基于三維視覺重構技術的船載土石方體積測量方法

唐印 徐天暢 張偉 雷鵬 李園 常留紅

摘 要：為提高船載石料體積測算的效率，基于無人機三維視覺重構技術的體積測量方法，分別對50米、80米和100米三種飛行高度，采用縱向回字形和橫向回字形兩種拍攝線路拍攝，利用ContextCapture軟件對圖像數據進行特征提取、點云重構、三維模型重構，通過體積換算公式計算得到石料的總體積。結果表明，基于無人機技術的測量方法誤差較小，能滿足工程精度要求，同時具有速度快、效率高、對施工干擾較小等優點。

關鍵詞：體積測量;無人機;三維重構;石料體積;特征匹配

中圖分類號：TP23? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）11-0084-03

1 研究背景

隨著大規模航道建設和護岸工程的實施，大量拋石工程需要用到相當數量的石料，石料交付使用前中需快速對石料的體積進行測量估算，以確定材料成本和拋石方量[1]。由于拋石需求量巨大，且運輸船船體噸位型號不一，傳統的人工測量方法費時費力，效率低下，對施工干擾較大。

為此，基于無人機視覺運動重構技術，通過無人機搭載的攝影平臺，從不同的角度進行數據的采集，快速、高效獲取豐富的數據信息，真實地反映客觀情況，極大提高了測算效率[2]。并研發一套基于無人機視覺重構的船載石方測算系統，對拋石料的體積進行測量估算。與傳統方法相比，基于無人機視覺重構的石方測算方法能夠提高石方驗收的工作效率，有效減少了對施工現場的干擾。

2 無人機技術和三維重構技術

2.1航拍方式

為了解無人機航拍船載堆石方案的可行性，對無人機航拍模式進行研究，包括拍攝航線、飛行高度、拍攝角度。拍攝航線包括縱向拍攝回字形和橫向回字形拍攝，見圖1所示。飛行高度分低（50米）、中（80米）、高（100米）;拍攝方式為單鏡頭垂直拍攝。航拍設備為大疆精靈4 Pro，通過普通數碼相機獲取影像數據大大降低了實際應用成本，而且能獲取清晰的三維邊緣輪廓[4]。

2.2圖像采集

圖像數據采集是對物體進行三維重構的最重要的一步，contextcapture通過上傳的圖像數據進行分析，生成點云需要圖像有適當的重疊度，來精確地還原物體[8]。因此，圖像數據采集的好壞關系到模型的好壞。確定合理的圖像采集方案能夠有效地提高模型質量。

圖像采集時，應該至少從三個不同的視角拍攝需要被重構的物體，相鄰每張圖像的重疊區域通常需要超過2/3。為了獲得最佳重構效果，可采取垂直拍攝與和傾斜拍攝相結合的方式[9]，并提前計劃飛行航線。此次航拍采用垂直拍攝方式，采集了深艙舶現場施工的圖像共計137張，涵蓋50m、80m和100米三個拍攝高度。

2.3數據分析和模型重構

2.3.1相機標定

對三維重構的數據處理的第一步，就是相機標定。廣泛使用的是張正友[12]提出的二維棋盤標定方法，該方法精度高、經濟性好，適用于無人機的相機標定。相機標定目的是了解計算相機的內參數和畸變參數。二維棋盤法將要拍攝的物體和圖像看作處于一個棋盤，在世界坐標中Z=0，以左上角為坐標原點，那么棋盤上的每個點的實際坐標（X，Y，Z）為已知。在圖片的像素坐標中，也是以左上角為坐標原點，棋盤上的每個角點坐標（x，y）也已知。

2.3.2特征點提取與特征匹配

進行圖像數據采集后，通常會有一些無效的無法利用的數據，通常會造成計算機的計算負擔，因此通過特征點提取將包含大量冗余的照片轉換成只包含關鍵信息的特征點。

特征點提取是計算機視覺和圖像處理中的關鍵，提取特征點是將影像上的具有某種性質的點作為共軛實體，通過計算特征點之間的相似程度來識別共軛實體能否進行匹配。因此這些點一般要具有一定的灰度值或同其他點具有一定的位置關系等。特征點可以是物體的圓心、角點、建筑物的邊緣點等[13]。為了有效匹配，這要求我們提取出來的特征點具有較強的適應能力。

特征匹配就是要在兩幅圖像之間建立盡可能多的匹配點對。特征點匹配領域的研究者提出了許多不同的匹配方法，不同的方法有著各自的優點和局限性。特征匹配使用的方法多數為經典的灰度相關性算法、松弛法、極線約束等等。基于特征的匹配方法通過提取圖像的顯著特征，盡可能的壓縮了圖像的信息量，運算量較小，匹配的速度較快，充分利用了圖像之間的相互約束關系，能盡可能多地利用圖像的結構信息，在處理細節較少的景物時比較可靠，特別是在處理影像有不連續、陰影與被遮擋時能達到比較好的效果。

