趙珂劼,田 筱,周 游,張 西,池恩安,雷 振

(1.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑設(shè)備學(xué)院,貴州 貴陽 551400; 2.貴州航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空裝備學(xué)院,貴州 貴陽 550009; 3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

無人機(jī)定位技術(shù)迅猛發(fā)展和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的大力推進(jìn),使得通過無人機(jī)拍攝調(diào)查區(qū)域的照片獲取目標(biāo)地物的高分辨率全要素信息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn),各技術(shù)相互結(jié)合將現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景重建為真實(shí)的三維模型也成為可能。近幾年來,城市規(guī)劃、水利、測(cè)繪等行業(yè)均已引用該技術(shù)[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(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于水上橋梁工程的觀察測(cè)量等,結(jié)合并提出新的一套完整施工方法;吳楠等[3]在地質(zhì)災(zāi)害的安全檢查方向上進(jìn)行研究,提出適用于地質(zhì)災(zāi)害安全檢查的無人機(jī)作業(yè)及計(jì)算方案,并加以工程應(yīng)用。王暉等[5]提出了無人機(jī)空間數(shù)據(jù)采集作業(yè)在水運(yùn)工程中的施工方法,首次將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在水運(yùn)工程進(jìn)行應(yīng)用,研究表明該方法采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠;計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度加快、可視化能力增強(qiáng)及無人機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,使無人機(jī)傾斜攝影及三維模型仿真技術(shù)在各行各業(yè)可發(fā)揮的作用也越來越大。

由于山間橋梁施工的大規(guī)模性和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其存在許多高空作業(yè)和其他危險(xiǎn)操作。受地形和天氣影響,橋體樁基、承臺(tái)側(cè)面和其他地區(qū)存在很多盲點(diǎn)[6]。傳統(tǒng)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(cè)面信息很難在傳統(tǒng)空中拍攝方式中得以體現(xiàn),相當(dāng)大一部分基于三維空間的測(cè)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(zhǔn)地在橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)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(gòu)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(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)結(jié)合三維實(shí)景模型的建立支持橋梁建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)管理的方法。本文以峰林特大橋項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)為背景進(jìn)行研究應(yīng)用,通過使用無人機(jī)設(shè)備作為載體采集數(shù)據(jù),以傾斜攝影技術(shù)為基礎(chǔ)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,應(yīng)用ContextCapture等對(duì)收集到的各種地面圖像進(jìn)行三維復(fù)原,在滿足施工現(xiàn)場(chǎng)信息管理需要的基礎(chǔ)信息收集標(biāo)準(zhǔn)化過程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理。研究結(jié)果表明,無人機(jī)測(cè)量及實(shí)景仿真技術(shù)可全方位展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管理區(qū)域,大大減少了現(xiàn)場(chǎng)管理盲區(qū),幫助管理人員更全面了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景信息,三維實(shí)景模型的建立更是提升了工程現(xiàn)場(chǎng)可視性,對(duì)山間橋梁等工程的信息采集及施工具有深遠(yuǎn)意義。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

1.1 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

1臺(tái)垂直4個(gè)傾斜角度的多角度高清攝像機(jī)是無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的根基,使全方位收集影像數(shù)據(jù)成為可能,而且還可從多個(gè)角度觀察到目標(biāo)并于此過程中與其搭載的無人機(jī)平臺(tái)綜合定位系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)此時(shí)位置信息進(jìn)行分析,與此同時(shí)進(jìn)行拍攝采集高分辨率、超高精準(zhǔn)度數(shù)據(jù)[7]。本次飛行工作可人工通過無線遙控裝置進(jìn)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(shí)現(xiàn)了超低空飛行,保證了對(duì)目標(biāo)觀察物的充分觀察和拍攝,提高了測(cè)量精度,對(duì)工程項(xiàng)目局部小范圍的仿真、測(cè)繪有一定補(bǔ)充作用。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.2.1測(cè)繪內(nèi)容及方法

首先對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌進(jìn)行了解、探查后,使用無人機(jī)航拍采集數(shù)據(jù),外業(yè)飛行作業(yè)連續(xù)30d,根據(jù)對(duì)內(nèi)業(yè)航測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)工作流程

1.2.2三維表面重建

通過多視角影像匹配技術(shù)可由采集到的地理信息生成密集特征點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng),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(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過超密度點(diǎn)云三角網(wǎng)重構(gòu)得到點(diǎn)云效果(見圖2)。由信息數(shù)據(jù)點(diǎn)云到實(shí)際地表地物的結(jié)構(gòu),即為三維表面重建技術(shù)的表達(dá)。

