陳正飛

摘 要：【目的】隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展，建筑信息模型已成為工程分析和信息化管理的基礎(chǔ)。對實(shí)際工程中缺失設(shè)計(jì)資料的老舊橋梁進(jìn)行智能化檢測和可視化管理及維護(hù)具有重要意義?！痉椒ā酷槍吓f橋梁結(jié)構(gòu)，提出基于無人機(jī)攝影測量的三維形態(tài)測量法，利用搭載單目相機(jī)的無人機(jī)來采集綦江城北大橋和內(nèi)江沱江四美大橋的引橋部分影像，利用Smart3D軟件來重建橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)景三維模型，測量其具體尺寸，并與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對比分析?！窘Y(jié)果】仿真結(jié)果證明了該方法的可行性，獲取到的橋梁三維實(shí)景模型紋理清晰、尺寸數(shù)據(jù)精度較高?！窘Y(jié)論】了解橋梁結(jié)構(gòu)的狀況及獲取尺度數(shù)據(jù)，為后續(xù)BIM重建提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：攝影測量；無人機(jī)；橋梁實(shí)景重建；Smart3D

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0015-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.003

3D Reconstruction of Bridge Real Scene Based on

UAV Photogrammetry

CHEN Zhengfei

（School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract：[Purposes] With the development of 3D modeling technology， building information model has become the basis of engineering analysis and information management. It is of great significance to carry out intelligent detection， visual management and maintenance of old bridges lacking design data in practical projects. [Methods] Aiming at the old bridge structure， a three-dimensional shape measurement method based on UAV photogrammetry was proposed. The UAV equipped with monocular camera was used to collect some images of the approach bridge of Qijiang Chengbei Bridge and Neijiang Tuojiang Simei Bridge. The Smart3 D software was used to reconstruct the real three-dimensional model of the bridge structure， measure its specific size， and compare it with the design drawings. [Findings] The simulation results prove the feasibility of the method， and the obtained three-dimensional real bridge model has clear texture and high accuracy of size data. [Conclusions] It can understand the status of the bridge structure and obtain the scale data， and provide data support for the subsequent BIM reconstruction.

Keywords： photogrammetry; UAV; bridge reality reconstruction; Smart3D

0 引言

中國是橋梁建造大國，截至2021年末，全國公路橋梁保有量為96.11萬座。在實(shí)際工程中，存在部分老舊橋梁設(shè)計(jì)施工資料不完整的情況。檢測、監(jiān)測并評估這些橋梁的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)是目前迫切要解決的問題。因此，在橋梁建設(shè)運(yùn)營及可視化維護(hù)管理工作中，基于橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)及尺度信息需求，建立包含尺度及外觀信息在內(nèi)的橋梁三維實(shí)景模型具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

通過對橋梁進(jìn)行無人機(jī)攝影測量及實(shí)景三維重建，可獲得橋梁的形態(tài)、尺寸及表面紋理信息。相較于傳統(tǒng)建模法，基于無人機(jī)攝影測量法能克服可能存在的圖紙缺失問題，且能減少人工紋理映射的工作量［1］。無人機(jī)攝影測量技術(shù)具有快速、真實(shí)的優(yōu)勢，可為橋梁智能檢測機(jī)器人提供導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，為后期橋梁信息化管理和BIM重建提供技術(shù)與數(shù)據(jù)支持。

本研究利用搭載單目光學(xué)相機(jī)的行業(yè)級無人機(jī)對綦江城北大橋和內(nèi)江沱江四美大橋引橋部分進(jìn)行影像采集，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維實(shí)景重建，重點(diǎn)探究攝影測量技術(shù)的飛行計(jì)劃、影像采集、產(chǎn)品生成等關(guān)鍵流程，為橋梁三維實(shí)景建模提供參考。

1 橋梁實(shí)景三維重建

1.1 無人機(jī)攝影測量

隨著計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，攝影測量技術(shù)也發(fā)展到數(shù)字?jǐn)z影測量階段。得益于無人機(jī)技術(shù)和影像技術(shù)的飛速進(jìn)步，無人機(jī)攝影測量也應(yīng)運(yùn)而生，對大規(guī)模地物的攝影測量往往會借助無人機(jī)。根據(jù)無人機(jī)活動范圍廣的特點(diǎn)，在飛行平臺上掛載云臺攝像模組及姿態(tài)傳感器，使其穿梭于復(fù)雜空間，可對測區(qū)進(jìn)行全方位的影像采集［2］。利用無人機(jī)的定位系統(tǒng)（GPS/RTK GNSS等）可精準(zhǔn)定位影像中心，通過空三加密、影像匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型構(gòu)建、紋理映射等步驟來獲取被測對象整個(gè)外部表面的空間位置數(shù)據(jù)，得到具有尺度信息的三維模型。影像中包含被測物體的外部紋理，建模軟件可自動將其映射到基礎(chǔ)模型上，建立符合人眼直觀視覺的三維實(shí)景模型。

