李雍友 林廣泰

摘要：文章基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理與作業(yè)流程，研究了生成三維模型的三維實(shí)景建模技術(shù)，并將此技術(shù)應(yīng)用于平南三橋項(xiàng)目土石方量的測(cè)算中，介紹了外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、三維實(shí)景模型的生成及其應(yīng)用流程，為工程現(xiàn)場(chǎng)管理提供了一種新型輔助方法。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);實(shí)景三維模型;正射影像;土石方量測(cè)算

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.019

文章編號(hào)：1673—4874（2020）11—0070-04

0引言

無(wú)人機(jī)技術(shù)主要是指以無(wú)人機(jī)為載體，通過搭載單一或多種傳感器自動(dòng)化、智能化地完成不同領(lǐng)域的信息采集的技術(shù)。公路工程領(lǐng)域中應(yīng)用較多的無(wú)人機(jī)技術(shù)主要是通過搭載高精度相機(jī)，對(duì)項(xiàng)目工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行航拍，采集施工現(xiàn)場(chǎng)地形數(shù)據(jù)，并通過三維實(shí)景建模技術(shù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成具有精確平面及高程坐標(biāo)信息且能直觀反映工程現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度信息的仿真三維模型的技術(shù)。將這類無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到公路工程項(xiàng)目上，能為現(xiàn)場(chǎng)施工及管理帶來(lái)一定程度上的便利。

1無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)研究

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是指采用無(wú)人機(jī)搭載攝影設(shè)備，從多個(gè)方向拍攝采集地形數(shù)據(jù)。常用的攝影設(shè)備有單鏡頭、兩鏡頭、五鏡頭相機(jī)，現(xiàn)階段應(yīng)用較廣的有單鏡頭和五鏡頭相機(jī)。單鏡頭相機(jī)通過調(diào)節(jié)相機(jī)傾斜角度并進(jìn)行井字形航帶飛行可實(shí)現(xiàn)傾斜攝影，相機(jī)角度通常設(shè)為15°～45°，傾斜攝影能夠較好地采集到地形側(cè)面的信息;五鏡頭相機(jī)通過將5個(gè)單鏡頭相機(jī)集成起來(lái)，1個(gè)鏡頭垂直向下，為正射鏡頭，另外4個(gè)鏡頭分別向前、向后、向左、向右傾斜45°，無(wú)人機(jī)飛行時(shí)，5個(gè)相機(jī)同時(shí)拍照，可同時(shí)采集到5個(gè)角度的照片信息，相比單鏡頭相機(jī)效率更高。將采集回來(lái)的傾斜攝影數(shù)據(jù)通過軟件處理即可生成三維傾斜模型。

1.2無(wú)人機(jī)傾斜攝影作業(yè)流程

外業(yè)數(shù)據(jù)采集通過無(wú)人機(jī)搭載高精度相機(jī)，以飛行平臺(tái)規(guī)劃飛行航線，遙控?zé)o人機(jī)飛行航拍采集地形數(shù)據(jù)。具體實(shí)施步驟為以下兩步：

1.2.1控制點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

為保證生成三維BIM模型，需要在測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)少量控制點(diǎn)。布設(shè)像控點(diǎn)之前要做好準(zhǔn)備工作，首先要檢查航測(cè)區(qū)域的地質(zhì)地貌條件，準(zhǔn)備好油性噴漆、標(biāo)靶板（木板或做好的硬紙板）。像控點(diǎn)應(yīng)選在印象明晰的地物點(diǎn)上，且像控點(diǎn)位置應(yīng)當(dāng)盡量平整水平，不要選在有高差的斜坡或邊角上，對(duì)于帶狀測(cè)區(qū)，需要在測(cè)區(qū)的左右側(cè)按“s”字形路線布設(shè)。

布設(shè)好控制點(diǎn)后需要測(cè)量其坐標(biāo)信息，測(cè)量設(shè)備通常使用GPS或者RTK。在進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量前，需要先確認(rèn)坐標(biāo)系、中央經(jīng)線、已知點(diǎn)位置及坐標(biāo)等測(cè)量參數(shù)。在設(shè)備上設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，找到一個(gè)以上已知點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)校正，然后使用測(cè)量設(shè)備的點(diǎn)測(cè)量功能測(cè)出每個(gè)點(diǎn)相應(yīng)的坐標(biāo)信息。

1.2.2地形數(shù)據(jù)采集

（1）在操作無(wú)人機(jī)開始作業(yè)前，先觀察周邊地形，選擇空曠、平整、周邊無(wú)高壓線等信號(hào)干擾源的區(qū)域?yàn)轱w機(jī)起降點(diǎn)，查看測(cè)繪區(qū)域是否有高壓線、高山等復(fù)雜地形，確定飛行高度。

