傾斜攝影技術(shù)在觀光車輛路線坡度測量上的應(yīng)用研究

余煥偉 陳仙鳳 唐艷同 倪敏華 陳 松

（1.紹興市特種設(shè)備檢測院 紹興 312071）

（2.紹興市特種設(shè)備智能檢測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 紹興 312071）

（3.紹興市柯橋區(qū)質(zhì)量計(jì)量檢驗(yàn)檢測中心 紹興 312030）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著微電子技術(shù)、傳感器和控制技術(shù)等快速發(fā)展，以多旋翼、鋰電驅(qū)動(dòng)、輕量化和自動(dòng)避障為特點(diǎn)的消費(fèi)級無人機(jī)大大降低了無人機(jī)使用門檻，被廣泛應(yīng)用于個(gè)人娛樂、農(nóng)林業(yè)［1］、電力［2］、測繪［3］、地質(zhì)災(zāi)害防治［4］等行業(yè)，極大地推動(dòng)了這些行業(yè)傳統(tǒng)工作模式的變革。目前市面上，消費(fèi)級無人機(jī)主要采用鋰聚合物電池作為主要?jiǎng)恿Γ嘈斫Y(jié)構(gòu)，造價(jià)低，操控能力好，續(xù)航能力一般為20～30 min。無人機(jī)在不同的行業(yè)都可找到合適的切入點(diǎn)，可搭載可見光相機(jī)替代人眼抵近觀察，也可以搭載多種類型的傳感器代替人類進(jìn)入不容易到達(dá)的地方或危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，如熱成像儀［5］、光譜儀［6］、有害（可燃）氣體探測器［7］和合成孔徑雷達(dá)［8］等。

在不同行業(yè)或場景對通過無人機(jī)獲得的圖像數(shù)據(jù)的處理應(yīng)用方式也不相同，一是直接利用圖像進(jìn)行觀察或?qū)D像進(jìn)行技術(shù)處理、特征提取后再進(jìn)行觀察，然后做出決策。雷家杰等［2］利用紫外成像儀搭載在無人機(jī)上進(jìn)行電力巡檢，可以發(fā)現(xiàn)絕緣子和導(dǎo)線表面由于裂紋、毛刺和破損產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。趙延峰等［9］提出了一種基于改進(jìn)Mask R－CNN的電力線自動(dòng)提取算法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景下無人機(jī)航拍圖像的端到端電力線提取，提高了無人機(jī)電力巡檢的準(zhǔn)確性。在特種設(shè)備領(lǐng)域：2016年南京市特檢院研制的大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)無人機(jī)載智能視覺檢測系統(tǒng)成功應(yīng)用在大型起重機(jī)上，進(jìn)行了金屬結(jié)構(gòu)檢測，并運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行缺陷特征提取與識(shí)別［10］；2017年廣東特檢院通過無人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包括常規(guī)的航拍、垂直攀爬檢查、懸停拍攝和紅外熱成像等功能，可以判斷大型特種設(shè)備是否存在異常，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備安全狀態(tài)的初步評估［11］；2019年福建特檢院研究了基于無人機(jī)的大型起重機(jī)械檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，用來解決大型起重機(jī)械高空位置的金屬結(jié)構(gòu)表面缺陷檢測問題［12］。無人機(jī)的另一種應(yīng)用是無人機(jī)作為飛行平臺(tái)與傾斜攝影測量技術(shù)結(jié)合起來，獲取地面對象的地理位置和三維特征參數(shù)，用于地圖繪制、實(shí)景三維建模、三維測量等領(lǐng)域［13］，常用的有單鏡頭和多鏡頭攝影測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以前傳統(tǒng)航空遙感測量的功能。楊永明［14］研究了無人機(jī)傾斜攝影測量原理和三維建模等關(guān)鍵技術(shù)，分析了傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果及其精度，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)區(qū)圖像重投影均方根誤差都未超過1個(gè)像素，均方根誤差值最大為0.035 m。婁寧等［15］針對單體建筑物三維精細(xì)化建模問題，提出了以單鏡頭多旋翼無人機(jī)為載體的三維環(huán)繞式航線自動(dòng)規(guī)劃方法，提升了單體建筑高分辨率影像數(shù)據(jù)采集的完整性、質(zhì)量和效率。鄭爽［16］的研究表明無人機(jī)傾斜攝影能滿足1：500比例尺地形圖的測繪精度要求，比傳統(tǒng)方法提高約52%的效率，且能夠生成更為直觀的三維模型。

