無人機傾斜攝影結合BIM技術在公路設計中的應用

徐海楠

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

當前傾斜攝影技術與BIM技術已廣泛應用于我國工程領域中，其與傳統勘察設計技術相比較有著三維可視化、參數化等特點，將其應用在公路設計中能夠有效提高其數據的準確性，且可快速對數據進行分析，為此對傾斜攝影技術與BIM技術在公路設計中的應用展開了研究和探討。

1 傾斜攝影測量建模關鍵技術

1.1 影像匹配

與傳統的正攝圖形相比，傾斜攝影有著從多個角度獲得圖像的優點，并豐富圖像冗余信息。它可以使用冗余信息來糾正多視圖圖像中的錯誤匹配[1]。必須使用多個匹配基元來確保圖像匹配的準確性。由于基于特征的圖像匹配具有強大適應性和高匹配精度的特性，因此選擇了特征匹配算法。

1.2 多視影像聯合平差

多視圖圖像聯合調整基于多視圖幾何原理，并結合在飛行平臺上獲得的POS外部定向元素。首先利用圖像匹配方法獲得多視點圖像的精確外方位元素，利用特征匹配算法得到圖像特征匹配結果。然后，建立包括圖像控制點和POS數據在內的誤差方程，并進行聯合求解，以保證平差精度。由于波束平差模型理論嚴密，加密精度高，因此采用波束法作為空中三角網平差模型。空中三角測量過程完成后，將生成具有表面紋理信息的自動連接點。

1.3 多視影像密集匹配

多視圖密集匹配是基于空三加密形成的自動連接點。密集點云按照相關的密集匹配算法構建。多視圖密集匹配算法使用多基匹配算法來建立攝影基線并分別匹配連接點。由傾斜攝影測量法構造的三維模型是網格模型。因此，使用密集點云構造網格，3D點云數據是高通道信息。在點云結構網絡中，采用了不規則三角形網絡，并且密集點云構成三角分割算法。任何地形對象信息都可以由三角形風扇表示，并且所有三角形網格都形成整體以形成三角網格模型。

1.4 紋理映射

紋理映射的本質是二維紋理空間點與三維空間點表面之間的對應關系。對應于二維空間點的顏色值或灰度值被映射到三維物體的表面，并且獲得符合真實顏色視覺的真實三維模型。多視圖圖像將在多個圖像上顯示相同的替換信息，因此，紋理映射過程需要選擇清除目標多視圖圖像。

2 聯合應用的方法

2.1 傾斜攝影構建DEM

以5鏡頭無人機作業為例，通過無人機在外業進行的多個角度拍攝傾斜攝影，獲得到若干個較為完整和清晰的地面圖像。從傾斜和垂直角度拍攝照片以獲得高質量和高分辨率的區域圖像和各圖像獨立的POS數據。數據測量技術有效、經濟、靈活。之后在內業中利用ContextCapture Center Master軟件集成圖像和圖像對應的POS數據。

首先進行空三計算，空三計算結束后查看空三計算精度報告，在滿足作業精度的基礎上進行傾斜攝影模型生成，并生成高密度匹配點云。

對5個透鏡在地形上進行傾斜攝影，中間仍然垂直于中間，而其余四個透鏡保持角度不超過40°，前后不超過35°，使得地形圖像和曝光點POS數據重疊，檢查圖像數據質量，消除圖像、色調、大面積陰影和反射圖像，選擇紋理清晰和明亮的圖像，確保圖像和POS數據之間的一一對應。空三加密是指基于一定數量的現場控制點、區域內未知點的坐標數據，從少量已知點計算大量未知點的過程。在ContextCapture Center Master軟件中建立工程，導入現有圖像和POS數據，然后設置一個生成的范圍，快速運行生成高密度點云，無需人工干預，并完成空對空加密。由于無人機飛行會受到很多因素的影響，導致ContextCapture Center Master生成的高密度點云中的成像比例、波峰存在局部誤差和雜波。對其中一些明顯的錯誤點和雜項點，可以在三維可視化中手動可視化；對于規則區域內的誤差點，可以采用場平均法和云滑動濾波器進行有效的降噪。為可以從ContextCapture Center Master生成的高密度點云構建DEM，還需要對地面對象的足跡點進行消除。

