類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)在高鐵地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)在高鐵地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我國(guó)小型無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制、連續(xù)時(shí)間和飛行質(zhì)量都顯著提高。2016年前后，旋翼無(wú)人機(jī)先后被應(yīng)用于川藏線不良地質(zhì)勘察、川黔線裁縫巖滑坡應(yīng)急搶險(xiǎn)、成昆線超高位危巖勘查等工程中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益我國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行有較為嚴(yán)格的立法管理，即無(wú)人機(jī)飛行需要進(jìn)行空域申請(qǐng)，導(dǎo)致使用無(wú)人機(jī)開(kāi)展鐵路勘察的效率大幅降低;另一方面，固定翼無(wú)人機(jī)的購(gòu)置成本較高，對(duì)駕駛員的技術(shù)要求較高(動(dòng)輒上萬(wàn)元的培訓(xùn)費(fèi)用)，也阻礙了“空天地一體化”勘察的大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前無(wú)人機(jī)在鐵路地質(zhì)勘察中面臨空域申請(qǐng)難、飛行員培訓(xùn)費(fèi)用高、費(fèi)效比低等問(wèn)題，而Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)可以很好地解決以上困境。1類(lèi)無(wú)人機(jī)飛行的管理目前，無(wú)人機(jī)飛行空域的申請(qǐng)程序繁瑣，申請(qǐng)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)難以在鐵路地質(zhì)勘察中大規(guī)模應(yīng)用。依據(jù)當(dāng)前的法律法規(guī)，Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)(無(wú)人機(jī)分類(lèi)見(jiàn)表1)一般無(wú)需進(jìn)行申請(qǐng)(除融合空域外)。依據(jù)中國(guó)民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司2016年7月11日發(fā)布的《民用無(wú)人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》，空機(jī)質(zhì)量和起飛質(zhì)量為0～1.5kg(含)的無(wú)人機(jī)屬Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)，對(duì)于在視距內(nèi)運(yùn)行(半徑不大于500m，人、機(jī)相對(duì)高度不大于120m)的Ⅰ、Ⅱ類(lèi)無(wú)人機(jī)，無(wú)須證照管理。依據(jù)中國(guó)民用航空局空管行業(yè)管理辦公室2016年9月12日發(fā)布的《民用無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》，民用無(wú)人駕駛航空器在隔離空域內(nèi)飛行，由組織單位和個(gè)人負(fù)責(zé)實(shí)施，并對(duì)其安全負(fù)責(zé)。依據(jù)2017年5月16日中國(guó)民用航空局航空器適航審定司發(fā)布的《民用無(wú)人駕駛航空器實(shí)名制登記管理》，起飛質(zhì)量為0.250kg(含0.250kg)以上的民用無(wú)人機(jī)擁有者需進(jìn)行實(shí)名登記。在地方上，四川、新疆等地也相繼出臺(tái)了相關(guān)法律法規(guī)，明確了無(wú)人機(jī)生產(chǎn)、銷(xiāo)售、使用及其安全管理的細(xì)則。無(wú)論是國(guó)家層面的法律法規(guī)，還是地方層面的法律法規(guī)，都表明Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)在視距內(nèi)飛行，飛行人員可以不進(jìn)行空域申請(qǐng)，也不需要無(wú)人機(jī)飛行駕駛證，但需要進(jìn)行實(shí)名登記，并對(duì)其安全負(fù)責(zé)。這為Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用提供了良好的法律環(huán)境。2小型無(wú)人機(jī)的實(shí)踐和應(yīng)用2.1無(wú)人機(jī)錄像及作業(yè)線性技術(shù)特點(diǎn)大疆曉spark無(wú)人機(jī)(見(jiàn)圖1)起飛質(zhì)量為0.3kg;控制范圍:水平距離2km，垂直距離500m，飛行限高120m;最大水平速度為13.8m/s，最大上升速度為3m/s，最大飛行時(shí)間為16min，最大起飛海拔高度為4000m，相機(jī)有效像素為1200萬(wàn)，影像分辨率為1080p。