徐明偉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著航測(cè)設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，尤其是近年來(lái)無(wú)人機(jī)航飛市場(chǎng)的飛速發(fā)展，新型技術(shù)手段不斷拓展著航測(cè)遙感技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)全生命周期中的應(yīng)用領(lǐng)域，如何選擇合適的航測(cè)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(shè)計(jì)單位生產(chǎn)組織管理中所需要研究的一個(gè)重要問(wèn)題。不同航測(cè)平臺(tái)的航測(cè)遙感技術(shù)應(yīng)用不盡相同，航飛生產(chǎn)組織模式也有著各自的特點(diǎn)，如何以最為及時(shí)、有效、經(jīng)濟(jì)的方式解決需求問(wèn)題，就需要從實(shí)際出發(fā)，選擇適宜的組織方式并做出科學(xué)的決策。

1 鐵路工程航飛組織的特點(diǎn)

鐵路工程航飛有其特殊性，最顯著的特點(diǎn)就是執(zhí)行計(jì)劃的臨時(shí)性。雖然鐵路工程建設(shè)有整體的執(zhí)行計(jì)劃，但受鐵總批復(fù)、地方意見(jiàn)推進(jìn)等多方因素影響，鐵路工程建設(shè)各個(gè)階段工作的時(shí)間節(jié)點(diǎn)有可能隨時(shí)做出調(diào)整。為了滿足工程需求，航飛生產(chǎn)組織相應(yīng)地呈現(xiàn)臨時(shí)性：航飛前期準(zhǔn)備時(shí)間很短，而航飛周期更短。國(guó)家地理信息局的航攝項(xiàng)目一般執(zhí)行周期以年為單位，而鐵路工程的航攝項(xiàng)目執(zhí)行周期一般以月為單位，而且無(wú)法根據(jù)測(cè)區(qū)的具體氣象條件選擇合適的季節(jié)進(jìn)場(chǎng)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(huì)有駐軍和民航機(jī)場(chǎng)，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(mén)有幾家甚至十幾家，協(xié)調(diào)難度進(jìn)一步加大。因此，空域的審批及申請(qǐng)是限制航飛生產(chǎn)組織進(jìn)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(tái)可分為三類(lèi)：第一種是機(jī)載，飛行載體是運(yùn)5、運(yùn)12、“大篷車(chē)”等大型固定翼飛機(jī)或直升飛機(jī)；第二種是無(wú)人機(jī)，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(jī)或動(dòng)力三角翼。每種飛行平臺(tái)均有各自不同的空域?qū)徟蜕暾?qǐng)流程。

2.1 機(jī)載項(xiàng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)需求，保證設(shè)計(jì)工作的深度，地形圖的時(shí)效性至關(guān)重要。大面積獲取影像最為有效的方式就是機(jī)載數(shù)碼航飛(飛機(jī)搭載大型數(shù)碼航攝儀)，故通常情況下都是考慮機(jī)載的方式組織航飛。機(jī)載數(shù)碼航飛應(yīng)滿足不同比例數(shù)字線畫(huà)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(shè)計(jì)階段主要滿足設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)對(duì)線路橫縱斷面及特殊工點(diǎn)的需求。為了取代人工觀測(cè)，長(zhǎng)大線路(一般超過(guò)200 km)或者地形條件復(fù)雜的線路定測(cè)期間，為了解決專(zhuān)業(yè)需求，最為有效的方式就是開(kāi)展機(jī)載雷達(dá)航飛(飛機(jī)搭載機(jī)載激光雷達(dá))，以獲取高精度的激光點(diǎn)云和數(shù)碼影像。機(jī)載雷達(dá)航飛解決的需求是：①通過(guò)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(zhuān)項(xiàng)測(cè)繪(如圖4)；③獲取DEM、DOM數(shù)據(jù)，應(yīng)用于鐵路建設(shè)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(shè)計(jì)及管理

在鐵路工程施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，為了構(gòu)建智能化施工管理系統(tǒng)或者運(yùn)營(yíng)期間的工務(wù)管理系統(tǒng)，需對(duì)鐵路工程沿線范圍進(jìn)行高精度的機(jī)載數(shù)碼或者雷達(dá)航飛，在構(gòu)建三維立體的同時(shí)，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(jī)載航飛項(xiàng)目空域申請(qǐng)需要軍方和民航的批復(fù)，批文辦理時(shí)間較長(zhǎng)(一般情況下需要一個(gè)月時(shí)間)，所以執(zhí)行單位在確定航飛項(xiàng)目的第一時(shí)間就應(yīng)開(kāi)始辦理，申請(qǐng)范圍要盡量大于計(jì)劃航飛的范圍，以避免或者減少實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中因線路方案變動(dòng)帶來(lái)的影響；為了順利推進(jìn)項(xiàng)目執(zhí)行(主要是空域的審批及申請(qǐng))，可委托合適的通航公司或者地理信息服務(wù)公司完成現(xiàn)場(chǎng)的航飛組織工作。

