利用傾斜攝影測量快速構建橋梁三維模型

何 必，耿傳芝，范玉紅

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

橋梁是最重要的交通基礎設施之一，它不僅承擔著傳統的渡河工程功能，在現代公路、鐵路等基礎設施中，高架式橋梁結構也是其重要的主體構成部分。橋梁的施工和運營階段管理的科學性和有效性是發揮橋梁功能，保障交通暢通的重要基礎。隨著計算機硬件功能的飛越式發展，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實需求和可行途徑，因此，橋梁的三維數字化建模便成為一項重要的基礎工作。傳統的橋梁三維建模大多是基于橋梁的CAD設計圖紙，運用3DMAX等三維建模工作進行人工建模，這種方式借助于3DMAX等軟件的功能具有較好的美觀性，但是由于其所有數據都是根據圖紙獲得，因此完全與工程實際脫離，在真實性上具有天然的缺失，同時模型不具備空間地理屬性，無法實現后期的空間操作等功能。傾斜攝影測量是直接在橋梁實地現場進行測量，再經過后期內業處理獲得橋梁的三維模型，其具有真實、空間地理信息豐富的優勢，能夠滿足后期對橋梁實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，它與傳統的正射攝影測量的區別在于它使用多個攝像頭對被測區域進行拍照，由于其部分鏡頭設置為非垂直地面的傾斜角度，因此能夠拍攝到被測區域的立面信息，從而能夠獲取被測對象整個外部表面的空間位置數據，進而建立被測對象的三維模型，大大改進了傳統的正射攝影測量只能獲得被測對象頂部信息的不足。利用傾斜攝影測量建立地物三維模型的技術流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量三維建模技術流程

2 外業工作

外業工作是傾斜攝影測量獲取被測對象照片以及必要的地面控制點坐標的工作。當前用于傾斜攝影測量外業航測的飛行載具一般使用多旋翼無人機。在本文的研究過程中，選用了大疆精靈4多旋翼無人機作為外業航測的飛行載具，大疆精靈4多旋翼無人機自帶云臺和攝像頭，能夠滿足外業航測的需求。根據本文建模的橋梁實際情況，在飛控軟件中設定無人機的飛行參數見表1。

表1 外業飛行參數設置

根據設置好的飛行參數，飛控軟件自動劃定飛行航線如圖2所示。

圖2 飛行航線圖

飛行參數和飛行航線設置完畢后，將飛行任務上傳至無人機，開始外業航測，共用時1小時22min完成單次外業航測任務，獲取相片共計310張。

地面控制點是指在測區選定一定數量的點，通過精確測量其在國家標準坐標系中的坐標，從而以這些控制點為基準，計算出測區中其它各點在國家標準坐標系中的坐標，賦予橋梁模型標準坐標，增強橋梁模型的通用性。本次研究在測區選定橋梁施工時的基礎控制點三個，此三個地面控制點具有西安1980坐標系中的標準坐標，從而可為橋梁模型的坐標換算提供基礎。其點位分布如圖3所示。

圖3 地面控制點分布圖

3 內業工作

內業工作主要包括空三運算和三維模型生成。本文的空三運算和三維模型生成均使用ContextCapture軟件。空三運算是對較少的野外控制點進行加密的過程，繼而生成點云以自動形成后期的三維模型。首先將原始數據，即外業獲取的照片以及記錄無人機位置信息的POS數據導入到ContextCapture軟件中，經過相片對齊處理，空三運算，點云提取等過程，軟件自動生成最終的三維模型。內業的空三運算以及三維模型生成因為涉及到大量的運算，因此計算機自動運算和處理的過程一般耗時較長，本文所生成的模型處理過程耗時12h。

4 三維模型成果

針對本次所建模的橋梁，為體現施工不同階段的對比效果，在三個施工階段分別進行了傾斜攝影測量和三維建模工作，得到了三個階段的現場三維模型，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，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行包括距離、面積、體積等各種基于空間位置信息的結果查詢，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 結語

無人機傾斜攝影測量以其作業速度快，外業工作強度小的特點在測繪行業越來越受到重視，針對基建領域對于橋梁三維建模的需求，將無人機傾斜攝影測量技術引入，能夠快速完成建模任務，所建立的三維模型同時還具有完整的空間位置數據信息，能夠做為BIM或GIS的數據源，進而利用BIM或GIS對橋梁進行進一步的信息化管理，是交通土建工程信息化管理工作的良好技術路線。在未來的發展中，如何克服小型無人機受風速、降雨、超高建筑、大氣可見度等環境因素的影響，擴大無人機傾斜攝影測量的可用范圍，是值得進一步研究的空間。