中海达无人机铁路安全监测方案

天津腾云智航科技有限公司（中海达旗下子公司）

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无人机铁路安全监测方案

天津腾云智航科技有限公司

2016年

天津腾云智航科技有限公司（中海达旗下子公司）

2 目录

1 铁路安全监测概述 (3)

2 无人机铁路安全监测 (4)

2.1 无人机铁路安全监测优势 (4)

2.2 无人机铁路安全监测具体解决方案 (5)

2.2.1 无人机铁路施工安全监测 (5)

2.2.2 无人机铁路安全日常巡检 (6)

2.2.3 无人机铁路防灾安全监测 (7)

3 公司及产品介绍 (8)

3.1 公司简介 (8)

3.2 产品线汇总 (8)

3.3 iFly 无人机平台介绍 (9)

3.3.1 iFly-U5电动固定翼无人机 (9)

3.3.2 iFly-D6多旋翼无人机 (10)

3.4 传感器系统 (11)

3.4.1 Sony A7r 相机 (11)

3.4.2 iGCS-1高清数字图传系统 (11)

3.4.3 iCam H3红外热成像系统 (14)

3.5 Pix4d 无人机影像处理系统 (15)

4 应用案例 (16)

案例 某铁路段线路巡检项目 (16)

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3 无人机铁路安全监测方案

1 铁路安全监测概述

铁路是国家的重要基础设施、国家的大动脉、大众化交通工具。铁路已进入高速发展阶段，时速可达350km/h 左右，每年投资达到上万亿人民币，在综合交通体系中处于骨干地位。随着铁路里程和技术的快速发展，给我们的生活带来了诸多的便利，同时，铁路安全问题也面临着日益严峻的考验。随着社会经济和科技的快速发展，对于铁路的安全监测要求越来越高，传统的人工巡检方式已经很难满足安全、高效的现代化需求，所以急需利用现代化科学技术产品来解决铁路安全监测面临的问题。

铁路安全

监测项目

项目描述

图示

传统安全监测

方式

存在问题

铁路施工

安全监测

主要针对铁路施工

安全、施工进度等进

行监测

人工监测为主，

地面仪器监测

为辅

1、人工工作量大；

2、工作效率低；

3、不能实时、全局掌控施

工进度及安全； 铁路安全

日常巡检

主要针对铁路日常

受损维护及运营安

全等进行监测

人工巡检为主， 直升机或小型

消费级无人机

为辅

1、人工工作量大；

2、工作效率低；

3、直升机使用费用高，安

全隐患多，操作复杂；

4、消费级小型无人机工作效率低，监测分辨率低；

铁路防灾安全监测

主要指对大风、雨

雪、泥石流、地震等

自然灾害以及铁路

路段异常落物等威胁铁路安全的因素进行监测

人工巡检为主， 直升机应急监

测为辅

1、人工工作量大；

2、工作效率低；

3、直升机使用费用高，安

全隐患多，操作复杂；

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4 2 无人机铁路安全监测

2.1 无人机铁路安全监测优势

近年来，中小型无人机发展迅猛，无人机在铁路方面的应用前景值得期待。无人机自身具有携带方便、操作简单、反应迅速、载荷丰富、任务用途广泛、起飞降落对环境的要求低、自主飞行等优势，在铁路安全监测中相较于传统方式具有明显的优势：

1、无人机在铁路施工中，可将施工场地情况通过图传设备实时回传至指挥中心，提高铁路施工安全监测的实时性和全局性，使用方便，工作效率高；

2、在铁路线路遭受地震、泥石流等不可抗力破坏的情形下，采取无人机系统进行铁路应急业务，有利于铁路相关部门及时掌握铁路实时信息；

3、有利于定期对线路及周边情况进行定点巡检，及时掌握铁路运行情况，确保铁路运行的安全。

图2.1 无人机在铁路安全监测的应用

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5 2.2 无人机铁路安全监测具体解决方案

2.2.1 无人机铁路施工安全监测

铁路施工，都呈条带状分布，施工线路很长，施工时单纯依靠传统的人工监测，不仅工作量大，工作效率低，难以从全局去把控施工进度及施工安全问题。随着无人机技术的快速发展，无人机在铁路施工安全监测方面的应用引起了相关部门的高度重视。

近年来，无人机市场发展火热，各种大、中、小型多用途的无人机相继出现。其中，大疆无人机主要以消费级无人机迅速占领民用无人机市场，是国内外消费级无人机市场的佼佼者。鉴于无人机如此火热的市场前景，中海达作为测绘仪器设备的代表，也开始自主研发和生产无人机，并迅速将iFly 无人机推向了测绘行业应用各个领域。相较于市场其他消费级无人机、准专业级无人机，在施工安全监测方面具有其自身的优势，主要体现如下：

