基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的高速公路邊坡三維重建

相詩(shī)堯， 徐潤(rùn)， 張常勇， 趙杰， 王甲勇

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 全壽命周期BIM技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心，山東 濟(jì)南 250031)

高速公路作為高等級(jí)公路，對(duì)線形要求高，常常出現(xiàn)高填深挖路段，邊坡在整條高速公路中的作用尤為突出?？焖?、完整、精確地獲取邊坡的三維空間信息對(duì)于邊坡擴(kuò)建改造、穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)管理等方面都具有重要作用。目前，用于邊坡三維空間信息數(shù)據(jù)獲取的全站儀、RTK人工測(cè)量方式需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，同時(shí)由于測(cè)量點(diǎn)稀疏，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)邊坡的全覆蓋式測(cè)量。利用激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)可以獲取高速公路邊坡完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且精度較高，但是無法較好地獲取邊坡的表面紋理信息。在此基礎(chǔ)上，該文將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于高速公路邊坡的三維重建中，以實(shí)現(xiàn)快速、完整、精確地獲取賦有紋理信息的高速公路邊坡三維實(shí)景模型。

1 邊坡三維重建方法與技術(shù)流程

1.1 多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

近年來，隨著無人機(jī)飛控設(shè)備、定位技術(shù)、制作工藝的改進(jìn)和發(fā)展，使得多旋翼無人機(jī)在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，包括水利、礦業(yè)、電力等領(lǐng)域。該文所采用的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)由6旋翼工業(yè)級(jí)無人機(jī)飛行平臺(tái)和傾斜攝影5鏡頭相機(jī)組成，如圖1所示。5鏡頭相機(jī)由1個(gè)垂向相機(jī)和4個(gè)傾斜相機(jī)組成，垂向相機(jī)與水平方向的夾角為90°，4個(gè)傾斜相機(jī)與水平方向的夾角均為45°，并且相機(jī)鏡頭均指向中間位置，通過在無人機(jī)飛行平臺(tái)上安裝增穩(wěn)云臺(tái)，可以使相機(jī)在空中保持姿態(tài)穩(wěn)定。5鏡頭相機(jī)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)拍照時(shí)刻同步拍攝，可同時(shí)獲取地物多個(gè)角度的紋理、方位信息，同時(shí)無人機(jī)上的定位裝置，可以記錄拍照瞬間的空間坐標(biāo)，獲取航片的GPS數(shù)據(jù)。采用專業(yè)的傾斜攝影5鏡頭相機(jī)較單鏡頭相機(jī)在航測(cè)效率、照片質(zhì)量、獲取數(shù)據(jù)兼容性等方面均有較大提高，更加適合專業(yè)級(jí)的航測(cè)項(xiàng)目。

圖1 多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

1.2 高速公路邊坡三維重建技術(shù)流程

采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行高速公路邊坡三維重建的技術(shù)流程可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合、三維建模和精度檢測(cè)4個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集是整個(gè)流程中的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)決定了獲取的三維實(shí)景模型的質(zhì)量和精度。要進(jìn)行三維重建的邊坡范圍并非實(shí)際的航測(cè)區(qū)域，經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)，得出了確定無人機(jī)實(shí)際航測(cè)區(qū)域的方法，如圖3所

圖3 航測(cè)區(qū)域確定方法

示，由于采用的5鏡頭相機(jī)的傾斜相機(jī)與水平方向的夾角為45°，在劃定航測(cè)區(qū)域范圍時(shí)，將需要獲得三維實(shí)景模型的邊坡范圍作為有效區(qū)域，并以此為邊界向四周以飛行高度擴(kuò)充，將擴(kuò)充后的區(qū)域作為無人機(jī)的實(shí)際航測(cè)區(qū)域，這樣可以保證有效區(qū)域邊界處外部的側(cè)面紋理照片的獲取。同時(shí)，當(dāng)測(cè)區(qū)范圍較大時(shí)，受無人機(jī)電池續(xù)航時(shí)間限制，一組電池?zé)o法完成整個(gè)測(cè)區(qū)的航測(cè)任務(wù)，需要根據(jù)測(cè)區(qū)形狀、地勢(shì)變化、電池續(xù)航時(shí)間等因素合理劃分測(cè)區(qū)，并完成飛行航線規(guī)劃，以滿足保證數(shù)據(jù)精度和作業(yè)效率的雙重要求。

為了使模型獲得真實(shí)的大地坐標(biāo)并應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工中，需要在整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)大量的像控點(diǎn)，同時(shí)也需要布設(shè)檢測(cè)點(diǎn)以檢驗(yàn)三維模型精度，布設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇地勢(shì)平坦、無樹木、電線遮擋的區(qū)域。

對(duì)獲取的飛行航片、GPS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)以及相機(jī)光學(xué)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，并作為三維建模的源數(shù)據(jù)。三維建模需經(jīng)過空三加密測(cè)量、影像密集匹配、紋理映射等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該流程耗時(shí)較長(zhǎng)，在空三加密測(cè)量中，利用以共線方程為基本數(shù)學(xué)模型的光束法實(shí)現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)整體平差，并通過影像密集匹配創(chuàng)建立體像對(duì)，計(jì)算出每個(gè)物方點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以獲取邊坡三維點(diǎn)云和數(shù)字表面模型(DSM)，最終通過紋理映射得到具有真實(shí)表面和側(cè)面紋理的邊坡三維實(shí)景模型。

