铁路工程建设及维护期间的航飞组织实施方式探讨

徐明伟

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

随着航测设备的不断更新换代，尤其是近年来无人机航飞市场的飞速发展，新型技术手段不断拓展着航测遥感技术在铁路勘察设计、施工建设及运营维护全生命周期中的应用领域，如何选择合适的航测手段解决铁路工程全生命周期中涉及到的各种需求，成为铁路设计单位生产组织管理中所需要研究的一个重要问题。不同航测平台的航测遥感技术应用不尽相同，航飞生产组织模式也有着各自的特点，如何以最为及时、有效、经济的方式解决需求问题，就需要从实际出发，选择适宜的组织方式并做出科学的决策。

1 铁路工程航飞组织的特点

铁路工程航飞有其特殊性，最显著的特点就是执行计划的临时性。虽然铁路工程建设有整体的执行计划，但受铁总批复、地方意见推进等多方因素影响，铁路工程建设各个阶段工作的时间节点有可能随时做出调整。为了满足工程需求，航飞生产组织相应地呈现临时性：航飞前期准备时间很短，而航飞周期更短。国家地理信息局的航摄项目一般执行周期以年为单位，而铁路工程的航摄项目执行周期一般以月为单位，而且无法根据测区的具体气象条件选择合适的季节进场作业。铁路工程为线状工程，线路多连接大型城市，周边都会有驻军和民航机场，空域协调中的影响因素较多；由于线路纵向跨度较大，空域管理跨军事分区甚至跨战区，管理部门有几家甚至十几家，协调难度进一步加大。因此，空域的审批及申请是限制航飞生产组织进度的重要因素。

2 铁路工程航飞生产组织方式

铁路工程航飞生产组织方式按照飞行平台可分为三类：第一种是机载，飞行载体是运5、运12、“大篷车”等大型固定翼飞机或直升飞机；第二种是无人机，一般分为旋翼和固定翼；第三种为有人飞行器，一般为旋翼机或动力三角翼。每种飞行平台均有各自不同的空域审批和申请流程。

2.1 机载项目航飞组织

铁路工程可行性研究阶段主要满足铁路选线设计的用图需求。初步选线需要1∶10 000比例地形图，而可研阶段需要1∶2 000比例地形图，为了满足设计需求，保证设计工作的深度，地形图的时效性至关重要。大面积获取影像最为有效的方式就是机载数码航飞(飞机搭载大型数码航摄仪)，故通常情况下都是考虑机载的方式组织航飞。机载数码航飞应满足不同比例数字线画图(DLG)的需求(如图1)以及高分辨率数字影像获取(如图2)。

图1 1∶2 000比例地形图

图2 优于0.05 m分辨率高清影像

铁路工程施工图设计阶段主要满足设计专业对线路横纵断面及特殊工点的需求。为了取代人工观测，长大线路(一般超过200 km)或者地形条件复杂的线路定测期间，为了解决专业需求，最为有效的方式就是开展机载雷达航飞(飞机搭载机载激光雷达)，以获取高精度的激光点云和数码影像。机载雷达航飞解决的需求是：①通过高精度数字高程模型(DEM)切绘铁路线路的纵横断面[3](如图3)；②满足局部大比例地形图、专项测绘(如图4)；③获取DEM、DOM数据，应用于铁路建设工程管理(如图5)。

图3 高精度DEM

图4 1∶500比例地形图

图5 铁路三维协同设计及管理

在铁路工程施工及运营维护阶段，为了构建智能化施工管理系统或者运营期间的工务管理系统，需对铁路工程沿线范围进行高精度的机载数码或者雷达航飞，在构建三维立体的同时，为管理系统获取线路及线路周边附属物的地理信息。

由于机载航飞项目空域申请需要军方和民航的批复，批文办理时间较长(一般情况下需要一个月时间)，所以执行单位在确定航飞项目的第一时间就应开始办理，申请范围要尽量大于计划航飞的范围，以避免或者减少实际执行过程中因线路方案变动带来的影响；为了顺利推进项目执行(主要是空域的审批及申请)，可委托合适的通航公司或者地理信息服务公司完成现场的航飞组织工作。

