倾斜摄影测量技术在古桥检测与保护中的应用研究

嵇腾娇 史玉峰 杜雨柯 姚雲瀚

摘 要：近年来，随着无人机技术的不断发展，衍生出许多以无人机作为载体的测量方法。通过无人机采集航拍影像的方法具有成本低，操作简单，且方便快捷的特点。而在古桥保护方面，通过无人机航拍影像建立高精度三维模型，以此作为古桥检测及保护的依据，也成为了一种新的思路。本文主要介绍倾斜摄影测量技术中，影像数据处理的原理及流程。通过南京市七桥瓮的实例，分析在古桥检测和保护方面，基于无人机平台的倾斜摄影测量技术的应用。

關键词：倾斜摄影测量技术; 古桥; 三维模型; Context Capture; 检测与保护

中图分类号：P231        文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）11-171-002

1.引言

古桥承载着中国文化悠久的积淀，也是帮助人们去了解并体会城市和文明发展历程的桥梁。这些代表着各自地域文化的古桥，也是一种不可再生能源，在历史、艺术和科学领域都具有非常高的价值。如果出现破损甚至毁坏，古桥本身及其蕴含的历史文化信息都将消失，对于研究领域也是一种莫大的损失。基于无人机平台的倾斜摄影测量技术所建立的三维模型有着精度高、速度快的优势，在古建筑保护领域已经得到广泛应用。无人机倾斜摄影测量技术具有操作简便、成本低、测量效率高的优势，构建的三维实景模型具有人为干预因素少和模型场景逼真的优点，在三维建模和工程测量中有着广泛的应用前景。基于此，本文以南京七桥瓮为例，探究倾斜摄影测量技术在古桥的检测和保护中的应用。

2.基本原理及关键技术分析

2.1倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量是一种新兴的航空摄影测量技术^[1]，它是在传统航空摄影测量技术基础上发展起来的。无人机倾斜摄影测量可以在同一平台上搭载多个角度的相机^[2]，按固定航线对目标区域进行拍摄，获取地物侧面纹理信息，有效地避免了垂直摄影无法获取侧面信息的缺陷，能够实时反映出地物三维信息，进行三维实景模型的建立。倾斜摄影系统本身安装了GNSS模块和惯性导航系统，在获取影像数据的同时，可以获取相机曝光瞬间的姿态角和地理坐标（POS数据），从而可以直接在影像上对地物进行量测。倾斜摄影技术结合相应的航空摄影测量软件，经过影像匹配、空中三角测量、自动生成DSM、纹理映射等过程，可以生产出具有真实纹理的三维模型。

2.2倾斜影像的特性

2.2.1多角度拍摄

倾斜摄影系统相机倾斜角度一般为35°或者45°，除了获取目标顶部纹理，通过倾斜角度还能获取目标侧面纹理。倾斜摄影作业可以设置较低的飞行高度，所以获取的影像分辨率较高。

2.2.2具有仿射变形

与垂直影像相比，倾斜影像不再是影像与实际地物之间的相似变换，增加了影像匹配的难度。

2.2.3重叠度较高

传统的垂直摄影对重叠度要求较低，一般要求航向重叠度高于60%，旁向重叠度高于30%。由于倾斜摄影增加了仿射变形，需要较高的重叠度来实现影像纠正，所以倾斜影像一般要求航向、旁向重叠度分别不低于80%、70%。

2.2.4数据量大

倾斜摄影测量系统搭载多个相机，所以在无人机航飞作业完成后，每个相机都会获取同等数量的影像，导致影像数据量巨大，这就对摄影测量软件的处理性能提出了更高的要求。

2.2.5多视影像密集匹配生成密集点云

多视影像密集匹配是倾斜摄影测量的关键技术之一，从根本上区别于传统的航空摄影。传统的垂直摄影最终成果是正射影像，可以作为生产地形图的底图，具有一定重叠度的立体，相对还可以进行立体测图，从而生成3D产品。倾斜影像可以在空三加密的基础上进行密集匹配，从而生成高密度三维点云，在点云基础上构建三角格网，最终可以构建三维模型，基于三维模型还可以生成真正射影像。

2.3倾斜摄影测量数据处理流程

倾斜摄影涉及的关键技术主要包括：影像预处理、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、生成DSM、构建三维模型等。数据处理流程如图1所示。

