基于無人機傾斜攝影的橋梁實景三維建模應(yīng)用*

趙珂劼,田 筱,周 游,張 西,池恩安,雷 振

(1.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑設(shè)備學(xué)院,貴州 貴陽 551400; 2.貴州航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空裝備學(xué)院,貴州 貴陽 550009; 3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

無人機定位技術(shù)迅猛發(fā)展和傾斜攝影測量技術(shù)的大力推進,使得通過無人機拍攝調(diào)查區(qū)域的照片獲取目標地物的高分辨率全要素信息技術(shù)可以實現(xiàn),各技術(shù)相互結(jié)合將現(xiàn)實場景重建為真實的三維模型也成為可能。近幾年來,城市規(guī)劃、水利、測繪等行業(yè)均已引用該技術(shù)[1-3],并取得一定成效。耿小平等[4]研究了在水利橋梁工程中,將無人機傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于水上橋梁工程的觀察測量等,結(jié)合并提出新的一套完整施工方法;吳楠等[3]在地質(zhì)災(zāi)害的安全檢查方向上進行研究,提出適用于地質(zhì)災(zāi)害安全檢查的無人機作業(yè)及計算方案,并加以工程應(yīng)用。王暉等[5]提出了無人機空間數(shù)據(jù)采集作業(yè)在水運工程中的施工方法,首次將無人機傾斜攝影技術(shù)在水運工程進行應(yīng)用,研究表明該方法采集到的數(shù)據(jù)準確可靠;計算機運算速度加快、可視化能力增強及無人機設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,使無人機傾斜攝影及三維模型仿真技術(shù)在各行各業(yè)可發(fā)揮的作用也越來越大。

由于山間橋梁施工的大規(guī)模性和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點,其存在許多高空作業(yè)和其他危險操作。受地形和天氣影響,橋體樁基、承臺側(cè)面和其他地區(qū)存在很多盲點[6]。傳統(tǒng)空中拍攝圖像無法顯示觀察物所有方位信息,尤其是觀察物側(cè)面信息很難在傳統(tǒng)空中拍攝方式中得以體現(xiàn),相當(dāng)大一部分基于三維空間的測繪工作無法順利開展,并且局限性很大。因此,如何快速、高效、精準地在橋梁施工現(xiàn)場收集并加工全方位地理信息,方便、高精度地生成三維立體模型是構(gòu)建智慧橋梁中亟待解決的重要課題。

因此,本文提出了一種利用無人機傾斜測量技術(shù)結(jié)合三維實景模型的建立支持橋梁建設(shè)現(xiàn)場管理的方法。本文以峰林特大橋項目建設(shè)現(xiàn)場為背景進行研究應(yīng)用,通過使用無人機設(shè)備作為載體采集數(shù)據(jù),以傾斜攝影技術(shù)為基礎(chǔ)對采集數(shù)據(jù)進行分析,應(yīng)用ContextCapture等對收集到的各種地面圖像進行三維復(fù)原,在滿足施工現(xiàn)場信息管理需要的基礎(chǔ)信息收集標準化過程中進行現(xiàn)場管理。研究結(jié)果表明,無人機測量及實景仿真技術(shù)可全方位展現(xiàn)現(xiàn)場管理區(qū)域,大大減少了現(xiàn)場管理盲區(qū),幫助管理人員更全面了解現(xiàn)場實景信息,三維實景模型的建立更是提升了工程現(xiàn)場可視性,對山間橋梁等工程的信息采集及施工具有深遠意義。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)

1.1 特點與優(yōu)勢

1臺垂直4個傾斜角度的多角度高清攝像機是無人機傾斜攝影測量的根基,使全方位收集影像數(shù)據(jù)成為可能,而且還可從多個角度觀察到目標并于此過程中與其搭載的無人機平臺綜合定位系統(tǒng)對無人機此時位置信息進行分析,與此同時進行拍攝采集高分辨率、超高精準度數(shù)據(jù)[7]。本次飛行工作可人工通過無線遙控裝置進行操作,一定程度上杜絕了飛行人員自身安全。并且在飛行操作上實現(xiàn)了超低空飛行,保證了對目標觀察物的充分觀察和拍攝,提高了測量精度,對工程項目局部小范圍的仿真、測繪有一定補充作用。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.2.1測繪內(nèi)容及方法

