傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在古橋檢測(cè)與保護(hù)中的應(yīng)用研究

嵇騰嬌 史玉峰 杜雨柯 姚雲(yún)瀚

摘 要：近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，衍生出許多以無(wú)人機(jī)作為載體的測(cè)量方法。通過(guò)無(wú)人機(jī)采集航拍影像的方法具有成本低，操作簡(jiǎn)單，且方便快捷的特點(diǎn)。而在古橋保護(hù)方面，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍影像建立高精度三維模型，以此作為古橋檢測(cè)及保護(hù)的依據(jù)，也成為了一種新的思路。本文主要介紹傾斜攝影測(cè)量技術(shù)中，影像數(shù)據(jù)處理的原理及流程。通過(guò)南京市七橋甕的實(shí)例，分析在古橋檢測(cè)和保護(hù)方面，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量技術(shù); 古橋; 三維模型; Context Capture; 檢測(cè)與保護(hù)

中圖分類號(hào)：P231? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）11-171-002

1.引言

古橋承載著中國(guó)文化悠久的積淀，也是幫助人們?nèi)チ私獠Ⅲw會(huì)城市和文明發(fā)展歷程的橋梁。這些代表著各自地域文化的古橋，也是一種不可再生能源，在歷史、藝術(shù)和科學(xué)領(lǐng)域都具有非常高的價(jià)值。如果出現(xiàn)破損甚至毀壞，古橋本身及其蘊(yùn)含的歷史文化信息都將消失，對(duì)于研究領(lǐng)域也是一種莫大的損失。基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所建立的三維模型有著精度高、速度快的優(yōu)勢(shì)，在古建筑保護(hù)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、成本低、測(cè)量效率高的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建的三維實(shí)景模型具有人為干預(yù)因素少和模型場(chǎng)景逼真的優(yōu)點(diǎn)，在三維建模和工程測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用前景?；诖耍疚囊阅暇┢邩虍Y為例，探究?jī)A斜攝影測(cè)量技術(shù)在古橋的檢測(cè)和保護(hù)中的應(yīng)用。

2.基本原理及關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量是一種新興的航空攝影測(cè)量技術(shù)^[1]，它是在傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可以在同一平臺(tái)上搭載多個(gè)角度的相機(jī)^[2]，按固定航線對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝，獲取地物側(cè)面紋理信息，有效地避免了垂直攝影無(wú)法獲取側(cè)面信息的缺陷，能夠?qū)崟r(shí)反映出地物三維信息，進(jìn)行三維實(shí)景模型的建立。傾斜攝影系統(tǒng)本身安裝了GNSS模塊和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在獲取影像數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以獲取相機(jī)曝光瞬間的姿態(tài)角和地理坐標(biāo)（POS數(shù)據(jù)），從而可以直接在影像上對(duì)地物進(jìn)行量測(cè)。傾斜攝影技術(shù)結(jié)合相應(yīng)的航空攝影測(cè)量軟件，經(jīng)過(guò)影像匹配、空中三角測(cè)量、自動(dòng)生成DSM、紋理映射等過(guò)程，可以生產(chǎn)出具有真實(shí)紋理的三維模型。

2.2傾斜影像的特性

2.2.1多角度拍攝

傾斜攝影系統(tǒng)相機(jī)傾斜角度一般為35°或者45°，除了獲取目標(biāo)頂部紋理，通過(guò)傾斜角度還能獲取目標(biāo)側(cè)面紋理。傾斜攝影作業(yè)可以設(shè)置較低的飛行高度，所以獲取的影像分辨率較高。

2.2.2具有仿射變形

與垂直影像相比，傾斜影像不再是影像與實(shí)際地物之間的相似變換，增加了影像匹配的難度。

2.2.3重疊度較高

傳統(tǒng)的垂直攝影對(duì)重疊度要求較低，一般要求航向重疊度高于60%，旁向重疊度高于30%。由于傾斜攝影增加了仿射變形，需要較高的重疊度來(lái)實(shí)現(xiàn)影像糾正，所以傾斜影像一般要求航向、旁向重疊度分別不低于80%、70%。

2.2.4數(shù)據(jù)量大

傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)搭載多個(gè)相機(jī)，所以在無(wú)人機(jī)航飛作業(yè)完成后，每個(gè)相機(jī)都會(huì)獲取同等數(shù)量的影像，導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)量巨大，這就對(duì)攝影測(cè)量軟件的處理性能提出了更高的要求。

2.2.5多視影像密集匹配生成密集點(diǎn)云

多視影像密集匹配是傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，從根本上區(qū)別于傳統(tǒng)的航空攝影。傳統(tǒng)的垂直攝影最終成果是正射影像，可以作為生產(chǎn)地形圖的底圖，具有一定重疊度的立體，相對(duì)還可以進(jìn)行立體測(cè)圖，從而生成3D產(chǎn)品。傾斜影像可以在空三加密的基礎(chǔ)上進(jìn)行密集匹配，從而生成高密度三維點(diǎn)云，在點(diǎn)云基礎(chǔ)上構(gòu)建三角格網(wǎng)，最終可以構(gòu)建三維模型，基于三維模型還可以生成真正射影像。

