無人機(jī)全景技術(shù)在橋梁施工管理中的應(yīng)用

余飛, 徐喬, 羅博仁

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司, 湖北 武漢 430056)

1 引言

橋梁作為大型交通工程的重要組成部分，在“一帶一路”倡議和長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略等的大力推進(jìn)下，崇山峻嶺和大江大河區(qū)域要求橋梁的跨度正在不斷增大，橋梁施工建設(shè)規(guī)模的日益增大和結(jié)構(gòu)的愈加復(fù)雜，致使橋梁建設(shè)期間對管理和服務(wù)的要求也越來越高。伴隨著社會對現(xiàn)代化交通建設(shè)快捷、高效、安全和舒適的迫切需求，橋梁建設(shè)正朝著智能化、信息化服務(wù)的方向快速發(fā)展，尤其是在智慧交通和智慧工地的建設(shè)浪潮下，橋梁施工建設(shè)過程的信息化和精細(xì)化管理，已成為橋梁施工建設(shè)過程中的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。

橋梁施工過程的可視化動態(tài)監(jiān)測，在科研和工程領(lǐng)域中都有著重要的作用，將新技術(shù)應(yīng)用于施工建設(shè)過程管理，提高施工建設(shè)管理的信息化和實用化水平是目前研究熱點。目前，施工現(xiàn)場的可視化，通常通過二維圖片或手工建成的三維模型來展示，場景細(xì)節(jié)不夠豐富，數(shù)據(jù)處理效率低下，并且可視化表達(dá)不夠直觀和真實。因此，如何大范圍、高細(xì)節(jié)地對施工現(xiàn)場進(jìn)行真實有效的表達(dá)，是輔助施工過程可視化管理的關(guān)鍵。無人機(jī)全景技術(shù)，是一種以無人機(jī)為載體進(jìn)行圖像獲取，然后基于無人機(jī)圖像進(jìn)行建模與渲染的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可增強場景渲染效果與用戶交互。其將空中飛行過程中某一位置連續(xù)采集視野范圍的圖像處理成該視點的360°全景圖像，無需對場景數(shù)據(jù)進(jìn)行任何的具體建模，便可直接利用可視化引擎對真實影像進(jìn)行三維虛擬場景重建，并能夠準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場實際情況，實現(xiàn)360°全視角的大范圍空中監(jiān)測和現(xiàn)場感知。該技術(shù)不僅具有數(shù)據(jù)采集操作簡單、時效性強和分辨率高等特點，還有場景渲染效果逼真、交互性強、硬件依賴性低和傳輸繪制效率高等優(yōu)勢，非常有利于工程建設(shè)全過程精細(xì)化管理和信息化管理程度的提升。因此，該文提出一種利用無人機(jī)全景技術(shù)輔助橋梁施工進(jìn)度管理的方法，首先通過多旋翼無人機(jī)搭載全景相機(jī)系統(tǒng)，高效、快速地對橋梁施工現(xiàn)場進(jìn)行多時間序列的高分辨率現(xiàn)場信息采集，然后將獲取的數(shù)據(jù)處理為360°全景圖像和正射影像等信息，最后，通過構(gòu)建橋梁施工進(jìn)度可視化服務(wù)平臺對橋梁建設(shè)施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化管理和應(yīng)用，進(jìn)而輔助橋梁建設(shè)的施工過程管理。

2 無人機(jī)全景相機(jī)系統(tǒng)

全景影像大多數(shù)是通過多個相機(jī)或者單個相機(jī)旋轉(zhuǎn)、平移采集含有部分重疊區(qū)的影像，然后通過圖像拼接技術(shù)合成具有全視角的無縫全景影像。全景相機(jī)采集系統(tǒng)，根據(jù)主流數(shù)碼全景相機(jī)的成像方式，主要分為旋轉(zhuǎn)式掃描相機(jī)系統(tǒng)和多鏡頭組合相機(jī)系統(tǒng)。前者在高速移動中拍攝到的影像通常會產(chǎn)生較大的幾何形變，只適用于靜態(tài)或低速數(shù)據(jù)采集；而后者通常由一系列獨立、固定的鏡頭組環(huán)繞相機(jī)中心搭建而成，同一時刻即可完成四周全部影像數(shù)據(jù)的采集，非常適用于汽車或無人機(jī)等高速移動的載體。因此，在工程應(yīng)用中選用的無人機(jī)全景相機(jī)系統(tǒng)為多旋翼無人機(jī)搭載的多鏡頭組合相機(jī)系統(tǒng)，該相機(jī)系統(tǒng)由5個水平方向和1個垂直方向共6個相機(jī)構(gòu)成，其相機(jī)的品牌和相機(jī)內(nèi)部參數(shù)基本一致，相機(jī)陣列可覆蓋水平域360°和垂直域180°視角，相鄰兩相機(jī)視角均有一部分重疊區(qū)域，各個相機(jī)的光心盡量重合。