綜上所述，無人機(jī)平臺(tái)的出現(xiàn)極大地改變了傳統(tǒng)行業(yè)的作業(yè)模式，拓展了作業(yè)范圍，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。但在特種設(shè)備領(lǐng)域，無人機(jī)應(yīng)用還是限制在拍攝和監(jiān)控層面，即對目標(biāo)對象只是單一的“看、察、巡”，而且應(yīng)用條件比較單一，更不能實(shí)現(xiàn)智能檢測。本文將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用在觀光車路線坡度檢測領(lǐng)域，與傳統(tǒng)檢測方法進(jìn)行了對比研究，具有檢測精度高、效率快的特點(diǎn)。

1 傾斜攝影原理

傳統(tǒng)的航空攝影通常是采用正射攝影技術(shù)，只能獲得地面物體下視角的影像，由于物體的側(cè)面被遮擋，幾乎沒有正射面以外的其他信息，適合于對側(cè)面紋理信息要求較低的場景。近些年發(fā)展起來的傾斜攝影技術(shù)改變了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，可從多個(gè)視角進(jìn)行拍攝，能獲得更真實(shí)全面的地物的側(cè)面紋理信息和細(xì)節(jié)特征［17］。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以采用單鏡頭和多鏡頭攝影測量系統(tǒng)［18］：單鏡頭系統(tǒng)可以周向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行傾斜攝影得到同一建筑物不同角度的影像數(shù)據(jù)，適合較小的應(yīng)用場景；多鏡頭攝影測量系統(tǒng)的多個(gè)相機(jī)能在同一時(shí)間曝光，同時(shí)獲得多個(gè)不同角度的影像數(shù)據(jù)，作業(yè)速度快，適合較大場景的應(yīng)用。

無人機(jī)攝影測量是通過研究被拍攝物體的位置、形狀、大小及其相互間的關(guān)系，建立影像中重要的點(diǎn)、線和面之間的透視關(guān)系以及物方與像方之間的解析關(guān)系，在此過程中首先涉及的是多個(gè)坐標(biāo)系（像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系）之間的轉(zhuǎn)換。由無人機(jī)搭載相機(jī)的內(nèi)參數(shù)再結(jié)合相機(jī)相對于世界坐標(biāo)系的平移、旋轉(zhuǎn)等位置關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)相空間到實(shí)際空間的轉(zhuǎn)換［19］。影像特征點(diǎn)提取與匹配是攝影測量中數(shù)據(jù)處理的另一個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，它是實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)z影測量自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)。SIFT（Scale－invariant Feature Transform）對旋轉(zhuǎn)、尺度縮放、亮度變化、視角變化、噪聲等具有一定程度的穩(wěn)定性，在影像的特征點(diǎn)檢查和提取中應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)2幅影像的特征向量被提取后，就需要進(jìn)行圖片兩兩之間的特征點(diǎn)匹配，當(dāng)所有的兩兩匹配圖像對被確定以后，就可以考慮把多個(gè)圖像中都出現(xiàn)的共同特征匹配點(diǎn)連接起來。在已知空間點(diǎn)在多視影像上的像點(diǎn)和影像的投影矩陣的情況下，就可以通過“三角化”的方法解求初始像對空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如圖1所示，2個(gè)位置時(shí)刻相機(jī)光心分別為O1、O2，影像中像素匹配點(diǎn)為P1、P2，真實(shí)空間中地物點(diǎn)為P，在不考慮噪聲的理想情況下O1P1、O2P2應(yīng)相交于P點(diǎn)，其對應(yīng)的三維位置為P，那么應(yīng)該滿足式(1)，M1、M2為由初始影像對得到的投影矩陣。

