超低空无人机交通事故现场三维建模勘测系统设计*

向怀坤，陈淑仪

超低空无人机交通事故现场三维建模勘测系统设计*

向怀坤，陈淑仪

（深圳职业技术学院 汽车与交通学院，广东 深圳 518055）

针对传统的道路交通事故现场勘测主要依靠人工作业存在的工作效率低、人为因素影响等诸多不足，本文利用超低空无人机在道路交通事故现场勘查中多角度信息采集的优势，设计了基于超低空无人机航拍道路交通事故现场三维建模勘测系统，对所涉及的三维建模方法、交通事故现场勘测成图方法等关键内容进行了论述，最后以模拟交通事故场景下的无人机航拍图像，对所设计的道路交通事故三维建模勘测系统进行了验证，结果表明设计方案可行．

超低空无人机；三维建模；Smart3D；交通事故；现场勘测

道路交通事故现场勘测是交通事故现场勘查与处置过程中的重要环节，主要涉及现场拍照、测量事故特征参数以及绘制现场事故图．交通事故发生后，容易引发道路交通拥堵，如果处置不当，还会诱发并造成次生事故．为了减少交通事故的干扰，避免连锁事件的发生，必须尽量缩短事故现场勘测时间，同时，作为交通事故责任认定、保险理赔及事故分析与管理等工作的基础资料，道路交通事故现场勘测成果的准确性和有效性也显得尤为重要．

目前，我国道路交通事故现场勘测仍主要依靠人工作业模式，现场勘测人工作业具有高度的灵活性、机动性和可靠性，但也存在费时费力，成果质量因人而异，甚至引入人为误差等问题．道路交通事故现场勘测的关键问题：1）如何快速地取得事故现场全景图像；2）如何快速地取得事故特征参数；3）以及如何快速地绘制事故现场图．事故现场全景图像的拍摄与事故特征参数的提取，得益于计算机视觉技术、近景摄影测量技术以及交通事故再现理论与技术的发展．日本于1967年推出利用近景摄影测量勘查交通事故现场的专用警车，20世纪80年代中后期，一些交通事故现场摄影测量专用软件如TRANS4、FOTOGRAM和PC-RECT等陆续问世．我国于20世纪90年代开始研究三维近景摄影测量技术在事故再现领域的应用[1-3]．随着全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、移动互联网及智能终端等技术设备的快速发展，新一代交通事故现场绘图系统不断涌现．虽然这些成果利用近景摄影测量技术和计算机绘图技术实现了道路交通事故现场勘测的主要工作内容，但是由于现场的近景摄影测量过程仍然在地面进行，在实际操作中存在诸多不便，无法快速地、便捷地、可靠性取得事故现场全局的影像，这是导致当前道路交通事故现场勘测效率低下的主要原因．

随着低空无人机特别是消费级无人机的迅猛发展，以及伴随而来的基于无人机倾斜摄影测量技术的日臻成熟，为破解上述道路交通事故现场勘测的关键问题提供了较好的解决方案．当前，无人机倾斜摄影测量技术主要应用于三维建模景观展示和地理测绘领域，在道路交通事故现场勘测方面，无人机虽然已经被采用，但主要还是被作为一个高空移动摄影平台，用于拍摄事故现场的图像和视频，安徽省为此在全国率先推出了地方标准《DB 34/T 2925-2017道路交通事故现场无人机勘测技术规范》，对用于道路交通事故现场勘测条件、无人机条件、拍照方法等提出了规范性要求[4]．文献[5]研究了基于小型无人机进行事故现场勘查的一些关键技术问题，提出了基于小型无人机摄影测量的“改进四点法”．目前，在基于低空无人机进行道路交通事故现场三维建模分析方面的成果还不多见，还有许多问题有待深入研究．本文提出基于超低无人机航拍获取正射影像与倾斜影像，进行交通事故现场的三维建模并提取交通事故特征参数与事故现场图绘制的技术方案．