3 全景數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)全景相機(jī)系統(tǒng)包含5個水平方向的子相機(jī)和1個豎直方向的子相機(jī)，在全景數(shù)據(jù)處理過程中，能將空中某一個固定位置拍攝的多張影像進(jìn)行圖像投影、圖像拼接以及圖像融合等處理，生成真實感和層次感更強的360°全景圖像。同時，還可以直接利用豎直方向下視相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行影像拼接和三維重建，生成數(shù)字正射影像圖和數(shù)字地面模型等構(gòu)建三維地形場景，整體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 全景數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

在全景影像拼接中，相鄰局部圖像是由不同的相機(jī)在不同的視角進(jìn)行拍攝，各影像之間投影平面存在一定夾角，直接拼接發(fā)生變形會破壞實際場景視覺一致性，在拼接前首先需要進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定以及圖像投影。球面模型作為最為常見的全景影像投影模型，用方位角和俯仰角來表示圖像上的任意一點，能表示全景相機(jī)的全部視角范圍和反映實際場景中的客觀幾何關(guān)系，并方便計算機(jī)存儲。由于全景相機(jī)系統(tǒng)中各子相機(jī)之間的相對位置和姿態(tài)可視為固定，通常利用試驗場結(jié)合棋盤標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定，求解內(nèi)方位元素，然后在全景相機(jī)的拍攝范圍內(nèi)均勻布設(shè)標(biāo)志點并精確量測其絕對坐標(biāo)，解算子相機(jī)的外方位元素。在相機(jī)標(biāo)定后，即可利用實現(xiàn)標(biāo)定的內(nèi)外參數(shù)，對影像按球面模型進(jìn)行投影和快速、嚴(yán)密拼接，由于拍攝受光照等影響導(dǎo)致相鄰影像在亮度色彩上有差別，同時利用多分辨率圖像融合方法，按照不同頻率域?qū)D像進(jìn)行分解和重疊區(qū)域加權(quán)疊加，即使圖像間變化差異大，也可平滑融合生成高質(zhì)量全景圖像。最后，根據(jù)拼接融合后的全景影像和拍攝時的相機(jī)中心坐標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成360°空中全景影像。

在三維地形場景重建中，根據(jù)下視影像和拍攝空間坐標(biāo)信息，采用多視角多視圖三維重建技術(shù)構(gòu)建三維場景，即利用基于運動恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法(SFM)和基于面片的多視角立體視覺算法(PMVS )，實現(xiàn)密集點云的重建，通過紋理映射和地形模型構(gòu)建編輯得到正射影像圖和數(shù)字地面模型，最終生成三維地形場景。

4 全景可視化平臺開發(fā)

Web3D與GIS技術(shù)相結(jié)合是WebGIS發(fā)展的一個重要方向，Cesium是使用WebGL作為圖形渲染引擎的3D圖形引擎，作為一種輕量級的開源三維WebGIS開發(fā)框架，可以跨平臺和跨瀏覽器，不僅成本低、開發(fā)簡單，而且兼容XML、GML和GeoJSON等多種地圖格式，主要通過服務(wù)的方式加載地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)而在HTML5瀏覽器中進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)可視化表達(dá)，非常適合用于多元動態(tài)數(shù)據(jù)的可視化展示。針對360°全景和三維地形場景多元時空的特點，在Ceisum基礎(chǔ)上根據(jù)分層設(shè)計的原則，基于Web服務(wù)開發(fā)了全景可視化平臺，實現(xiàn)不同時間序列360°全景數(shù)據(jù)和三維場景的漸進(jìn)式可視化分析，輔助工程建設(shè)施工進(jìn)度管理與監(jiān)測，平臺設(shè)計體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全景可視化平臺設(shè)計體系結(jié)構(gòu)