2.4倾斜摄影测量三维模型构建方法流程

基于无人机平台的倾斜摄影测量技术构建三维模型的基本原理，是利用无人机在高空飞行的过程中对观测对象进行全方位的影像采集。以此为基础就可以获得观测对象多角度的纹理影像，再利用摄影测量的相关算法完成影像匹配的工作。基于影像内方位元素和外方位元素，建立与测区相对应的航带模型，采用解析法进行联合平差，就可以完成空中三角测量。再通过密集匹配生成三维点云，构建不规则三角网，完成模型的纹理映射。最后，就可以导出附有正式纹理的高精度三维模型了。基于无人机倾斜摄影测量的三维模型构建方法主要分为两个步骤：数据采集阶段和三维模型构建阶段。其技术流程如图2所示。

3.实例应用分析

本文以南京市七桥瓮古桥为例，采用大疆精灵4Pro无人机，获取古桥影像数据，按照技术流程建立古桥模型，并检测分析其表面病害情况，提高检测效率。

3.1实地勘察

七桥瓮建于明代正统五年（公元1440年），是南京地区现存规模最大的砖石构筑拱桥。此桥主体桥身共有7个桥孔，故名曰七桥瓮。拱桥全长达99.84米，桥面宽13米。此桥的形态酷似弯弓。拱桥的桥体为青石花岗岩质地，结构坚固而紧实。七桥瓮的七个桥孔中，第四个也就是中间的桥孔是最大的，其余向两边分别对应，两两形状相同且依次变小。桥周围是水域，并无大型建筑遮挡，适合于无人机飞行。七桥瓮实景图如图3所示。

3.2数据采集

本次数据采集使用大疆精灵4Pro无人机搭载五镜头FC6310相机，在天气状况良好的条件下进行数据采集工作。观察七桥瓮周围地形后进行飞行参数设置，将飞行高度设置为45米，旁向重叠度和航向重叠度按照默认参数设置。飞行区域覆盖桥周围20米，确保能获取古桥侧面纹理。飞行时间约15分钟，数据采集获取古桥影像共348张，观察影像发现数据状况良好，影像中古桥侧面纹理能较为清晰地展示，为古桥三维模型的建立提供影像数据。

3.3构建古桥三维模型

对影像数据的处理主要采用软件ContextCapture完成，ContextCapture是Bentley公司生產的实景三维建模软件，拥有全世界最顶尖的数字影像处理手段和计算机视觉图形算法，对简单的连续图像加以处理就可以构建具有丰富侧面纹理的三维模型。将带有坐标信息的古桥影像数据和立体环形航空影像数据导入数据处理软件中，然后对其进行空三加密、密集匹配制作高精度的古桥三维模型，并对模型进行纹理映射，形成古桥实景三维模型，如图4所示。

3.4古桥表面病害分析

古桥模型建立后，通过目视观察古桥模型，可以了解其表面病害情况。通过ContextCapture对病害进行测量，了解病害范围和量级，为古桥保护提供数据参考。

通过对古桥模型进行目视观察，可以发现古桥表面存在一定量的裂缝和砖石脱落情况，且范围较大，之后对于古桥应该加强维护，及时对古桥表面的裂缝和砖石脱落情况进行修缮处理。

4.总结

本文将低成本、高效率的倾斜摄影测量技术应用于古桥表面病害检测中，无接触无损害就能够获取古桥多角度影像数据，建立古桥三维模型，提取相应病害几何特征，为古桥维护提供数据参考。该方法减少测量实践、降低测量成本，值得在同类项目中推广和应用。

基金项目：大学生实践创新训练计划项目（编号：2019NJFUPITP0457）

参考文献：

[1]李策.基于ContextCapture倾斜摄影三维建模关键技术研究[D]华北理工大学，2019

[2]杨永明.无人机遥感系统数据获取与处理关键技术研究[D]昆明理工大学，2016

[3]叶思远.旋翼无人机倾斜摄影测量技术在三维实景建模中的应用[J]测绘与空间地理信息，2021，44（01）：222-224

[4]韩宇.基于旋翼无人机倾斜摄影测量的城市三维实景建模研究[J]测绘与空间地理信息，2019，42（04）：175-178

[5]马如进，董一庆，潘子超，潘玥.基于消费级无人机的古桥三维重构分析[J]华南理工大学学报（自然科学版），2019，47（06）：94-100+126

作者简介：嵇腾娇，学士，研究方向：倾斜摄影测量技术与应用。通讯作者简介：史玉峰，博士，教授。