鐵路橋梁巡檢中無人機攝影測量技術(shù)的應(yīng)用研究

吳永春

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水 741025）

一、無人機系統(tǒng)概述

無人機在鐵路橋梁巡檢系統(tǒng)時通過外觀監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建，實現(xiàn)巡檢目標。這一系統(tǒng)構(gòu)建，主要包含了無人機飛行平臺、避障系統(tǒng)、高清攝像機、遙控設(shè)備、定制飛行控制的地面站系統(tǒng)、圖像識別處理服務(wù)器等部分，在應(yīng)用中，借助人工遙控和自主飛行結(jié)合的模式，實現(xiàn)對于鐵路橋梁相關(guān)部位拍攝，獲得實時的影像資料和數(shù)據(jù)，借助圖像智能分析來獲得對應(yīng)數(shù)據(jù)，進而精準分析鐵路橋梁病害，做好必要監(jiān)管措施。鐵路橋梁巡檢無人機主要用于鐵路和橋梁病害識別，及時發(fā)現(xiàn)危險因素[1]，例如斜拉索、路障、結(jié)構(gòu)連接件病害、混凝土鋼筋腐蝕等病害。無人機前端飛行航線能夠借助對人工飛行的軌跡處理，將其轉(zhuǎn)換成精準的飛行航線，系統(tǒng)可以根據(jù)航線自動飛行，識別病害，這種病害識別的精準度達到毫米等級。無人機巡檢系統(tǒng)對檢測結(jié)果通過云方式存儲，在有網(wǎng)絡(luò)的條件下實現(xiàn)自動傳輸，系統(tǒng)容量大，也有一定的兼容性，能夠滿足一些大文件傳輸[2]。

二、鐵路橋梁巡檢無人機攝影測量技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

（一）測繪范圍廣泛

使用無人機攝影測量技術(shù)來對鐵路橋梁病害進行檢測，優(yōu)勢顯著。和一般的測繪技術(shù)相比，其測量范圍更廣[3]。傳統(tǒng)測繪工程以測繪技術(shù)人員親自操作為主，因此他們的測量工作范圍有限，且人為操作也容易出錯，相關(guān)測量人員的工作壓力大，一些地勢地形險要的地方開展測繪的難度大、風(fēng)險高，測繪人員難以達到，也無法確保測繪工作效率，這時候借助無人機攝影測量技術(shù)，可以有效擴大工作范圍，切實提升測繪工作效率，能夠自由攝影測量，對于一些環(huán)境惡劣地區(qū)的測量也能夠有效開展，避免了人工作業(yè)的誤差，測量的精準度也更高。

（二）病害測量效率高

使用無人機攝影測量技術(shù)進行鐵路橋梁病害監(jiān)測，不需要相關(guān)技術(shù)人員實地勘察和監(jiān)測，相關(guān)測量系統(tǒng)能夠?qū)τ谙鄳?yīng)鐵路和橋梁區(qū)域的地質(zhì)特征參數(shù)進行把握，并對于相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害情況進行預(yù)測[4]。相對于傳統(tǒng)測繪工作，無人機攝影測量技術(shù)的安全系數(shù)更高，不會導(dǎo)致相關(guān)測量技術(shù)人員發(fā)生事故。通過構(gòu)建無人機攝影測量系統(tǒng)，能夠?qū)τ诘卣馂?zāi)害進行全面掌控，將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)及時反饋給相關(guān)檢修人員，能夠及時發(fā)出系統(tǒng)警示，保證鐵路橋梁的安全性。這是對于傳統(tǒng)測繪工作模式的一種創(chuàng)新，提升了測量工作的技術(shù)含量，確保了測量工作合理性和經(jīng)濟效益，加速測繪工作的可持續(xù)發(fā)展進程。

（三）成本節(jié)約成效顯著

通過無人機攝影測量技術(shù)應(yīng)用，能夠降低測量工作的成本消耗。對于測繪工程來說，因為其本身具有一定的復(fù)雜性和技術(shù)專業(yè)性，也需要系統(tǒng)化管理。傳統(tǒng)測繪工作需要消耗較大的人力物力財力，成本較大，除了要購買測量儀器以及相關(guān)設(shè)備恩，相關(guān)技術(shù)人員也需要到場，實地開展勘察工作，這樣做需要較大的成本，且存在一些安全風(fēng)險[5]。借助無人機攝影測量技術(shù)，可以遠程操作，無需現(xiàn)場人員，通過科學(xué)技術(shù)來實現(xiàn)遠程操作和控制，無人機可以按照規(guī)定的路線運行，第一時間采集相關(guān)鐵路和橋梁病害信息。這種攝影測量不需要大量的測繪儀器和設(shè)備，人力消耗也更少，這樣可以有效節(jié)約成本，也避免了設(shè)備損耗和維修開支，這對于促進測繪工程實現(xiàn)經(jīng)濟效益具有重要作用[6]。