1 三维建模的基本方法

三维建模（即3D建模），是指根据研究对象的三维信息构建其立体模型，然后利用相关建模软件或编程语言，将该模型在屏幕上显示出来并对模型进行各种操作和处理的活动总称．

1.1 三维建模原理

三维建模原理主要涉及三个方面：基于几何参数的建模，基于图像的建模和基于几何参数与图像混合的建模．其中，基于几何的建模原理最早被提出来，目前应用已较为广泛，典型的应用软件包括AutoCAD、3DMAX等，但这种建模方法在复杂对象的建模过程中还很困难．随着无人机的逐步广泛应用，利用无人机采集各类图像越来越方便，因此利用无人机航拍图像进行三维建模成为研究热点，经过十多年的发展，目前基于图像的建模方法已基本成熟，当然，基于图像的建模也有其不足之处，那就是图像采集不到的区域，就无法进行三维建模．为解决这一困难，人们研究将几何参数构图与图像建模相结合，可以解决那些复杂地物对象的建模工作．

图1给出了通用的基于无人机航拍影像的三维建模工作原理流程．利用无人机航拍，取得正射影像和倾斜影像，将其进行导入专业软件进行区域整体平差处理，在此基础上进行多视角影像密集匹配计算，其中要结合标志点（point of sign，POS）信息，进行空中三角网平差处理（即空三解算），得到计算区域的点云数据，然后由点云数据构成不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN），由此可生成三维模型，通过粘贴纹理影像，最后得到附有纹理的三维模型场景．

图1 三维建模原理图

1.2 三维建模软件对比

目前主流的基于航拍影像进行三维建模的软件有Bently公司的ContextCapture（Smart3D），俄罗斯Agisoft公司的PhotoScan，瑞士Pix4D公司Pix4D mapper．

Smart3D是法国的Acute3D公司研发的一款产品．该产品基于GPU图形运算单元进行快速建模，可以在图片质量符合要求下，无须人工干预进行快速、简单、全自动处理，不仅可用于实景地理三维模型构建，还可以用于其他应用如模具、特定地物等的三维建模，并且还支持输出多种数据成果和兼容多种数据源．PhotoScan是一款优秀的基于航拍影像自动生成高质量三维模型的软件，其操作过程无需设置初始值，也无须相机检校，可对任意照片进行处理且无需控制点，可通过影像分析控制点生成真实坐标的三维模型，对照片的拍摄位置没有特殊要求，无论是航摄照片还是高分辨率数码相机拍摄的影像都可以使用，整个影像定向和三维模型重建工作流程基本全自动化．Pix4d Mapper也是一款集全自动、快速、专业及高精度于一体的无人机数据和航空影像处理软件，无需人工干预即可将数千张影像快速制作成专业的、精确的二位地图和三维模型．

从建模精度的角度分析可知，三维建模成果的精度不仅与拍摄图像的分辨率、图像的清晰度、图像重叠度等因素为关，还与控制点点位的精度信息有关，除此之外，还需要三维建模软件在进行控制点信息提取、区域整体平差和TIN构建时的数据处理取舍精度有关，这些都决定了三维建模成果是否可以用于后续的高精度数字化信息的提取，因此，三维建模软件只是完成高精度数字化影像成果的一个基本条件．

2 面向三维建模的无人机航拍需求

面向三维建模的无人机航拍的关键技术之一是倾斜摄影测量技术．从某种意义上讲，倾斜摄影技术是地面近景摄影测量和航空摄影测量的集成．它是无人机及其多视角摄像传感器设备出现后，基于计算机视觉、摄影测量学理论与技术的基础上，衍生出来的一种集成创新技术．它利用飞行平台上所搭载的多视角图像采集传感器，比如单镜头、五镜头摄像机系统，同时取得垂直与倾斜角度下采集的影像数据，图2所示的垂直摄影是传统的航空摄影测量采集正射影像图的成像概念模型，其中的倾斜摄像所示是传统的地面近景摄影测量采集倾斜影像的成像概念模型．在取得多视角影像的基础上，倾斜摄影技术利用传统的摄影测量学理论进行空三解算、图像模式识别、不规则三角网构建及三维影像视觉处理，最后得到数字三维模型．

