基于無人機攝影測量的橋梁實景三維重建

陳正飛

摘 要：【目的】隨著三維建模技術的發(fā)展，建筑信息模型已成為工程分析和信息化管理的基礎。對實際工程中缺失設計資料的老舊橋梁進行智能化檢測和可視化管理及維護具有重要意義?！痉椒ā酷槍吓f橋梁結構，提出基于無人機攝影測量的三維形態(tài)測量法，利用搭載單目相機的無人機來采集綦江城北大橋和內(nèi)江沱江四美大橋的引橋部分影像，利用Smart3D軟件來重建橋梁結構的實景三維模型，測量其具體尺寸，并與設計圖紙進行對比分析?！窘Y果】仿真結果證明了該方法的可行性，獲取到的橋梁三維實景模型紋理清晰、尺寸數(shù)據(jù)精度較高?！窘Y論】了解橋梁結構的狀況及獲取尺度數(shù)據(jù)，為后續(xù)BIM重建提供數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：攝影測量；無人機；橋梁實景重建；Smart3D

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0015-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.003

3D Reconstruction of Bridge Real Scene Based on

UAV Photogrammetry

CHEN Zhengfei

（School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract：[Purposes] With the development of 3D modeling technology， building information model has become the basis of engineering analysis and information management. It is of great significance to carry out intelligent detection， visual management and maintenance of old bridges lacking design data in practical projects. [Methods] Aiming at the old bridge structure， a three-dimensional shape measurement method based on UAV photogrammetry was proposed. The UAV equipped with monocular camera was used to collect some images of the approach bridge of Qijiang Chengbei Bridge and Neijiang Tuojiang Simei Bridge. The Smart3 D software was used to reconstruct the real three-dimensional model of the bridge structure， measure its specific size， and compare it with the design drawings. [Findings] The simulation results prove the feasibility of the method， and the obtained three-dimensional real bridge model has clear texture and high accuracy of size data. [Conclusions] It can understand the status of the bridge structure and obtain the scale data， and provide data support for the subsequent BIM reconstruction.

Keywords： photogrammetry; UAV; bridge reality reconstruction; Smart3D

0 引言

中國是橋梁建造大國，截至2021年末，全國公路橋梁保有量為96.11萬座。在實際工程中，存在部分老舊橋梁設計施工資料不完整的情況。檢測、監(jiān)測并評估這些橋梁的實時結構狀態(tài)是目前迫切要解決的問題。因此，在橋梁建設運營及可視化維護管理工作中，基于橋梁結構形態(tài)及尺度信息需求，建立包含尺度及外觀信息在內(nèi)的橋梁三維實景模型具有重要的應用價值。

通過對橋梁進行無人機攝影測量及實景三維重建，可獲得橋梁的形態(tài)、尺寸及表面紋理信息。相較于傳統(tǒng)建模法，基于無人機攝影測量法能克服可能存在的圖紙缺失問題，且能減少人工紋理映射的工作量［1］。無人機攝影測量技術具有快速、真實的優(yōu)勢，可為橋梁智能檢測機器人提供導航和路徑規(guī)劃，為后期橋梁信息化管理和BIM重建提供技術與數(shù)據(jù)支持。

本研究利用搭載單目光學相機的行業(yè)級無人機對綦江城北大橋和內(nèi)江沱江四美大橋引橋部分進行影像采集，在此基礎上進行三維實景重建，重點探究攝影測量技術的飛行計劃、影像采集、產(chǎn)品生成等關鍵流程，為橋梁三維實景建模提供參考。