机载项目航飞的优点主要有：①作业效率高(日生产效率是所有航飞组织方式中最高的)；②数据获取、处理到成果产出各个环节的技术流程较成熟，成果质量有保证；③通用航空公司在执行航飞作业时有严格的制度及硬件保障，其安全性是所有航飞作业中最高的；④航测内外业人员附加工作量小、自动化程度高，设备及人员投入都比较少，投入和产出比高。

缺点主要有：空域审批周期较长，受测区天气影响较为显著，项目费用投入较大。

2.2 无人机项目航飞组织

无人机测绘是对传统测绘航空摄影测量手段的有利补充。随着各种类型不同荷载能力无人机的快速发展及航测设备小型化、智能化的更新换代，无人机测绘已经成为铁路工程测绘的重要组成部分。

无人机种类非常多，主要有航模固定翼无人机、轻微型旋翼机、工业型(中型)固定翼无人机几种，每个种类的飞行速度、飞行高度、续航能力等都有所区别。搭载的航测设备主要有航摄相机、激光雷达、倾斜相机、高清摄像机。铁路工程项目中无人机航飞组织需要解决以下几方面问题。①数码航飞：进行局部地形图核补工作(小范围的1∶2 000地形图或1∶500地形图)；②倾斜相机航飞：满足较短铁路线路的三维建模工作，构建铁路三维系统；③激光雷达航飞：解决小范围重点区域的影像获取及高精度激光点云获取需求，切绘地形断面及核补地形工作；④高清视频：解决铁路沿线调查取证、巡查、宣传等工作。

无人机航飞的空域申报相对简单，不涉及军事设施等特殊地段时，只需要在当地公安部门报备，空域的审批周期比较短(一般只需要一周左右)；无人机航飞组织灵活，实施及转场等都较为简单，能够根据项目轻重缓急开展工作；无人机航飞对天气适应力强，在多云多雾等特殊地域优势尤为突出；无人机航飞整体投入较少，使用成本较低。当然，无人机也存在其自身的限制因素，主要有如下几点。①安全问题：飞行中存在很多不可控因素(如风力、障碍物、落地点等)，飞机的安全性是制约应用的重要因素；②作业综合效率问题：受成果精度和执行范围的影响，其综合效率相对较低；③成果精度问题：无人机搭载的配套航测设备也很多，不同的设备配置及后处理软件所能达到的精度等级也不同，尤其是受地形条件的影响，数据成果精度难以保证。

2.3 有人飞行器航飞组织

将轻型设备搭载在有人飞行器上，执行低空(一般作业高度在1 000 m以下)的航飞任务。

以旋翼机或动力三角翼作为飞行平台，搭载专业级航摄相机或者轻型激光雷达，虽然在飞行效率上不及机载航飞，但是在功能上几乎等同于机载航飞，能够较好地解决铁路工程从可行性研究、设计施工、运营维护各个阶段对航测数据的需求，其技术功能性可以与机载航飞相等同。①空域审批相对简单，旋翼机或动力三角翼仅需要在当地空域指挥所审批即可，审批周期较短，适用于加急项目[4]；②飞行高度适中；③成本投入适中，对一些中小型航摄项目(航飞面积100～500 km2的项目)而言，航飞的投入产出比相对较高。

3 航飞组织模式的选择

航飞组织模式的选择可参考表1。

表1 航飞组织模式的选择

首先应考虑航飞的目的，这里包括勘测设计需求、航飞成果的技术指标、成果资料提交的时间要求等；其次需进行航飞资源的调研，对测区范围内的实际情况进行调查，在航飞组织方式有多种选择的情况下，确定每种组织方式可以执行的既有资源、执行周期，并估算经济成本；最后，根据测区内的天气因素、空域因素及成本测算，综合决定航飞组织方式。