三、無人機攝影測量技術(shù)作業(yè)流程

通過無人機攝影測量，無人機需要低空飛行，在鐵路以及橋梁相應(yīng)路線進行數(shù)據(jù)采集，這是一種以POS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的快速拼接技術(shù)，在具體的測量中，還需要把握具體的作業(yè)流程，這樣才能夠鐵路和橋梁安全監(jiān)測[7]。

（一）無人機低空攝影測量

無人機在低空攝影測量中，必須要有充分的準備，對于具體無人機攝影測量設(shè)備的飛行路線確定、高度測量、航飛地點選擇等，都需要提前計算好，針對不同的鐵路和橋梁項目，應(yīng)該有不同的設(shè)定，做好必要準備工作，按照具體需要來選擇相機類型，這些準備工作對于測量結(jié)果都會產(chǎn)生影響。在鐵路橋梁工程中，整體低空飛行高度應(yīng)該在60米上下，且選擇合理的相機來進行攝影測量。設(shè)定無人機的起飛方式為彈射，落地方式為傘降落[8]。在無人機起飛之前，需要確定起飛位置，確保整體開闊性，根據(jù)實際路線和橋梁長度來設(shè)定需要的無人機數(shù)量，設(shè)計航帶，確保整體航向重疊超過85%，旁向重疊超過45%，且相應(yīng)低空攝影測量對攝影相片重疊度也要相對應(yīng)。

（二）影像快速拼接

無人機攝影測量技術(shù)應(yīng)用中，還需要借助航天遠景軟件使用，將POS數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對相機的焦距、像素以及同名點記性數(shù)據(jù)提取和匹配，旨在保證達到空三評差解算要求，構(gòu)建相應(yīng)格網(wǎng)，在不斷地微分糾正中，對于相應(yīng)測量區(qū)域的數(shù)字進行調(diào)節(jié)，構(gòu)成正射影像圖[9]。在具體操作中，這樣的操作能夠在區(qū)域中獲得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，為野外相控點布設(shè)提供參考依據(jù)，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

（三）相控點布設(shè)和測量

相控點是立體測圖的前提，對于測量結(jié)果的準確性有重要影響，通過CORS系統(tǒng)和RTK對控制點進行測量，相控點布設(shè)應(yīng)該確保目標影像清晰可見，便于識別和判斷，一般設(shè)置在立體量測的線狀地物焦點、明顯的地物拐點，4—6基線等位置。

（四）空三解算和立體像對構(gòu)建

空三加密在無人機影像處理中至關(guān)重要，也是整個處理流程的重難點，對后續(xù)成果精度也有重要影響。無人機影像像幅一般不大，采集的影像數(shù)量爭奪，加上無人機飛行在一定程度上會受到外界條件制約，所以具體的航向和姿態(tài)角的偏差往往很大，傳統(tǒng)的加密軟件難以確保精度需要，在具體作業(yè)中，通過航天遠景系統(tǒng)能夠?qū)o人機影響特點進行開發(fā)，實現(xiàn)無人機影像的快速處理目標。項目可以分為12個區(qū)域，方便開展空中三角解算，作業(yè)自由網(wǎng)解算連接點上下視差也需要控制在一定范圍內(nèi)，確保模型連接較差符合要求。具體的控制點、檢查點都需要在立體觀測下實現(xiàn)精準測量目標。在完成控三加密后，借助軟件構(gòu)建立體像對[10]。

（五）數(shù)字線劃圖生產(chǎn)

一般數(shù)字線劃圖范圍在鐵路橋梁延伸各50米位置，構(gòu)建的立體相對前提下，對立體相對定向精度、模型視差等進行校驗，對于其中沒有達到精度要求的部分重新進行加密修改。相關(guān)作業(yè)人員需要結(jié)合立體影像上地物的形狀、大小、色調(diào)等，借助航天遠景采集軟件來開展平面、高程、交通、管線等重要地形要素的三維坐標及其他幾何信息。對等高線高程點進行測量，可以選用側(cè)標切準模型，針對有植物覆蓋代表加植被高度改正。