1 橋梁實景三維重建

1.1 無人機攝影測量

隨著計算機視覺、數(shù)字圖像處理、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，攝影測量技術也發(fā)展到數(shù)字攝影測量階段。得益于無人機技術和影像技術的飛速進步，無人機攝影測量也應運而生，對大規(guī)模地物的攝影測量往往會借助無人機。根據(jù)無人機活動范圍廣的特點，在飛行平臺上掛載云臺攝像模組及姿態(tài)傳感器，使其穿梭于復雜空間，可對測區(qū)進行全方位的影像采集［2］。利用無人機的定位系統(tǒng)（GPS/RTK GNSS等）可精準定位影像中心，通過空三加密、影像匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型構建、紋理映射等步驟來獲取被測對象整個外部表面的空間位置數(shù)據(jù)，得到具有尺度信息的三維模型。影像中包含被測物體的外部紋理，建模軟件可自動將其映射到基礎模型上，建立符合人眼直觀視覺的三維實景模型。

1.2 橋梁實景三維重建

橋梁是一種結構形式較為特殊的工程結構，與常規(guī)建筑物不同的是，在呈現(xiàn)形式上橋梁結構一般為線狀，且橋梁結構上部與下部的形式多種多樣，在攝影測量表達上比一般建筑（如樓宇）的難度要更大。想要重建影像間的幾何關系，就要保證影像有足夠的重疊度［3］。因此，對橋梁的攝影測量要確保航線的良好規(guī)劃，從而保證三維模型測量的完整性。橋梁的攝影測量技術流程如下。

1.2.1 傾斜攝影的影像采集。對梁拱體系橋梁而言，橋梁是由橋面系和下部構造組成的，對橋面鋪裝、伸縮縫、護欄及路燈等附屬設施所在的橋面系部分，可采用五視角傾斜攝影法來采集影像［4］，傾斜攝影對橋面系有較好的表達，五視角包括前視、后視、左視、右視、下視。在使用五鏡頭傾斜攝影相機時，只需一組航線即可完成任務，而單鏡頭無人機要用五組不同航線才能完成此任務。在無人機航線規(guī)劃軟件內(nèi)設置待測區(qū)域及像片航向、旁向重疊度、相機俯仰角等數(shù)據(jù)，軟件會自動生成航線，并上傳到無人機，由無人機執(zhí)行任務。

1.2.2 貼近攝影的影像采集。由于部分橋梁的高低落差較大，常規(guī)傾斜攝影無法統(tǒng)一重疊度和分辨率，橋梁下部結構高程較低的區(qū)域存在重疊度高、分辨率低的現(xiàn)象，高程較高的區(qū)域存在重疊度低、分辨率高的現(xiàn)象，導致數(shù)據(jù)處理的空三分層或建模后的效果差。因此，單一航高無法滿足建模要求。而無人機可結合貼近攝影測量，采取立面分層飛行法對橋梁進行影像采集［5-6］，能提升橋梁下部結構的整體分辨率［7］。

1.2.3 影像三維重建。使用Bentley公司研發(fā)的Context Capture（Smart3D）軟件和Agisoft公司研發(fā)的Metashape軟件進行三維重建，二者在空中三角測量和建模質量上各有優(yōu)劣。Metashape軟件的空三計算能力優(yōu)秀且影像畸變糾正能力較強，Context Capture軟件在生產(chǎn)模型質量方面具有優(yōu)勢［8］。三維重建時要精確計算出所采集圖像的外方位元素（即定向參數(shù)）［9］。對像片進行空中三角測量（也稱對齊照片），在Metashape中對空中三角測量的精度及提取關鍵點的數(shù)量進行設置，Metashape對較復雜的場景有較好的空中三角測量效果。因此，需要采用Metashape軟件的照片對齊功能對空中三角測量部分進行處理。

在將照片對齊后，按工作流程建立密集點云，構建稠密的三維點云信息，為三維模型生產(chǎn)做好準備。分布均勻、誤匹配少、精度高的影像匹配是影像高精度自動定向的重要保障［10］。在Metashape中生成交換數(shù)據(jù)，將空中三角測量結果導入到Context Capture軟件中來構建模型，如圖1所示。