1、iFly 无人机机型丰富，既有固定翼无人机，又有旋翼无人机，能够适应多种用途和使用环境；

2、iFly 无人机可搭载高清摄像机、高清图传设备、热红外成像系统、倾斜相机等多种传感器，可供用户的选择更多；

3、iFly 固定翼无人机续航时间可达到2.5h ，旋翼无人机续航时间可达70分钟，续航时间更长，工作效率更高；

4、iFly 无人机飞行姿态更稳定，获取数据分辨率更高，数据精度更高，更适合航测作也要求；

在项目施工中，可以利用iFly D6六旋翼无人机平台搭载高清数字图传系统，将传感器采集的影像数据或者视频数据实时回传至地面指挥室，实现铁路施工进度和安全的实时监测管理。

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6 图2.2 无人机铁路施工安全监测

具体软硬件配置如下表： 硬件

飞行平台

iFly U5固定翼无人机 iFly D6六旋翼无人机

传感器

Sony A7r （标配）

iGCS-1高清数字图传系统

后处理软件 Pix4Dmapper 2.2.2 无人机铁路安全日常巡检

铁路运营的安全性，直接关乎国家的经济利益和公民的人身安全问题。因此，对于铁路线路的日常巡检工作的效率、精确度、安全性等要求更高。鉴于铁路线路的复杂性和巡检的安全性考虑，目前无人机在铁路线路的巡检工作应用很少。随着无人机技术的不断完善、不断成熟，再加上无人机在进行巡检任务时的低成本、高效率等特点，无人机在线路巡检方面应用会日益增多，也会发挥其独有的优势。

在铁路安全日常巡检任务中，可以利用多旋翼无人机飞行平台搭载高清数字图传系统，实时将监测画面回传至地面控制中心，获取实时高分辨率线路状态数据及媒体视频数据，也可以通过搭载热红外成像系统，实现夜间铁路线路的巡查工作，从而实现铁路线路24小时安全巡检。

图2.2 无人机铁路安全日常巡检 具体软硬件配置如下表：

硬件

飞行平台

iFly U5固定翼无人机 iFly D6六旋翼无人机 传感器 Sony A7r （标配）

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7 iGCS-1高清数字图传系统

iCam H3红外热成像系统

后处理软件Pix4Dmapper

2.2.3 无人机铁路防灾安全监测

随着铁路的不断提速，大风、雨雪、泥石流、地震等自然灾害以及铁路路段异常落物等因素对铁路运营的安全工作存在巨大威胁。利用无人机系统机型铁路防灾安全监测任务，可以实时将铁路路基、路面状况实时回传至地面监测中心，工作效率高、使用方便，可以很好地为监测中心进行铁路应急处理提供支撑。

在铁路防灾安全监测中，可以利用固定翼无人机搭载高清数码摄影系统，快速获取大范围高分辨率航摄像片，通过后处理软件系统快速得到大范围正射影像图，可以很清晰地反映铁路路基、路面现状等；也可以通过多旋翼无人机搭载高清数字图传设备，实时将铁路路基、路面图片或视频数据回传至监测中心，为监测中心决策提供有力支持。

图2.3 无人机铁路防灾安全监测

具体软硬件配置如下表：

硬件

飞行平台

iFly U5固定翼无人机

iFly D6六旋翼无人机

传感器

Sony A7r（标配）

iGCS-1高清数字图传系统

后处理软件Pix4Dmapper

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8 3 公司及产品介绍

3.1 公司简介

天津腾云智航科技有限公司是中海达旗下致力于无人机产品销售及研发制造于一体的子公司，公司拥有一支以高水平技术带头人为核心的研发团队，凝聚力强、创新力强，有多年大型国企研发经验，公司坐落于天津自贸区空港经济区创业创新中心，目前拥有500多平米的现代化办公场所。公司依托于中海达集团的优势，扎根于测绘行业，致力于打造测绘行业无人机系统第一品牌。

