基于無人機傾斜攝影的橋梁實景三維建模應用*

趙珂劼,田 筱,周 游,張 西,池恩安,雷 振

(1.貴州建設職業技術學院建筑設備學院,貴州 貴陽 551400; 2.貴州航空職業技術學院航空裝備學院,貴州 貴陽 550009; 3.貴州大學礦業學院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

無人機定位技術迅猛發展和傾斜攝影測量技術的大力推進,使得通過無人機拍攝調查區域的照片獲取目標地物的高分辨率全要素信息技術可以實現,各技術相互結合將現實場景重建為真實的三維模型也成為可能。近幾年來,城市規劃、水利、測繪等行業均已引用該技術[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應用于水上橋梁工程的觀察測量等,結合并提出新的一套完整施工方法;吳楠等[3]在地質災害的安全檢查方向上進行研究,提出適用于地質災害安全檢查的無人機作業及計算方案,并加以工程應用。王暉等[5]提出了無人機空間數據采集作業在水運工程中的施工方法,首次將無人機傾斜攝影技術在水運工程進行應用,研究表明該方法采集到的數據準確可靠;計算機運算速度加快、可視化能力增強及無人機設計技術的發展,使無人機傾斜攝影及三維模型仿真技術在各行各業可發揮的作用也越來越大。

由于山間橋梁施工的大規模性和復雜的結構特點,其存在許多高空作業和其他危險操作。受地形和天氣影響,橋體樁基、承臺側面和其他地區存在很多盲點[6]。傳統空中拍攝圖像無法顯示觀察物所有方位信息,尤其是觀察物側面信息很難在傳統空中拍攝方式中得以體現,相當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結合三維實景模型的建立支持橋梁建設現場管理的方法。本文以峰林特大橋項目建設現場為背景進行研究應用,通過使用無人機設備作為載體采集數據,以傾斜攝影技術為基礎對采集數據進行分析,應用ContextCapture等對收集到的各種地面圖像進行三維復原,在滿足施工現場信息管理需要的基礎信息收集標準化過程中進行現場管理。研究結果表明,無人機測量及實景仿真技術可全方位展現現場管理區域,大大減少了現場管理盲區,幫助管理人員更全面了解現場實景信息,三維實景模型的建立更是提升了工程現場可視性,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

1.1 特點與優勢

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據成為可能,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、超高精準度數據[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 關鍵技術研究

1.2.1測繪內容及方法

首先對作業現場地形地貌進行了解、探查后,使用無人機航拍采集數據,外業飛行作業連續30d,根據對內業航測得到的數據進行分析后,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可由采集到的地理信息生成密集特征點云構建不規則三角網,然后生成三維表面模型且該模型具有分辨率高、仿真程度好等優點。經過超密度點云三角網重構得到點云效果(見圖2)。由信息數據點云到實際地表地物的結構,即為三維表面重建技術的表達。

圖2 點云效果

1.2.3三維紋理自動映射

通過三角網構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,在操作人員未學過相關知識情況下也可進行實際物體影像識別和再現操作。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據,包括以下步驟。

1)模型面紋理自動選取 針對某一基礎模型面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 選擇影像質量最好、投影面最清晰的影像集作后續編輯操作。

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 施工現場傾斜攝影測量

2.1 現場與作業工程概況

試驗樣區選取峰林特大橋項目區,整個項目區80%區域位于興義萬峰林機場附近,興義市地形復雜、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、植被具有復雜性,內部差異明顯。

項目區有部分測區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、監管局、運維指揮中心等機場相關職能部門協調優化無人機傾斜攝影航拍方案(見圖3)。

圖3 無人機航攝目標區域范圍

1)作業軟件 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、數據處理軟件;②無人機地面站軟件;③接收機相應的商用數據處理軟件GNSS。

2)作業硬件 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。

鑒于測區區域復雜環境及大高差的構成,通過測量所得航攝經過區域的樓高,由航攝區域現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據,左側相機38°左傾,右側相機25°后傾,為滿足地面分辨率優于8cm,故飛機飛行高度≤293.1m。

2.2 航攝作業制定及質量要求

2.2.1航線設定

航線制定首先要確定攝像區域走向,沿攝像區域走向進行直線敷設,且是與攝像區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影像。當采取雙鏡頭布設航線,不僅需在東西向航線布設,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飛行質量

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

L1≥H(2tanα+tanθ)

(1)

L2≥H(2tanθ+tanα)

(2)

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

設置相片航向重疊度為75%(±5%)、旁向重疊度為65%(±15%)。若在航拍過程中發現有漏拍錯誤,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域,以原航線首末兩端外2～3條基線為基準。

依照行業標準設定飛行作業航高后,實際操作作業中的航高與設定航高不應有較大差異,差值控制在50m以內。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的主要要素之一,保證色彩飽和度要高, 色調統一、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

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

飛行人員參與設置航線、飛行狀態監控、采集復雜地理信息、確保飛行安全和飛行質量等工作,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。

2.2.5作業結束

在飛行作業順利實施后,在現場對采集數據進行檢核,向相關專業人員確認是否需進行補攝工作,對于質量不滿足要求(如有云、煙、反光)的區域還需補攝。待完全滿足要求后方可結束作業。

2.3 數據處理與計算

2.3.1航測后數據處理

運用ContextCapture軟件實現本次航測的后期數據處理,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。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。利用內業轉刺過后的外業測定控制點成果進行約束平差解算,并將局域網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處理。預處理的目的是去除小面積雜物,提升原片色彩及亮度,調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,尺度無法統一;重疊數多,需多視處理等特點,使其空中三角測量有異于常規數碼航空攝影測量中的空中三角測量。常規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軟件進行數據處理。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據提交軟件,生成三維TIN格網、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 傾斜攝影測量數據處理

通過無人機傾斜攝影3D實景仿真技術生成的三維模型,應是地形或建筑等實體模型表現體,可展現目標物完整、準確位置,且要與獲取的航空影像表現一致。

2.4 模型精度評定

利用內業轉刺過后的外業測定控制點成果進行約束平差解算,并將局域網與大地坐標相融合(見圖6),完成絕對定向。空三加密結束后應及時查看精度報告以符合基本精度要求。

圖6 2D關鍵點匹配

3 無人機3D實景仿真技術應用

無人機3D實景仿真技術在山間橋梁工程的應用,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,有效還原現場復雜施工環境,監控現場施工動態,為現場施工人員、設備等提供實施的狀態反饋[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,解決因測量工作時間緊、任務重,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,整個橋墩長度數據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實景仿真技術應用于山間橋梁施工現場,在以下幾個方面取得一定成效。

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

2)方便、快捷地展現了山間橋梁施工高空、露天作業時,一些難以人工到達的部位工情信息,同時為現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據量測,更加便利地獲取現場信息數據,對施工現場點、線、面、體均有大致了解,為現場測繪人員提供工程制圖。

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

4 結語

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

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