基于无人机倾斜摄影的桥梁实景三维建模应用*

赵珂劼,田 筱,周 游,张 西,池恩安,雷 振

(1.贵州建设职业技术学院建筑设备学院,贵州 贵阳 551400; 2.贵州航空职业技术学院航空装备学院,贵州 贵阳 550009; 3.贵州大学矿业学院,贵州 贵阳 550025)

0 引言

无人机定位技术迅猛发展和倾斜摄影测量技术的大力推进,使得通过无人机拍摄调查区域的照片获取目标地物的高分辨率全要素信息技术可以实现,各技术相互结合将现实场景重建为真实的三维模型也成为可能。近几年来,城市规划、水利、测绘等行业均已引用该技术[1-3],并取得一定成效。耿小平等[4]研究了在水利桥梁工程中,将无人机倾斜摄影技术应用于水上桥梁工程的观察测量等,结合并提出新的一套完整施工方法;吴楠等[3]在地质灾害的安全检查方向上进行研究,提出适用于地质灾害安全检查的无人机作业及计算方案,并加以工程应用。王晖等[5]提出了无人机空间数据采集作业在水运工程中的施工方法,首次将无人机倾斜摄影技术在水运工程进行应用,研究表明该方法采集到的数据准确可靠;计算机运算速度加快、可视化能力增强及无人机设计技术的发展,使无人机倾斜摄影及三维模型仿真技术在各行各业可发挥的作用也越来越大。

由于山间桥梁施工的大规模性和复杂的结构特点,其存在许多高空作业和其他危险操作。受地形和天气影响,桥体桩基、承台侧面和其他地区存在很多盲点[6]。传统空中拍摄图像无法显示观察物所有方位信息,尤其是观察物侧面信息很难在传统空中拍摄方式中得以体现,相当大一部分基于三维空间的测绘工作无法顺利开展,并且局限性很大。因此,如何快速、高效、精准地在桥梁施工现场收集并加工全方位地理信息,方便、高精度地生成三维立体模型是构建智慧桥梁中亟待解决的重要课题。

因此,本文提出了一种利用无人机倾斜测量技术结合三维实景模型的建立支持桥梁建设现场管理的方法。本文以峰林特大桥项目建设现场为背景进行研究应用,通过使用无人机设备作为载体采集数据,以倾斜摄影技术为基础对采集数据进行分析,应用ContextCapture等对收集到的各种地面图像进行三维复原,在满足施工现场信息管理需要的基础信息收集标准化过程中进行现场管理。研究结果表明,无人机测量及实景仿真技术可全方位展现现场管理区域,大大减少了现场管理盲区,帮助管理人员更全面了解现场实景信息,三维实景模型的建立更是提升了工程现场可视性,对山间桥梁等工程的信息采集及施工具有深远意义。

1 无人机倾斜摄影技术

1.1 特点与优势

1台垂直4个倾斜角度的多角度高清摄像机是无人机倾斜摄影测量的根基,使全方位收集影像数据成为可能,而且还可从多个角度观察到目标并于此过程中与其搭载的无人机平台综合定位系统对无人机此时位置信息进行分析,与此同时进行拍摄采集高分辨率、超高精准度数据[7]。本次飞行工作可人工通过无线遥控装置进行操作,一定程度上杜绝了飞行人员自身安全。并且在飞行操作上实现了超低空飞行,保证了对目标观察物的充分观察和拍摄,提高了测量精度,对工程项目局部小范围的仿真、测绘有一定补充作用。

1.2 关键技术研究

1.2.1测绘内容及方法

首先对作业现场地形地貌进行了解、探查后,使用无人机航拍采集数据,外业飞行作业连续30d,根据对内业航测得到的数据进行分析后,通过ContextCapture软件建立三维模型,工作流程如图1所示。

图1 无人机工作流程

1.2.2三维表面重建

通过多视角影像匹配技术可由采集到的地理信息生成密集特征点云构建不规则三角网,然后生成三维表面模型且该模型具有分辨率高、仿真程度好等优点。经过超密度点云三角网重构得到点云效果(见图2)。由信息数据点云到实际地表地物的结构,即为三维表面重建技术的表达。

图2 点云效果

1.2.3三维纹理自动映射

通过三角网构后得到高精度表面三维白模,选择各自纹理匹配图像,自动对应提取计算形成三维模型纹理。该过程简单易懂,在操作人员未学过相关知识情况下也可进行实际物体影像识别和再现操作。三维纹理自动映射向用户提供了高保真度实际三维模型基本数据,包括以下步骤。