四、鐵路橋梁巡檢無人機攝影測量技術(shù)應(yīng)用要點

（一）測繪數(shù)據(jù)采集

使用無人機攝影測量技術(shù)設(shè)備進行鐵路橋梁相關(guān)數(shù)據(jù)采集，要確保圖像識別中的節(jié)點以及主機間能夠?qū)崿F(xiàn)有效通信，需要借助圖像識別技術(shù)優(yōu)勢來促進相關(guān)數(shù)據(jù)采集和聚合。圖像識別應(yīng)用能夠有效實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和交互。所以在設(shè)計中，需要基于圖像識別設(shè)備監(jiān)控需要來對互聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用，促進數(shù)據(jù)實時性不斷提升。要做到數(shù)據(jù)快速有效地采集和傳輸，這對于設(shè)備故障狀態(tài)的及時判斷和信息傳輸具有重要意義。在鐵路橋梁測繪工程中利用無人機技術(shù)來采集相關(guān)數(shù)據(jù)的時候，可采用兩種采集方式，一種是自動加密采集手段。這種采集方法指的是通過無人機設(shè)備內(nèi)部的裝備、傳感器等來保存其所采集的數(shù)據(jù)，并利用加密技術(shù)來保護儲存器中的信息數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮其內(nèi)部的自我保護機制，從而避免重要數(shù)據(jù)缺失、泄漏。

此外，只有具有內(nèi)部權(quán)限的人員才能讀取儲存器中的數(shù)據(jù)，有利于保障數(shù)據(jù)的安全性；另一種是手動采集手段，主要是利用相關(guān)操作人員來遠程控制計算機，根據(jù)鐵路橋梁測繪工程需求來有目的性地控制無人機進行測量、拍攝，獲取準確的數(shù)據(jù)，確保鐵路橋梁巡檢工作精準、高效進行。

（二）數(shù)據(jù)處理分析

在鐵路橋梁巡檢中，使用無人機攝影測量技術(shù)對數(shù)據(jù)處理效率更高，且數(shù)據(jù)處理精度也更理想，在鐵路橋梁病害安全巡檢中應(yīng)用具有廣泛前景。在具體測量攝影中，借助無人機攝影測量設(shè)備，開展大范圍的區(qū)域測量工作，能夠獲得比較全面的數(shù)據(jù)信息，為相關(guān)檢修和保養(yǎng)工作提供必要依據(jù)，通過采集信息技術(shù)，確保鐵路橋梁的安全治理，也能夠提升安全治理水平和效益。但是，需要引起注意的是，使用無人機攝影測量設(shè)備，需要合理地控制無人機的飛行速度，因為大多是低空飛行，對于無人機的飛行路線進行合理設(shè)計，確保覆蓋全面，以便全面系統(tǒng)地掌握鐵路橋梁的具體情況?，F(xiàn)階段，很多鐵路橋梁工程巡檢中，通過無人機攝影測量技術(shù)應(yīng)用，借助中幅面CCD來充當傳感器的感光部位，借助必要的加固以及相應(yīng)的電力改裝，使其能夠作為攝影性能比較穩(wěn)定的數(shù)碼相機使用。但是，由于感光單位的非正方形因子、非正交性以及畸變問題，所以很容易造成數(shù)碼相機在攝影中存在誤差。對于這一問題，需要開發(fā)一些功能更加完善的無人機攝像數(shù)碼裝置，取代傳統(tǒng)數(shù)碼相機，也可以開發(fā)使用一些修正軟件，對相應(yīng)測量結(jié)果進行修正，確保可靠性，通過相關(guān)數(shù)據(jù)積累構(gòu)成有效修正方案，這對無人機攝影測量中常見的一些攝影誤差問題解決有重要作用。

五、總結(jié)

目前機器人技術(shù)發(fā)展迅速，無人機也是云機器人系統(tǒng)是其中的杰出代表之一，現(xiàn)階段，無人機相關(guān)技術(shù)不斷升級，在越來越多的領(lǐng)域都實現(xiàn)了有效應(yīng)用，相應(yīng)系統(tǒng)有效結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的泛在性特點，基于開放性的開發(fā)方法應(yīng)用，有效地實現(xiàn)了無人機的進一步應(yīng)用和發(fā)展，促進了無人機能力顯著提升，也讓無人機的應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓展，更讓無人機系統(tǒng)的簡化開發(fā)成為可能，有效降低了無人機構(gòu)造和應(yīng)用成本?；谠朴嬎慵夹g(shù)的云機器人服務(wù)系統(tǒng)，充分整合了云大數(shù)據(jù)、云計算能力、機器人與環(huán)境資源共享以及人類計算等技術(shù)。無人機操作系統(tǒng)通過優(yōu)化設(shè)計，能夠提供相應(yīng)程序庫和工具，為無人機相關(guān)控制軟件開發(fā)提供必要的支持。操作系統(tǒng)可以為開發(fā)者提供硬件支撐、設(shè)備驅(qū)動以及可視化工具等，還能實現(xiàn)消息傳遞和軟件包管理等服務(wù)，功能多樣。