采用兩軸機(jī)械防抖云臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像頭角度的旋轉(zhuǎn)和拍攝姿態(tài)的穩(wěn)定，具有價(jià)格實(shí)惠、小巧輕便、掌上起飛、高效機(jī)動(dòng)、影像清晰等特點(diǎn)和基礎(chǔ)的障礙感知的能力該型無(wú)人機(jī)體積雖小，但GPS導(dǎo)航、電子地理圍欄、高清像素云臺(tái)相機(jī)、智能避障系統(tǒng)一應(yīng)俱全，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)圖傳，并自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前所在區(qū)域是否具備起飛條件，感知自身飛行高度和距離，當(dāng)電量不足時(shí)或失去信號(hào)時(shí)也能自動(dòng)返航。2019年3月，利用該型無(wú)人機(jī)在新建廣州至湛江高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱“廣湛高鐵”)的可研修編及初步設(shè)計(jì)階段開(kāi)展了不良地質(zhì)遙感解譯的應(yīng)用嘗試。2.2滑坡遙感解譯問(wèn)題首先通過(guò)衛(wèi)星遙感圖圈定不良地質(zhì)異常區(qū)域，針對(duì)部分不良地質(zhì)體“走路難到達(dá)”、“地面難辨識(shí)”、“遙感難看清”的三難問(wèn)題，利用大疆曉spark無(wú)人機(jī)開(kāi)展遙感勘察工作。(1)凌云山滑坡遙感解譯凌云山滑坡位于廣湛高鐵凌云山隧道上方，通過(guò)衛(wèi)星遙感解譯(見(jiàn)圖2)，發(fā)現(xiàn)存在異常不良地質(zhì)體，但當(dāng)勘察人員到達(dá)滑坡前緣時(shí)(見(jiàn)圖3)，卻發(fā)現(xiàn)該處滑坡難以辨識(shí)，即該處滑坡屬于“地面難辨識(shí)”類(lèi)型。通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍，證實(shí)了滑坡前后緣及左右邊界的存在(見(jiàn)圖4)。認(rèn)為該滑坡的誘因?yàn)榛虑熬夐_(kāi)挖。(2)松柏煤礦采空塌陷區(qū)實(shí)踐表明，該型無(wú)人機(jī)滿足中低山區(qū)大中型不良地質(zhì)體的勘察攝影任務(wù)。無(wú)人機(jī)勘察的應(yīng)用，大大降低了野外地質(zhì)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了勘察精度和工作效率;可通過(guò)多架次飛行解決無(wú)人機(jī)續(xù)航較短的問(wèn)題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。3無(wú)人機(jī)特點(diǎn)特點(diǎn)大疆曉spark無(wú)人機(jī)具有簡(jiǎn)單易學(xué)、智能易操控等特點(diǎn)。該無(wú)人機(jī)屬于Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)，不需要取得飛行執(zhí)照。其操控培訓(xùn)包括理論學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)模擬飛行練習(xí)、航模實(shí)際操作練習(xí)等。4類(lèi)專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)成本較高參照互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)上商城的售價(jià)，無(wú)人機(jī)的采購(gòu)和培訓(xùn)成本見(jiàn)表2，無(wú)人機(jī)性能見(jiàn)表3。由表2、表3可以看出，準(zhǔn)專業(yè)級(jí)Ⅰ類(lèi)無(wú)人機(jī)的購(gòu)置培訓(xùn)成本只有Ⅱ類(lèi)專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)成本的29.5%。而消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)大疆曉spark的購(gòu)置培訓(xùn)成本僅為Ⅱ類(lèi)專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)成本的9.8%。盡管準(zhǔn)專業(yè)無(wú)人機(jī)和Ⅱ類(lèi)專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)具有較大的續(xù)航時(shí)間、較高的攝影像素和分辨率，以及更大的起飛海拔高程和遙控距離。但其體積更大，質(zhì)量更大，對(duì)起降平臺(tái)的要求更高，不便于野外攜帶和起飛。因此，不適宜應(yīng)用于野外地質(zhì)調(diào)查。綜上所述，Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)(特別是大疆曉spark無(wú)人機(jī))具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能滿足野外地質(zhì)勘察的基本需求。