無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在工程中的應(yīng)用

李寶闖 武洋

摘 要：無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一項高新產(chǎn)業(yè)，通過無人機(jī)對某一景觀進(jìn)行多角度拍攝，通過空間三維運(yùn)算處理之后形成三維模型的一種技術(shù)。這種技術(shù)的應(yīng)用，大大降低人工測量的難度和工作量，使現(xiàn)場工作變得更加高效和直觀。我公司在2018年進(jìn)行雄安新區(qū)截洪渠工程施工時，首次采用該技術(shù)進(jìn)行了地物測量，并結(jié)合其他BIM技術(shù)搭建了4DBIM管理平臺，為工程的信息化管理奠定了基礎(chǔ)，并取得了良好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：拍攝;處理;建模;應(yīng)用

中圖分類號：U675.4? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0150-02

1工程概況

容城容東片區(qū)截洪渠一期工程是雄安新區(qū)建立之后的第一個實(shí)體工程，位于容城縣縣城與榮烏高速之間，西起大水大街，東至新建市民服務(wù)中心南側(cè)。目的是為最大程度解決容城部分城區(qū)積水問題，并為將來容城縣排水設(shè)施提標(biāo)改造創(chuàng)造條件。主要工程內(nèi)容包括地下雨水箱涵、進(jìn)水管線和設(shè)施、一體化泵站、出水管線、場外道路修復(fù)、地上及地下管線遷改等內(nèi)容，一期工程總造價1.73億元，設(shè)計總長度約5.7公里。

受周邊環(huán)境影響，本項目涉及大量拆改工作，并因工期緊、施工場地有限，致使工作段劃分、機(jī)械人員調(diào)配、土方倒運(yùn)等受到諸多限制，需精心進(jìn)行布局。為保證項目總平面規(guī)劃及工程組織推進(jìn)安排更為合理，本項目采用BIM技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場管理，而利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對全場進(jìn)行建模，為BIM技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2傾斜攝影拍攝及模型建立

2.1路線劃分與拍攝

使用專業(yè)傾斜攝影無人機(jī)進(jìn)行拍攝，需要在同一飛行平臺上搭載多臺鏡頭傳感器（目前常用的是五向鏡頭相機(jī)），同時從1向垂直、4向傾斜等不同角度采集影像，然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理形成實(shí)景模型。為清晰地顯示工作區(qū)域的實(shí)際情況，飛行范圍不僅需要涵蓋施工區(qū)域，還要包括周邊的區(qū)域。本項目拍攝范圍為榮烏高速及其以南共計150m范圍，榮烏高速以北包含施工區(qū)域以及城區(qū)共計350m范圍，里程6000m，拍攝范圍共計300萬平方米。受當(dāng)?shù)乜沼蚬苤频挠绊懀O(shè)定無人機(jī)飛行高度為50m，飛行軌跡間距50米。另外，本工程采用的為普通大疆精靈系列無人機(jī)，通過單鏡頭多次飛行模擬多鏡頭拍攝，需通過增加飛行路線和次數(shù)來增加成圖的精度，因此設(shè)定了垂直交叉的兩條飛行路線，每條路線往返飛行兩次，飛行路線布設(shè)如下圖所示：

無人機(jī)拍攝前，除設(shè)定飛行路線外，需注意設(shè)定拍攝的視頻或照片涵蓋相機(jī)位置、鏡頭信息等關(guān)鍵信息，作為數(shù)據(jù)形成的必備條件，選擇在無風(fēng)天氣晴朗可視度良好的情況下進(jìn)行拍攝。為保證順利完成三維建模并提高模型精度，控制飛行速度，照片的重疊率最少要在80%以上，同一物體連續(xù)拍攝的照片角度偏差不超過15度、拍攝至少不少于3張照片，不能有飛行速度和高度的突變以免出現(xiàn)數(shù)據(jù)模糊。如果有凸出、鏤空以及要求精確顯示的建筑物或工程實(shí)體部位，需要對局部進(jìn)行多角度環(huán)繞拍攝采集。高度方向如過高，也應(yīng)分層設(shè)置飛行軌跡。因無人機(jī)一般采用WGS84經(jīng)緯網(wǎng)和橢球高程，提前對無人機(jī)的測量參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，避免形成的模型與需要的模型位置不一致，造成大量的后處理工作。

2.2數(shù)據(jù)處理及模型的建立

采用Bentley旗下的ContextCapture Center實(shí)景建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模型的建立，類似于測量工程中的三角交會法，數(shù)據(jù)處理的原理是通過分析照片的拍攝位置、角度以及鏡頭信息，通過三維運(yùn)算計算出每一個像素點(diǎn)的坐標(biāo)和參數(shù)，并通過不同照片的擬合疊加計算，自動去除偏差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在坐標(biāo)系中形成數(shù)據(jù)點(diǎn)陣，將其像素信息進(jìn)行顯示，從而形成物理的實(shí)景模型。數(shù)據(jù)處理流程如下圖所示：

將影像和照片導(dǎo)入軟件，如導(dǎo)入的材料為視頻，則需將其進(jìn)行分割，一般每秒分割成10張照片左右即可滿足使用要求，圖像數(shù)量過多會導(dǎo)致計算量增加，如圖像信息過少則會導(dǎo)致模型精度降低。照片導(dǎo)入以后，系統(tǒng)對每一張照片信息進(jìn)行鑒別，如照片信息不完善，可進(jìn)行手動補(bǔ)充，必要時進(jìn)行重拍、補(bǔ)拍。當(dāng)所有圖像信息完善后，提交空間三維運(yùn)算，完成后進(jìn)行三維重建得到實(shí)景模型。這里需要注意的是，三維重建之前要根據(jù)計算機(jī)的性能進(jìn)行瓦片分割工作，避免一次性計算量過大超過計算機(jī)處理能力造成系統(tǒng)崩潰。ContextCapture Center軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及得到的實(shí)景模型如下圖3和圖4所示：

3成果應(yīng)用

利用傾斜攝影的模型成果進(jìn)行現(xiàn)場的布局和成果展示，較使用平面圖和照片、視頻等更能體現(xiàn)現(xiàn)場的實(shí)際情況，可從多角度、多方面分析現(xiàn)場的實(shí)際問題，使匯報和展示工作變得更加直觀、立體。尤其對現(xiàn)場涉及拆遷、拆改的部位，可在圖形中直接看到拆改需求和成果，將設(shè)計工作變得更加快捷。通過與施工建筑模型進(jìn)行對比，可直觀地體現(xiàn)施工形象進(jìn)度情況。另外，軟件自帶的測繪功能，可直接在圖中量取土場、基坑的面積和方量，大大降低了工程測量人員的工作強(qiáng)度，使土方管理更加方便快捷。我單位將傾斜攝影的成果與設(shè)計模型進(jìn)行擬合，并導(dǎo)入到4DBIM項目管理平臺，實(shí)現(xiàn)了項目管理的信息化。如圖5、圖6所示。

4評價與展望

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，可大幅降低施工測量勞動強(qiáng)度，提高施工信息化水平，使專業(yè)領(lǐng)域的工作向非專業(yè)人員涵蓋。另外，該技術(shù)可與GIS技術(shù)、BIM技術(shù)等進(jìn)行聯(lián)合，尤其在緊急事故救援、線性工程、露天礦業(yè)工程等土石方領(lǐng)域有著更高的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]周曉敏，孟曉林，張雪萍，彌永宏.傾斜攝影測量的城市真三維模型構(gòu)建方法[J].測繪科學(xué)，2016，41（09）：159-163.

[2]楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及展望[J].測繪與空間地理信息，2016，39（01）：13-15+18.