山区铁路低空勘察作业方法
技术领域：
本发明涉及一种工程勘察方法，尤其是涉及一种山区铁路低空勘察作业方法。
背景技术：
随着国家重大铁路项目、长大干线工程建设的不断推进，越来越多的山区铁路及高等级铁路工程逐渐增多，铁路勘察设计面临更加复杂的工作环境，尤其在高原山区铁路勘察作业时，传统地面调绘、勘察手段风险高、难以实施，勘察工作效率低下，勘察精度有待提高。无人机、直升机为代表的低空勘察手段，可为山区勘察提供灵活高效的工作平台，但是山区低空勘察区别于平原环境，传统常规作业方法不能满足复杂山区特殊工作环境的作业要求。
山区铁路工程低空勘察面临的技术问题主要有：
(1)低空飞行平台及搭载设备要求高，尤其平原区工作的一般无人机对山区海拔、气候、地形的适应性差，若无人机选型不合适，极易发生坠机事件；
(2)山区环境地形起伏明显，高程落差大，低空勘察作业受地形影响比平原地区更加明显，如何保障不同勘察范围、不同落差、不同勘察对像均可获得准确有效的勘测数据，是急需解决的重要问题。
(3)山区铁路工程多以特大桥梁、特长隧道、高陡边坡等重点工程为主，对勘察测绘的数据精度要求更多，复杂的工作环境与勘察精度的高要求，存在相互矛盾，需要提出更加合理经济有效的解决思路。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种山区铁路低空勘察作业方法，其克服了现有技术中传统常规作业方法不能满足复杂山区特殊工作环境的作业要求的问题，建立了适用不同范围、不同高差、不同勘察对像的低空综合勘察技术方法，该方法可以保障山区复杂工作环境下的无人机安全勘察作业，满足不同勘察环境、对象的技术要求，并可提高山区低空非接触式勘察精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种山区铁路低空勘察作业方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，勘察工程分析，针对拟进行低空勘察的作业环境进行分析，熟悉勘察作业工作区的区域位置、地表地形特征、气候环境条件、地表发育特征，结合工程设计情况，针对勘察需求，制订低空勘测作业和地质解译技术方案；
S2，遥感宏观分析，在现场勘测之前，开展勘察测区大范围、快速解译，获得宏观工程地质信息，并实现测区大范围DEM、影像的获取；
S3，勘察平台与设备选择，低空飞行勘察平台采用无人机、直升机两种类型，结合测区海拔、落差，对比无人机、直升机适应能力，确定勘测作业飞行平台，根据地表特征分别确定搭载的勘测设备；
S4，多种手段联合解译分析，采用GIS平台，建立三维地质解译沙盘，实现遥感卫星数据、直升机和无人机勘测数据融合集成，利用不同尺度和不同精度的数据，实现勘察对像的联合解译分析。
上述S1步骤中，熟悉勘察作业工作区的地形地貌、气候环境和地表特征，地形地貌包括地面海拔、高程落差；气候环境包括氧气含量、风力大小、云量多少；地表特征包括基岩裸露、植被覆盖、地表地物；勘察需求包括工程设置、区域地质、不良地质、地质结构。
上述S2步骤中，宏观工程地质信息包括构造地质、不良地质、地层岩性，影像为遥感影像数据。
上述S3步骤中，根据地表特征分别确定搭载的勘测设备，地表裸露采用倾斜航摄相机、植被覆盖采用机载激光LiDAR，综合勘测采用倾斜航摄相机和机载激光LiDAR。
上述S4步骤中，采用GIS基础平台，将区域卫星影像数据、DEM数字模型叠加，建立区域三维地质解译沙盘，通过机载LiDAR点云处理、倾斜摄影数据生产，获得测区山体阴影、高精DEM数字模型、5厘米分辨率三维倾斜模型，在三维解译环境中融合区域范围、不同精度勘测数据，实现米级-厘米级不同层次的勘测数据集成，以此开展区域构造、地层岩性、不良地质、岩体结构勘察信息解译获取。
S1步骤中，勘察工程分析：结合勘察作业工作区的区域位置分布，通过基础资料收集、分析和整理，明确拟勘测区域中地表海拔的绝对高程分布区间、测区相对高程落差分布地形地貌特征，通过收集和整理气象资料，掌握勘测区域的空气浓度、氧气含量等气候环境特征，并实时掌握飞行作业当天的风力大小、测区上空云量多少，提前了解和熟悉勘测区域地表覆盖特征，区分地表基岩裸露、植被覆盖，并且掌握测区山峰、高塔、树木地表高大凸起物体的分布特征。根据勘察要求，明确拟设置的桥梁、隧道、路基、站场工程类型，了解测区的地质构造、地层岩性、不良地质、岩土体结构地质条件特征。