圖1 2幅匹配影像的三角化

在實(shí)際情況下，由于噪聲干擾、匹配誤差等因素干擾，O1P1、O2P2是交于P′點(diǎn)，與真實(shí)點(diǎn)P不完全重合，現(xiàn)一般采用非線性優(yōu)化方法求解最優(yōu)的P，使重投影誤差最小，見式（2），Mi為第i張影像的投影矩陣，Pi為真實(shí)點(diǎn)P在第i張圖像中的像素匹配點(diǎn)。

2 無人機(jī)傾斜攝影建模過程

本文選用大疆精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)，搭載有RTK導(dǎo)航定位系統(tǒng)，配備1英寸2 000萬像素CMOS相機(jī)，支持輸出未經(jīng)畸變矯正的原圖，并在照片XMP信息中輸出該相機(jī)的OPEN－CV畸變矯正參數(shù)，可用在第三方軟件后處理。單鏡頭相機(jī)與RTK模塊μs級時(shí)間同步，地面采樣距離GSD= (H/36.5) cm/pixel，H為飛行高度，當(dāng)H=100 m時(shí)，GSD為2.74 cm/pixel。無人機(jī)遙控器內(nèi)置航線規(guī)劃功能，飛行控制簡單，圖像能滿足GB/T 7930—2008《1：500 1：1 000 1：2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求。在測區(qū)內(nèi)或測區(qū)外不遠(yuǎn)處選擇一個(gè)視野開闊、無強(qiáng)電磁干擾的地方作為無人機(jī)起降點(diǎn)，在風(fēng)速小于3 m/s時(shí)進(jìn)行拍照作業(yè)，為了獲得較高的圖像分辨率，在保障安全的情況下盡量降低飛行高度。采用大疆遙控器自帶的“攝影測量3D（井字飛行）”模塊進(jìn)行航跡規(guī)劃，設(shè)置完成飛行區(qū)域、飛行高度、飛行速度、重疊度（橫向重疊80%）、拍攝傾角等信息后，即可完成自動(dòng)起飛、自動(dòng)拍攝、自動(dòng)返航降落。

采用Context Capture軟件對影像進(jìn)行后處理，首先對影像集進(jìn)行空中三角測量計(jì)算，確定每幅圖像的位置和角元素，掌握每個(gè)輸入影像集的影像組屬性及每個(gè)輸入影像的姿態(tài)，完成不同圖像的剛性匹配、生成圖像連接點(diǎn)、評估圖像質(zhì)量等，在此過程中如果輸入圖像的重疊不足或圖像紋理信息不足（如水面），部分圖像可能會(huì)被舍棄，影像集空中三角測量后即可進(jìn)行三維模型重建，整個(gè)無人機(jī)傾斜攝影建模過程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影建模流程

3 旅游觀光車輛的行駛路線坡度測量

非公路用旅游觀光車輛作為一種在旅游景區(qū)運(yùn)行的交通工具，本身為非封閉式，行駛道路條件遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)道路，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，這就要求在規(guī)劃觀光車路線時(shí)坡度不能太陡。坡度通常用2點(diǎn)的高程差與其水平距離的百分比表示：i=h/l×100%，i為坡度，h為高程差，l為水平距離。TSG N0001—2017《場(廠)內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對觀光車的行駛路線進(jìn)行了規(guī)定：觀光車最大行駛坡度不得大于10%(坡長小于20 m的短坡除外)，觀光列車最大行駛坡度不得大于4%(坡長小于20 m的短坡除外)。對此一般是采用坡度儀和全站儀進(jìn)行測量，需要投入大量人力、物力。

3.1 坡度儀單點(diǎn)測量

在一段人工坡道上選取A、B、C三點(diǎn)，見圖3，利用坡度儀進(jìn)行坡度測量，結(jié)果見圖4，坡角換算成路線坡度分別為9.98%、11.58%和10.50%。由于坡面局部不平整的原因，3次坡度測量值結(jié)果離散性較大，在實(shí)際景區(qū)道路上這種不平整度的影響將更大。