圖2 點(diǎn)云效果

1.2.3三維紋理自動(dòng)映射

通過三角網(wǎng)構(gòu)后得到高精度表面三維白模,選擇各自紋理匹配圖像,自動(dòng)對(duì)應(yīng)提取計(jì)算形成三維模型紋理。該過程簡(jiǎn)單易懂,在操作人員未學(xué)過相關(guān)知識(shí)情況下也可進(jìn)行實(shí)際物體影像識(shí)別和再現(xiàn)操作。三維紋理自動(dòng)映射向用戶提供了高保真度實(shí)際三維模型基本數(shù)據(jù),包括以下步驟。

1)模型面紋理自動(dòng)選取 針對(duì)某一基礎(chǔ)模型面a,首先計(jì)算其角點(diǎn)物方坐標(biāo),然后依次判斷是否與計(jì)算得出的物方坐標(biāo)有交集,并利用共線方程計(jì)算模型面在每張影像上的投影點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)傾斜影像定向定位計(jì)算。

2)選擇影像及編輯 選擇影像質(zhì)量最好、投影面最清晰的影像集作后續(xù)編輯操作。

3)計(jì)算紋理坐標(biāo)與自動(dòng)映射 ①對(duì)選擇的影像進(jìn)行紋理區(qū)域識(shí)別并裁剪;②對(duì)紋理坐標(biāo)分析計(jì)算;③自動(dòng)映射到模型面a。

2 施工現(xiàn)場(chǎng)傾斜攝影測(cè)量

2.1 現(xiàn)場(chǎng)與作業(yè)工程概況

試驗(yàn)樣區(qū)選取峰林特大橋項(xiàng)目區(qū),整個(gè)項(xiàng)目區(qū)80%區(qū)域位于興義萬峰林機(jī)場(chǎng)附近,興義市地形復(fù)雜、地勢(shì)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(shì)西北高、東南低。水文、土壤、植被具有復(fù)雜性,內(nèi)部差異明顯。

項(xiàng)目區(qū)有部分測(cè)區(qū)與興義機(jī)場(chǎng)民航客機(jī)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(shí)施無人機(jī)傾斜攝影航拍難度極大。需與空管站、監(jiān)管局、運(yùn)維指揮中心等機(jī)場(chǎng)相關(guān)職能部門協(xié)調(diào)優(yōu)化無人機(jī)傾斜攝影航拍方案(見圖3)。

圖3 無人機(jī)航攝目標(biāo)區(qū)域范圍

1)作業(yè)軟件 ①ContextCapture Center、無人機(jī)自動(dòng)航測(cè)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(shù)據(jù)處理軟件;②無人機(jī)地面站軟件;③接收機(jī)相應(yīng)的商用數(shù)據(jù)處理軟件GNSS。

2)作業(yè)硬件 ①1臺(tái)固定翼無人機(jī)、1臺(tái)INSPIRE2多旋翼無人機(jī)、1臺(tái)PHANTOM多旋翼無人機(jī)、無人機(jī)操控設(shè)備等;②無人機(jī)裝載的傾斜相機(jī)(鏡頭傾斜相機(jī)或鏡頭等);③10臺(tái)高、中檔計(jì)算機(jī)及圖形工作站等。

鑒于測(cè)區(qū)區(qū)域復(fù)雜環(huán)境及大高差的構(gòu)成,通過測(cè)量所得航攝經(jīng)過區(qū)域的樓高,由航攝區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)情況及對(duì)地面分辨率進(jìn)行分析計(jì)算,綜合考量確定航高。

在無人機(jī)進(jìn)行航攝過程中,無人機(jī)搭載的相機(jī)正射地面時(shí),其相對(duì)航高最高≤372m。此外,無人機(jī)搭載相機(jī)為全方位采集數(shù)據(jù),左側(cè)相機(jī)38°左傾,右側(cè)相機(jī)25°后傾,為滿足地面分辨率優(yōu)于8cm,故飛機(jī)飛行高度≤293.1m。

2.2 航攝作業(yè)制定及質(zhì)量要求

2.2.1航線設(shè)定

航線制定首先要確定攝像區(qū)域走向,沿?cái)z像區(qū)域走向進(jìn)行直線敷設(shè),且是與攝像區(qū)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(rèn)其測(cè)試鏡頭是否能獲取測(cè)區(qū)影像。當(dāng)采取雙鏡頭布設(shè)航線,不僅需在東西向航線布設(shè),還要往返航行,從而確保多個(gè)角度獲得傾斜攝影影像。

