭載不同載荷要求的系列無人機，例如大疆精靈4RTK無人機集成了導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，是輕量化、集成化機型的代表，大疆經(jīng)緯M300系列無人機突出飛行穩(wěn)定性、長續(xù)航能力。代表性無人機機型及參數(shù)見表1、表2。其中D為測量距離，單位為km。

表1 大疆精靈4RTK無人機技術(shù)參數(shù)

表2 大疆經(jīng)緯M300無人機技術(shù)參數(shù)

1.2 載荷

1.2.1 正射相機

正射相機以可見光相機為主，通過搭載飛行平臺，以手動或自動曝光方式獲取被測目標的影像。正射相機可通過正射糾正消除由于相機旋轉(zhuǎn)、地形起伏以及在圖像獲取和處理過程中產(chǎn)生的位置誤差，最終生成無變形、高精度、高分辨率的影像。本研究將索尼A7RⅡ型相機與激光雷達集成，相機總質(zhì)量582 g，可拍攝4 400萬像素相片。

1.2.2 視頻相機

視頻相機可直接安裝于輕型無人機云臺適當(dāng)位置，攝像機采集的視頻信號經(jīng)圖傳信號發(fā)送器傳送到地面的接收系統(tǒng)，再通過SDI/HDMI傳輸?shù)斤@示設(shè)備，操控者即可實時監(jiān)控航拍影像。目前機載實景視頻已成為電力、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、應(yīng)急等領(lǐng)域開展評估工作的重要數(shù)據(jù)。隨著相機技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，機載視頻影像質(zhì)量更高，傳速度更快。本研究選用大疆精靈4RTK無人機搭載視頻相機，可拍攝2 000萬像素的相片及4 K/30 fps視頻，圖傳距離達7 km。

1.2.3 傾斜攝影相機

傾斜攝影相機可從前、后、左、右、垂直5個方向?qū)Φ匚镞M行拍攝，同時獲取1個正射和4個方向的影像，再通過內(nèi)業(yè)的幾何校正、平差、多視影像匹配等一系列處理，即可得到具有地物全方位信息的數(shù)據(jù)［11］。本研究選用山東省科學(xué)院組織技術(shù)實驗室研發(fā)的塞爾102S傾斜攝影相機，該相機的具體技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 塞爾102 S相機技術(shù)參數(shù)

1.2.4 激光雷達

激光雷達通過發(fā)射和接收激光束信號的時間差和相位差，計算到目標對象的相對距離，同時利用此過程中收集到的目標對象表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速建立被測目標的三維點云模型［12］。多數(shù)激光雷達使用偏轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)激光束，以增加測試范圍，目前通過自旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)360°可見。本研究選用蜂鳥Genius16激光雷達，其具體技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 蜂鳥Genius16激光雷達技術(shù)參數(shù)

1.3 航線設(shè)計

鐵路為帶狀工程，沿線經(jīng)過山區(qū)、河流等復(fù)雜地形，無人機采用傳統(tǒng)固定航高的飛行模式，這種飛行方式采集的影像數(shù)據(jù)沿航線變化，會導(dǎo)致被測目標細節(jié)缺失，在地形落差較大的區(qū)域可能出現(xiàn)空三加密計算失敗的情況［13］。為了保證數(shù)據(jù)高精度與完整性，提高無人機巡檢作業(yè)效率，提出了仿地飛行的作業(yè)模式。仿地飛行是指無人機在飛行作業(yè)過程中，航線與三維地形實時保持相對固定的高差，使無人機能夠適應(yīng)不同的地形環(huán)境，根據(jù)地形執(zhí)行變高航線，不僅避免了無人機山區(qū)作業(yè)撞山事故，而且保持了重疊率與地面分辨率不受地形變化影響。無人機仿地飛行軌跡如圖1所示［14］。

圖1 無人機仿地飛行軌跡示意

為保證數(shù)字成果內(nèi)業(yè)處理精度與效果，正射相機拍攝的旁向重疊度和航向重疊度分別為45%和65%，傾斜攝影相機的航線按照旁向重疊度75%、航向重疊度75%進行設(shè)定，激光雷達的航線按照航帶重疊度10%進行設(shè)定。

2 基于無人機巡檢的鐵路防洪管理體系

2.1 無人機巡檢成果形式與特點

無人機搭載正射相機、視頻相機、傾斜攝影相機、激光雷達等不同載荷，可分別獲取數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）、實景視頻、三維實景模型和三維點云模型。其中，三維實景模型包含DOM，經(jīng)處理可得到數(shù)字地表模型（Digital Surface Model，DSM）；三維點云模型經(jīng)不同處理可得到數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、DSM、數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）等不同數(shù)字成果。無人機巡檢成果類型如圖2所示。