機(jī)載項(xiàng)目航飛的優(yōu)點(diǎn)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(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)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(shí)有嚴(yán)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(cè)內(nèi)外業(yè)人員附加工作量小、自動(dòng)化程度高，設(shè)備及人員投入都比較少，投入和產(chǎn)出比高。

缺點(diǎn)主要有：空域?qū)徟芷谳^長(zhǎng)，受測(cè)區(qū)天氣影響較為顯著，項(xiàng)目費(fèi)用投入較大。

2.2 無(wú)人機(jī)項(xiàng)目航飛組織

無(wú)人機(jī)測(cè)繪是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪航空攝影測(cè)量手段的有利補(bǔ)充。隨著各種類(lèi)型不同荷載能力無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展及航測(cè)設(shè)備小型化、智能化的更新?lián)Q代，無(wú)人機(jī)測(cè)繪已經(jīng)成為鐵路工程測(cè)繪的重要組成部分。

無(wú)人機(jī)種類(lèi)非常多，主要有航模固定翼無(wú)人機(jī)、輕微型旋翼機(jī)、工業(yè)型(中型)固定翼無(wú)人機(jī)幾種，每個(gè)種類(lèi)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(cè)設(shè)備主要有航攝相機(jī)、激光雷達(dá)、傾斜相機(jī)、高清攝像機(jī)。鐵路工程項(xiàng)目中無(wú)人機(jī)航飛組織需要解決以下幾方面問(wèn)題。①數(shù)碼航飛：進(jìn)行局部地形圖核補(bǔ)工作(小范圍的1∶2 000地形圖或1∶500地形圖)；②傾斜相機(jī)航飛：滿足較短鐵路線路的三維建模工作，構(gòu)建鐵路三維系統(tǒng)；③激光雷達(dá)航飛：解決小范圍重點(diǎn)區(qū)域的影像獲取及高精度激光點(diǎn)云獲取需求，切繪地形斷面及核補(bǔ)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(wú)人機(jī)航飛的空域申報(bào)相對(duì)簡(jiǎn)單，不涉及軍事設(shè)施等特殊地段時(shí)，只需要在當(dāng)?shù)毓膊块T(mén)報(bào)備，空域的審批周期比較短(一般只需要一周左右)；無(wú)人機(jī)航飛組織靈活，實(shí)施及轉(zhuǎn)場(chǎng)等都較為簡(jiǎn)單，能夠根據(jù)項(xiàng)目輕重緩急開(kāi)展工作；無(wú)人機(jī)航飛對(duì)天氣適應(yīng)力強(qiáng)，在多云多霧等特殊地域優(yōu)勢(shì)尤為突出；無(wú)人機(jī)航飛整體投入較少，使用成本較低。當(dāng)然，無(wú)人機(jī)也存在其自身的限制因素，主要有如下幾點(diǎn)。①安全問(wèn)題：飛行中存在很多不可控因素(如風(fēng)力、障礙物、落地點(diǎn)等)，飛機(jī)的安全性是制約應(yīng)用的重要因素；②作業(yè)綜合效率問(wèn)題：受成果精度和執(zhí)行范圍的影響，其綜合效率相對(duì)較低；③成果精度問(wèn)題：無(wú)人機(jī)搭載的配套航測(cè)設(shè)備也很多，不同的設(shè)備配置及后處理軟件所能達(dá)到的精度等級(jí)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(shè)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(wù)。

以旋翼機(jī)或動(dòng)力三角翼作為飛行平臺(tái)，搭載專(zhuān)業(yè)級(jí)航攝相機(jī)或者輕型激光雷達(dá)，雖然在飛行效率上不及機(jī)載航飛，但是在功能上幾乎等同于機(jī)載航飛，能夠較好地解決鐵路工程從可行性研究、設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)各個(gè)階段對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)的需求，其技術(shù)功能性可以與機(jī)載航飛相等同。①空域?qū)徟鄬?duì)簡(jiǎn)單，旋翼機(jī)或動(dòng)力三角翼僅需要在當(dāng)?shù)乜沼蛑笓]所審批即可，審批周期較短，適用于加急項(xiàng)目[4]；②飛行高度適中；③成本投入適中，對(duì)一些中小型航攝項(xiàng)目(航飛面積100～500 km2的項(xiàng)目)而言，航飛的投入產(chǎn)出比相對(duì)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(yīng)考慮航飛的目的，這里包括勘測(cè)設(shè)計(jì)需求、航飛成果的技術(shù)指標(biāo)、成果資料提交的時(shí)間要求等；其次需進(jìn)行航飛資源的調(diào)研，對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的實(shí)際情況進(jìn)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(jì)成本；最后，根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)的天氣因素、空域因素及成本測(cè)算，綜合決定航飛組織方式。