（2）在奧維互通地圖上圈選測(cè)繪區(qū)域，從手機(jī)應(yīng)用商城里下載DJI GS Pro，打開APP，左側(cè)的列表是當(dāng)前規(guī)劃好的任務(wù)，右側(cè)是高德地圖。接下來(lái)點(diǎn)擊左下角的“新建”按鈕來(lái)建立航測(cè)任務(wù)，這時(shí)出現(xiàn)三個(gè)選項(xiàng)，選擇中間選項(xiàng)，來(lái)對(duì)一個(gè)大片區(qū)域進(jìn)行航拍。選擇地圖選點(diǎn)，根據(jù)地圖顯示的畫面確定航測(cè)的方位和面積。

（3）點(diǎn)擊屏幕即可進(jìn)行航線任務(wù)設(shè)置，軟件會(huì)自動(dòng)生成四個(gè)航點(diǎn)，通過拖動(dòng)或增加航點(diǎn)，使航攝區(qū)域覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。設(shè)定好航攝區(qū)域后，根據(jù)項(xiàng)目對(duì)三維模型精度要求設(shè)置飛行參數(shù)。首先是飛行高度設(shè)置。飛行高度越低，采集到的地形照片位置精度越高，在合理布設(shè)控制點(diǎn)的情況下，通常飛行高度為100m左右可采集到精度1：500以上的地形照片;飛行高度為160m以內(nèi)可采集到精度1：1000以上的地形照片;飛行高度為200m以內(nèi)可采集到精度1：2000以上的地形照片。然后設(shè)置航向重疊率和旁向重疊率。為保證作業(yè)效率和模型精度，對(duì)于三維傾斜模型，重疊率設(shè)置為70%～80%為宜;對(duì)于正射影像，重疊率設(shè)置為60%～80%為宜。設(shè)置好云臺(tái)俯仰角，傾斜攝影時(shí)一般為45°，正攝為90°。設(shè)置好返航高度，確保無(wú)人機(jī)返航時(shí)不會(huì)碰撞到障礙物。

（4）點(diǎn)擊進(jìn)入通用設(shè)置選項(xiàng)。點(diǎn)開“中國(guó)大陸”這個(gè)選項(xiàng)，不然飛行器的位置是偏移的，會(huì)導(dǎo)致航測(cè)任務(wù)區(qū)域整體偏移，有一部分任務(wù)拍攝不到。

（5）檢查任務(wù)沒有問題后，點(diǎn)擊右上角的飛機(jī)按鈕，程序開始上傳任務(wù)和自檢，通過后就可以點(diǎn)擊飛行了。整個(gè)任務(wù)過程都是全自動(dòng)的，包括起降。任務(wù)完成后，左邊菜單的任務(wù)變成一個(gè)旗子的標(biāo)志則說明任務(wù)完成。但是在整個(gè)飛行過程中需要密切關(guān)注無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，遇到緊急情況及時(shí)切換到手動(dòng)模式用遙控器控制。

由于無(wú)人機(jī)續(xù)航能力及圖傳距離限制，每個(gè)架次飛行只能采集3km左右地形數(shù)據(jù)，故對(duì)于長(zhǎng)距離帶狀測(cè)區(qū)，需要進(jìn)行多次作業(yè)，直至采集完整個(gè)項(xiàng)目的地形數(shù)據(jù)。

2三維實(shí)景建模技術(shù)研究

2.1三維實(shí)景建模技術(shù)原理

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算效率的提升和圖形處理技術(shù)水平的提高，三維實(shí)景建模技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。三維實(shí)景建模是通過在二維圖像上尋找多個(gè)特征點(diǎn)，獲取特征點(diǎn)的坐標(biāo)信息及在每張圖像上的相對(duì)位置，然后通過有共同特征點(diǎn)的圖像的相對(duì)位置進(jìn)行有序排列，生成海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用這些具有三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)曲面，最后將二維圖像上提取到的紋理信息賦予到三角網(wǎng)曲面上，即可生成三維實(shí)景模型。

2.2三維實(shí)景建模流程

無(wú)人機(jī)采集回來(lái)的是連續(xù)單獨(dú)的照片，需要通過三維實(shí)景建模技術(shù)將分散的照片拼接在一起生成三維模型。主要步驟包括影像匹配、空中三角測(cè)量、密集匹配、構(gòu)建三角網(wǎng)等。