在獲得傾斜模型成果和高密度點云之后，利用CNCCBIM OpenRoads軟件提取接地點后生成DEM。高密度云通過使用CNCCBIM OpenRoads軟件中的實景建模模塊下實景模型工具欄中的地面提取工具提取接地點。選擇傾斜模型范圍內的最低點和地面點作為種子點，建立基本三角網格，計算并比較剩余點到基本三角網格的信息，選擇接地點進行三角網格加密，在利用CNCCBIM OpenRoads軟件進行地面提取的過程中，根據工程實際需要控制最大基礎設施規模參數、地形變化參數以及三角形最長邊長度參數。

通過軟件運算并提取加密DEM，校正并使用了插值的方法，然后轉換網格數據，最終得到數字高程模型DEM。

獲取DEM的流程如圖1所示。

圖1 獲取DEM流程圖

2.2 創建BIM模型

數字高程模型是特定區域的地面形狀和三維幾何圖形的數字化。它是高度、輪廓和形狀的集合，以及傳統地形圖中的其他數據[2]，是建立公路工程三維選線和模型的基礎。

導入地形原始數據。使用從ContextCapture Center Master生成的傾斜模型利用CNCCBIM OpenRoads軟件提取后的DEM，通過CNCCBIM OpenRoads軟件中Openroads建模模塊下地形選項卡進行DEM的加載，作為BIM模型建立的基礎，然后在此基礎上進行平面設計。

利用OpenRoads 模塊中的土木精確繪圖工具，可以像傳統路線設計軟件一樣進行平面線位的設計，也可以通過傳統路線軟件進行選線，之后通過CNCCBIM OpenRoads軟件的平面導入工具，導入到地形模型中。在平面線型繪制的同時，就可以得到道路中線的縱斷面，并在2D視口和縱斷面視圖中可以直觀的看到，平面和縱斷面之間是相關聯的。

利用OpenRoads 模塊中的土木精確繪圖工具，可以直接在縱斷面視圖中進行縱斷面的設計。在縱斷面設計中，為了更好地做到平縱線形的合理組合，平面設計的直線和平曲線，可在縱斷面視圖中通過不同的顏色進行區分，能夠更加直觀、清晰地進行“平包豎”的縱斷面調整和完善。

和傳統路線設計軟件相似，橫斷面設計時，先利用OpenRoads 模塊中的“創建橫斷面模板”工具，創建所需的各種橫斷面模板，包括根據不同的圍巖分級，創建不同的隧道橫斷面模板，橫斷面模板創建完成后，再在2D視圖中通過廊道分段，建立不同斷面的BIM模型，此過程相當于傳統設計中的“戴帽子”。模型成果可直接在3D視圖中直觀體現，見圖2。

圖2 模型成果

3 應用前景

無人機傾斜攝影與BIM技術在公路設計中的結合，對于道路突發事件的處理工作具有重要意義。傳統的勘察設計周期長，數據采集成本高，相對延誤了打通救援通道的黃金時間。而隨著傾斜攝影技術和BIM技術的引入，可以結合現場動態設計和施工，有效爭取打通救援通道的寶貴時間，為保護人民和財產安全做出有力保障。

4 結語

主要提出了傾斜攝影技術和BIM技術的方法，利用無人機傾斜攝影技術進行分割和組合，生成高匹配度的高密度點云和傾斜模型，并且生成數字高程模型DEM，最后將DEM引入到了BIM模型作為設計的基礎數據。同時，還要結合項目所在地的地質情況進行綜合研判確定最終設計方案。傾斜攝影技術與BIM技術的有效結合能夠生成三維可視化實體模型，將其應用于公路工程設計中，不僅能夠快速進行數據分析，且可有效確保到信息的準確率，對促進公路工程技術的發展具有十分重要的意義。