2.3.3 空中三角測量

空中三角測量是以圖片上測量的像點坐標為基礎，采用嚴格的數學模型，根據最小二乘法原理，用少量地面控制點為平差條件，在電子計算機上求解測圖所需控制點的地面坐標。空中三角測量時雙像解析攝影測量的擴展，后者以一個相對坐標為計算范圍，根據兩張圖片的內在幾何關系，用一定數量的控制點求解待定點的地面坐標，空三是將計算范圍擴大到一條航線或多條航線，可根據少量的控制點進行加密計算，求得加密點的高程和平面位置。

在ContextCapture軟件中導入137張航拍照片，進行空中三角測量，空中三角測量見圖2，經計算得到的結果見圖3。

2.3.4三維點云及點云構網

點云三維顯示技術一般有兩個部分，點云表面重建和點云重投影。三維重構的第一步是得到視差圖，再根據視差圖計算出點云圖的三維信息，即為三維點云重投影的過程。三維信息數據只是空間中離散的點，并不能描述現實場景中各個物體之間的相互關系、相互位置，因此需要進行三維表面重構，就是為了區分環境中的物體并將離散點云集合重構到物體表面。重建的過程步驟如下。

空間三角測量完成之后，進行圖像重建，獲取其三維點云，重構結果見圖5所示。其中，圖5（a）為無貼圖點云圖像，圖5中（b）為有貼圖點云圖像。紋理是識別的重要因素之一，可根據它判斷物體的細節。

2.3.5航拍圖像重構結果

在點云網格基礎上，還可以進一步獲取船體的三維重構圖像，以獲得高度真實感的模型，重構結果見圖6所示。

3 土石方的測算

根據體積測量原理（見圖7），重構圖像無法直接獲取船艙內部拋石料的體積，只能獲取拋石料表面到船艙上表面之間的體積，然后再根據船艙尺寸進行體積換算，即拋石料總體積等于船艙總體積減去填方體積，再加上挖方體積。

根據圖7的計算示意圖，得到拋石料體積計算公式：

（1）

根據重構得到的三維視圖，選擇深艙駁貨倉頂部的四個角點，程序能自動計算得到填方體積V1=1045.90m3和挖方體積V2=6.61m3，見圖8。

根據船艙體型參數（長41.6m，寬10.7m，深6.13m），計算得到船艙總體積V0=2728.59m3。將V0、V1、V2代入公式（1），得到拋石料總體積為1689.30 m3。根據現場實測結果，拋石料總體積約為1600 m3。計算結果表明，航拍測算結果與現場測量結果非常接近，誤差為5.6%，可見，現有航拍平臺和分析方法的測算精度較高，能滿足實際使用要求。

4 結論

針對航道整治中的拋石料體積測算需求，提出了一種通過無人機航拍方式快速獲取石料體積的方法，提高了測量效率，減少對施工現場的干擾。得到如下結論：

（1）在航線提前規劃的前提下，無人機航拍速度較快，對施工現場干擾較小，能節省人力，提高了測量的效率;

（2）從航線策劃、圖像采集、生成點云、三維重構等方面可以看出，實施效果滿足工程的實際需求，在重構模型的過程中，由于自動化程度高，大大提高了三維重構的速度，能提高土石方驗收的效率;

（3）測算結果與實測結果對比，該方法測算誤差約5%，總體誤差較小，現有航拍平臺能滿足工程精度要求。

參考文獻：

[1]孫可朝. 蕪申線高淳段航道整治工程經濟性研究[D]，武漢理工大學，2010.

[2]楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術應用及展望[J].測繪與空間地理信息，2016，39（01）：13-15+18.

[3]高尚. 基于無人機的小流域地形提取技術[D]. 華北水利水電大學，2017

[4]李暢，李熙，朱愛琴，李奇.城市建筑物框架輪廓三維自動重構研究[J].計算機工程與應用，2011，47（08）：4-6+10.

[5]謝榛. 基于無人機航拍圖像的室外場景三維重建技術研究[D]，浙江工業大學，2014.

[6]李鮮. 無人機三維立體重構與物體識別系統研究與實現[D]，湖南大學，2017

[7]鄭盼. 基于Smart3D軟件的無人機傾斜攝影三維建模及精度評價[D]，成都理工大學，2018

[8]王文敏，王曉東.基于ContextCapture Center平臺的城市級實景三維建模技術研究[J].測繪通報，2019（S1）：126-128+132.

[9]周杰.基于傾斜攝影測量技術構建實景三維模型的方法研究[J].價值工程，2016，35（25）：232-236.

[10]畢凱，趙俊霞，丁曉波，劉飛.傾斜航空攝影技術設計與成果質量檢驗[J].測繪通報，2017（04）：71-76.

[11] 馬如進，董一慶，潘子超，潘玥.基于消費級無人機的古橋三維重構分析[J].華南理工大學學報（自然科學版），2019，47（6）：94-100+126.

[12] ZHANG Z Y.A flexible new technique for camera calibration [J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22（11）：1330-1334.

[13] 高尚.基于無人機的小流域地形提取技術[D]，華北水利水電大學，2017.