李嘉雨 李 欣 樊 金 鄧 悅

(1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2.四川航空股份有限公司，四川成都 610202 )

近年來，隨著無人機技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，輕型無人機在遠程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上都有了明顯的提高[1]，其在鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用也越來越廣泛。已有許多學(xué)者進行了相關(guān)研究：胡吉平等認(rèn)為無人機遙感技術(shù)具有靈活性高、效率高、可獲取實時信息等優(yōu)點[2-3]；王志良等利用無人機開展了新建渝萬鐵路水土保持監(jiān)測工作[4]。然而，固定翼無人機存在天氣依賴性強、投入費用大、需申請空域等缺點[5-6]，限制了其在鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用和快速發(fā)展。

2016年前后，旋翼無人機先后被應(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、成昆線超高位危巖勘查等工程中，并取得了良好的經(jīng)濟效益[7-10]。此后，許多專家學(xué)者將無人機遙感技術(shù)應(yīng)用于鐵路棄渣場勘察[11]、特大型滑坡地質(zhì)勘察[12]、邊坡穩(wěn)定性研究[13]、滑坡危險性分區(qū)等方面[14]。

我國對無人機飛行有較為嚴(yán)格的立法管理，即無人機飛行需要進行空域申請，導(dǎo)致使用無人機開展鐵路勘察的效率大幅降低；另一方面，固定翼無人機的購置成本較高，對駕駛員的技術(shù)要求較高(動輒上萬元的培訓(xùn)費用)，也阻礙了“空天地一體化”勘察的大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前無人機在鐵路地質(zhì)勘察中面臨空域申請難、飛行員培訓(xùn)費用高、費效比低等問題，而Ⅰ類輕型無人機可以很好地解決以上困境。

1 Ⅰ類無人機飛行的合規(guī)性探討

目前，無人機飛行空域的申請程序繁瑣，申請時間長，導(dǎo)致無人機難以在鐵路地質(zhì)勘察中大規(guī)模應(yīng)用。依據(jù)當(dāng)前的法律法規(guī)，Ⅰ類輕型無人機(無人機分類見表1)一般無需進行申請(除融合空域外)。

表1 無人機分類 kg

依據(jù)中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司2016年7月11日發(fā)布的《民用無人機駕駛員管理規(guī)定》，空機質(zhì)量和起飛質(zhì)量為0～1.5 kg(含)的無人機屬Ⅰ類無人機，對于在視距內(nèi)運行(半徑不大于500 m，人、機相對高度不大于120 m)的Ⅰ、Ⅱ類無人機，無須證照管理。依據(jù)中國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《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》，民用無人駕駛航空器在隔離空域內(nèi)飛行，由組織單位和個人負(fù)責(zé)實施，并對其安全負(fù)責(zé)。依據(jù)2017年5月16日中國民用航空局航空器適航審定司發(fā)布的《民用無人駕駛航空器實名制登記管理》，起飛質(zhì)量為0.250 kg(含0.250 kg)以上的民用無人機擁有者需進行實名登記。

在地方上，四川、新疆等地也相繼出臺了相關(guān)法律法規(guī)，明確了無人機生產(chǎn)、銷售、使用及其安全管理的細則。

無論是國家層面的法律法規(guī)，還是地方層面的法律法規(guī)，都表明Ⅰ類無人機在視距內(nèi)飛行，飛行人員可以不進行空域申請，也不需要無人機飛行駕駛證，但需要進行實名登記，并對其安全負(fù)責(zé)。這為Ⅰ類無人機的發(fā)展和應(yīng)用提供了良好的法律環(huán)境。

2 輕型無人機勘察的實踐與應(yīng)用

2.1 Ⅰ類輕型無人機的技術(shù)特點

大疆曉spark無人機(見圖1)起飛質(zhì)量為0.3 kg；控制范圍：水平距離2 km，垂直距離500 m，飛行限高120 m；最大水平速度為13.8 m/s，最大上升速度為3 m/s，最大飛行時間為16 min，最大起飛海拔高度為4 000 m，相機有效像素為1 200萬，影像分辨率為1 080 p。采用兩軸機械防抖云臺來實現(xiàn)攝像頭角度的旋轉(zhuǎn)和拍攝姿態(tài)的穩(wěn)定，具有價格實惠、小巧輕便、掌上起飛、高效機動、影像清晰等特點和基礎(chǔ)的障礙感知的能力[15]，是一款便捷高效的Ⅰ類輕型無人機。

圖1 大疆曉spark無人機

該型無人機體積雖小，但GPS導(dǎo)航、電子地理圍欄、高清像素云臺相機、智能避障系統(tǒng)一應(yīng)俱全，能夠?qū)崿F(xiàn)實時圖傳，并自動識別當(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)電量不足時或失去信號時也能自動返航。

2019年3月，利用該型無人機在新建廣州至湛江高速鐵路(以下簡稱“廣湛高鐵”)的可研修編及初步設(shè)計階段開展了不良地質(zhì)遙感解譯的應(yīng)用嘗試。

2.2 應(yīng)用情況

首先通過衛(wèi)星遙感圖圈定不良地質(zhì)異常區(qū)域，針對部分不良地質(zhì)體“走路難到達”、“地面難辨識”、“遙感難看清”的三難問題，利用大疆曉spark無人機開展遙感勘察工作。

(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，通過衛(wèi)星遙感解譯(見圖2)，發(fā)現(xiàn)存在異常不良地質(zhì)體，但當(dāng)勘察人員到達滑坡前緣時(見圖3)，卻發(fā)現(xiàn)該處滑坡難以辨識，即該處滑坡屬于“地面難辨識”類型。通過無人機航拍，證實了滑坡前后緣及左右邊界的存在(見圖4)。認(rèn)為該滑坡的誘因為滑坡前緣開挖。

