無人機(jī)測(cè)量在鐵路工程測(cè)繪實(shí)踐中的應(yīng)用

崔百林

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司測(cè)繪地理信息研究院第一測(cè)繪研究所，天津 300251

無人機(jī)是當(dāng)下兼具實(shí)用性和智能性的科技產(chǎn)物，作為新型的測(cè)繪技術(shù)，以無人機(jī)設(shè)備為主體，輔助其他軟件系統(tǒng)，可以快速獲取地形地勢(shì)圖形、數(shù)字信息，并經(jīng)數(shù)據(jù)信息共享、數(shù)據(jù)分析處理，總結(jié)可用的圖像、文字等數(shù)據(jù)信息，繪制地形圖，為鐵路工程開展提供有效參考。相對(duì)于傳統(tǒng)的鐵路測(cè)繪方法，高效準(zhǔn)確的測(cè)繪結(jié)果有利于促進(jìn)工程建設(shè)，提升工程質(zhì)量，減少工程前期勘測(cè)成本和時(shí)間，在地形測(cè)繪工程中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 無人機(jī)測(cè)量在鐵路工程測(cè)繪實(shí)踐中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）測(cè)繪方便。無人機(jī)屬于低空飛行領(lǐng)域，起飛降落的場(chǎng)地要求較低，在飛行空間規(guī)劃、路線設(shè)計(jì)方面也較為容易，且整個(gè)測(cè)繪過程耗時(shí)較短，受外界環(huán)境因素影響較小，僅需在面積較小的作業(yè)區(qū)就可以對(duì)整個(gè)需要測(cè)繪的地區(qū)進(jìn)行全面測(cè)繪。

（2）實(shí)時(shí)測(cè)繪。無人機(jī)可以在短時(shí)間的測(cè)繪準(zhǔn)備后快速開始數(shù)據(jù)采集，根據(jù)不同地質(zhì)情況隨時(shí)出發(fā)，快速得到清晰的影像，并將用戶所需要的圖像實(shí)時(shí)傳輸給相關(guān)技術(shù)部門的技術(shù)人員，數(shù)據(jù)信息的傳輸、利用時(shí)效性高，可以很好地滿足工程前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)于地形等數(shù)據(jù)的需求。

（3）適用范圍廣泛。多個(gè)無人機(jī)可以同時(shí)測(cè)繪，選好測(cè)繪點(diǎn)，設(shè)計(jì)好航拍線路，根據(jù)不同測(cè)繪環(huán)境下的測(cè)繪要求大范圍同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和測(cè)量，整個(gè)測(cè)繪過程數(shù)據(jù)采集快速全面，地形測(cè)繪處理耗時(shí)也較短，且能夠到達(dá)人工探測(cè)無法到達(dá)的區(qū)域，測(cè)繪工作較為安全，有效地提升了測(cè)繪工作效率和質(zhì)量。

2 無人機(jī)測(cè)量在鐵路工程測(cè)繪實(shí)踐中的應(yīng)用要點(diǎn)

（1）測(cè)量準(zhǔn)備。首先，需要開展現(xiàn)場(chǎng)踏勘，收集工程資料和測(cè)區(qū)的基礎(chǔ)信息，了解測(cè)區(qū)實(shí)際狀況和地理位置，根據(jù)無人機(jī)的系統(tǒng)與設(shè)備性能、實(shí)際作業(yè)要求和范圍要求制訂相應(yīng)的飛行方案，其中包括飛行作業(yè)區(qū)選定、航線規(guī)劃、無人機(jī)的相關(guān)飛行參數(shù)、飛行控制要點(diǎn)和依據(jù)等，確保無人機(jī)能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)在指定區(qū)域完成航拍工作，測(cè)繪結(jié)果清楚準(zhǔn)確；其次，需要進(jìn)行設(shè)備校驗(yàn)、調(diào)試，根據(jù)要求進(jìn)行常規(guī)檢查，根據(jù)設(shè)計(jì)的測(cè)繪方案組裝無人機(jī)并試飛，根據(jù)試飛結(jié)果科學(xué)調(diào)整測(cè)繪方案。

（2）航攝作業(yè)。首先，按照設(shè)定好的區(qū)域范圍、參數(shù)、高度和航行路線進(jìn)行自動(dòng)拍攝，采集升空影像數(shù)據(jù)，獲得測(cè)繪范圍的基礎(chǔ)影像資料，在這個(gè)過程中，由于無人機(jī)受氣候和風(fēng)力的影響較大，地面要進(jìn)行飛行監(jiān)控，監(jiān)測(cè)電量、風(fēng)速、風(fēng)向、實(shí)時(shí)飛行航線與預(yù)設(shè)的差距，通過GPS定位、人工遠(yuǎn)程操控，確保不偏離航線，能夠正常返航，提升飛行效率。其次，及時(shí)分析影像資料，檢查成像效果，核查數(shù)據(jù)是否有遺漏，當(dāng)存在漏拍、照片模糊不清等問題時(shí)，根據(jù)測(cè)圖精度要求、工程實(shí)際需要調(diào)整飛行參數(shù)，再次飛行航攝，提高數(shù)據(jù)的有效性。此外，還要正確保存、備份、傳輸數(shù)據(jù)，便于后續(xù)測(cè)繪數(shù)據(jù)的分析與解讀。