圖2 無人機巡檢成果類型

各數(shù)字成果的展示形式、內(nèi)容、精度等特點不同，使得其在鐵路巡檢中的應(yīng)用場景和適用范圍不同。各類無人機巡檢成果形式與特點，見表5。

表5 不同數(shù)字成果特點

2.2 鐵路防洪管理場景

針對不同季節(jié)，開展汛前、汛中、汛后防洪風(fēng)險隱患排查以及各類專項排查。根據(jù)各階段防洪管理任務(wù)特點不同，防洪風(fēng)險隱患排查的側(cè)重點也不同［15］。

1）汛前風(fēng)險隱患排查：對防洪設(shè)備進行全面排查與評估，確定本年度防洪重點地段及防洪預(yù)搶工程，建立或修訂防洪設(shè)備風(fēng)險隱患臺賬與防洪預(yù)案。

2）汛中風(fēng)險隱患排查：可分為雨前預(yù)警與響應(yīng)、雨中巡查與處置、雨后檢查與防范，排查水害發(fā)生情況，組織實施水害搶險工程。

3）汛后風(fēng)險隱患排查：對設(shè)備防洪能力進行重新評估，分析重點風(fēng)險隱患的成因及發(fā)展趨勢，更新和完善設(shè)備履歷臺賬及歷史特征。

4）專項排查：根據(jù)線路及周邊環(huán)境特點，不定期開展滑坡、崩塌落石、泥石流、溜坍等地質(zhì)災(zāi)害或其他專項風(fēng)險隱患排查與評估。

2.3 多層次鐵路防洪風(fēng)險隱患排查體系框架

針對無人機巡檢不同成果的特點與適用范圍，結(jié)合現(xiàn)有鐵路防洪管理的方法和具體內(nèi)容，提出了鐵路無人機多層次防洪風(fēng)險隱患排查體系框架（表6），具體包括以下四個應(yīng)用層級。

表6 無人機多層次鐵路防洪風(fēng)險隱患排查體系框架

1）基于影像功能的沿線風(fēng)險隱患排查。利用無人機DOM與實景視頻快速開展工務(wù)設(shè)備及周邊環(huán)境的表觀風(fēng)險隱患排查，如廢舊軌枕、彩鋼瓦、地膜等異物侵限，以及主被動網(wǎng)、攔石網(wǎng)、漿砌片石等防護設(shè)備損壞、排水設(shè)備失效等。

2）基于測繪功能的數(shù)字化臺賬管理。利用三維點云模型快速建立鐵路沿線DEM，掌握鐵路沿線地形、地貌等基礎(chǔ)勘測信息，同時利用激光點云植被穿透性強的特點，對鐵路重點區(qū)段的沿線環(huán)境風(fēng)險隱患進行快速排查。傾斜攝影航跡復(fù)雜、采集效率低，但成果可量測、直觀性強，可對重點區(qū)段的工務(wù)設(shè)備及沿線環(huán)境風(fēng)險隱患進行定量排查，如工務(wù)設(shè)備幾何形位判斷、工務(wù)設(shè)備表面破損、開裂等排查。三維點云模型和三維實景模型精度優(yōu)于10 cm。

3）基于多期點云數(shù)據(jù)的形變定量分析。利用多期三維激光點云數(shù)據(jù)進行對比，明確隧道洞口仰坡、擋護設(shè)備、排水設(shè)備及周邊環(huán)境是否發(fā)生變形，實現(xiàn)重點設(shè)備或區(qū)段的變形定量分析，同時結(jié)合人工現(xiàn)場復(fù)核與其他影像數(shù)據(jù)排查防洪風(fēng)險隱患。

4）基于應(yīng)急搶險的水害復(fù)舊綜合處置。①利用DOM與實景視頻快速掌握水害規(guī)模、實際情況；②利用三維實景模型量測水害關(guān)鍵特征參數(shù)，開展水害影響評估與成因輔助分析；③利用三維點云模型快速獲取水害區(qū)段的平面圖與橫縱斷面圖，直接用于水害搶險工程設(shè)計。

3 試驗與分析

邯鄲—長治鐵路全長221.7 km，沿線經(jīng)過清漳河和濁漳河兩條主要河流，地質(zhì)情況較為復(fù)雜。2021年5月和7月分別對邯長鐵路懸鐘站至桃城站K130+874—K135+900、南峧站至下灣站區(qū)間K151+700—K156+572共計約10 km長線路開展了兩次無人機巡檢。

3.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

按照預(yù)先設(shè)定的航線進行數(shù)據(jù)采集，選用大疆精靈4RTK型無人機搭載1英寸影像傳感器采集實景視頻，選用大疆經(jīng)緯M300型無人機分別搭載塞爾102S傾斜攝影相機和蜂鳥Genius16激光雷達（集成索尼A7RⅡ型正射相機）采集傾斜攝影影像、激光點云數(shù)據(jù)和DOM。

