鐵路工程建設及維護期間的航飛組織實施方式探討

徐明偉

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

隨著航測設備的不斷更新?lián)Q代，尤其是近年來無人機航飛市場的飛速發(fā)展，新型技術手段不斷拓展著航測遙感技術在鐵路勘察設計、施工建設及運營維護全生命周期中的應用領域，如何選擇合適的航測手段解決鐵路工程全生命周期中涉及到的各種需求，成為鐵路設計單位生產(chǎn)組織管理中所需要研究的一個重要問題。不同航測平臺的航測遙感技術應用不盡相同，航飛生產(chǎn)組織模式也有著各自的特點，如何以最為及時、有效、經(jīng)濟的方式解決需求問題，就需要從實際出發(fā)，選擇適宜的組織方式并做出科學的決策。

1 鐵路工程航飛組織的特點

鐵路工程航飛有其特殊性，最顯著的特點就是執(zhí)行計劃的臨時性。雖然鐵路工程建設有整體的執(zhí)行計劃，但受鐵總批復、地方意見推進等多方因素影響，鐵路工程建設各個階段工作的時間節(jié)點有可能隨時做出調(diào)整。為了滿足工程需求，航飛生產(chǎn)組織相應地呈現(xiàn)臨時性：航飛前期準備時間很短，而航飛周期更短。國家地理信息局的航攝項目一般執(zhí)行周期以年為單位，而鐵路工程的航攝項目執(zhí)行周期一般以月為單位，而且無法根據(jù)測區(qū)的具體氣象條件選擇合適的季節(jié)進場作業(yè)。鐵路工程為線狀工程，線路多連接大型城市，周邊都會有駐軍和民航機場，空域協(xié)調(diào)中的影響因素較多；由于線路縱向跨度較大，空域管理跨軍事分區(qū)甚至跨戰(zhàn)區(qū)，管理部門有幾家甚至十幾家，協(xié)調(diào)難度進一步加大。因此，空域的審批及申請是限制航飛生產(chǎn)組織進度的重要因素。

2 鐵路工程航飛生產(chǎn)組織方式

鐵路工程航飛生產(chǎn)組織方式按照飛行平臺可分為三類：第一種是機載，飛行載體是運5、運12、“大篷車”等大型固定翼飛機或直升飛機；第二種是無人機，一般分為旋翼和固定翼；第三種為有人飛行器，一般為旋翼機或動力三角翼。每種飛行平臺均有各自不同的空域?qū)徟蜕暾埩鞒獭?/p>

2.1 機載項目航飛組織

鐵路工程可行性研究階段主要滿足鐵路選線設計的用圖需求。初步選線需要1∶10 000比例地形圖，而可研階段需要1∶2 000比例地形圖，為了滿足設計需求，保證設計工作的深度，地形圖的時效性至關重要。大面積獲取影像最為有效的方式就是機載數(shù)碼航飛(飛機搭載大型數(shù)碼航攝儀)，故通常情況下都是考慮機載的方式組織航飛。機載數(shù)碼航飛應滿足不同比例數(shù)字線畫圖(DLG)的需求(如圖1)以及高分辨率數(shù)字影像獲取(如圖2)。

圖1 1∶2 000比例地形圖

圖2 優(yōu)于0.05 m分辨率高清影像

鐵路工程施工圖設計階段主要滿足設計專業(yè)對線路橫縱斷面及特殊工點的需求。為了取代人工觀測，長大線路(一般超過200 km)或者地形條件復雜的線路定測期間，為了解決專業(yè)需求，最為有效的方式就是開展機載雷達航飛(飛機搭載機載激光雷達)，以獲取高精度的激光點云和數(shù)碼影像。機載雷達航飛解決的需求是：①通過高精度數(shù)字高程模型(DEM)切繪鐵路線路的縱橫斷面[3](如圖3)；②滿足局部大比例地形圖、專項測繪(如圖4)；③獲取DEM、DOM數(shù)據(jù)，應用于鐵路建設工程管理(如圖5)。

圖3 高精度DEM

圖4 1∶500比例地形圖

圖5 鐵路三維協(xié)同設計及管理

在鐵路工程施工及運營維護階段，為了構建智能化施工管理系統(tǒng)或者運營期間的工務管理系統(tǒng)，需對鐵路工程沿線范圍進行高精度的機載數(shù)碼或者雷達航飛，在構建三維立體的同時，為管理系統(tǒng)獲取線路及線路周邊附屬物的地理信息。

由于機載航飛項目空域申請需要軍方和民航的批復，批文辦理時間較長(一般情況下需要一個月時間)，所以執(zhí)行單位在確定航飛項目的第一時間就應開始辦理，申請范圍要盡量大于計劃航飛的范圍，以避免或者減少實際執(zhí)行過程中因線路方案變動帶來的影響；為了順利推進項目執(zhí)行(主要是空域的審批及申請)，可委托合適的通航公司或者地理信息服務公司完成現(xiàn)場的航飛組織工作。