2.2.1影像匹配

影像匹配是指通過尋找相鄰兩張照片重疊部分的相同特征點(diǎn)信息，在數(shù)據(jù)采集時(shí)重疊率設(shè)置越高，影像匹配時(shí)圖片丟失的可能性越小。SIFT特征匹配算法是現(xiàn)階段最常使用的影像匹配算法，該算法運(yùn)算速度較高，對(duì)電腦配置要求較低，在采集地形數(shù)據(jù)時(shí)，由于受到相機(jī)性能和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，拍攝到的照片通常具有較多的噪點(diǎn)，該算法在處理噪點(diǎn)的能力上有一定優(yōu)勢(shì)。SIFT算法是將圖像之間的匹配轉(zhuǎn)化為特征點(diǎn)向量之間的相似性度量。SIFT特征匹配算法可分為三個(gè)階段，第一階段：檢測(cè)圖像;第二階段：生成SIFT特征描述符;第三階段：SIFT特征向量的匹配。影像匹配流程見圖1。

2.2.2空中三角測(cè)量

外業(yè)采集到的影像自帶有位置信息、角元素信息和相機(jī)參數(shù)等信息?？罩腥菧y(cè)量是通過影像位置等信息，結(jié)合少量控制點(diǎn)坐標(biāo)，通過求解影像的絕對(duì)位置信息，用于模型定位和定向。傳統(tǒng)的空中三角測(cè)量方法首先需要通過外業(yè)測(cè)量采集到三個(gè)及以上在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻分布的已知點(diǎn)，然后基于已知點(diǎn)，通過共線方程求出測(cè)區(qū)內(nèi)部影像的絕對(duì)坐標(biāo)。目前無(wú)人機(jī)空中三角測(cè)量主要采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，以影像自帶的pos數(shù)據(jù)及角元素信息作為平差初始值，和已知控制點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行聯(lián)合平差，通過平差計(jì)算出測(cè)區(qū)影像的絕對(duì)坐標(biāo)。

2.2.3生成密集點(diǎn)云

生成密集點(diǎn)云是三維實(shí)景建模的關(guān)鍵技術(shù)之一。密集點(diǎn)云是基于空中三角測(cè)量計(jì)算完成后的數(shù)據(jù)，通過多視匹配技術(shù)將具有絕對(duì)坐標(biāo)信息的影像拼接起來(lái)。由于無(wú)人機(jī)在作業(yè)過程中采集到的是多角度的照片信息，具有較多冗余點(diǎn)云信息，而較多的冗余點(diǎn)云信息能夠使得生成的點(diǎn)云精度更高。多角度拍攝也能減少測(cè)區(qū)盲點(diǎn)，提高盲區(qū)密集點(diǎn)云生成精度，此時(shí)生成出來(lái)的點(diǎn)云都具有精確的位置信息，相當(dāng)于生成了海量的具有三維坐標(biāo)信息的點(diǎn)。

2.2.4三角網(wǎng)構(gòu)建

根據(jù)上述步驟生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，可建立不規(guī)則三角網(wǎng)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度越高，建立的三角網(wǎng)密度越高，越接近現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)地形。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，航拍影像重疊度越高，三角網(wǎng)精度也越高，現(xiàn)場(chǎng)地形條件復(fù)雜程度也會(huì)對(duì)三角網(wǎng)精度有一定影響。

2.2.5紋理映射

紋理映射是建立三角網(wǎng)模型后，對(duì)模型進(jìn)行紋理賦予的步驟。其本質(zhì)是建立二維空間點(diǎn)到三維物體表面之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在三維物體表面映射二維空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色，得到符合真實(shí)色彩視覺的三維模型。映射的方式分為三種：正向映射、逆向映射和兩步紋理映射法。其中，正向映射代表從紋理空間向屏幕空間的映射。它對(duì)空間很節(jié)省，但是容易存在空洞和圖像扭曲的缺點(diǎn)。與之對(duì)應(yīng)的逆向映射彌補(bǔ)了正向映射的缺點(diǎn)，但是占用的存儲(chǔ)空間要比正向映射空間大很多。而兩步紋理映射法是針對(duì)無(wú)參數(shù)化曲面紋理映射問題提出的，主要涉及紋理映射的圖片、紋理映射的坐標(biāo)與紋理圖片三者之間的關(guān)系。

在生產(chǎn)項(xiàng)目建立實(shí)景三維模型時(shí)，通常借助smart 3D等三維建模軟件，在Smart 3D軟件中，通過完成新建工程、導(dǎo)入影像提交空中三角測(cè)量、新建重建項(xiàng)目等操作即可生成實(shí)景三維模型。