2.2.2飛行質(zhì)量

為保證無人機(jī)飛行質(zhì)量,航向覆蓋以超過原定攝像區(qū)域3～5條基準(zhǔn)線區(qū)域?yàn)闇?zhǔn),計(jì)算如下:

L1≥H(2tanα+tanθ)

(1)

L2≥H(2tanθ+tanα)

(2)

式中:L1為攝影進(jìn)點(diǎn)與攝區(qū)邊界距離;L2為攝影出點(diǎn)與攝像區(qū)域邊界距離;α為前視角;θ為后視角;H為作業(yè)航高。

設(shè)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(fā)現(xiàn)有漏拍錯(cuò)誤,且該錯(cuò)誤或漏洞難以彌補(bǔ)時(shí)便需進(jìn)行補(bǔ)攝。而對(duì)航攝進(jìn)行補(bǔ)攝時(shí)要注意:①應(yīng)采用前一次航攝像機(jī)進(jìn)行接下來的補(bǔ)攝操作;②補(bǔ)攝航線需大于原來航線覆蓋區(qū)域,以原航線首末兩端外2～3條基線為基準(zhǔn)。

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定飛行作業(yè)航高后,實(shí)際操作作業(yè)中的航高與設(shè)定航高不應(yīng)有較大差異,差值控制在50m以內(nèi)。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(zhì)量

無人機(jī)工作時(shí),對(duì)天氣情況有一定要求,要保證無人機(jī)工作期間周圍光照充足,拍攝圖像與獲取信息時(shí),太陽高度角要>45°,拍攝時(shí)間2.5h(±1.5h)為最佳。

影像清晰度是決定影像品質(zhì)的主要要素之一,保證色彩飽和度要高, 色調(diào)統(tǒng)一、一致,拍攝地物有較豐富層次,方可對(duì)一些細(xì)小地物影像進(jìn)行分辨和識(shí)別,建立更清晰的三維實(shí)景模型。無人機(jī)采集到的圖像不應(yīng)存在大面積云、煙、反光等。因?yàn)檫@些大面積缺陷掩蓋會(huì)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(jī)飛行人員安排

飛行作業(yè)人員安排如下:固定翼組共設(shè)1組,每組2人,共2人;多旋翼組共設(shè)2組,每個(gè)多旋翼組下設(shè)2人,合計(jì)4人;全職內(nèi)業(yè)人員4人,總計(jì)飛行作業(yè)參與人員10人。

飛行人員參與設(shè)置航線、飛行狀態(tài)監(jiān)控、采集復(fù)雜地理信息、確保飛行安全和飛行質(zhì)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(jī)飛行作業(yè)。

2.2.5作業(yè)結(jié)束

在飛行作業(yè)順利實(shí)施后,在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核,向相關(guān)專業(yè)人員確認(rèn)是否需進(jìn)行補(bǔ)攝工作,對(duì)于質(zhì)量不滿足要求(如有云、煙、反光)的區(qū)域還需補(bǔ)攝。待完全滿足要求后方可結(jié)束作業(yè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

2.3.1航測(cè)后數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用ContextCapture軟件實(shí)現(xiàn)本次航測(cè)的后期數(shù)據(jù)處理,空中三角測(cè)量釆用 ContextCapture Center軟件進(jìn)行2步操作:①模型相對(duì)定向作業(yè)。初步建成可在空間尺度上進(jìn)行一定自由變形的仿真立體模型。②模型絕對(duì)定向完成。利用內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺過后的外業(yè)測(cè)定控制點(diǎn)成果進(jìn)行約束平差解算,并將局域網(wǎng)與精確的大地坐標(biāo)相融合。

2.3.2空間三角測(cè)量計(jì)算

在空中三角測(cè)量計(jì)算前,先對(duì)原始拍攝影像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的目的是去除小面積雜物,提升原片色彩及亮度,調(diào)整原片對(duì)比度使目標(biāo)地物層次更清晰,且不失真。