1)模型面纹理自动选取 针对某一基础模型面a,首先计算其角点物方坐标,然后依次判断是否与计算得出的物方坐标有交集,并利用共线方程计算模型面在每张影像上的投影点坐标对倾斜影像定向定位计算。

2)选择影像及编辑 选择影像质量最好、投影面最清晰的影像集作后续编辑操作。

3)计算纹理坐标与自动映射 ①对选择的影像进行纹理区域识别并裁剪;②对纹理坐标分析计算;③自动映射到模型面a。

2 施工现场倾斜摄影测量

2.1 现场与作业工程概况

试验样区选取峰林特大桥项目区,整个项目区80%区域位于兴义万峰林机场附近,兴义市地形复杂、地势陡峭,多为喀斯特地貌,喀斯特地貌约占土地面积的72%。兴义市地势西北高、东南低。水文、土壤、植被具有复杂性,内部差异明显。

项目区有部分测区与兴义机场民航客机起降低空航路重合,在不影响航班正常起降的前提下开展实施无人机倾斜摄影航拍难度极大。需与空管站、监管局、运维指挥中心等机场相关职能部门协调优化无人机倾斜摄影航拍方案(见图3)。

图3 无人机航摄目标区域范围

1)作业软件 ①ContextCapture Center、无人机自动航测功能的三维建模软件pix4dmapper、全景照片拼接程序软件PTgui、photoshop等图像、数据处理软件;②无人机地面站软件;③接收机相应的商用数据处理软件GNSS。

2)作业硬件 ①1台固定翼无人机、1台INSPIRE2多旋翼无人机、1台PHANTOM多旋翼无人机、无人机操控设备等;②无人机装载的倾斜相机(镜头倾斜相机或镜头等);③10台高、中档计算机及图形工作站等。

鉴于测区区域复杂环境及大高差的构成,通过测量所得航摄经过区域的楼高,由航摄区域现场情况及对地面分辨率进行分析计算,综合考量确定航高。

在无人机进行航摄过程中,无人机搭载的相机正射地面时,其相对航高最高≤372m。此外,无人机搭载相机为全方位采集数据,左侧相机38°左倾,右侧相机25°后倾,为满足地面分辨率优于8cm,故飞机飞行高度≤293.1m。

2.2 航摄作业制定及质量要求

2.2.1航线设定

航线制定首先要确定摄像区域走向,沿摄像区域走向进行直线敷设,且是与摄像区域边界线相互平行的首末航线,这样才能保障有效影像的成功获取,确认其测试镜头是否能获取测区影像。当采取双镜头布设航线,不仅需在东西向航线布设,还要往返航行,从而确保多个角度获得倾斜摄影影像。

2.2.2飞行质量

为保证无人机飞行质量,航向覆盖以超过原定摄像区域3～5条基准线区域为准,计算如下:

L1≥H(2tanα+tanθ)

(1)

L2≥H(2tanθ+tanα)

(2)

式中:L1为摄影进点与摄区边界距离;L2为摄影出点与摄像区域边界距离;α为前视角;θ为后视角;H为作业航高。

设置相片航向重叠度为75%(±5%)、旁向重叠度为65%(±15%)。若在航拍过程中发现有漏拍错误,且该错误或漏洞难以弥补时便需进行补摄。而对航摄进行补摄时要注意:①应采用前一次航摄像机进行接下来的补摄操作;②补摄航线需大于原来航线覆盖区域,以原航线首末两端外2～3条基线为基准。

依照行业标准设定飞行作业航高后,实际操作作业中的航高与设定航高不应有较大差异,差值控制在50m以内。相同航线相邻相片航高差值≤30m,所有航线最大航高差≤50m。

2.2.3影像质量

无人机工作时,对天气情况有一定要求,要保证无人机工作期间周围光照充足,拍摄图像与获取信息时,太阳高度角要>45°,拍摄时间2.5h(±1.5h)为最佳。

影像清晰度是决定影像品质的主要要素之一,保证色彩饱和度要高, 色调统一、一致,拍摄地物有较丰富层次,方可对一些细小地物影像进行分辨和识别,建立更清晰的三维实景模型。无人机采集到的图像不应存在大面积云、烟、反光等。因为这些大面积缺陷掩盖会影响三维影像模型连接和建立,降低三维模型精度。

2.2.4无人机飞行人员安排

飞行作业人员安排如下:固定翼组共设1组,每组2人,共2人;多旋翼组共设2组,每个多旋翼组下设2人,合计4人;全职内业人员4人,总计飞行作业参与人员10人。

飞行人员参与设置航线、飞行状态监控、采集复杂地理信息、确保飞行安全和飞行质量等工作,确保在不影响工程正常施工的前提下完成无人机飞行作业。

2.2.5作业结束

在飞行作业顺利实施后,在现场对采集数据进行检核,向相关专业人员确认是否需进行补摄工作,对于质量不满足要求(如有云、烟、反光)的区域还需补摄。待完全满足要求后方可结束作业。