相比于人工建模，以及传统的低空近景摄影测量三维建模，倾斜摄影测量技术可以极大地加快大场景精细三维模型的生成速度，并解决低空摄影测量只能从垂直角度获取数据的局限，从多个角度获取影像数据，实现三维场景的快速、高效、低成本的真实还原[6]．在本文中，面向道路交通事故现场勘测的三维建模，需要利用无人机航拍平台，同时获取正射（垂直）影像和倾斜影像，为此需要专用的摄像设备，并保证有必要的现场控制点信息．目前，低空无人机均配置了GPS和高度量测设备，可据此进行初步定位获取三维信息，但对于局部交通事故现场的建模与成图而言，可以构建相对坐标系对道路交通事故现场进行坐标处理．

图2 倾斜摄影与垂直摄影图

3 基于无人机航拍三维建模的交通事故现场勘测系统设计

3.1 无人机航拍三维建模的交通事故现场勘测系统结构

无人机航拍三维建模的交通事故现场勘测系统由交通事故勘测专用无人机、现场勘测数据采集与处理终端、现场勘测成果输出与执法终端、交通事故管理中心端四大子系统构成，如图3所示．

3.2 无人机航拍三维建模的交通事故现场勘测系统功能

无人机航拍三维建模的交通事故现场勘测系统的主要功能包括：

1）无人机航拍功能：需要由专业人员对无人机进行操控，在指定地点航拍所需要的用于三维建模的交通事故现场勘测所需要的各类资料．现场航拍流程如图4所示．

2）三维建模功能：能导入无人机航拍影像，进行三维建模操作，完成定地点区域交通事故现场勘测对象的三维建模任务．

3）交通事故勘测功能：能按照公安部相关规范和标准的要求，在三维模型上进行交通事故现场勘测，生成符合标准的成果用于交通事故处理．

4）交通事故勘测成果输出功能：可以现场完成交通事故现场勘测成果的输出打印、查询等功能．

5）交通事故资料上传：能将交通事故现场勘测资料数据上传到交通事故管理中心端，为中心端基于大数据的交通事故分析、管理、处置等提供依据．

图3 无人机航拍三维建模的交通事故现场勘测系统结构

图4 现场拍照流程

4 基于无人机航拍三维建模的交通事故现场勘测系统开发测试

4.1 交通事故情景构建

为对本文的技术路线进行实验，模拟现场搭建了相应的事故情景如图5．在深圳职业技术学院西丽湖校区东门口，模拟了一场两车碰撞的交通事故．甲车直行往西丽湖路方向行驶；乙车左转弯往沙河西路行驶；两车在乙车左转弯过程中发生碰撞．

图5 事故模拟现场航拍图

由于安全的考虑，本文实测时请深圳市交警局无人机飞控大队两位资深工程师帮助，于2018年11月17日中午，选用大疆超低空无人机进行事故模拟现场拍摄，成了道路交通事故现场模拟场景的布置，以及相应的无人机图像拍摄任务．

4.2 交通事故三维重建

作为系统测试，本文选取ContextCapture（Smart3D）创建工程，完成事故模拟现场三维建模，建模过程主要包括导入航拍图片、空三处理、重建生成模型这几大步骤，工作流程如图6所示．其中，重建生成模型时，默认是不分块的（No tiling），Smart3D 的Expected maximum RAM usage per job代表每项处理任务的最大期望内存值，因此计算机可用内存必须大于这个内存值，而当前的处理任务中，期望内存值是11个GB，对于处理它的只有4GB装机内存的计算器是不可行的，所以需要进行分块处理，使得每块处理所需的内存控制在计算器的可用内存以下．

4.3 交通事故三维勘测

三维建模完成后，得到了数字化的交通事故模拟现场的三维信息．在此基础上，一方面，可以通过人工旋转、放大或缩小操作，在图上勘查事故模拟现场的各方位的信息，进行交通事故现场的勘测工作．

