多旋翼無(wú)人機(jī)三維建模在鐵路巡檢應(yīng)用研究

1、       多旋翼無(wú)人機(jī)三維建模在鐵路巡檢應(yīng)用研究                     摘 要：目前，鐵路線路巡檢的主要工作方式仍為由大量人工完成，人工檢測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、不精準(zhǔn)等劣勢(shì)，具有檢測(cè)線路效率較低的特點(diǎn)，在完成地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域、隧道、橋梁等艱險(xiǎn)環(huán)境下的鐵路線路檢測(cè)精度要求等方面難度較大。為了提高鐵路檢測(cè)效率，滿足各種環(huán)境下鐵路線路巡檢高時(shí)效性、高準(zhǔn)確性以及高

2、安全性等各需求，以使用多旋翼無(wú)人機(jī)在某鐵路線路的三維建模實(shí)驗(yàn)為例，針對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全需求，探討基于多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的三維模型建立在鐵路線路巡檢中應(yīng)用前景與方向。關(guān)鍵詞：鐵路巡檢；無(wú)人機(jī)；航測(cè)；鐵路三維模型中圖分類號(hào)：u213 文獻(xiàn)識(shí)別碼：a 文章編號(hào)：近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路交通的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)營(yíng)安全受到了前所未有的重視。目前，鐵路線路各項(xiàng)運(yùn)營(yíng)設(shè)備的巡檢主要由工作人員完成，但由于鐵路線路跨度大、地質(zhì)氣候情況復(fù)雜，有很大一部分的鐵路線路處于高山、丘陵等環(huán)境艱險(xiǎn)存在地質(zhì)災(zāi)害可能性較大之處或不便工作人員巡檢的區(qū)域，人工檢查費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。多旋翼無(wú)人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)，受地形限制小的特點(diǎn)，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行鐵

3、路線路巡檢，可以提高鐵路線路的檢測(cè)效率，結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)軟件計(jì)算較好反映線路各項(xiàng)狀態(tài)，并且其鐵路巡檢工作在時(shí)域與地域空間與鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)可互不干擾。實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)沿鐵路巡航需要對(duì)巡檢路徑進(jìn)行規(guī)劃，保證不影響運(yùn)營(yíng)安全，同時(shí)通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)采集沿線數(shù)據(jù)，并使用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)后處理三維建模，可獲得清晰直觀的與實(shí)地情況完全對(duì)應(yīng)的實(shí)景三維模型，可詳細(xì)反應(yīng)鐵路沿線的路基變形、異物侵限，路基邊坡滑塌變形等情況，尤其適合極端氣象條件下，如鐵路防洪期間臺(tái)風(fēng)暴雨雨后對(duì)線路兩側(cè)邊坡災(zāi)害發(fā)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)判，為鐵路管理運(yùn)營(yíng)部門(mén)提供綜合決策信息，及時(shí)采取措施。1 鐵路巡檢平臺(tái)搭建為了獲取鐵路沿線的實(shí)景三維

4、數(shù)據(jù)，提高鐵路巡檢效率與直觀性，鐵路巡檢平臺(tái)由多旋翼無(wú)人機(jī)、地面站、三軸增穩(wěn)云臺(tái)、相機(jī)、imu與定位系統(tǒng)組成?？紤]到鐵路線路的運(yùn)輸能力和牽引重量等因素，考慮鐵路的坡度較小，故可近似將鐵路線路所在的面近似視為水平面。因此在規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行路線時(shí)，主要數(shù)據(jù)獲取工作可以鐵路所在平面為基準(zhǔn)參考，并根據(jù)鐵路現(xiàn)場(chǎng)障礙物及邊坡高度，如跨鐵路高壓電網(wǎng)、跨鐵路橋梁等，以及不同鐵路等級(jí)各方面要求不一樣的特點(diǎn)，確定不影響鐵路自身運(yùn)營(yíng)安全需求的飛行高度，對(duì)不同鐵路綜合考量設(shè)定飛行參數(shù)。2 區(qū)域重點(diǎn)地段模型建立2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備本文選取的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為某鐵路線車(chē)流密度較少專用單線的路段區(qū)域，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1。實(shí)驗(yàn)線路長(zhǎng)度為100

5、 m，寬度30米，軌道標(biāo)準(zhǔn)軌距為1435 mm，線路兩側(cè)按照現(xiàn)狀設(shè)置并具有防護(hù)缺口，模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)情況。2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)定航測(cè)參數(shù)對(duì)某鐵路區(qū)域進(jìn)行三維模型重建，建立基于多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的鐵路三維模型數(shù)據(jù)采集任務(wù)。任務(wù)區(qū)域如圖1所示：飛行任務(wù)區(qū)域100×60m，初步安全航高30m，航向及旁向重合度均為60%，航線數(shù)量5條，第1條為正射航線，鏡頭傾斜角度為90度，第2至5條航線為傾斜攝影航線，鏡頭傾斜角度為45度。采集數(shù)據(jù)共用時(shí)18分鐘，光照度保持在50000lux左右，共獲取491張相片，導(dǎo)入context capture軟件對(duì)相片進(jìn)行檢查，全部有效。后期處理計(jì)算機(jī)配置cpu i787