機載項目航飛的優(yōu)點主要有：①作業(yè)效率高(日生產(chǎn)效率是所有航飛組織方式中最高的)；②數(shù)據(jù)獲取、處理到成果產(chǎn)出各個環(huán)節(jié)的技術流程較成熟，成果質(zhì)量有保證；③通用航空公司在執(zhí)行航飛作業(yè)時有嚴格的制度及硬件保障，其安全性是所有航飛作業(yè)中最高的；④航測內(nèi)外業(yè)人員附加工作量小、自動化程度高，設備及人員投入都比較少，投入和產(chǎn)出比高。

缺點主要有：空域?qū)徟芷谳^長，受測區(qū)天氣影響較為顯著，項目費用投入較大。

2.2 無人機項目航飛組織

無人機測繪是對傳統(tǒng)測繪航空攝影測量手段的有利補充。隨著各種類型不同荷載能力無人機的快速發(fā)展及航測設備小型化、智能化的更新?lián)Q代，無人機測繪已經(jīng)成為鐵路工程測繪的重要組成部分。

無人機種類非常多，主要有航模固定翼無人機、輕微型旋翼機、工業(yè)型(中型)固定翼無人機幾種，每個種類的飛行速度、飛行高度、續(xù)航能力等都有所區(qū)別。搭載的航測設備主要有航攝相機、激光雷達、傾斜相機、高清攝像機。鐵路工程項目中無人機航飛組織需要解決以下幾方面問題。①數(shù)碼航飛：進行局部地形圖核補工作(小范圍的1∶2 000地形圖或1∶500地形圖)；②傾斜相機航飛：滿足較短鐵路線路的三維建模工作，構建鐵路三維系統(tǒng)；③激光雷達航飛：解決小范圍重點區(qū)域的影像獲取及高精度激光點云獲取需求，切繪地形斷面及核補地形工作；④高清視頻：解決鐵路沿線調(diào)查取證、巡查、宣傳等工作。

無人機航飛的空域申報相對簡單，不涉及軍事設施等特殊地段時，只需要在當?shù)毓膊块T報備，空域的審批周期比較短(一般只需要一周左右)；無人機航飛組織靈活，實施及轉(zhuǎn)場等都較為簡單，能夠根據(jù)項目輕重緩急開展工作；無人機航飛對天氣適應力強，在多云多霧等特殊地域優(yōu)勢尤為突出；無人機航飛整體投入較少，使用成本較低。當然，無人機也存在其自身的限制因素，主要有如下幾點。①安全問題：飛行中存在很多不可控因素(如風力、障礙物、落地點等)，飛機的安全性是制約應用的重要因素；②作業(yè)綜合效率問題：受成果精度和執(zhí)行范圍的影響，其綜合效率相對較低；③成果精度問題：無人機搭載的配套航測設備也很多，不同的設備配置及后處理軟件所能達到的精度等級也不同，尤其是受地形條件的影響，數(shù)據(jù)成果精度難以保證。

2.3 有人飛行器航飛組織

將輕型設備搭載在有人飛行器上，執(zhí)行低空(一般作業(yè)高度在1 000 m以下)的航飛任務。

以旋翼機或動力三角翼作為飛行平臺，搭載專業(yè)級航攝相機或者輕型激光雷達，雖然在飛行效率上不及機載航飛，但是在功能上幾乎等同于機載航飛，能夠較好地解決鐵路工程從可行性研究、設計施工、運營維護各個階段對航測數(shù)據(jù)的需求，其技術功能性可以與機載航飛相等同。①空域?qū)徟鄬唵危頇C或動力三角翼僅需要在當?shù)乜沼蛑笓]所審批即可，審批周期較短，適用于加急項目[4]；②飛行高度適中；③成本投入適中，對一些中小型航攝項目(航飛面積100～500 km2的項目)而言，航飛的投入產(chǎn)出比相對較高。

3 航飛組織模式的選擇

航飛組織模式的選擇可參考表1。

表1 航飛組織模式的選擇

首先應考慮航飛的目的，這里包括勘測設計需求、航飛成果的技術指標、成果資料提交的時間要求等；其次需進行航飛資源的調(diào)研，對測區(qū)范圍內(nèi)的實際情況進行調(diào)查，在航飛組織方式有多種選擇的情況下，確定每種組織方式可以執(zhí)行的既有資源、執(zhí)行周期，并估算經(jīng)濟成本；最后，根據(jù)測區(qū)內(nèi)的天氣因素、空域因素及成本測算，綜合決定航飛組織方式。