2.3傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程

傾斜攝影涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：影像預(yù)處理、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、生成DSM、構(gòu)建三維模型等。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

2.4傾斜攝影測(cè)量三維模型構(gòu)建方法流程

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建三維模型的基本原理，是利用無(wú)人機(jī)在高空飛行的過(guò)程中對(duì)觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行全方位的影像采集。以此為基礎(chǔ)就可以獲得觀測(cè)對(duì)象多角度的紋理影像，再利用攝影測(cè)量的相關(guān)算法完成影像匹配的工作?；谟跋駜?nèi)方位元素和外方位元素，建立與測(cè)區(qū)相對(duì)應(yīng)的航帶模型，采用解析法進(jìn)行聯(lián)合平差，就可以完成空中三角測(cè)量。再通過(guò)密集匹配生成三維點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，完成模型的紋理映射。最后，就可以導(dǎo)出附有正式紋理的高精度三維模型了?；跓o(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維模型構(gòu)建方法主要分為兩個(gè)步驟：數(shù)據(jù)采集階段和三維模型構(gòu)建階段。其技術(shù)流程如圖2所示。

3.實(shí)例應(yīng)用分析

本文以南京市七橋甕古橋?yàn)槔?，采用大疆精靈4Pro無(wú)人機(jī)，獲取古橋影像數(shù)據(jù)，按照技術(shù)流程建立古橋模型，并檢測(cè)分析其表面病害情況，提高檢測(cè)效率。

3.1實(shí)地勘察

七橋甕建于明代正統(tǒng)五年（公元1440年），是南京地區(qū)現(xiàn)存規(guī)模最大的磚石構(gòu)筑拱橋。此橋主體橋身共有7個(gè)橋孔，故名曰七橋甕。拱橋全長(zhǎng)達(dá)99.84米，橋面寬13米。此橋的形態(tài)酷似彎弓。拱橋的橋體為青石花崗巖質(zhì)地，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固而緊實(shí)。七橋甕的七個(gè)橋孔中，第四個(gè)也就是中間的橋孔是最大的，其余向兩邊分別對(duì)應(yīng)，兩兩形狀相同且依次變小。橋周圍是水域，并無(wú)大型建筑遮擋，適合于無(wú)人機(jī)飛行。七橋甕實(shí)景圖如圖3所示。

3.2數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集使用大疆精靈4Pro無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭FC6310相機(jī)，在天氣狀況良好的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。觀察七橋甕周圍地形后進(jìn)行飛行參數(shù)設(shè)置，將飛行高度設(shè)置為45米，旁向重疊度和航向重疊度按照默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。飛行區(qū)域覆蓋橋周圍20米，確保能獲取古橋側(cè)面紋理。飛行時(shí)間約15分鐘，數(shù)據(jù)采集獲取古橋影像共348張，觀察影像發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)狀況良好，影像中古橋側(cè)面紋理能較為清晰地展示，為古橋三維模型的建立提供影像數(shù)據(jù)。

3.3構(gòu)建古橋三維模型

對(duì)影像數(shù)據(jù)的處理主要采用軟件ContextCapture完成，ContextCapture是Bentley公司生產(chǎn)的實(shí)景三維建模軟件，擁有全世界最頂尖的數(shù)字影像處理手段和計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖形算法，對(duì)簡(jiǎn)單的連續(xù)圖像加以處理就可以構(gòu)建具有豐富側(cè)面紋理的三維模型。將帶有坐標(biāo)信息的古橋影像數(shù)據(jù)和立體環(huán)形航空影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件中，然后對(duì)其進(jìn)行空三加密、密集匹配制作高精度的古橋三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行紋理映射，形成古橋?qū)嵕叭S模型，如圖4所示。

3.4古橋表面病害分析

古橋模型建立后，通過(guò)目視觀察古橋模型，可以了解其表面病害情況。通過(guò)ContextCapture對(duì)病害進(jìn)行測(cè)量，了解病害范圍和量級(jí)，為古橋保護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。

通過(guò)對(duì)古橋模型進(jìn)行目視觀察，可以發(fā)現(xiàn)古橋表面存在一定量的裂縫和磚石脫落情況，且范圍較大，之后對(duì)于古橋應(yīng)該加強(qiáng)維護(hù)，及時(shí)對(duì)古橋表面的裂縫和磚石脫落情況進(jìn)行修繕處理。

4.總結(jié)

本文將低成本、高效率的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于古橋表面病害檢測(cè)中，無(wú)接觸無(wú)損害就能夠獲取古橋多角度影像數(shù)據(jù)，建立古橋三維模型，提取相應(yīng)病害幾何特征，為古橋維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。該方法減少測(cè)量實(shí)踐、降低測(cè)量成本，值得在同類項(xiàng)目中推廣和應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2019NJFUPITP0457）

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作者簡(jiǎn)介：嵇騰嬌，學(xué)士，研究方向：傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用。通訊作者簡(jiǎn)介：史玉峰，博士，教授。