6、00k3.70ghz，內(nèi)存 24g ddr4 3000mhz，gpu nvidia geforce gtx1050ti，處理時(shí)間共5小時(shí)，生成三維模型如圖2及圖3所示：圖1 鐵路工程三維建模任務(wù)區(qū)域圖2 鐵路工程三維重建模型圖2 鐵路工程三維模型細(xì)部對(duì)建立的鐵路工程三維模型進(jìn)行精度分析，在模型中量取與實(shí)際工程對(duì)應(yīng)的七組尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果如下表圖3鐵路工程三維模型測(cè)量對(duì)比位置表1 鐵路工程實(shí)測(cè)及三維模型尺寸工況hh1（m）ii1（m）jj1（m）kk1（m）ll1（m）mm1（m）nn1（m）中誤差實(shí)際尺寸4.2728.49610.61512.5519.98910.6081.96

7、2模型尺寸4.278.4910.6012.549.9810.611.950.009372.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論計(jì)算所得模型尺寸中誤差約為0.00937，可認(rèn)為模型精度尺寸誤差在1cm左右，此精度等級(jí)對(duì)于大范圍的路基變形、異物侵線，路基邊坡滑塌變形等已可滿足監(jiān)測(cè)需求，并且成果直觀性較強(qiáng)，易于確定及描述威脅位置及類型。由于鐵路線路其上方空間一般較空曠，飛行條件有保障，在建設(shè)期或運(yùn)營(yíng)期列車(chē)運(yùn)行間隙時(shí)間段，無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢測(cè)對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全不構(gòu)成威脅時(shí)，適合鐵路臨時(shí)性、緊急性等檢測(cè)。常規(guī)性對(duì)山區(qū)鐵路高架橋、橋梁、隧道等重點(diǎn)區(qū)域航測(cè)時(shí)可采取措施進(jìn)一步提升其監(jiān)測(cè)精度以滿足更高精度的需求，如可采用提高相機(jī)像素值、進(jìn)一步降

8、低飛行高度等方式將模型精度提升以響應(yīng)高鐵運(yùn)營(yíng)檢測(cè)的要求。下一步在高鐵夜間作業(yè)接觸網(wǎng)停電如何進(jìn)行低空夜間高效檢測(cè)線路將進(jìn)行研究。2.3下一步精度提高措施（1）提高無(wú)人機(jī)相機(jī)質(zhì)量、提高像素值、增大機(jī)械感光元件尺寸。（2）確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全前期，進(jìn)一步降低飛行高度。（3）對(duì)重點(diǎn)災(zāi)害、防洪重點(diǎn)地點(diǎn)等建立增加地面布設(shè)觀測(cè)控制點(diǎn)。（4）加強(qiáng)多視影像匹配算法，空中端采用rtk定位結(jié)合三維激光近景攝影測(cè)量。3 結(jié)束語(yǔ)隨著科技進(jìn)步發(fā)展，為了提高鐵路線路巡檢效率，以及滿足地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生處、橋梁、隧道以及高大邊坡等艱險(xiǎn)環(huán)境下的鐵路線路巡檢的時(shí)效性直觀性等需求，本文對(duì)基于多旋翼無(wú)人機(jī)三維建模技術(shù)在鐵路線路巡檢中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，所提出的方案能較好地指導(dǎo)使用無(wú)人機(jī)對(duì)鐵路線路的巡航檢測(cè)、通過(guò)預(yù)埋觀測(cè)進(jìn)行測(cè)量以及路外壞境監(jiān)控等各項(xiàng)工作，也可滿足在特殊條件下進(jìn)行鐵路巡檢，為鐵路線路運(yùn)營(yíng)安全提供科技保證，具有較高的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1.  彭大雷，許強(qiáng)，董秀軍，等無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在黃土滑坡調(diào)查評(píng)估中的應(yīng)j地球科學(xué)進(jìn)展，2017王帥永，唐川，何敬，等無(wú)人機(jī)在強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害精細(xì) 調(diào)查中的應(yīng)用研究j工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2016劉洋無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量影像處理與三維建模的研究d上海:華東理工大學(xué)，2016曹帥帥無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模的應(yīng)用試驗(yàn)研究d昆明:昆明理工大學(xué)，2017支衛(wèi)斌無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在地形測(cè)繪