全景可視化平臺可分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層主要是存儲360°全景和三維場景多元時空數(shù)據(jù)，為服務(wù)層提供空間數(shù)據(jù)來源，針對三維場景數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于四叉樹的瓦片金字塔模型進(jìn)行存儲，針對360°全景數(shù)據(jù)，對全景的空間位置和360°全景影像進(jìn)行關(guān)聯(lián)和存儲；服務(wù)層對瓦片金字塔數(shù)據(jù)和360°全景數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理和分發(fā)處理，通過客戶端瀏覽器Ajax請求，Web服務(wù)器接收和響應(yīng)后將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端；表現(xiàn)層為瀏覽器客戶端，作為用戶與系統(tǒng)之間的交互可視化環(huán)境，可以對橋梁施工現(xiàn)場的空中360°全景和三維場景進(jìn)行可視化展示，輔助施工建設(shè)進(jìn)度管理。

5 工程試驗

武漢沌口長江公路大橋及接線工程，是武漢市四環(huán)線的重要組成部分，也是跨越長江的關(guān)鍵性控制工程。項目起點位于徐家堡，跨長江，過青菱湖，止于107國道，線路全長 8.599 3 km，橋路比約為78.2%。工程試驗利用六軸多旋翼無人機(jī)搭載全景相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相機(jī)焦距為3 mm，影像大小為4 608×3 456。在大橋施工建設(shè)期間進(jìn)行3次數(shù)據(jù)采集，同時保證影像的旁向重疊度達(dá)60%以上。

在數(shù)據(jù)處理前，首先需要在試驗場將全景相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，然后利用標(biāo)定參數(shù)完成全部全景圖像的拼接。該系統(tǒng)只需進(jìn)行一次相機(jī)標(biāo)定，即可利用全景影像拼接軟件直接拼接獲得3個不同時期的空中全景影像，但由于拼接后影像大小為12 288×6 144，影像較大不便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，在保證影像質(zhì)量的前提下，將其壓縮為4 096×2 048。同時，根據(jù)采集的下視影像和獲取的GNSS坐標(biāo)信息，利用Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行三維重建，生成數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型構(gòu)建三維場景金字塔，如圖3所示。

圖3 生成的全景影像(左)和三維場景(右)

在數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用中，基于Cesium開源平臺開發(fā)了橋梁施工進(jìn)度可視化平臺，采用B/S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對武漢沌口長江公路大橋施工現(xiàn)場360°空中全景和三維場景可視化，可遠(yuǎn)程隨時隨地通過瀏覽器查看施工現(xiàn)場細(xì)節(jié)，360°全視角從空中無縫瀏覽施工建設(shè)現(xiàn)場。同時，可將每幅全景影像的位置信息平面地圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)和標(biāo)記，通過在平面圖中進(jìn)行點擊查找對應(yīng)位置的全景影像圖，也可以通過當(dāng)前瀏覽的全景影像反應(yīng)視點所在平面地圖中的實際位置。

在施工進(jìn)度可視化輔助應(yīng)用中，平臺可利用獲取的多期數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化對比分析，從而為工程施工建設(shè)提供一個遠(yuǎn)程的施工現(xiàn)場分析，便于施工過程管理的監(jiān)管和施工進(jìn)度的動態(tài)調(diào)整，如圖4、5所示，通過同一位置同一個視角的場景差異，明顯反映出不同時期的施工現(xiàn)場狀態(tài)。

圖4 3個不同時期的空中全景可視化及變化

圖5 不同時期的施工現(xiàn)場三維場景對比

6 結(jié)語

360°全景技術(shù)是基于圖像拼接的低成本虛擬現(xiàn)實技術(shù)，近年來在計算機(jī)視覺和虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域中頗受關(guān)注。該文提出了一種利用無人機(jī)全景技術(shù)輔助橋梁施工進(jìn)度管理的方法，可快速高效對施工現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，直接利用全景可視化平臺對施工現(xiàn)場構(gòu)建高效率、高精度、交互性強且沉浸感強的虛擬現(xiàn)實場景，并準(zhǔn)確地反映施工現(xiàn)場實際情況，為施工過程精細(xì)化管理和信息化管理提供豐富的可視化信息支持。平臺通過顯示施工過程中各個階段的施工現(xiàn)場空中全景和三維場景，不僅可以直觀反映施工現(xiàn)場情況是否符合安全文明施工要求等，還可以根據(jù)影像為突發(fā)災(zāi)害制定搶險方案提供幫助，并且將不同施工階段的施工狀態(tài)進(jìn)行對比分析，可有效直觀反映施工實際進(jìn)度情況，便于施工建設(shè)管理人員和現(xiàn)場施工人員，按照制定的施工進(jìn)度計劃表對施工計劃進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，有益于提升橋梁施工建設(shè)的精細(xì)化管理水平，從而保障橋梁施工建設(shè)施工管理水平和效率的提升。