空中三角測(cè)量由于攝景傾角大,景像變形嚴(yán)重;分辨率變化大,尺度無法統(tǒng)一;重疊數(shù)多,需多視處理等特點(diǎn),使其空中三角測(cè)量有異于常規(guī)數(shù)碼航空攝影測(cè)量中的空中三角測(cè)量。常規(guī)空三加密軟件一般均不能實(shí)施,需多視角航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中,ContextCapture Center建模精度較高并可自動(dòng)選擇不同視角下的最優(yōu)像對(duì)模型,因此,采用ContextCapture Center進(jìn)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(jì)算

采用多機(jī)多節(jié)點(diǎn)并行運(yùn)算的ContextCapture Center軟件進(jìn)行全自動(dòng)三維建模, 將空間三角計(jì)算后的數(shù)據(jù)提交軟件,生成三維TIN格網(wǎng)、三維模型白模、自動(dòng)紋理映射和最終的三維模型(見圖5)。

圖5 傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理

通過無人機(jī)傾斜攝影3D實(shí)景仿真技術(shù)生成的三維模型,應(yīng)是地形或建筑等實(shí)體模型表現(xiàn)體,可展現(xiàn)目標(biāo)物完整、準(zhǔn)確位置,且要與獲取的航空影像表現(xiàn)一致。

2.4 模型精度評(píng)定

利用內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺過后的外業(yè)測(cè)定控制點(diǎn)成果進(jìn)行約束平差解算,并將局域網(wǎng)與大地坐標(biāo)相融合(見圖6),完成絕對(duì)定向?？杖用芙Y(jié)束后應(yīng)及時(shí)查看精度報(bào)告以符合基本精度要求。

圖6 2D關(guān)鍵點(diǎn)匹配

3 無人機(jī)3D實(shí)景仿真技術(shù)應(yīng)用

無人機(jī)3D實(shí)景仿真技術(shù)在山間橋梁工程的應(yīng)用,可快速、高效地獲取背景施工項(xiàng)目全方位信息,進(jìn)而生成高仿真程度3D實(shí)景模型,有效還原現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜施工環(huán)境,監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài),為現(xiàn)場(chǎng)施工人員、設(shè)備等提供實(shí)施的狀態(tài)反饋[8-12]。

基于建立好的實(shí)景模型,施工測(cè)量人員可在模型上進(jìn)行不同方案工程量測(cè)量,為臨建或開挖方案選擇提供依據(jù),解決因測(cè)量工作時(shí)間緊、任務(wù)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(zhǔn)的問題。例如,對(duì)三維模型中橋墩長(zhǎng)度測(cè)量,選取橋段首末端點(diǎn),單擊距離,整個(gè)橋墩長(zhǎng)度數(shù)據(jù)及首末端點(diǎn)坐標(biāo)均可得到(見圖7);對(duì)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(cè)量

圖8 圖上方量測(cè)量

將無人機(jī)3D實(shí)景仿真技術(shù)應(yīng)用于山間橋梁施工現(xiàn)場(chǎng),在以下幾個(gè)方面取得一定成效。

1)三維模型建立使現(xiàn)場(chǎng)信息可視化程度大大提高,管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的指導(dǎo)及監(jiān)察更加方便。

2)方便、快捷地展現(xiàn)了山間橋梁施工高空、露天作業(yè)時(shí),一些難以人工到達(dá)的部位工情信息,同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)工作人員安全及施工進(jìn)度提供高效管理。

3)3D實(shí)景仿真技術(shù)生成的三維模型基于高精度特點(diǎn),可支持模型上三維空間數(shù)據(jù)量測(cè),更加便利地獲取現(xiàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù),對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)、線、面、體均有大致了解,為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪人員提供工程制圖。

4)基于無人機(jī)3D實(shí)景仿真技術(shù)得到的模型比BIM技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。并可提供同樣豐富的現(xiàn)場(chǎng)周邊地貌、人文、交通等信息,方便管理人員進(jìn)行資源管理及調(diào)配,制定針對(duì)項(xiàng)目特定的項(xiàng)目方案及計(jì)劃。

4 結(jié)語

1)以峰林特大橋?yàn)槔?探索了無人機(jī)測(cè)量3D實(shí)景仿真技術(shù)應(yīng)用于山間橋梁工程現(xiàn)場(chǎng)管理中的數(shù)據(jù)采集及建模方法,并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,提出了施工現(xiàn)場(chǎng)無人機(jī)測(cè)量及三維建模工作流程和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)方案。

2)工程實(shí)例應(yīng)用表明,無人機(jī)3D實(shí)景仿真技術(shù)在山間橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用可行度高,相對(duì)于BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。