利用傾斜攝影測量快速構(gòu)建橋梁三維模型

何 必，耿傳芝，范玉紅

（1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250357；2.濟(jì)南適航信息科技有限公司，山東 濟(jì)南250002）

橋梁是最重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，它不僅承擔(dān)著傳統(tǒng)的渡河工程功能，在現(xiàn)代公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施中，高架式橋梁結(jié)構(gòu)也是其重要的主體構(gòu)成部分。橋梁的施工和運(yùn)營階段管理的科學(xué)性和有效性是發(fā)揮橋梁功能，保障交通暢通的重要基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)硬件功能的飛越式發(fā)展，可視化以及三維可視化的信息管理方式逐漸成為橋梁管理的現(xiàn)實(shí)需求和可行途徑，因此，橋梁的三維數(shù)字化建模便成為一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。傳統(tǒng)的橋梁三維建模大多是基于橋梁的CAD設(shè)計(jì)圖紙，運(yùn)用3DMAX等三維建模工作進(jìn)行人工建模，這種方式借助于3DMAX等軟件的功能具有較好的美觀性，但是由于其所有數(shù)據(jù)都是根據(jù)圖紙獲得，因此完全與工程實(shí)際脫離，在真實(shí)性上具有天然的缺失，同時(shí)模型不具備空間地理屬性，無法實(shí)現(xiàn)后期的空間操作等功能。傾斜攝影測量是直接在橋梁實(shí)地現(xiàn)場進(jìn)行測量，再經(jīng)過后期內(nèi)業(yè)處理獲得橋梁的三維模型，其具有真實(shí)、空間地理信息豐富的優(yōu)勢，能夠滿足后期對(duì)橋梁實(shí)行信息化管理的要求。

1 傾斜攝影測量

傾斜攝影測量是近年興起的一種攝影測量方式，它與傳統(tǒng)的正射攝影測量的區(qū)別在于它使用多個(gè)攝像頭對(duì)被測區(qū)域進(jìn)行拍照，由于其部分鏡頭設(shè)置為非垂直地面的傾斜角度，因此能夠拍攝到被測區(qū)域的立面信息，從而能夠獲取被測對(duì)象整個(gè)外部表面的空間位置數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立被測對(duì)象的三維模型，大大改進(jìn)了傳統(tǒng)的正射攝影測量只能獲得被測對(duì)象頂部信息的不足。利用傾斜攝影測量建立地物三維模型的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量三維建模技術(shù)流程

2 外業(yè)工作

外業(yè)工作是傾斜攝影測量獲取被測對(duì)象照片以及必要的地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的工作。當(dāng)前用于傾斜攝影測量外業(yè)航測的飛行載具一般使用多旋翼無人機(jī)。在本文的研究過程中，選用了大疆精靈4多旋翼無人機(jī)作為外業(yè)航測的飛行載具，大疆精靈4多旋翼無人機(jī)自帶云臺(tái)和攝像頭，能夠滿足外業(yè)航測的需求。根據(jù)本文建模的橋梁實(shí)際情況，在飛控軟件中設(shè)定無人機(jī)的飛行參數(shù)見表1。

表1 外業(yè)飛行參數(shù)設(shè)置

根據(jù)設(shè)置好的飛行參數(shù)，飛控軟件自動(dòng)劃定飛行航線如圖2所示。

圖2 飛行航線圖

飛行參數(shù)和飛行航線設(shè)置完畢后，將飛行任務(wù)上傳至無人機(jī)，開始外業(yè)航測，共用時(shí)1小時(shí)22min完成單次外業(yè)航測任務(wù)，獲取相片共計(jì)310張。

地面控制點(diǎn)是指在測區(qū)選定一定數(shù)量的點(diǎn)，通過精確測量其在國家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，從而以這些控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，計(jì)算出測區(qū)中其它各點(diǎn)在國家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，賦予橋梁模型標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，增強(qiáng)橋梁模型的通用性。本次研究在測區(qū)選定橋梁施工時(shí)的基礎(chǔ)控制點(diǎn)三個(gè)，此三個(gè)地面控制點(diǎn)具有西安1980坐標(biāo)系中的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，從而可為橋梁模型的坐標(biāo)換算提供基礎(chǔ)。其點(diǎn)位分布如圖3所示。

圖3 地面控制點(diǎn)分布圖

3 內(nèi)業(yè)工作

內(nèi)業(yè)工作主要包括空三運(yùn)算和三維模型生成。本文的空三運(yùn)算和三維模型生成均使用ContextCapture軟件?？杖\(yùn)算是對(duì)較少的野外控制點(diǎn)進(jìn)行加密的過程，繼而生成點(diǎn)云以自動(dòng)形成后期的三維模型。首先將原始數(shù)據(jù)，即外業(yè)獲取的照片以及記錄無人機(jī)位置信息的POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ContextCapture軟件中，經(jīng)過相片對(duì)齊處理，空三運(yùn)算，點(diǎn)云提取等過程，軟件自動(dòng)生成最終的三維模型。內(nèi)業(yè)的空三運(yùn)算以及三維模型生成因?yàn)樯婕暗酱罅康倪\(yùn)算，因此計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算和處理的過程一般耗時(shí)較長，本文所生成的模型處理過程耗時(shí)12h。

4 三維模型成果

針對(duì)本次所建模的橋梁，為體現(xiàn)施工不同階段的對(duì)比效果，在三個(gè)施工階段分別進(jìn)行了傾斜攝影測量和三維建模工作，得到了三個(gè)階段的現(xiàn)場三維模型，效果如圖4所示。從圖中可以看出橋梁的箱梁頂推合龍過程。同時(shí)，所建立的三維模型具有完整的空間位置信息，因此能夠在模型中直接進(jìn)行包括距離、面積、體積等各種基于空間位置信息的結(jié)果查詢，其查詢效果如圖5所示。

圖4 不同施工階段的三維模型

圖5 空間信息的查詢

5 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影測量以其作業(yè)速度快，外業(yè)工作強(qiáng)度小的特點(diǎn)在測繪行業(yè)越來越受到重視，針對(duì)基建領(lǐng)域?qū)τ跇蛄喝S建模的需求，將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)引入，能夠快速完成建模任務(wù)，所建立的三維模型同時(shí)還具有完整的空間位置數(shù)據(jù)信息，能夠做為BIM或GIS的數(shù)據(jù)源，進(jìn)而利用BIM或GIS對(duì)橋梁進(jìn)行進(jìn)一步的信息化管理，是交通土建工程信息化管理工作的良好技術(shù)路線。在未來的發(fā)展中，如何克服小型無人機(jī)受風(fēng)速、降雨、超高建筑、大氣可見度等環(huán)境因素的影響，擴(kuò)大無人機(jī)傾斜攝影測量的可用范圍，是值得進(jìn)一步研究的空間。