3應(yīng)用案例

3.1項(xiàng)目概況

平南三橋?yàn)閺V西荔浦至玉林高速公路平南北互通連接線上跨潯江的一座特大型橋梁，位于平南縣西江大橋上游6km處，由廣西交通投資集團(tuán)有限公司投資，廣西路橋工程集團(tuán)有限公司承建。大橋全長(zhǎng)1035m，主跨采用575m中承式鋼管混凝土拱橋，建成后將成為世界上最大跨徑的拱橋。截至2020年5月，平南三橋已完成全橋下構(gòu)施工、拱肋吊裝及拱肋管內(nèi)C70混凝土灌注工作，預(yù)計(jì)于7月開始橋面格子梁吊裝，并于年底實(shí)現(xiàn)通車目標(biāo)。

3.2形象進(jìn)度展示

工程施工進(jìn)度是工程項(xiàng)目的三大目標(biāo)之一，是工程項(xiàng)目管理的重要組成部分。合理的、科學(xué)的、講求效率的工程項(xiàng)目施工進(jìn)度是保證工程項(xiàng)目目標(biāo)控制得以實(shí)現(xiàn)的前提。傳統(tǒng)的工程施工進(jìn)度管理方式是通過現(xiàn)場(chǎng)反饋工程施工進(jìn)度情況，及時(shí)性和真實(shí)性有待商榷，若能有一個(gè)能展示整個(gè)工程項(xiàng)目施工情況的真實(shí)三維地形模型，則可方便地查看現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度情況，對(duì)整個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度情況一目了然，且真實(shí)又形象。

本文通過無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)采集地形數(shù)據(jù)，然后通過軟件處理生成仿真三維模型，進(jìn)行形象進(jìn)度展示。實(shí)施流程如下：

3.2.1外業(yè)地形數(shù)據(jù)采集

無(wú)人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集所用無(wú)人機(jī)型號(hào)為大疆精靈4。飛行過程中航線參數(shù)設(shè)置分別為：飛行高度保持在120m定高飛行，航線旁向重疊率為70%，航向重疊率為75%，相機(jī)角度為45°斜向下，等距間隔拍照，無(wú)人機(jī)飛行速度為8m/s。兩名作業(yè)人員經(jīng)過7個(gè)工作日的作業(yè)采集到了項(xiàng)目全線的地形數(shù)據(jù)，帶寬為200m左右，共采集到照片12474張，現(xiàn)場(chǎng)沿施工線路布設(shè)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)為197個(gè)。由于項(xiàng)目采用的是xian80坐標(biāo)系，中央經(jīng)線為108°，故用RTK采集控制點(diǎn)坐標(biāo)值時(shí)，設(shè)置坐標(biāo)系為xian80，108°帶，并在現(xiàn)場(chǎng)找已知點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)校正，校正完成后采集到每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

3.2.2地形數(shù)據(jù)整理

由于工程數(shù)據(jù)量龐大，當(dāng)無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集完地形數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，在照片中找到控制點(diǎn)位置，并標(biāo)識(shí)出來(lái)，與現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)及采集的控制點(diǎn)名稱一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，方便后期數(shù)據(jù)處理生成三維模型。

3.2.3三維模型建立

本項(xiàng)目使用Smart 3D軟件建立實(shí)景三維模型。導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)采集到的影像，檢查影像信息無(wú)誤后提交進(jìn)行空中三角測(cè)量，計(jì)算完成后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集回來(lái)的控制點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)操作，刺點(diǎn)完成后再次提交空中三角測(cè)量，對(duì)影片位置進(jìn)行平差計(jì)算，然后提交生產(chǎn)項(xiàng)目生成三維模型，生成后的部分三維模型在3D viewer模型查看器中展示效果（見圖2）。

通過圖8可形象真實(shí)地看到現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度情況。三維模型可進(jìn)行局部放大縮小，方便查看，且可通過軟件自帶的坐標(biāo)查看功能查看任意點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)、兩點(diǎn)間的距離、任意區(qū)域的面積和體積等信息，極大地方便了工程管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施q-，隋況的了解。

3.3土石方量測(cè)算

（1）首先確定需要測(cè)量的土方范圍，在奧維互動(dòng)地圖上圈定區(qū)域，然后將圈定的區(qū)域?qū)隓JI GOPRO軟件中指導(dǎo)無(wú)人機(jī)飛行采集地形數(shù)據(jù)。操控?zé)o人機(jī)采集地形數(shù)據(jù)，地形條件較好時(shí)可設(shè)置為自動(dòng)飛行，采集好數(shù)據(jù)后檢查數(shù)據(jù)是否符合要求。

（2）采集完地形數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)分區(qū)域?qū)氲絧hotoscan軟件中進(jìn)行處理，生成高精度密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將周邊無(wú)關(guān)地形刪除以減少數(shù)據(jù)量，提高處理效率。將LAS格式的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D中，然后添加點(diǎn)云至曲面生成三維曲面（見圖3）。