首先對作業(yè)現(xiàn)場地形地貌進行了解、探查后,使用無人機航拍采集數(shù)據(jù),外業(yè)飛行作業(yè)連續(xù)30d,根據(jù)對內(nèi)業(yè)航測得到的數(shù)據(jù)進行分析后,通過ContextCapture軟件建立三維模型,工作流程如圖1所示。

圖1 無人機工作流程

1.2.2三維表面重建

通過多視角影像匹配技術(shù)可由采集到的地理信息生成密集特征點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng),然后生成三維表面模型且該模型具有分辨率高、仿真程度好等優(yōu)點。經(jīng)過超密度點云三角網(wǎng)重構(gòu)得到點云效果(見圖2)。由信息數(shù)據(jù)點云到實際地表地物的結(jié)構(gòu),即為三維表面重建技術(shù)的表達。

圖2 點云效果

1.2.3三維紋理自動映射

通過三角網(wǎng)構(gòu)后得到高精度表面三維白模,選擇各自紋理匹配圖像,自動對應(yīng)提取計算形成三維模型紋理。該過程簡單易懂,在操作人員未學(xué)過相關(guān)知識情況下也可進行實際物體影像識別和再現(xiàn)操作。三維紋理自動映射向用戶提供了高保真度實際三維模型基本數(shù)據(jù),包括以下步驟。

1)模型面紋理自動選取 針對某一基礎(chǔ)模型面a,首先計算其角點物方坐標,然后依次判斷是否與計算得出的物方坐標有交集,并利用共線方程計算模型面在每張影像上的投影點坐標對傾斜影像定向定位計算。

2)選擇影像及編輯 選擇影像質(zhì)量最好、投影面最清晰的影像集作后續(xù)編輯操作。

3)計算紋理坐標與自動映射 ①對選擇的影像進行紋理區(qū)域識別并裁剪;②對紋理坐標分析計算;③自動映射到模型面a。

2 施工現(xiàn)場傾斜攝影測量

2.1 現(xiàn)場與作業(yè)工程概況

試驗樣區(qū)選取峰林特大橋項目區(qū),整個項目區(qū)80%區(qū)域位于興義萬峰林機場附近,興義市地形復(fù)雜、地勢陡峭,多為喀斯特地貌,喀斯特地貌約占土地面積的72%。興義市地勢西北高、東南低。水文、土壤、植被具有復(fù)雜性,內(nèi)部差異明顯。

項目區(qū)有部分測區(qū)與興義機場民航客機起降低空航路重合,在不影響航班正常起降的前提下開展實施無人機傾斜攝影航拍難度極大。需與空管站、監(jiān)管局、運維指揮中心等機場相關(guān)職能部門協(xié)調(diào)優(yōu)化無人機傾斜攝影航拍方案(見圖3)。

圖3 無人機航攝目標區(qū)域范圍

1)作業(yè)軟件 ①ContextCapture Center、無人機自動航測功能的三維建模軟件pix4dmapper、全景照片拼接程序軟件PTgui、photoshop等圖像、數(shù)據(jù)處理軟件;②無人機地面站軟件;③接收機相應(yīng)的商用數(shù)據(jù)處理軟件GNSS。

2)作業(yè)硬件 ①1臺固定翼無人機、1臺INSPIRE2多旋翼無人機、1臺PHANTOM多旋翼無人機、無人機操控設(shè)備等;②無人機裝載的傾斜相機(鏡頭傾斜相機或鏡頭等);③10臺高、中檔計算機及圖形工作站等。

鑒于測區(qū)區(qū)域復(fù)雜環(huán)境及大高差的構(gòu)成,通過測量所得航攝經(jīng)過區(qū)域的樓高,由航攝區(qū)域現(xiàn)場情況及對地面分辨率進行分析計算,綜合考量確定航高。

在無人機進行航攝過程中,無人機搭載的相機正射地面時,其相對航高最高≤372m。此外,無人機搭載相機為全方位采集數(shù)據(jù),左側(cè)相機38°左傾,右側(cè)相機25°后傾,為滿足地面分辨率優(yōu)于8cm,故飛機飛行高度≤293.1m。