交通事故现场勘测的具体内容及输出成果，需要遵照相应的标准规范．在道路交通事故现场勘测领域，目前我国公安部颁发了一些标准，包括《道路交通事故现场勘验照相》标准、《道路交通事故现场图绘制》标准、《道路交通事故现场图形符号》标准等等．在道路交通事故勘测阶段，除了输出道路交通事故照片、交通事故现场图以外，还可以接合三维数字化模型，对交通事故现场的一些特征参数进行提取和分析，这需要借助计算机视觉理论技术，对图像进行识别．在常规的现场勘查中，包括对事故各主体产生的痕迹进行检验，提取现场各种印记、印痕，如路面的痕迹、车体的痕迹、物体的痕迹及散落物等等，还有对车辆结构的破损情况、车体接触位置、状态、角度等进行提取，以方便处置人员或分析人员对道路交通事故特性进行分析，包括对当事人是否处于疲劳、酒后驾车或服用某些药物等进行分析．

图6 交通事故三维建模及勘测工作流程图

在上述工作中，交通事故现场勘测图可以现场输出，但需要连接相应的打印设备．道路交通事故现场图是根据相关的绘图标准、运用规范的制图符号，利用正投影原理绘制完成的，主要用于记录与事故有关的车辆、物体、痕迹等现场遗留物位置信息，是道路交通事故处置的重要依据．除了输出交通事故现场勘测图，还可以在三维模型上测量事故车辆、现场遗留痕迹、刹车痕迹的长度等数据，以及通过3D模型可以测量事故区域的面积和体积，这些数据可作为交通事故认定、事故分析的参考．

5 结 论

本文在总结分析道路交通事故现场勘测领域当前的研究开发现状基础上，提出超低空无人机交通事故现场三维建模勘测系统，并就测试该系统进行了硬软件搭建及开发技术路线的验证．根据对模拟事故现场勘测案例的测试，可以得出以下结论：

1）运用无人机3D建模方法采集到的交通事故现场信息可以满足传统的交通事故现场勘测工作对信息采集的要求．

2）运用无人机3D建模方法，可以快速地获取道路交通事故现场相关对象的几何信息，如车辆变形、痕迹以及碎片的大小．

3）无人机3D建模可以完整的看到整个道路交通事故现场的全局影像，能够较完整地保留事故现场，为二次勘测提供依据．

由于基于无人机航拍受天气影响较大，另外三维建模对计算机性能有较高要求．因此，如何将无人机与传统方法相结合开发出实用化产品是有待进一步研究的问题．

[1] 鲁光泉，李一兵．基于普通数码相机的交通事故摄影测量技术及其研究进展[J]．交通运输工程与信息学报，2005，3（3）：63-67．

[2] 熊静．道路交通事故现场与过程重建系统研究[D]．长安大学，2007．

[3] 王东玮．道路交通事故现场图绘制系统的设计与实现[D]．天津大学，2016．

[4] DB 34/T 2925-2017道路交通事故现场无人机勘测技术规范[R]．安徽省质量技术监督局，2017．

[5] 陈强，许洪国，谭立东．基于小型无人机摄影测量的交通事故现场勘查[J]．吉林大学学报（工学版），2016，46（05）：1439-1446．

[6] 刘本宁，黄兵，张陈锋．倾斜摄影测量技术在三维建模中的应用[J]．城市勘测，2018（01）：37-40．

Design of Traffic Accident Scene 3D Modeling and Survey System based on Ultra Low Altitude UAV

XIANG Huaikun, CHEN Shuyi

（）

Old-fashioned traffic accident survey has the shortcomings of low efficiency and lack of objectivity due to heavy reliance on manual work. To cope with this dilemma, this paper designs a road traffic accident three-dimensional modeling and survey system using ultra-low altitude unmanned aerial vehicle (UAV), which has a huge advantage in multi-angle information collection in road traffic accident site investigation. The key content of the three-dimensional modeling method and the traffic accident site survey mapping method are discussed. Finally, the system is verified by images taken by ultra-low altitude UAV on the simulated traffic accident scene. The results show that the design scheme is feasible.

ultra-low altitude UAV; three-dimensional modeling; Smart3D; traffic accident; site survey

2019-06-17

深圳市科创委基础研究项目（项目编号：JCYJ20180305163701198）；深圳市科技计划资助项目（项目编号：JSGG20170822093602485）

向怀坤，男，四川人，博士，副教授，主要研究方向：城市智能交通管理与控制．

U491

A

1672-0318（2020）01-0029-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.01.005