在無人機影像采集外業(yè)工作結束后，對獲取到的影像數(shù)據(jù)進行處理，得到橋梁實景三維模型。整個橋梁實景三維重建的技術流程如圖2所示。

2 試驗項目

2.1 無人機平臺配置

采用大疆科技生產(chǎn)的御Mavic 2行業(yè)進階版執(zhí)行飛行任務，搭載紅外與光學雙相機，無人機平臺配置具體參數(shù)見表1。

2.2 綦江城北大橋

本研究以綦江城北大橋為試驗對象，該橋位于綦江區(qū)沙溪路與G210國道的交匯處，經(jīng)緯坐標為東經(jīng)106.631 1°、北緯29.030 3°。橋梁使用的是鋼筋混凝土，全長約為130 m，本次共完成5 713 m2區(qū)域的航空影像數(shù)據(jù)采集。無人機平臺分別從5個方向來采集橋梁影像數(shù)據(jù)，飛機軌跡達4.66 km，傾斜攝影采集航點如圖3所示。

在建模過程中，為保證拱圈底部能與水面正確分離，在布設航線時，應規(guī)劃一組自動航線或采用手動飛行的拍攝方式，以低于拱圈高度來對橋梁進行貼近攝影測量。結合貼近攝影測量，可對物體進行很好的影像覆蓋，從而使模型效果更精細、真實。為滿足像片間的重疊率要求，采集航點如圖4所示。

最終采集到514張可用于三維重建的像片。其中，傾斜攝影像片452張，貼近攝影測量像片62張。模型投影采用的是WGS84坐標系，通過空三加密、影像匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型構建與紋理映射等步驟可建立清晰完整的橋梁三維實景模型，如圖5所示。

2.3 內(nèi)江沱江四美大橋

內(nèi)江沱江四美大橋位于四川省內(nèi)江市市中區(qū)G321國道與沱江交匯處，主橋為上承式混凝土拱橋。選取其三跨簡支梁引橋為采集對象，全長為60 m、地面覆蓋范圍為40 927.76 m2，本次共采集到378張可用于三維重建的像片。橋梁實景模型如圖6所示。

空中三角測量精度是影響模型質量較為關鍵的因素。空中三角測量后會生成連接點，連接點的質量越高，加密后三維模型的精度也越高［11］。解算出的連接點精度見表2。

對選取的四美大橋7組橋梁結構實景模型中測量得到的特征長度與已有的橋梁設計圖紙、已知的特征距離進行對比，即對引橋梁高、墩柱中心線距離、橋面寬度、橋墩水位標高線、引橋長度、人行道寬及墩柱直徑進行對比，結果及精度統(tǒng)計見表3。

研究表明，通過攝影測量重建獲得的三維實景模型紋理清晰，且與實際結構的尺寸誤差不超過1%，可滿足工程要求。在缺少老舊橋梁設計資料的情況下，構建基于無人機攝影測量的橋梁實景三維模型，為了解橋梁狀況及后續(xù)BIM重建、開展可視化管理提供數(shù)據(jù)支持。

3 結語

本研究采用基于無人機攝影測量的技術，通過分析橋梁實景三維重建的關鍵技術及難點所在，并在綦江城北大橋和內(nèi)江沱江四美大橋上進行驗證，利用Metashape和Smart3D平臺來重建橋梁實景三維模型。結果表明，實景三維模型具有良好的分辨率和紋理細節(jié)，地理位置信息準確，尺寸數(shù)據(jù)具有較好的精度。相較于傳統(tǒng)的橋梁測量及建模方法，該方法具有建模速度快、模型真實程度高等優(yōu)點。但不可忽視的是，由于無法全方位采集橋梁的各處細節(jié)，模型局部仍不可避免地出現(xiàn)一些拉花、空洞現(xiàn)象。采集的影像數(shù)據(jù)因必須存在足夠的重疊度用來計算連接點，存在著大量的數(shù)據(jù)冗余，導致計算機處理壓力增加。因此，通過無人機對橋梁等特殊構筑物的數(shù)據(jù)采集路徑優(yōu)化還需進一步研究。

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