5不同地質(zhì)體可實(shí)現(xiàn)三級(jí)無(wú)人機(jī)階梯Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)具有無(wú)須申請(qǐng)空域、購(gòu)置成本低、適用性高、培訓(xùn)費(fèi)用低等特點(diǎn)，配合現(xiàn)場(chǎng)勘察和衛(wèi)星遙感，能夠很好地解決部分不良地質(zhì)體“走路難到達(dá)”、“地面難辨識(shí)”、“遙感難看清”的三難問(wèn)題。可以提高野外勘察效率，降低野外作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，大疆spark無(wú)人機(jī)存在飛行時(shí)間較短、不能規(guī)劃航線等缺點(diǎn);對(duì)于特殊不良地質(zhì)體(如大型泥石流溝、巨型崩塌、滑坡)的勘察，大疆spark無(wú)人機(jī)還存在局限性。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)不良地質(zhì)體遙感解譯的全覆蓋和高費(fèi)效比，還應(yīng)建立“高低搭配”、“合成高效”的三級(jí)無(wú)人機(jī)梯隊(duì):針對(duì)巨型不良地質(zhì)體或大范圍的遙感工作，宜采用購(gòu)買(mǎi)服務(wù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn);針對(duì)鐵路地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)、特殊工點(diǎn)的不良地質(zhì)體航拍或三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)，宜采用可規(guī)劃航線的Ⅰ類(lèi)輕型準(zhǔn)專業(yè)無(wú)人機(jī)來(lái)實(shí)施;針對(duì)在預(yù)可研、可研、初步設(shè)計(jì)階段開(kāi)展的野外不良地質(zhì)體調(diào)查，可以使用只有簡(jiǎn)單航拍功能的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)。6異常地質(zhì)體的初步識(shí)別(1)在視距內(nèi)飛行的Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)，可以不進(jìn)行空域申請(qǐng)，也不需要無(wú)人機(jī)飛行駕駛證，但需要進(jìn)行實(shí)名登記，并對(duì)其安全負(fù)責(zé)。(2)相較于其他類(lèi)別的無(wú)人機(jī)，Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)具有培訓(xùn)費(fèi)用廉價(jià)、購(gòu)置成本較低、適用性較高等特點(diǎn)。(3)Ⅰ類(lèi)輕型無(wú)人機(jī)能夠滿足中低山區(qū)大中型不良地質(zhì)體的勘察攝影任務(wù)，大大降低野外地質(zhì)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高勘察精度和工作效率。(4)建立“高低搭配”、“合成高效”的三級(jí)無(wú)人機(jī)梯隊(duì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各類(lèi)不良地質(zhì)體遙感解譯的全覆蓋和高費(fèi)效比。松柏煤礦采空塌陷區(qū)位于廣湛線凌云山隧道左側(cè)，遙感解譯發(fā)現(xiàn)，該處存在異常地質(zhì)體(見(jiàn)圖5)，但該異常地質(zhì)體的形成具有多解性:(1)崩塌;(2)人工開(kāi)挖;(3)采空區(qū)地面塌陷;(4)礦井洞口。由于遙感圖像的多解性，且該處植被茂密，山高路陡(見(jiàn)圖6)，即該不良地質(zhì)體屬于“走路難到達(dá)”、“遙感難看清”類(lèi)型。通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍(見(jiàn)圖7)，證實(shí)該處確實(shí)存在地面塌陷現(xiàn)象。由圖7可知，該處地形較緩，無(wú)崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能;不良地質(zhì)體周?chē)鸁o(wú)道路可通達(dá)，且沒(méi)有人工構(gòu)筑物，故排除人工開(kāi)挖和礦井洞口，初步判定為松柏煤礦采空造成的塌陷。(3)荷村水庫(kù)巖堆荷村水庫(kù)巖堆位于廣湛線繞避采空區(qū)比選方案右側(cè)，遙感解譯發(fā)現(xiàn)，該處存在異常開(kāi)挖地質(zhì)體(見(jiàn)圖8)，該異常地質(zhì)體形成具有多解性:(1)滑坡形成的地質(zhì)體;(2)采石開(kāi)挖形成的地質(zhì)體;(3)地質(zhì)體出露為基巖;(4)地質(zhì)體出露為土層。由于遙感圖像的多解性，且該處巖石松散、斜坡陡峭(見(jiàn)圖9)，即該不良地質(zhì)體屬于“走路難到達(dá)”、“遙感難看清”類(lèi)型。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和無(wú)人機(jī)航拍(見(jiàn)圖10)，證實(shí)該處不良