在精度檢測(cè)環(huán)節(jié)中，將模型上獲取的檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，計(jì)算模型中誤差，以驗(yàn)證所構(gòu)建的三維實(shí)景模型的數(shù)據(jù)精度。當(dāng)滿足精度要求時(shí)，模型可以展開實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)不滿足精度要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)分析并查明原因，直到模型滿足精度要求時(shí)，再展開進(jìn)一步應(yīng)用。

1.3 無人機(jī)傾斜攝影在高速公路邊坡三維重建中的優(yōu)勢(shì)

利用無人機(jī)傾斜攝影手段對(duì)高速公路邊坡進(jìn)行三維重建代替了測(cè)量人員對(duì)野外地形復(fù)雜區(qū)域的實(shí)地測(cè)量，提高了作業(yè)安全；采用該手段只需兩人即可完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，可進(jìn)一步減少測(cè)量人員數(shù)量，降低人力成本，通過無人機(jī)航測(cè)可快速完成對(duì)整個(gè)邊坡的外業(yè)航測(cè)，降低外業(yè)時(shí)間成本；利用無人機(jī)傾斜攝影手段，將繁重的外業(yè)測(cè)量工作轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，進(jìn)一步降低測(cè)量人員的外業(yè)工作強(qiáng)度。

目前，對(duì)于高速公路邊坡的三維建模主要采用人工測(cè)量手段和激光雷達(dá)測(cè)量手段，利用全站儀、RTK等人工測(cè)量方式可獲取邊坡的三維空間信息數(shù)據(jù)，但是需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，同時(shí)存在測(cè)量點(diǎn)稀疏以及無法對(duì)整個(gè)邊坡實(shí)現(xiàn)全覆蓋式測(cè)量的問題。利用激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)可以獲取高速公路邊坡完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但是無法較好地獲取邊坡的紋理信息，不能很好地對(duì)邊坡進(jìn)行真實(shí)的三維建模。利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，通過高重疊度并完整記錄地物表面和側(cè)面紋理的照片，經(jīng)過空三加密測(cè)量、影像密集匹配、紋理映射等關(guān)鍵技術(shù)手段可以獲得具有真實(shí)紋理的高精度公路邊坡三維實(shí)景模型，并實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的高密度、全覆蓋式測(cè)量。

2 應(yīng)用實(shí)例

以某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目作為實(shí)例進(jìn)行研究，該項(xiàng)目要求對(duì)已有道路進(jìn)行拓寬，由雙向四車道變?yōu)殡p向八車道，因此需要對(duì)既有道路的高邊坡區(qū)域開挖重建，在研究中利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)該項(xiàng)目的某處既有邊坡進(jìn)行了三維重建，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，該邊坡已經(jīng)完成了清表處理。

2.1 數(shù)據(jù)獲取及三維重建

在該項(xiàng)目中，采用文中所述的多旋翼無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)完成項(xiàng)目邊坡的外業(yè)數(shù)據(jù)采集，該5鏡頭相機(jī)的每個(gè)相機(jī)均具有2 400萬像素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)環(huán)境，將無人機(jī)飛行高度設(shè)定為90 m，并由該文所述方法確定出無人機(jī)的實(shí)際航測(cè)區(qū)域，經(jīng)過計(jì)算確定整個(gè)航測(cè)區(qū)域面積為0.15 km2，只需飛行一個(gè)架次。實(shí)際飛行中，將無人機(jī)飛行速度設(shè)為8.0 m/s，主航線圖像重疊率設(shè)為85%，航線間的圖像重疊率設(shè)為75%，共獲取3 350張航片。整個(gè)項(xiàng)目中，共布設(shè)像控點(diǎn)13個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)13個(gè)。

通過對(duì)獲取的航片、GPS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)和相機(jī)文件進(jìn)行聯(lián)合空三加密測(cè)量計(jì)算，獲得了航片加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)及航片的外方位元素。

通過影像密集匹配，可以計(jì)算得到航測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)物方點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)一步獲取邊坡的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)字表面模型(DSM)。

通過多角度紋理映射使模型獲得真實(shí)表面和側(cè)面紋理，最終形成高速公路邊坡的三維實(shí)景模型，并具有真實(shí)、紋理清晰的特點(diǎn)，同時(shí)，通過該技術(shù)手段可達(dá)到節(jié)約人力、減少時(shí)間消耗的目的，邊坡的三維實(shí)景模型如圖4所示。

圖4 三維實(shí)景模型構(gòu)建

2.2 模型精度分析

為了驗(yàn)證三維實(shí)景模型的精度，在獲得的模型上根據(jù)所做標(biāo)記量取13個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1計(jì)算得出模型的平面位置中誤差為±2.34 cm，高程中誤差為±2.08 cm，可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3 結(jié)語

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路邊坡的三維重建，所獲取的三維實(shí)景模型具有真實(shí)、精度高、紋理清晰等優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)測(cè)量手段保證了作業(yè)安全，并大大節(jié)省了人力成本和時(shí)間成本，利用所獲取的三維實(shí)景模型可以獲知邊坡各點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)邊坡的全覆蓋測(cè)量。模型所具有的真實(shí)紋理信息可以更加清晰地展示邊坡的真實(shí)狀況，并可為后期的土石方量計(jì)算、BIM設(shè)計(jì)等提供數(shù)據(jù)支持。

表1 模型誤差對(duì)比