图 3.1 公司外景图

3.2 产品线汇总

公司产品主要包括 iFly-U5电动固定翼无人机、iFly-D6多旋翼无人机、传感器系统及数据处理软件等。

其产品线汇总表如下： 类别

型号 备注 固定翼无人机

iFly U5 标配Sony A7r 旋翼无人机

iFly D6 标配Sony A7r

高清清数字图传系统

iGCS-1 红外热成像系统

iCam H3 倾斜摄影相机

iCam Q5 后处理软件 Pix4Dmapper DP-Modeler

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9 3.3 iFly 无人机平台介绍

3.3.1 iFly-U5电动固定翼无人机

图 3.2 iFly-U5电动固定翼无人机

1、特点

1）易携带，易培训

iFly-U5飞机操作极简单，可直接参照操作说明书操作，完全没有经验者，培训24小时内即可结业。

2）高效作业

iFly-U5标配3600万像素的SonyA7r 相机，不仅航时长，同时飞行作业速度快，达到85km/h 的平均时速，在同等条件下，作业面积更大、更高效。

3）腹部开伞设计

iFly-U5采用腹部开伞，下反翼尖设计，大大提高开伞成功率，同时飞机背部着地降落，更好的保护好了飞机的眼睛--相机。

4）小翼展，大载荷

iFly-U5属于1.7m 小尺寸翼展无人机，最大载荷达到1.5kg ，可以选配多种传感设备进行组合，同时也支持直接升级RTK 技术。

2、性能参数 飞行

系统

? 最大起飞重量：7.5kg

? 机体尺寸(m)：2.2*0.8*0.225

? 机体材质：碳纤维材料 载荷系统 ? 标配：Sony A7R

地面站 ? 控制半径：15公里 ? 抗风性能：6级风

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10

? 续航时间：2.5h ? 飞行高度：5000m ? 起飞：弹射起飞 ? 降落：定点伞降

环境 ? 工作温度：-20°C ～60°C ? 抗雨能力：小雨 飞机操控

? 架设时间：10 分钟 ? 操控方式：全自主起飞降落

3.3.2 iFly-D6多旋翼无人机

图 3.3 iFly-D6多旋翼无人机

1、特点

1）具备手动、增稳、自主等多种飞行模式，抗风性能好；

2）碳纤维复合材料加工制造工艺，质量轻，抗冲击和抗疲劳性好； 3）操作简单，适应多种复杂地理环境；

4）抗电磁环境干扰能力强、系统电磁兼容性好； 5）续航时间长。 2、性能参数

飞行

系统

? 起飞重量：12kg ? 机体展开尺寸(m)：

1.25*1.25*0.495

? 机体材质：高强度碳纤材质 ? 续航时间：40分钟

载荷

系统 ? 载荷能力：6kg ? 标配：Sony A7R

? 选配：倾斜相机、高光谱相

机、红外相机等

地面站 ? 控制半径：5km

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11 ? 飞行速度：<10m/s

? 飞行高度：4500m

? 起降：垂直起降

环境 ? 抗风性能：6级风 ? 抗雨能力：小雨 飞机操控

? 架设时间：10 分钟 ? 操控方式：自主起飞降落

3.4 传感器系统

3.4.1 Sony A7r 相机

传感器是采用Sony A7r 相机，相机幅面为7360*4912像素，35mm 蔡司定焦镜头。 主要性能

相机图示 外形尺寸

127*94*48mm

机身特性

全画幅微单 传感器类型

CMOS 传感器尺寸

35.9×24mm 有效像素

3600万 电池类型

锂电池（NP-FW50） 存储卡类型

SD/SDHC/SDXC 卡 快门速度

30-1/8000秒 感光度 ISO 100-25600 3.4.2 iGCS-1高清数字图传系统

iGCS-1高清数字图传主要用于无人机及广播电视视频图像实时传输的数字系统。发射机采用国际先进的COFDM （多载波编码正交频分复用）调制技术和H.264编码技术，可传输最高1080P 高清画质。地面接收站采用双天线冗余接收，传输距离更远更可靠，显示屏采用高亮屏，具备强光下清晰可见的特点，能够在移动速度较快的无人机上使用。

1）iGCS1-TX 机载发射机

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图 3.4 iGCS1-TX 机载发射机

主要技术指标:

传输分辨率 1920×1080，60P/50P

信道带宽 2M-8M 工作电压 DC7.2-14.8V

输出功率 0.1W-2W 可调 平均工作电流 1.2A 前向纠错 1/2、2/3、3/4、7/8 平均工作功耗 14.5W 保护间隔 1/32、1/16、1/8、1/4