飛行任務(wù)結(jié)束后，主要開展傾斜攝影影像、激光點云數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)處理。在傾斜攝影成果處理方面，首先檢查實際影像重疊度、像片傾角和旋角、航線彎曲度，攝取覆蓋范圍、影像的清晰度、像點位移等信息，核查數(shù)據(jù)質(zhì)量；然后將控制點坐標數(shù)據(jù)和影像的定位與定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS）數(shù)據(jù)作為外方位元素的初始值進行聯(lián)合平差；最后使用內(nèi)業(yè)處理軟件生成三維實景模型。在激光點云數(shù)據(jù)處理方面，首先進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括POS數(shù)據(jù)處理與GPS數(shù)據(jù)差分計算，將原始數(shù)據(jù)結(jié)算為可操作的LAS格式；然后將LAS格式的激光點云數(shù)據(jù)進行裁剪、去噪濾波、分類；最后使用點云專業(yè)處理軟件生成三維點云模型。

3.2 結(jié)果分析

對邯長鐵路K130+874—K135+900、K151+700—K156+572區(qū)段的隱患風(fēng)險進行全面分析。按照路基、橋梁、隧道等典型工務(wù)設(shè)備全覆蓋的原則，選取K132+739—K134+761為代表性區(qū)段，重點闡述該區(qū)段的分析結(jié)果。邯長鐵路K132+739—K134+761沿線工務(wù)設(shè)備分布情況見表7。

表7 邯長鐵路K 132+739—K134+761工務(wù)設(shè)備分布情況

3.2.1 基于影像功能的沿線風(fēng)險隱患排查

根據(jù)鐵運〔2008〕96號《鐵路路基大維修規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定，利用DOM和實景視頻對被測區(qū)段全線的風(fēng)險隱患進行排查，發(fā)現(xiàn)K132+856—K132+885、K134+369—K134+389、K134+403—K134+447共三個路基區(qū)段在線路兩側(cè)堆放了大量軌枕，同時K134+369—K134+447區(qū)段存在排水溝排水不暢等隱患，如圖3所示。

圖3 某工點軌枕侵限與排水溝排水不暢

3.2.2 基于測繪功能的數(shù)字化臺賬管理

根據(jù)邯長鐵路重點區(qū)段的三維實景模型和三維點云模型，通過量測功能，明確了沿線工務(wù)設(shè)備的分布情況，建立了工務(wù)設(shè)備和風(fēng)險隱患數(shù)字化臺賬管理，極大地提升了工務(wù)部門管理效率與水平。典型區(qū)段的三維實景模型與三維點云模型如圖4所示。

圖4 典型區(qū)段三維實景模型與三維點云模型

3.2.3 基于多期點云數(shù)據(jù)的形變定量分析

針對被測區(qū)段的隧道洞口、防護設(shè)備、排水設(shè)備等重點工務(wù)設(shè)備，利用2021年5月和7月兩期三維激光點云數(shù)據(jù)，經(jīng)裁剪、去噪、配準、面變形對比，直觀分析被測目標的變形情況，如圖5所示。其中藍色區(qū)域表示被測目標未發(fā)生變形，其余顏色則表示產(chǎn)生變形。由圖5（a）可知，邯長鐵路K132+856靳家會1號隧道洞口未發(fā)生變形，各項工務(wù)設(shè)備服役狀態(tài)良好。根據(jù)圖5（b）和圖5（c）的分析結(jié)果可知，邯長鐵路K134+447小會1號隧道洞口產(chǎn)生變形，且變形主要集中在排水溝附近，結(jié)合三維實景模型和人工現(xiàn)場復(fù)核情況，確定該處排水溝存在淤堵、排水不暢的隱患。

圖5 點云數(shù)據(jù)多期對比結(jié)果與變形工點影像

3.2.4 基于應(yīng)急搶險的水害復(fù)舊綜合處置

邯長鐵路一路塹高擋墻頂部發(fā)生淺層滑坡，通過無人機搭載激光雷達和正射相機，將三維點云模型與DOM進行融合處理，形成了水害工點的三維數(shù)字模型，快速掌握了水害全貌特征，經(jīng)處理得到水害工點的平面地形圖和橫、縱斷面圖（圖6），為水害搶險工程的快速、科學(xué)設(shè)計提供了有力支撐。

圖6 一水害工點無人機巡檢成果

4 結(jié)語

鐵路防洪風(fēng)險隱患排查主要以人工巡檢為主的模式，存在效率低、成本高、人員安全風(fēng)險大等問題，無法滿足鐵路大規(guī)模、精細化、智能化巡檢要求。本文在系統(tǒng)總結(jié)梳理了無人機飛行平臺、載荷、航線設(shè)計、數(shù)字成果等特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路防洪管理特點，提出了具備沿線隱患排查、數(shù)字化臺賬管理、形變定量分析、水害應(yīng)急處置等功能的無人機多層次鐵路防洪風(fēng)險隱患排查體系框架，并依托邯長鐵路進行了示范應(yīng)用，為無人機巡檢技術(shù)在鐵路防洪管理中的應(yīng)用提供了有力支撐。