1.2 橋梁實(shí)景三維重建

橋梁是一種結(jié)構(gòu)形式較為特殊的工程結(jié)構(gòu)，與常規(guī)建筑物不同的是，在呈現(xiàn)形式上橋梁結(jié)構(gòu)一般為線狀，且橋梁結(jié)構(gòu)上部與下部的形式多種多樣，在攝影測量表達(dá)上比一般建筑（如樓宇）的難度要更大。想要重建影像間的幾何關(guān)系，就要保證影像有足夠的重疊度［3］。因此，對橋梁的攝影測量要確保航線的良好規(guī)劃，從而保證三維模型測量的完整性。橋梁的攝影測量技術(shù)流程如下。

1.2.1 傾斜攝影的影像采集。對梁拱體系橋梁而言，橋梁是由橋面系和下部構(gòu)造組成的，對橋面鋪裝、伸縮縫、護(hù)欄及路燈等附屬設(shè)施所在的橋面系部分，可采用五視角傾斜攝影法來采集影像［4］，傾斜攝影對橋面系有較好的表達(dá)，五視角包括前視、后視、左視、右視、下視。在使用五鏡頭傾斜攝影相機(jī)時(shí)，只需一組航線即可完成任務(wù)，而單鏡頭無人機(jī)要用五組不同航線才能完成此任務(wù)。在無人機(jī)航線規(guī)劃軟件內(nèi)設(shè)置待測區(qū)域及像片航向、旁向重疊度、相機(jī)俯仰角等數(shù)據(jù)，軟件會自動生成航線，并上傳到無人機(jī)，由無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)。

1.2.2 貼近攝影的影像采集。由于部分橋梁的高低落差較大，常規(guī)傾斜攝影無法統(tǒng)一重疊度和分辨率，橋梁下部結(jié)構(gòu)高程較低的區(qū)域存在重疊度高、分辨率低的現(xiàn)象，高程較高的區(qū)域存在重疊度低、分辨率高的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的空三分層或建模后的效果差。因此，單一航高無法滿足建模要求。而無人機(jī)可結(jié)合貼近攝影測量，采取立面分層飛行法對橋梁進(jìn)行影像采集［5-6］，能提升橋梁下部結(jié)構(gòu)的整體分辨率［7］。

1.2.3 影像三維重建。使用Bentley公司研發(fā)的Context Capture（Smart3D）軟件和Agisoft公司研發(fā)的Metashape軟件進(jìn)行三維重建，二者在空中三角測量和建模質(zhì)量上各有優(yōu)劣。Metashape軟件的空三計(jì)算能力優(yōu)秀且影像畸變糾正能力較強(qiáng)，Context Capture軟件在生產(chǎn)模型質(zhì)量方面具有優(yōu)勢［8］。三維重建時(shí)要精確計(jì)算出所采集圖像的外方位元素（即定向參數(shù)）［9］。對像片進(jìn)行空中三角測量（也稱對齊照片），在Metashape中對空中三角測量的精度及提取關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，Metashape對較復(fù)雜的場景有較好的空中三角測量效果。因此，需要采用Metashape軟件的照片對齊功能對空中三角測量部分進(jìn)行處理。

在將照片對齊后，按工作流程建立密集點(diǎn)云，構(gòu)建稠密的三維點(diǎn)云信息，為三維模型生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。分布均勻、誤匹配少、精度高的影像匹配是影像高精度自動定向的重要保障［10］。在Metashape中生成交換數(shù)據(jù)，將空中三角測量結(jié)果導(dǎo)入到Context Capture軟件中來構(gòu)建模型，如圖1所示。

在無人機(jī)影像采集外業(yè)工作結(jié)束后，對獲取到的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到橋梁實(shí)景三維模型。整個(gè)橋梁實(shí)景三維重建的技術(shù)流程如圖2所示。

2 試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 無人機(jī)平臺配置

采用大疆科技生產(chǎn)的御Mavic 2行業(yè)進(jìn)階版執(zhí)行飛行任務(wù)，搭載紅外與光學(xué)雙相機(jī)，無人機(jī)平臺配置具體參數(shù)見表1。

2.2 綦江城北大橋

本研究以綦江城北大橋?yàn)樵囼?yàn)對象，該橋位于綦江區(qū)沙溪路與G210國道的交匯處，經(jīng)緯坐標(biāo)為東經(jīng)106.631 1°、北緯29.030 3°。橋梁使用的是鋼筋混凝土，全長約為130 m，本次共完成5 713 m2區(qū)域的航空影像數(shù)據(jù)采集。無人機(jī)平臺分別從5個(gè)方向來采集橋梁影像數(shù)據(jù)，飛機(jī)軌跡達(dá)4.66 km，傾斜攝影采集航點(diǎn)如圖3所示。

在建模過程中，為保證拱圈底部能與水面正確分離，在布設(shè)航線時(shí)，應(yīng)規(guī)劃一組自動航線或采用手動飛行的拍攝方式，以低于拱圈高度來對橋梁進(jìn)行貼近攝影測量。結(jié)合貼近攝影測量，可對物體進(jìn)行很好的影像覆蓋，從而使模型效果更精細(xì)、真實(shí)。為滿足像片間的重疊率要求，采集航點(diǎn)如圖4所示。