圖2 凌云山滑坡遙感衛(wèi)星影像

圖3 凌云山滑坡前緣

圖4 凌云山滑坡無人機航拍影像

(2)松柏煤礦采空塌陷區(qū)

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(見圖6)，即該不良地質(zhì)體屬于“走路難到達”、“遙感難看清”類型。通過無人機航拍(見圖7)，證實該處確實存在地面塌陷現(xiàn)象。由圖7可知，該處地形較緩，無崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能；不良地質(zhì)體周圍無道路可通達，且沒有人工構(gòu)筑物，故排除人工開挖和礦井洞口，初步判定為松柏煤礦采空造成的塌陷。

圖5 松柏煤礦采空塌陷區(qū)遙感衛(wèi)星影像

圖6 地面塌陷區(qū)植被及地形

圖7 松柏煤礦采空塌陷區(qū)航拍影像(全貌)

(3)荷村水庫巖堆

荷村水庫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)，該處存在異常開挖地質(zhì)體(見圖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(見圖9)，即該不良地質(zhì)體屬于“走路難到達”、“遙感難看清”類型。通過現(xiàn)場調(diào)查和無人機航拍(見圖10)，證實該處不良地質(zhì)體為采石開挖形成，并通過人工堆填形成巖堆(巖堆后緣仍有大量松散碎石)。

圖8 荷村水庫巖堆遙感衛(wèi)星圖像

圖9 荷村水庫巖堆遠景照

圖10 荷村水庫巖堆無人機航拍影像

本次勘察中，大疆曉spark無人機共飛行21架次；平均飛行距離為395 m，最大飛行距離為1 336 m；平均飛行時長7.6 min，最短飛行時長3 min，最大飛行時長12 min；平均飛行高度97 m，最大飛行高度120 m；共拍攝高清影像圖片96張。

實踐表明，該型無人機滿足中低山區(qū)大中型不良地質(zhì)體的勘察攝影任務(wù)。無人機勘察的應(yīng)用，大大降低了野外地質(zhì)人員的安全風(fēng)險，提高了勘察精度和工作效率；可通過多架次飛行解決無人機續(xù)航較短的問題，取得了良好的經(jīng)濟效益。

3 無人機駕駛培訓(xùn)

大疆曉spark無人機具有簡單易學(xué)、智能易操控等特點。該無人機屬于Ⅰ類無人機，不需要取得飛行執(zhí)照。

其操控培訓(xùn)包括理論學(xué)習(xí)、計算機模擬飛行練習(xí)、航模實際操作練習(xí)等。

4 無人機成本分析

參照互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)上商城的售價，無人機的采購和培訓(xùn)成本見表2，無人機性能見表3。

由表2、表3可以看出，準(zhǔn)專業(yè)級Ⅰ類無人機的購置培訓(xùn)成本只有Ⅱ類專業(yè)級無人機成本的29.5%。而消費級無人機大疆曉spark的購置培訓(xùn)成本僅為Ⅱ類專業(yè)級無人機成本的9.8%。

表2 無人機采購和培訓(xùn)成本分析 元

表3 各型無人機性能一覽

盡管準(zhǔn)專業(yè)無人機和Ⅱ類專業(yè)級無人機具有較大的續(xù)航時間、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，對起降平臺的要求更高，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類輕型無人機(特別是大疆曉spark無人機)具有顯著的成本優(yōu)勢，同時也能滿足野外地質(zhì)勘察的基本需求。

5 優(yōu)缺點分析

Ⅰ類輕型無人機具有無須申請空域、購置成本低、適用性高、培訓(xùn)費用低等特點，配合現(xiàn)場勘察和衛(wèi)星遙感，能夠很好地解決部分不良地質(zhì)體“走路難到達”、“地面難辨識”、“遙感難看清”的三難問題。可以提高野外勘察效率，降低野外作業(yè)風(fēng)險。

另一方面，大疆spark無人機存在飛行時間較短、不能規(guī)劃航線等缺點；對于特殊不良地質(zhì)體(如大型泥石流溝、巨型崩塌、滑坡)的勘察，大疆spark無人機還存在局限性。

因此，為了實現(xiàn)對各類不良地質(zhì)體遙感解譯的全覆蓋和高費效比，還應(yīng)建立 “高低搭配”、“合成高效”的三級無人機梯隊：針對巨型不良地質(zhì)體或大范圍的遙感工作，宜采用購買服務(wù)的方式來實現(xiàn)；針對鐵路地質(zhì)災(zāi)害搶險、特殊工點的不良地質(zhì)體航拍或三維點云數(shù)據(jù)庫，宜采用可規(guī)劃航線的Ⅰ類輕型準(zhǔn)專業(yè)無人機來實施；針對在預(yù)可研、可研、初步設(shè)計階段開展的野外不良地質(zhì)體調(diào)查，可以使用只有簡單航拍功能的消費級無人機。

6 結(jié)論與建議

(1)在視距內(nèi)飛行的Ⅰ類輕型無人機，可以不進行空域申請，也不需要無人機飛行駕駛證，但需要進行實名登記，并對其安全負(fù)責(zé)。

(2)相較于其他類別的無人機，Ⅰ類輕型無人機具有培訓(xùn)費用廉價、購置成本較低、適用性較高等特點。

(3)Ⅰ類輕型無人機能夠滿足中低山區(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，提高勘察精度和工作效率。

(4)建立“高低搭配”、“合成高效”的三級無人機梯隊，能夠?qū)崿F(xiàn)對各類不良地質(zhì)體遙感解譯的全覆蓋和高費效比。