EEPW论坛

摘要：本研究采用多种型号旋翼无人机及挂载，主要运用倾斜摄影、贴近摄影等方法获取地势险峻区域铁路特大桥周边环境和桥梁主体的高分辨率多角度影像，基于影像利用实景建模系统和云服务器实地实时的进行高精度实景三维模型生产，利用此类模型成果对特大桥的日常维护检查提供有效的数据支撑，弥补现有手段的不足，提高检查效率，减少人员风险。本文以云贵铁路南盘江特大桥为例，对上述技术方法进行探讨研究，对现有的不足和未来可能的发展进行相关的讨论。
关键词：无人机；云计算；实景建模系统；倾斜摄影测量；贴近摄影测量；三维实景模型；特大桥检测

云贵铁路南盘江特大桥位于云南省红河州弥勒市与文山州丘北县交界处，横跨南盘江，中心里程K584+437，起止里程K584+011～K584+863，全长852.43m，主桥采用1×416m上承式钢筋混凝土拱桥，引桥及拱上孔跨布置为3-42m连续梁+(60.9+104+60.9)m连续刚构+2联4-39.5m连续梁+2-60mT构+1-43m简支梁。主桥跨度达416米，桥面凌空高出江面270米，是当年全球跨度最大的客货共用铁路上承式混凝土拱桥，大桥集大体积混凝土、高墩、连续钢构、斜拉桥、悬索桥、拱桥、混凝土外包工艺与技术于一身，技术含量高，施工难度大，历经5年半的建设，于2016年1月16日实现全桥合龙。2020年9月22日，南盘江特大桥获得第17届中国土木工程詹天佑奖。
该特大桥是目前世界首座艰险山区地形地质极其复杂、工程极其艰巨的高标准干线铁路拱桥。桥型结构复杂、施工技术难度高，是重难点控制性工程，工程先后攻克艰险山区综合选线难度大，线路平顺性要求高，结构构造及地质情况复杂，施工技术难度大，环境保护和水土保持要求高等一系列世界级关键技术难题，实现了成套技术创新。

1.2.1 普遍问题据不完全统计，自2007年至2018年间，国内共有42座桥梁垮塌，其中近六成的桥梁建设时间在1994年之后，桥龄不足30年。究其原因，绝大多数是由于桥梁病害没有及时发现及时养护。管养部门通常定期对桥梁进行检查，多采用传统检测手段，依靠肉眼或者辅助工具（如桥梁检测车或望远镜等）来检测桥梁主要构件是否出现裂缝、开裂破损、露筋锈蚀、支座脱空等病害。对于特殊结构桥梁（如斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥等）或者大跨高墩桥梁，梁底板、塔柱、索缆、斜拉索、塔顶避雷针等可及范围以外，常规检测手段和方法存在操作难度大，存在检查盲区等局限性。对于此类局部盲区常采取人工现场察看进行检查，但也存在效率较低、技术难度大、危险系数较高等问题。因此，各地交科院与众多检测公司都在寻求一种即可完成精确的检测，同时具有更安全更高效特点的检测方法。
1.2.2云贵铁路南盘江特大桥存在问题：a.该大桥桥面两侧导风板防护漆脱落，导风板螺栓部分锈蚀、无平垫片、无弹簧垫圈，桥墩漏筋3处等设备问题日常维护开展困难。b.桥梁检查作业小车长时间风吹、空气湿度大容易锈蚀损坏，影响劳动安全。c.昼间在该桥拱圈上部检查需步行3.5小时才可完成、用时长，而拱圈下部检查使用小车，存在江面风大、人员易坠落等安全风险。桥面系结构和附属设施只能通过夜间天窗，进入封闭区域，受视线影响，存在夜间检查效果不佳等问题。d.既有检查手段及方式方法单一、效率低下，无全面完全的高效率检查方式。

我公司接到任务后，综合利用多平台、多类型无人机（飞马D2000、TOPCON Falcon8、大疆精灵4RTK等）协同作业，克服了极端的飞行作业困难获取到多角度多种分辨率的倾斜和贴近数字影像，利用华为云结合瞰景Smart3D实景三维建模软件在项目现场短时间将多分辨率多角度的数字影像融合解算，最终生成了高精度的基础空间数据成果，辅助铁路管理部门进行南盘江特大桥的维护检测工作，为南盘江特大桥的管理提供有效的数据支撑，一定程度上改变了原有的日常维护手段，提高了日常检查工作效率，减少巡检人员作业风险。

2.2.1全域航摄：对整个测区（与大桥日常检测所有相关区域）进行分辨率为3cm的倾斜摄影测量所需影像采集。2.2.2桥梁主体航摄：对桥梁主体及周边附属设施详细情况进行分辨率优于1cm的贴近摄影测量所需影像采集。2.2.3 细节补拍：对铁路管理系统关注的重点进行细节拍摄，无人机无法进入的区域人工手持相机进行补拍。

2.3.1 数据整理，本次采用倾斜贴近两种摄影测量方法融合建模，整个项目会出现从3cm到优于1cm各种分辨率影像，需要先对数据进行完整性检查，然后分类整理。2.3.2 将2.3.1整理好的数据上传至华为云OBS桶内，根据采集数据量在云端搭建对应需求的存储机、空三机、建模机，申请Smart3D实景建模系统镜像服务。2.3.3 对2.3.1分类数据分别进行空三结算，待空三计算完成后将空三成果融合进行模型生产。

项目进行时云南省红河哈尼族彝族自治州开远市正值秋季，当地雨量充沛航飞天气窗口较少；全域航摄部分高差较大，无人机需要变高飞行，加之大桥横在整个测区中间位置，需结合高精度DSM进行精准变高；桥梁主体航摄和细节补拍需贴近摄影，无人机操控手需要较好的操控位置，雨后的测区泥泞湿滑，寻找操控场地困难且危险。南盘江特大桥位于两山之中，山间乱流严重，平均风力均在三级以上，对于无人机飞行安全造成很大影响。

本次项目采用三种无人机型号，全域航摄、桥梁主体航摄、细节补拍三种外业航摄任务分别对应机型为飞马D2000+DOP3000，大疆精灵4RTK，TOPCON Falcon8三种机型。三种机型各有特点：
3.2.1飞马D2000续航时间长可以搭载五相机单架次续航50分钟，具备精准变高的能力，非常适合进行大范围大高差的测区，内置的RTK和PPK也可以在免像控的情况下做到高精度；3.2.2大疆精灵4RTK机动灵活，易于操控，搭载的三轴云台非常适合进行桥梁主体的贴近拍摄，该机型投入成本较低，性能稳定非常适合在这种高风险的扰流区域拍摄。3.2.3 TOPCON Falcon8无人机搭载有索尼Alpha 7型相机是一款超轻量型八旋翼飞机，其V形机型设计确保其搭载的相机可以实现垂直方向180°旋转，得以实现无遮挡正对桥梁底部拍摄。
三种机型各有特点，各司其职，扬长避短实现了该项目多层次的航摄要求。