（3）數(shù)據(jù)采集。利用無人機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量，為了獲得較為全面有效的測(cè)繪信息，可以采用三角測(cè)量法，由技術(shù)人員遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，精準(zhǔn)獲取測(cè)試點(diǎn)的圖像及測(cè)量數(shù)據(jù)。在鐵路工程項(xiàng)目中，其影像云數(shù)據(jù)主要依靠點(diǎn)云處理技術(shù)軟件有效開展核心數(shù)據(jù)收集，云數(shù)據(jù)自身包含相對(duì)豐富的地理紋理信息以及語(yǔ)言意義信息，所形成的云地圖數(shù)據(jù)總量較大，對(duì)于特殊地形、其他測(cè)繪方式所無法探測(cè)的四角地帶也能有效測(cè)量，并借助信息化手段將數(shù)據(jù)整合，處理成為可供測(cè)繪人員直接利用的工程資料，最大程度上保障了測(cè)繪數(shù)據(jù)的可靠性。

（4）地形圖繪制。首先，要核實(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，結(jié)合無人機(jī)測(cè)量運(yùn)作原理、測(cè)繪方案以及地形圖繪制的依據(jù)等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以求獲得滿足實(shí)際需求的測(cè)量結(jié)果，并且以測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助相應(yīng)的圖像等數(shù)字化處理系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算等處理，根據(jù)處理結(jié)果按照比例要求制作地形結(jié)構(gòu)圖。其次，繪圖時(shí)要按照相應(yīng)的圖式要求、國(guó)家測(cè)繪工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行野外調(diào)繪，為了使測(cè)量結(jié)果具有更高準(zhǔn)確性，需要根據(jù)測(cè)繪盲區(qū)、測(cè)繪精度要求合理調(diào)整觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，對(duì)內(nèi)業(yè)采集的地物、地貌要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行類型、邊界、屬性的修改編輯、接邊，形成滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)定要求的數(shù)字地形圖成果。

3 無人機(jī)測(cè)量在鐵路工程測(cè)繪中的具體應(yīng)用

（1）鐵路勘察設(shè)計(jì)階段。鐵路工程早期工作重點(diǎn)是進(jìn)行地形勘測(cè)，收集地質(zhì)資料、制作地形圖，為設(shè)計(jì)工作做準(zhǔn)備，特別是對(duì)于一些地質(zhì)地形條件不允許進(jìn)行大規(guī)模的人力測(cè)繪的地段，利用無人機(jī)及當(dāng)下先進(jìn)的傳感器設(shè)備、攝影和遙感等技術(shù)，可以獲得全面、形象、清楚的航片，并推測(cè)勘測(cè)區(qū)域內(nèi)地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)等信息，勾繪出沙漠、沼澤、鹽湖、堿灘等不良地質(zhì)的分布范圍、水源分布情況，精確標(biāo)識(shí)測(cè)量范圍內(nèi)的特殊構(gòu)造物和設(shè)施，高效完成設(shè)計(jì)階段的地形測(cè)量與大比例尺地形圖制作任務(wù)，獲得完善的區(qū)域地形圖、水文資料、數(shù)字高程模型等鐵路線路設(shè)計(jì)所需的重要工程資料，有助于設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的線路方案。

（2）鐵路施工階段。利用無人機(jī)遙感結(jié)合衛(wèi)星遙感的方式可對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地形和地質(zhì)地貌、地面建筑物等情況進(jìn)行信息采集，進(jìn)而在施工階段發(fā)揮輔助監(jiān)管作用。首先，在施工前期準(zhǔn)備階段，對(duì)于材料和設(shè)備的存放地點(diǎn)、運(yùn)輸路線規(guī)劃、水電能源設(shè)施搭建、線路布設(shè)等，無須大量的人力實(shí)地考察，借助無人機(jī)完成對(duì)地物的分析和計(jì)算，可以優(yōu)化施工組織、材料運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)平面布置等方案。其次，可將設(shè)計(jì)好的鐵路三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維GIS，并利用無人機(jī)進(jìn)行定期巡視，形成可視化的施工管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的實(shí)時(shí)全面監(jiān)督，對(duì)施工環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，全面掌握施工引起的周邊生態(tài)環(huán)境、地表地形、地質(zhì)環(huán)境變化，加上數(shù)據(jù)傳輸和利用的高效性，可提升施工部門的決策、施工組織管理效率，從而有助于施工安全順利進(jìn)行。