圖3 A、B、C三個(gè)坡度儀測量點(diǎn)

圖4 坡度儀測量值

3.2 全站儀連續(xù)測量

全站儀對邊測量是在不搬動(dòng)儀器的情況下，直接測量多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)與某一起始點(diǎn)（P1）間的斜距（dSD）、平距(l)和高差(h)，任一目標(biāo)點(diǎn)與起始點(diǎn)間的高差也可用坡度來顯示，如圖5所示。以圖3坡道中的A為測量起始點(diǎn)，利用圖6所示的全站儀分別對邊測量B、C兩點(diǎn)坡度，A－B、A－C的測量坡度值分別為9.48%、9.36%。

圖5 全站儀對邊測量（P1-P2，P1-P3）原理

圖6 全站儀對邊測量B、C兩點(diǎn)坡度

3.3 無人機(jī)傾斜攝影測量

●3.3.1 局部坡度測量

無人機(jī)飛行高度設(shè)定為25 m，影像平均對地分辨率為6.70 mm/pixel，鏡頭傾斜角為45°，一共獲得216張影像，經(jīng)空中三角測量計(jì)算可用來三維重建的影像為197張，重建模型見圖7。

圖7 由無人機(jī)傾斜攝影得到的三維重建模型

在三維模型上坡道上部選取P1、P2兩個(gè)點(diǎn)，如圖8所示，其水平距離L12= 1.94 m，高程差為H12=0，然后在坡道底部選取一點(diǎn)P3，P2到P3的高程差H23= 0.51 m，連接P1、P2、P3三點(diǎn)的三角形面積為S123= 5.40 m2，由此可得P3到水平線P1P2的垂直距離LH= 5.57 m，計(jì)算坡度i= tan(arcsin(H23/LH)) = 9.19%。

圖8 傾斜攝影三維模型上坡度測量示例

需要指出的是，雖然本次三維模型測量中P3選點(diǎn)在黃色道標(biāo)線的角點(diǎn)，但實(shí)際中P3選點(diǎn)比較任意，并不要求P3P2⊥P1P2，只需要保證P1和P2的選點(diǎn)在同一水平無高即可，如圖9所示，P1、P2兩個(gè)點(diǎn)水平距離P12= 1.91 m，P1到P3的高程差H13= 0.61 m，三角形P1P2P3的面積為S123= 6.27 m2,坡道坡度為9.33%。

圖9 P3任意選點(diǎn)時(shí)的坡度測量示例

表1為全站儀、坡度儀和無人機(jī)傾斜攝影測量的結(jié)果對比，可以看出無人機(jī)傾斜攝影測量結(jié)果與全站儀的測量結(jié)果比較接近，而坡度儀測量的誤差較大、數(shù)據(jù)比較分散。

表1 3種方法的坡度測量結(jié)果 %

●3.3.2 長距離坡度測量

根據(jù)“坡長小于20 m的短坡除外”的坡度豁免條件，在實(shí)際景區(qū)路線的全站儀坡度測量過程中，需要多次架設(shè)全站儀來尋找超標(biāo)坡度變化點(diǎn)，非常煩瑣，但是采用無人機(jī)傾斜攝影測量可以極大地提高作業(yè)效率，流程如圖10所示。

圖10 “坡長小于20 m的短坡除外”檢測確認(rèn)流程

在圖11所示的坡道三維模型上，沿著箭頭所示的路徑提取坡道上物理點(diǎn)的三維坐標(biāo)并繪制成空間曲線圖，如圖12所示。在觀光車行駛路徑上，相鄰兩物理點(diǎn)Pm、Pn的坐標(biāo)為(xm，ym，zm)和 (xn，yn，zn)，其高程差等于Z方向坐標(biāo)之差zn－zm，其路徑長度近似等于兩點(diǎn)的空間距離Lmn，路徑PmPn段的坡度為(znzm)/Lmn，依次求得各相鄰兩點(diǎn)間路徑的坡度，如圖13所示。