上述S2步骤中，了解勘测区域遥感卫星数据覆盖情况，收集和整理超出测区范围3-5倍遥感影像数据、DEM数字模型，其中大范围区域性可见光遥感影像分辨率为0.5-2m、DEM数据精度为5-20m；遥感分析基于GIS平台，获取地质构造、不良地质及地层岩性区域宏观解译成果。
上述S3步骤中，勘察平台与设备选择，当勘察面积小于10km2、高程落差小于500m时，选择使用多旋翼无人机平台搭载小型五镜头或二镜头摆扫式倾斜相机，单相机像素超过4000万，垂直镜头焦距40mm以上，重量小于1kg；机载激光LiDAR根据无人机荷载选择长测距激光雷达，测距距离大于1km，重量小于5kg。
上述S3步骤中，勘察平台与设备选择，当勘察面积大于10km2、高程落差大于500m时，选择直升机平台搭载专业五镜头数字倾斜航摄相机，单相机像素超过1亿像素，垂直镜头选择长焦距，大于70mm，机载激光LiDAR根据直升机荷载选择专业型机载激光雷达或小型机载激光雷达。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明提出基于大范围卫星遥感、无人机与直升机联合作业的勘察工作模式，建立适用不同范围、不同高差、不同勘察对像的低空综合勘察技术方法。该方法可以保障山区复杂工作环境下的无人机安全勘察作业，满足不同勘察环境、对象的技术要求，并可提高山区低空非接触式勘察精度，为山区铁路勘察设计提供技术支撑，提升勘察技术水平。该方法可适用于其它公路、水力、电力等工程勘察应用。
2、本发明针对山区复杂环境，提出一套提高无人机、直升机低空铁路勘察精度的技术方法，保证勘察作业安全、高效和精度。
3、本发明提出山区铁路工程低空勘察工程分析、平台和设备选择的主要技术内容，并提出卫星遥感大范围分析，无人机和直升机联合解译，多种方法融合，以提高复杂条件山区铁路勘察效率和精度。
附图说明：
图1是本发明提出的一种适用于山区铁路低空(直升机、无人机)勘察作业方法步骤流程图。
图2是本发明提出的一种适用于山区铁路低空(直升机、无人机)勘察作业方法步骤中S1步骤中勘察工程分析主要技术内容构成图。
图3是本发明提出的一种适用于山区铁路低空(直升机、无人机)勘察作业方法步骤中S2步骤中遥感分析主要技术内容构成图。
图4是本发明提出的一种适用于山区铁路低空(直升机、无人机)勘察作业方法步骤中S3步骤种低空飞行平台及搭载设备选择技术流程图。
图5是本发明提出的一种适用于山区铁路低空(直升机、无人机)勘察作业方法步骤中S4步骤中多源联合解译分析技术图。图中：①-无人机飞行勘测边界；②-直升机飞行勘测边界
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体实验环境做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本发明涉及一种山区铁路低空勘察作业方法，包括如下步骤：
S1，勘察工程分析，针对拟进行低空勘察的作业环境进行分析，熟悉勘察作业工作区的区域位置、地表地形特征、气候环境条件、地表发育特征，结合工程设计情况，针对勘察需求，制订低空勘测作业和地质解译技术方案。
参见图2，S1步骤中勘察工程分析，具体技术内容主要有：结合勘察作业工作区的区域位置分布，通过基础资料收集、分析和整理，明确拟勘测区域中地表海拔的绝对高程分布区间、测区相对高程落差分布等地形地貌特征，其中最大海拔、最大落差为影响后续低空平台确定、飞行作业的重要指标。通过收集和整理气象资料，掌握勘测区域的空气浓度、氧气含量等气候环境特征，并实时掌握飞行作业当天的风力大小、测区上空云量多少，相关数据直接影响飞行作业安全稳定性。提前了解和熟悉勘测区域地表覆盖特征，主要区分地表基岩裸露、植被覆盖，并且重点掌握测区山峰、高塔、树木等地表高大凸起物体的分布特征。根据勘察工作的要求，明确拟设置的桥梁、隧道、路基、站场等工程类型，基本了解测区的地质构造、地层岩性、不良地质、岩土体结构等地质条件特征。
S2，遥感宏观分析，利用遥感数据范围大、获取快速方便的特点，在现场勘测之前，开展勘察测区大范围、快速解译，获得宏观工程地质信息，并实现测区大范围DEM、影像的获取，指导和服务现场飞行勘察工作。
