無人機傾斜攝影實景建模技術在施工中的應用

(中鐵四局集團管理研究院，合肥 230000)

1 序言

隨著空間信息獲取與處理技術的進步，越來越多的新技術應用于規(guī)劃設計、施工調(diào)查、及施工管理等環(huán)節(jié)。其中無人機傾斜攝影技術由于能獲取大量密集的、高精度的三維點云數(shù)據(jù)及數(shù)字表面模型，其與BIM技術結(jié)合的應用模式在施工領域也越來越廣泛。

圖1 施工現(xiàn)場控制點坐標標記及數(shù)據(jù)采集

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要是指運用無人機搭載任務設備到待測區(qū)域，按照預先設置的航線飛行，并在飛行的過程中持續(xù)拍照及記錄拍照點的GPS信息的過程。本施工應用研究采用的設備型號為：獵隼 MC6-NX-GT無人機，大勢智慧雙魚座相機。具體過程如下：

2.1 標記相控點

圖2 無人機航線規(guī)劃及地面站實時顯示的飛機姿態(tài)信息

圖3 主要的航線規(guī)劃形式

圖4 航線規(guī)劃與手動補拍結(jié)合，細節(jié)效果更好

為了得到絕對精度較高的模型，以及提高大面積多架次模型數(shù)據(jù)拼接精度，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，須在測區(qū)范圍內(nèi)標記控制點。控制點在區(qū)域內(nèi)均勻分布(不能在一條直線上)，且總數(shù)量不小于3個。并用RTK測量出控制點的WGS-84坐標(圖1)，以便后期融入Context Capture軟件進行解算。

2.2 航線規(guī)劃

綜合考慮待測區(qū)域的地理位置，線路走向、精度要求、起降點等因素，利用航線規(guī)劃軟件計算出飛行高度、飛行速度、拍照間隔、飛行軌跡等執(zhí)行參數(shù)(見圖2)，控制無人機采集航空影像。

主要的航線規(guī)劃有兩種形式：“S”型掃描，多層繞飛(見圖3)。對于區(qū)域較大，同時對模型細節(jié)要求較高的情況，在航線規(guī)劃之外采用手工補拍照片能起到很好的效果(見圖4)。

3 內(nèi)頁數(shù)據(jù)處理

主要是將外業(yè)采集的照片及對應的GPS數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件進行匹配，導入傾斜攝影處理軟件(以Context Capture為例)軟件進行空三運算，輸出成果模型，并在第三方軟件進行集成應用的過程。

3.1 照片與POS數(shù)據(jù)匹配

將GPS信息與照片匹配，并寫入照片屬性(圖5)。

圖5 照片與POS文件匹配

3.2 空三運算

空中三角測量是立體攝影測量中，根據(jù)少量的野外控制點，在室內(nèi)進行控制點加密，求得加密點的高程和平面位置的測量方法。航空攝影測量中利用像片內(nèi)在的幾何特性，在室內(nèi)加密控制點的方法。即利用連續(xù)攝取的具有一定重疊的航攝像片，依據(jù)少量野外控制點，以攝影測量方法建立同實地相應的航線模型或區(qū)域網(wǎng)模型(光學的或數(shù)字的)，從而獲取加密點的平面坐標和高程(見圖6)。主要用于測地形圖。

3.3 成果輸出

空三運算后，就可以提交成果輸出，生成實景模型(見圖7)。

在成果輸出過程中，由于拍攝時的光照和被拍物體的結(jié)構(gòu)特點等因素，可能會生產(chǎn)后的模型出現(xiàn)破洞、畸變等缺陷，以及根據(jù)應用要求需剔除某些結(jié)構(gòu)物，這時就需要對實景模型進行修整以使其能滿足應用需求。

將需要修整實景模型瓦片導出obj格式，利用Bentley Descartes、Meshmixer等軟件進行修復后，再導入原工程文件重新運算并生產(chǎn)出新的模型(見圖8)。

圖6 CC軟件軟件空三運算過程

圖7 實景模型成果(樂百高速地貌、鳳陽體育館、黔張常高鐵項目)

圖8 模型修補(墻面破洞修補龍門吊及梁體剔除)

4 工程項目應用

根據(jù)實際模型可視化效果好，模型精度較高的特點，實景模型在工程領域的主要應用如下：

4.1 前期施工調(diào)查

在工程投標階段，運用無人機實景建模技術對投標項目航拍建模，模型中包含了場地的三維空間信息及相關尺寸，為投標方案的編制提供準確的參考信息，相比傳統(tǒng)的照片及文字描述，實景模型能更快捷、全面、真實地了解現(xiàn)場情況(圖9)。

圖10 黔張常項目BIM模型與實景模型的整合

4.2 與BIM模型整合

實景模型反應的是現(xiàn)場客觀存在的環(huán)境信息，而BIM模型則反應的是將要建造(或建造過程中的)的結(jié)構(gòu)信息，二者的結(jié)合應用更能提升工程項目的BIM應用層次，為項目建設增值(圖10)。

4.3 與道路施工結(jié)合

將實景模型以3MX格式導入Descartes軟件，提取地形模型信息，生成等高線(見圖11)。再以tin格式導入Power Civil軟件創(chuàng)建道路模型，進行計算土方量及相關BIM應用(圖12)，深層次挖掘?qū)嵕澳Ｐ偷膽脙r值。

圖11 實景模型地形信息提取

圖12 基于實景模型創(chuàng)建道路模型及相關的填挖方計算

4.4 實景模型與GIS平臺結(jié)合

實景模型導入GIS平臺(如Locaspace、SkyLine及藍色星球系統(tǒng)平臺等)，與GIS結(jié)合進行測量、分析及信息集成(見圖13)，為信息管理系統(tǒng)平臺提供高精度的基礎數(shù)據(jù)，全面管理和展示項目施工的動態(tài)信息。

圖13 實景模型與GIS平臺整合

5 總結(jié)

傾斜攝影已成為航空測量領域的一個熱點，國家測繪地理信息局也已經(jīng)把傾斜攝影作為一項新技術手段進行推廣。該技術是一項復雜系統(tǒng)應用工作，涉及到多專業(yè)的配合，項目應用難度較大。通過在各項目中的綜合應用，為類似工程的技術應用提供了一些借鑒，更深層次的應用需要在項目實踐中進一步探索研究。

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