2.2 航攝作業(yè)制定及質(zhì)量要求

2.2.1航線設(shè)定

航線制定首先要確定攝像區(qū)域走向,沿攝像區(qū)域走向進行直線敷設(shè),且是與攝像區(qū)域邊界線相互平行的首末航線,這樣才能保障有效影像的成功獲取,確認其測試鏡頭是否能獲取測區(qū)影像。當(dāng)采取雙鏡頭布設(shè)航線,不僅需在東西向航線布設(shè),還要往返航行,從而確保多個角度獲得傾斜攝影影像。

2.2.2飛行質(zhì)量

為保證無人機飛行質(zhì)量,航向覆蓋以超過原定攝像區(qū)域3～5條基準線區(qū)域為準,計算如下:

L1≥H(2tanα+tanθ)

(1)

L2≥H(2tanθ+tanα)

(2)

式中:L1為攝影進點與攝區(qū)邊界距離;L2為攝影出點與攝像區(qū)域邊界距離;α為前視角;θ為后視角;H為作業(yè)航高。

設(shè)置相片航向重疊度為75%(±5%)、旁向重疊度為65%(±15%)。若在航拍過程中發(fā)現(xiàn)有漏拍錯誤,且該錯誤或漏洞難以彌補時便需進行補攝。而對航攝進行補攝時要注意:①應(yīng)采用前一次航攝像機進行接下來的補攝操作;②補攝航線需大于原來航線覆蓋區(qū)域,以原航線首末兩端外2～3條基線為基準。

依照行業(yè)標準設(shè)定飛行作業(yè)航高后,實際操作作業(yè)中的航高與設(shè)定航高不應(yīng)有較大差異,差值控制在50m以內(nèi)。相同航線相鄰相片航高差值≤30m,所有航線最大航高差≤50m。

2.2.3影像質(zhì)量

無人機工作時,對天氣情況有一定要求,要保證無人機工作期間周圍光照充足,拍攝圖像與獲取信息時,太陽高度角要>45°,拍攝時間2.5h(±1.5h)為最佳。

影像清晰度是決定影像品質(zhì)的主要要素之一,保證色彩飽和度要高, 色調(diào)統(tǒng)一、一致,拍攝地物有較豐富層次,方可對一些細小地物影像進行分辨和識別,建立更清晰的三維實景模型。無人機采集到的圖像不應(yīng)存在大面積云、煙、反光等。因為這些大面積缺陷掩蓋會影響三維影像模型連接和建立,降低三維模型精度。

2.2.4無人機飛行人員安排

飛行作業(yè)人員安排如下:固定翼組共設(shè)1組,每組2人,共2人;多旋翼組共設(shè)2組,每個多旋翼組下設(shè)2人,合計4人;全職內(nèi)業(yè)人員4人,總計飛行作業(yè)參與人員10人。

飛行人員參與設(shè)置航線、飛行狀態(tài)監(jiān)控、采集復(fù)雜地理信息、確保飛行安全和飛行質(zhì)量等工作,確保在不影響工程正常施工的前提下完成無人機飛行作業(yè)。

2.2.5作業(yè)結(jié)束

在飛行作業(yè)順利實施后,在現(xiàn)場對采集數(shù)據(jù)進行檢核,向相關(guān)專業(yè)人員確認是否需進行補攝工作,對于質(zhì)量不滿足要求(如有云、煙、反光)的區(qū)域還需補攝。待完全滿足要求后方可結(jié)束作業(yè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與計算

2.3.1航測后數(shù)據(jù)處理

運用ContextCapture軟件實現(xiàn)本次航測的后期數(shù)據(jù)處理,空中三角測量釆用 ContextCapture Center軟件進行2步操作:①模型相對定向作業(yè)。初步建成可在空間尺度上進行一定自由變形的仿真立體模型。②模型絕對定向完成。利用內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺過后的外業(yè)測定控制點成果進行約束平差解算,并將局域網(wǎng)與精確的大地坐標相融合。

2.3.2空間三角測量計算

在空中三角測量計算前,先對原始拍攝影像進行預(yù)處理。預(yù)處理的目的是去除小面積雜物,提升原片色彩及亮度,調(diào)整原片對比度使目標地物層次更清晰,且不失真。