（3）鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。地鐵的覆蓋范圍很廣，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)期內(nèi)會(huì)因?yàn)榈乩怼夂虻纫蛩禺a(chǎn)生不同的地質(zhì)災(zāi)害威脅，其運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理重難點(diǎn)也會(huì)有很大的差異。為了提高運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和維管成效，利用無人機(jī)航空遙感技術(shù)獲得高分辨率、高時(shí)效性的影像數(shù)據(jù)，可對(duì)鐵路沿線進(jìn)行定期巡查，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行短時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)影響鐵路運(yùn)營(yíng)的落石、滑坡、泥石流進(jìn)行監(jiān)控與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)期復(fù)測(cè)與監(jiān)測(cè)和安全監(jiān)測(cè)，有助于土地管理與規(guī)劃、搶險(xiǎn)救災(zāi)、工程病害防治等工作開展。此外，利用無人機(jī)航空遙感技術(shù)還可為既有鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供大量基礎(chǔ)地理信息，除了設(shè)計(jì)前期勘測(cè)到的工程地質(zhì)資料，對(duì)于已完工的線路所經(jīng)具體位置、車站、沿線的地形地勢(shì)和人文、建筑等情況，乃至后期線路周邊的變化情況都可進(jìn)行全面收集，并及時(shí)更新，建立準(zhǔn)確、龐大的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于運(yùn)營(yíng)管理時(shí)構(gòu)建鐵路沿線三維模型，從而促進(jìn)運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作的開展。

4 無人機(jī)測(cè)量在鐵路工程測(cè)繪實(shí)踐中的應(yīng)用建議

（1）保證設(shè)備的工作狀態(tài)。為了全面發(fā)揮無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)測(cè)繪團(tuán)隊(duì)一定要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修、維護(hù)，特別是電氣系統(tǒng)、精密元件等，使通信模塊、電源模塊能夠處在最佳運(yùn)行狀態(tài)，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性和高效性；在正式應(yīng)用設(shè)備前，要進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)，對(duì)于不穩(wěn)定的設(shè)備要及時(shí)調(diào)試，運(yùn)行狀態(tài)不符合基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)要立即更換，并根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用方案調(diào)整好設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，開展飛行試驗(yàn)，進(jìn)行必要的調(diào)整，以提高無人機(jī)使用效率，使其能夠發(fā)揮良好的測(cè)繪效果。

（2）優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸。無人機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸需要基于信號(hào)傳輸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其中最重要的就是信號(hào)接收裝置的設(shè)置，要根據(jù)測(cè)繪區(qū)域、測(cè)繪點(diǎn)布置、地形地勢(shì)等確定，這樣才能確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸和接收信號(hào)的完整性。此外，還要強(qiáng)化拍攝區(qū)域的點(diǎn)位布控效果，針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的條件進(jìn)行分析，了解目標(biāo)區(qū)域的測(cè)量需求，結(jié)合飛行高度和線路、信號(hào)傳輸距離和強(qiáng)弱制訂基礎(chǔ)布控方案，使其可以與地勢(shì)、地形達(dá)到深度結(jié)合的效果。

（3）嚴(yán)格管控航拍環(huán)節(jié)飛行。攝影環(huán)節(jié)極大地影響數(shù)據(jù)的采集效果，為了確保工程測(cè)繪可以達(dá)到最佳效果，需要降低這一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的概率，鑒于不同的機(jī)型有不同的操作方式，飛行遙控的影響因素也較多，需要對(duì)無人機(jī)起飛、飛行、降落的整個(gè)過程進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控，注重控制飛行與攝影細(xì)節(jié)。首先，要提升該方面的技術(shù)管控和操控人員的技能水平；其次，要考慮到風(fēng)力會(huì)擾亂氣流，無人機(jī)可能無法正常飛行、降落，影響測(cè)繪精確度，需要對(duì)無人機(jī)的抗風(fēng)性進(jìn)行改進(jìn)，避免無人機(jī)的正常應(yīng)用受到干擾，以提高整體測(cè)繪效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無人機(jī)測(cè)量是一項(xiàng)技術(shù)含量較高的工作，經(jīng)諸多實(shí)踐證明，在實(shí)際工程測(cè)繪應(yīng)用中具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，因此值得在鐵路工程中推廣應(yīng)用。但要取得預(yù)期應(yīng)用效果，保障測(cè)繪質(zhì)量，需要掌握正確的應(yīng)用流程、測(cè)量方式，制訂科學(xué)合理的飛行航拍路線、測(cè)繪方案，提升各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的采集效率，在全面精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析處理，以獲得鐵路工程項(xiàng)目開展所需的相關(guān)資料。