参见图3，S2步骤中遥感宏观分析，具体工作步骤和技术内容主要有：了解勘测区域遥感卫星数据覆盖情况，收集和整理超出测区范围3-5倍遥感影像数据、DEM数字模型，其中大范围区域性可见光遥感影像分辨率以0.5-2m、DEM数据精度以5-20m为优。遥感影像和DEM数据是遥感解译分析的基础，同时也可指导和服务现场的飞行作业及勘察工作。遥感分析还要基于GIS平台，获取地质构造、不良地质及地层岩性等区域宏观解译成果。在遥感数据丰富的条件下，亦可进行高(多)光谱、热红外、InSAR等多种类型的遥感分析解译工作。
S3，勘察平台与设备选择，本发明低空飞行勘察平台主要涉及无人机、直升机两种类型(飞艇、热气球等不在本发明涉及范围)，结合测区海拔、落差，对比无人机、直升机适应能力，确定勘测作业飞行平台，根据地表特征分别确定搭载的勘测设备。
参见图4，S3步骤中勘察平台与设备选择，具体工作步骤和技术内容主要有：本发明涉及的低空飞行勘察平台主要为无人机、直升机，搭载设备为倾斜航摄相机、机载激光LiDAR，其中机载LiDAR适用于有植被覆盖的勘测区域，倾斜相机在植被覆盖、基岩裸露的测区均可适用。当勘察面积小于10km2、高程落差小于500m时，充分利用无人机机动灵活经济快速的特点，选择使用多旋翼无人机平台搭载小型五镜头或二镜头摆扫式倾斜相机，单相机像素超过4000万，垂直镜头焦距40mm以上，重量小于1kg；机载激光LiDAR根据无人机荷载选择长测距激光雷达，测距距离宜大于1km，重量小于5kg。当勘察面积大于10km2、高程落差大于500m时，选择直升机平台搭载专业五镜头数字倾斜航摄相机，单相机像素超过1亿像素，垂直镜头宜选择长焦距，以大于70mm为宜，机载激光LiDAR根据直升机荷载选择专业型机载激光雷达或小型机载激光雷达。为了进一步提高勘测分辨率及勘察精度，可在直升机平台同时搭载倾斜相机、机载LiDAR，以发挥高清影像和准确定位的优势。
S4，多种手段联合解译分析，采用GIS平台，建立三维地质解译沙盘，实现遥感卫星数据、直升机和无人机勘测数据融合集成，利用不同尺度和不同精度的数据，实现勘察对像的联合解译分析，并形成解译精度逐级提高的技术效果。
参见图5，S4步骤中多种手段联合解译分析，具体工作步骤和技术内容主要有：采用GIS基础平台(Skyline Terra Explorer)，采用GIS基础平台(Skyline TerraExplorer)，根据测区建立GIS工程区域，加载遥感宏观区域数据，主要有1m分辨率的高分二号遥感影像、20m的DEM区域数据；加载无人机或直升机机载LiDAR数据，主要有经过点云分类后的真实DEM地表高程模型(精度等同1：500测图要求)、反应斜坡地表的山体阴影文件(文件采用.GIF格式)；加载无人机或直升机倾斜摄影模型，按照GIS平台要求转化.osgb、.3Dtiles等格式的倾斜成果数据，倾斜模型精度达到5厘米分辨率；实现了宏观卫星影像、区域DEM、高精DEM和高清倾斜影像等多源数字模型叠加，通过GIS平台图层控制，分别操作上述加载数据，从而建立了研究区域从宏观到细观的多尺度三维地质解译沙盘，在三维解译环境中融合了3-5倍测区宽度的遥感数据、无人机直升机精确测量数据等不同区域范围的成果，集成了从米-厘米不同层次精度勘测数据，以此开展区域构造、地层岩性、不良地质、岩体结构等勘察信息解译获取，实现勘察对像的联合解译分析，形成解译精度逐级提高的技术效果。
实验例：
在西南青藏高原某山区铁路勘察工作中，存在大量桥隧相连的高陡斜坡，海拔分布3000-5000m,沟谷高程落差超1000m，传统勘察手段难以实施，采用了本次提出的适用于山区铁路低空勘察的作业方法。分别针对基岩裸露山区、植被覆盖区等不同地表特征环境，获取大面积高分二号遥感影像、联合无人机和直升机勘测，搭载了AMC5100数字倾斜航摄仪、RiY-DG4小型数字倾斜航摄相机和Riegl VUX-1LR长测距机载激光雷达，实现了80处高陡斜坡低空综合勘察，采用Skyline Terra Explorer基础GIS平台，实现多源数据融合，开展了不同范围、不同精度数据的联合解译和信息提取，获得了准确的高原山区铁路勘察的地质构造迹线、地层岩性分布、不良地质规模、岩体结构信息等数据成果，在地质分析、方案确定、线路优化、灾害评估、工程设计及BIM应用等技术领域得到了大量应用，保证了山区铁路勘察作业的安全、高效和精度，为山区铁路勘察提供一种新的技术方法。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