空中三角測量由于攝景傾角大,景像變形嚴重;分辨率變化大,尺度無法統(tǒng)一;重疊數(shù)多,需多視處理等特點,使其空中三角測量有異于常規(guī)數(shù)碼航空攝影測量中的空中三角測量。常規(guī)空三加密軟件一般均不能實施,需多視角航空攝影測量空中三角測量專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理。其中,ContextCapture Center建模精度較高并可自動選擇不同視角下的最優(yōu)像對模型,因此,采用ContextCapture Center進行空三建模。建模流程如圖4所示。

圖4 ContextCapture Center空三建模流程

2.3.3三維重建計算

采用多機多節(jié)點并行運算的ContextCapture Center軟件進行全自動三維建模, 將空間三角計算后的數(shù)據(jù)提交軟件,生成三維TIN格網(wǎng)、三維模型白模、自動紋理映射和最終的三維模型(見圖5)。

圖5 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理

通過無人機傾斜攝影3D實景仿真技術(shù)生成的三維模型,應(yīng)是地形或建筑等實體模型表現(xiàn)體,可展現(xiàn)目標物完整、準確位置,且要與獲取的航空影像表現(xiàn)一致。

2.4 模型精度評定

利用內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺過后的外業(yè)測定控制點成果進行約束平差解算,并將局域網(wǎng)與大地坐標相融合(見圖6),完成絕對定向?？杖用芙Y(jié)束后應(yīng)及時查看精度報告以符合基本精度要求。

圖6 2D關(guān)鍵點匹配

3 無人機3D實景仿真技術(shù)應(yīng)用

無人機3D實景仿真技術(shù)在山間橋梁工程的應(yīng)用,可快速、高效地獲取背景施工項目全方位信息,進而生成高仿真程度3D實景模型,有效還原現(xiàn)場復(fù)雜施工環(huán)境,監(jiān)控現(xiàn)場施工動態(tài),為現(xiàn)場施工人員、設(shè)備等提供實施的狀態(tài)反饋[8-12]。

基于建立好的實景模型,施工測量人員可在模型上進行不同方案工程量測量,為臨建或開挖方案選擇提供依據(jù),解決因測量工作時間緊、任務(wù)重,不可避免地存在定位難、丈量難、記錄難和分析難的問題及工程量核算不精準的問題。例如,對三維模型中橋墩長度測量,選取橋段首末端點,單擊距離,整個橋墩長度數(shù)據(jù)及首末端點坐標均可得到(見圖7);對于還未開挖山體,選擇將要開挖曲面、切割方式,再單擊體積即可粗略得到即將開挖土方量(見圖8),為工程量核算提供初步、有效手段。

圖7 圖上距離測量

圖8 圖上方量測量

將無人機3D實景仿真技術(shù)應(yīng)用于山間橋梁施工現(xiàn)場,在以下幾個方面取得一定成效。

1)三維模型建立使現(xiàn)場信息可視化程度大大提高,管理人員對現(xiàn)場施工的指導(dǎo)及監(jiān)察更加方便。

2)方便、快捷地展現(xiàn)了山間橋梁施工高空、露天作業(yè)時,一些難以人工到達的部位工情信息,同時為現(xiàn)場工作人員安全及施工進度提供高效管理。

3)3D實景仿真技術(shù)生成的三維模型基于高精度特點,可支持模型上三維空間數(shù)據(jù)量測,更加便利地獲取現(xiàn)場信息數(shù)據(jù),對施工現(xiàn)場點、線、面、體均有大致了解,為現(xiàn)場測繪人員提供工程制圖。

4)基于無人機3D實景仿真技術(shù)得到的模型比BIM技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用更經(jīng)濟實惠。并可提供同樣豐富的現(xiàn)場周邊地貌、人文、交通等信息,方便管理人員進行資源管理及調(diào)配,制定針對項目特定的項目方案及計劃。

4 結(jié)語

1)以峰林特大橋為例,探索了無人機測量3D實景仿真技術(shù)應(yīng)用于山間橋梁工程現(xiàn)場管理中的數(shù)據(jù)采集及建模方法,并對其中關(guān)鍵技術(shù)進行研究,提出了施工現(xiàn)場無人機測量及三維建模工作流程和標準技術(shù)方案。

2)工程實例應(yīng)用表明,無人機3D實景仿真技術(shù)在山間橋梁施工現(xiàn)場中的應(yīng)用可行度高,相對于BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用更經(jīng)濟實惠。