2.3 数据处理与计算

2.3.1航测后数据处理

运用ContextCapture软件实现本次航测的后期数据处理,空中三角测量釆用 ContextCapture Center软件进行2步操作:①模型相对定向作业。初步建成可在空间尺度上进行一定自由变形的仿真立体模型。②模型绝对定向完成。利用内业转刺过后的外业测定控制点成果进行约束平差解算,并将局域网与精确的大地坐标相融合。

2.3.2空间三角测量计算

在空中三角测量计算前,先对原始拍摄影像进行预处理。预处理的目的是去除小面积杂物,提升原片色彩及亮度,调整原片对比度使目标地物层次更清晰,且不失真。

空中三角测量由于摄景倾角大,景像变形严重;分辨率变化大,尺度无法统一;重叠数多,需多视处理等特点,使其空中三角测量有异于常规数码航空摄影测量中的空中三角测量。常规空三加密软件一般均不能实施,需多视角航空摄影测量空中三角测量专业软件进行数据处理。其中,ContextCapture Center建模精度较高并可自动选择不同视角下的最优像对模型,因此,采用ContextCapture Center进行空三建模。建模流程如图4所示。

图4 ContextCapture Center空三建模流程

2.3.3三维重建计算

采用多机多节点并行运算的ContextCapture Center软件进行全自动三维建模, 将空间三角计算后的数据提交软件,生成三维TIN格网、三维模型白模、自动纹理映射和最终的三维模型(见图5)。

图5 倾斜摄影测量数据处理

通过无人机倾斜摄影3D实景仿真技术生成的三维模型,应是地形或建筑等实体模型表现体,可展现目标物完整、准确位置,且要与获取的航空影像表现一致。

2.4 模型精度评定

利用内业转刺过后的外业测定控制点成果进行约束平差解算,并将局域网与大地坐标相融合(见图6),完成绝对定向。空三加密结束后应及时查看精度报告以符合基本精度要求。

图6 2D关键点匹配

3 无人机3D实景仿真技术应用

无人机3D实景仿真技术在山间桥梁工程的应用,可快速、高效地获取背景施工项目全方位信息,进而生成高仿真程度3D实景模型,有效还原现场复杂施工环境,监控现场施工动态,为现场施工人员、设备等提供实施的状态反馈[8-12]。

基于建立好的实景模型,施工测量人员可在模型上进行不同方案工程量测量,为临建或开挖方案选择提供依据,解决因测量工作时间紧、任务重,不可避免地存在定位难、丈量难、记录难和分析难的问题及工程量核算不精准的问题。例如,对三维模型中桥墩长度测量,选取桥段首末端点,单击距离,整个桥墩长度数据及首末端点坐标均可得到(见图7);对于还未开挖山体,选择将要开挖曲面、切割方式,再单击体积即可粗略得到即将开挖土方量(见图8),为工程量核算提供初步、有效手段。

图7 图上距离测量

图8 图上方量测量

将无人机3D实景仿真技术应用于山间桥梁施工现场,在以下几个方面取得一定成效。

1)三维模型建立使现场信息可视化程度大大提高,管理人员对现场施工的指导及监察更加方便。

2)方便、快捷地展现了山间桥梁施工高空、露天作业时,一些难以人工到达的部位工情信息,同时为现场工作人员安全及施工进度提供高效管理。

3)3D实景仿真技术生成的三维模型基于高精度特点,可支持模型上三维空间数据量测,更加便利地获取现场信息数据,对施工现场点、线、面、体均有大致了解,为现场测绘人员提供工程制图。

4)基于无人机3D实景仿真技术得到的模型比BIM技术在桥梁施工中的应用更经济实惠。并可提供同样丰富的现场周边地貌、人文、交通等信息,方便管理人员进行资源管理及调配,制定针对项目特定的项目方案及计划。

4 结语

1)以峰林特大桥为例,探索了无人机测量3D实景仿真技术应用于山间桥梁工程现场管理中的数据采集及建模方法,并对其中关键技术进行研究,提出了施工现场无人机测量及三维建模工作流程和标准技术方案。

2)工程实例应用表明,无人机3D实景仿真技术在山间桥梁施工现场中的应用可行度高,相对于BIM技术在桥梁工程中的应用更经济实惠。