圖11 沿著觀光車前進(jìn)路徑提取坡道上的物理點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)

圖12 觀光車的行駛路徑的空間曲線

圖13 觀光車行駛路徑坡度點(diǎn)云圖

在計(jì)算觀光車行駛路徑時(shí)，如果2個(gè)相鄰測量點(diǎn)距離過長，則不能完全反映該路段的坡度細(xì)節(jié)變化，距離過短則容易陷入局部細(xì)節(jié)而忽略整體坡度趨勢。為了解決此問題，本文采用“插值擬合＋中值濾波”方法對圖13中的坡度點(diǎn)云進(jìn)行處理，首先采用“分段三次Hermite插值”法擴(kuò)主坡度數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖14所示，然后采用“滑動(dòng)中值濾波”法對坡度曲線進(jìn)行平滑濾波，減少由于觀光車路線局部微區(qū)不平整和無人機(jī)抖動(dòng)引起坡度異常，如圖15所示。

圖14 采用“分段三次Hermite 插值”法擴(kuò)充坡度數(shù)據(jù)點(diǎn)

圖15 坡度擬合曲線的中值滑動(dòng)濾波效果

●3.3.3 坡長小于20 m的短坡檢測

根據(jù)圖15可以清晰地判斷哪些路段的坡度超過規(guī)定閾值（觀光車10%，觀光列車4%），但在實(shí)際應(yīng)用中并不指示出超標(biāo)坡段是否屬于坡長小于20 m的短坡。本文采用“坡長閾值滑動(dòng)平均法”自動(dòng)計(jì)算坡長是否超標(biāo)，具體方法如下：

1）在平滑濾波后的“坡度－坡長”曲線上按式（3）計(jì)算坡度Grad的滑動(dòng)平均值GradM，滑動(dòng)窗口寬度W對應(yīng)坡長閾值Lth，繪制Ln－GradM曲線。

2）如果GradM均小于坡度閾值Gradth，則該觀光車輛路線滿足要求，如果在坡長Lm處的GradM超出閾值Gradth，則表示路段［Lm－Lth，Lm］處坡度可能超出要求，標(biāo)記出后在三維模型上采用“三角形面積法”或利用全站儀進(jìn)行現(xiàn)場測量確認(rèn)。

圖11中的觀光車輛行駛路線約為35 m，假設(shè)超標(biāo)坡度的最長坡長為2 m（實(shí)際為20 m），對坡度曲線進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，滑動(dòng)平均窗口寬度為20（2 m/0.1 m），對應(yīng)2 m的坡長，結(jié)果如圖16所示，可看出8～10 m和28～30 m兩位置存在坡長超過2 m且坡度超過10%的坡段。

圖16 采用“坡長閾值滑動(dòng)平均法”進(jìn)行超標(biāo)短坡檢測

對圖16中的第1處超標(biāo)坡段進(jìn)行確認(rèn)，在8～10 m坡段的三維模型上進(jìn)行局部三維測量，如圖17所示，可得坡度為10.42%。

圖17 在三維模型上對超標(biāo)短坡進(jìn)行確認(rèn)

4 結(jié)束語

隨著無人機(jī)控制技術(shù)、遙感技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)已成為人們認(rèn)識(shí)世界的有力工具，解決了多個(gè)相關(guān)行業(yè)發(fā)展過程中遇到的傳統(tǒng)難題，取得了顯著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。為了推動(dòng)無人機(jī)從“看、察、巡”向精確測量領(lǐng)域發(fā)展，拓寬無人機(jī)遙感技術(shù)在特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，本文介紹了無人機(jī)傾斜攝影原理和基本流程，對比研究了無人機(jī)傾斜攝影測量方法和傳統(tǒng)方法在旅游觀光車輛路線坡度測量上的應(yīng)用，結(jié)果表明無人機(jī)傾斜攝影具有較高的測量精度和重復(fù)性，能顯著提高工作效率，豐富了檢驗(yàn)檢測技術(shù)手段，在特種設(shè)備測繪、精確測量方面具有廣闊的應(yīng)用前景。