最終采集到514張可用于三維重建的像片。其中，傾斜攝影像片452張，貼近攝影測量像片62張。模型投影采用的是WGS84坐標(biāo)系，通過空三加密、影像匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型構(gòu)建與紋理映射等步驟可建立清晰完整的橋梁三維實(shí)景模型，如圖5所示。

2.3 內(nèi)江沱江四美大橋

內(nèi)江沱江四美大橋位于四川省內(nèi)江市市中區(qū)G321國道與沱江交匯處，主橋?yàn)樯铣惺交炷凉皹?。選取其三跨簡支梁引橋?yàn)椴杉瘜ο?，全長為60 m、地面覆蓋范圍為40 927.76 m2，本次共采集到378張可用于三維重建的像片。橋梁實(shí)景模型如圖6所示。

空中三角測量精度是影響模型質(zhì)量較為關(guān)鍵的因素?？罩腥菧y量后會生成連接點(diǎn)，連接點(diǎn)的質(zhì)量越高，加密后三維模型的精度也越高［11］。解算出的連接點(diǎn)精度見表2。

對選取的四美大橋7組橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)景模型中測量得到的特征長度與已有的橋梁設(shè)計(jì)圖紙、已知的特征距離進(jìn)行對比，即對引橋梁高、墩柱中心線距離、橋面寬度、橋墩水位標(biāo)高線、引橋長度、人行道寬及墩柱直徑進(jìn)行對比，結(jié)果及精度統(tǒng)計(jì)見表3。

研究表明，通過攝影測量重建獲得的三維實(shí)景模型紋理清晰，且與實(shí)際結(jié)構(gòu)的尺寸誤差不超過1%，可滿足工程要求。在缺少老舊橋梁設(shè)計(jì)資料的情況下，構(gòu)建基于無人機(jī)攝影測量的橋梁實(shí)景三維模型，為了解橋梁狀況及后續(xù)BIM重建、開展可視化管理提供數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)語

本研究采用基于無人機(jī)攝影測量的技術(shù)，通過分析橋梁實(shí)景三維重建的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)所在，并在綦江城北大橋和內(nèi)江沱江四美大橋上進(jìn)行驗(yàn)證，利用Metashape和Smart3D平臺來重建橋梁實(shí)景三維模型。結(jié)果表明，實(shí)景三維模型具有良好的分辨率和紋理細(xì)節(jié)，地理位置信息準(zhǔn)確，尺寸數(shù)據(jù)具有較好的精度。相較于傳統(tǒng)的橋梁測量及建模方法，該方法具有建模速度快、模型真實(shí)程度高等優(yōu)點(diǎn)。但不可忽視的是，由于無法全方位采集橋梁的各處細(xì)節(jié)，模型局部仍不可避免地出現(xiàn)一些拉花、空洞現(xiàn)象。采集的影像數(shù)據(jù)因必須存在足夠的重疊度用來計(jì)算連接點(diǎn)，存在著大量的數(shù)據(jù)冗余，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)處理壓力增加。因此，通過無人機(jī)對橋梁等特殊構(gòu)筑物的數(shù)據(jù)采集路徑優(yōu)化還需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

［1］張春森，張衛(wèi)龍，郭丙軒，等.傾斜影像的三維紋理快速重建［J］.測繪學(xué)報(bào)，2015（7）：782-790.

［2］張慧瑩，董春來，王繼剛，等.基于ContextCapture的無人機(jī)傾斜攝影三維建模實(shí)踐與分析［J］.測繪通報(bào)，2019（S1）：266-269.

［3］劉洋.無人機(jī)傾斜攝影測量影像處理與三維建模的研究［D］.南昌：東華理工大學(xué)，2016．

［4］曲林，馮洋，支玲美，等.基于無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的實(shí)景三維建模研究［J］.測繪與空間地理信息，2015（3）：38-39，43.

［5］邱春霞，董乾坤，劉榮華，等.無人機(jī)傾斜影像三維建模中的模型精細(xì)化［J］.測繪通報(bào)，2017（11）：133-138，143.

［6］卞敏，徐亮，駱元鵬，等.空地一體精細(xì)化三維模型構(gòu)建方法［J］.測繪通報(bào)，2019（7）：83-86.

［7］周驍騰，周政，張書航，等.面向單體建筑精細(xì)化建模的無人機(jī)三維航線規(guī)劃［J］.地礦測繪，2017（2）：24-27.

［8］陳大凱，陳竹安，方偉，等.基于多旋翼單鏡頭無人機(jī)的城市實(shí)景三維重建及精度評估［J］.北京測繪，2018（2）：200-204.

［9］張力，艾海濱，許彪，等.基于多視影像匹配模型的傾斜航空影像自動連接點(diǎn)提取及區(qū)域網(wǎng)平差方法［J］.測繪學(xué)報(bào)，2017（5）：554-564.

［10］孫鈺珊，張力，艾海濱，等.傾斜影像匹配與三維建模關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述［J］.遙感信息，2018（2）：1-8.

［11］彭儀普，程陽，韓征，等.基于多旋翼無人機(jī)航測的工程結(jié)構(gòu)三維建模質(zhì)量影響因素研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019（12）：2969-2976.