机载胶棒天线 2dBm

视音频输入 HDMI 接口 传输距离 5km@100m （可选）

视频压缩 符合H.264技术标准 端到端时延 500ms 音频格式 MPEG-2@ ML 4:2:0

调制方式 COFDM 射频接口 SMA 母头 调制映射 16QAM 产品尺寸 70mm ×80mm ×28mm

工作频率 340MHz ±50MHz 工作温度 -25℃～75℃ 视频制式

PAL/NTSC

重量

180g （含散热风扇）

2）iGCS1-RX 地面接收站

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图 3.5 iGCS1-RX 地面接收站

特点：

1.地面双接收天线设计，避免运动过程中的马赛克和卡顿；

2.接收机可直接插U 盘录像,不需要单独配置视频采集卡；

3.可以设置47组频点数据；

4.具备信号强度量化和LED 显示功能；

5.地面站具备高亮屏显示，可适应强光环境工作；

6.内置高效锂电池，充满电后可持续工作8h ；

7.可拓展ipad 等，实现便携式地面站快速转换；

8.支持一键切换一站多机的工作模式； 主要技术指标：

传输分辨率 1920×1080，60P/50P

信道带宽 2M-8M 工作电压 DC7.2-14.8V 输出功率 0.1W-2W 可调 平均工作电流 0.65A 前向纠错 1/2、2/3、3/4、7/8 平均工作功耗 7.8W 保护间隔 1/32、1/16、1/8、1/4 地面吸盘天线 5.5dBm 视音频输出 HDMI, CVBS 复合同步 接收灵敏度（dBm ）

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视频解码 符合H.264技术标准 端到端时延 500ms （低延时）

音频格式 MPEG-2@ ML 4:2:0

调制方式

COFDM

调试接口

RS-232

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14 调制映射 16QAM 产品尺寸 447×427×

109mm 工作频率 46MHz-860MHz 可调

工作温度 -25℃～75℃ 视频制式

PAL/NTSC

重量

6000g

3.4.3 iCam H3红外热成像系统

红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外热成像运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并可以进一步计算出温度值。红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，由此人们可以看到物体表面的温度分布状况。

图 3.6 iCam H3红外热成像系统

性能参数：

红外热像性能参数

热灵敏度 0.03℃（在30℃）

标准镜头空间分辨率

0.68mrad 热像仪数据帧频

50/60HZ 数字变焦

1X-4X

探测器

非制冷焦平面，像素

数640×480

测温范围

-20℃-150℃

工作波段

8-14um

测温精度

±2℃或者±2%

视场角

25°×18.7°

最高温度自动跟踪

自动捕捉最高温度点并将温度实时

叠加显示在视频上

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15 3.5 Pix4d 无人机影像处理系统

Pix4d mapper 全自动无人机数据处理软件，是由瑞士Pix4d 公司自主研发的一款无人机数据和航空影像处理软件。

图 3.4 Pix4d 软件界面

1、特点

1）高性能

Pix4Dmapper 利用自己独特的模型，可以同时处理多达10000张影像；可以处理多个不同相机拍摄的影像；可以将多个架次数据合并成一个工程进行处理。

2）简单化

Pix4Dmapper 操作简单，不需专业知识，飞控手就能够处理和查看结果，并把结果发送给最终用户。

3）专业化

Pix4Dmapper 通过软件自动空三计算原始影像外方位元素。利用Pix4Dmapper 的技术和区域网平差技术，自动校准影像。软件自动生成精度报告，可以快速和正确地评估结果的质量。提供了详细的、定量化的自动空三、区域网平差和地面控制点的精度。

4）成果多样化

Pix4Dmapper 软件能生成正射镶嵌影像（GeoTIFF ）、Google Map 瓦片（PNG ，KML ）、点云（PL Y ，TXT ）、三维模型（OBJ ）。

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图 3.5 Pix4Dmapper 正射影像图 图3.6 Pix4Dmapper 加密点云

2、功能表

4 应用案例

案例 某铁路段线路巡检项目

1、项目概述

该项目是我国某高铁线路巡检项目。该项目航测区域为一个不规则条带状区域，巡检铁路长约6.8km 。采用iFly 无人机飞行平台搭载数码单反像机进行拍摄，平均相对航高600米，地面分辨率为0.23米，共采集航摄像片511张。

2、数据处理

该项目巡检区域如下图所示。在采集巡检区域航摄像片的基础上，利用Pix4Dmapper 软件对采集数据进行了处理，获取了巡检区域的高分辨率正射影像（DOM ）图。

Pix4D 软件功能参数表

无人机优化的空三和区域网平差 √ 正射镶嵌（GeoTIFF ）

√ 点云加密 √ Google Map 瓦片（PNG ,KML ） √ 地面控制点编辑 √ DEM （GeoTIFF ，TXT ） √ 自动生成精度报告 √ 点云（PL Y ，TXT ） √ 快速处理模式 √ 三维模型（OBJ ）

√ 镶嵌编辑工具

√

空三、区域网平差和相机参数

√

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图2.10 铁路巡检区域航线分布图

3、成果展示

图2.11 铁路巡检最终正射影像图及局部效果图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xo8q.html