无人机仿真模型在公路施工中的应用

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引言

随着西南地区隧道建设的快速发展，西南地区高速公路施工存在定位难、测量难、记录难、施工方案选择不当拖慢施工进度等问题越来越突出。利用无人机倾斜摄影测量技术建立高精度仿真三维实景模型，从模型上直接精确的测量出坐标、距离、面积、体积；计算出土方开挖量，实现半自动化施工；建立不同拟规划方案实景模型，实现可视化的方案变更，选择最佳方案。这对降低施工成本，提高施工效率具有重要意义。传统路桥工程主要以二维图纸为建设、管理依据，其弊端在于无法立体化展示不同施工方案实景模型、结构空间完整性以及可视化效果差[2]。卫星遥感影像[3]、激光扫描仪[4-5]、地基合成孔雷达[6]等技术获取影像已应用于结构测量，但卫星遥感影像获取数据精度低，扫描仪与地基合成孔雷达价格高昂，增加了施工成本。而无人机因其效率高、价格低廉、风险低、可达性强的高精度数据获取能力及多视角立体匹配运算的优势，引起土木工程广泛关注。基于此，国内外学者在路桥工程领域对无人机摄影的三维仿真实景技术开展相关的研究。俞建康[7]以某立交桥为项目支撑，研究得到无人机采集的倾斜影像制作的三维实景模型精度可靠，平面和高程精度均符合规范要求，可应用于立交桥等建筑的实际工程中，但是并未利用高精度模型进行方案比选。原明超[8]等以湖南省桂阳县欧阳海镇为背景，通过无人机倾斜摄影测量，利用ContextCapture进行实景三维建模，验证了检测点平面位置的误差、检测点高程误差均小于0.05m，满足规范要求，但该技术仅应用到地形勘测中。金爱兵[9]等采用搭载单镜头小型无人机，对露天矿山边坡进行低空摄影测量，对比研究无人机镜头旋转角度对边坡测量精度的影响，从而快速建立高精度实景三维模型，虽克服传统模型可视化效果差、效果图与真实纹理误差大等缺陷，但基于无人机倾斜摄影的高精度三维模型多用于地图集制作以及地形勘测。目前关于无人机倾斜摄影三维实景建模技术应用于路桥工程项目测量、土方量计算及方案优化比选中较少，且随着数字化的快速发展，利用计算机指导施工，降低施工成本、提升半自动化施工水平显得尤为重要，因此，对无人机倾斜摄影技术在公路施工中的应用研究十分必要。文中依托兴义环城高速，利用无人机倾斜摄影技术及ContextCapture软件构建基于真实纹理高精度兴义环高项目实景模型，对其进行距离、坐标、体积的测量；建立高低桩承台的实景模型，利用计算机计算出不同方案土方量，实现半自动化施工，缩短施工周期，为类似工程提供借鉴。

一、无人机三维实景建模技术

1．无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影测量技术是测量领域发展最迅速、高效获取地物表面信息的一种新型技术手段[9-12]，其原理是运用无人机平台搭载多台数码相机进行数据采集，相机拍摄是始终与地面保持一定角度，从多个不同角度采集地物表面的纹理信息[13-15]。倾斜摄影系统还配备有GNSS系统和惯性导航系统[16]，这两个系统在获取数据时可通过相机曝光瞬间大致的地理坐标和姿态角，同时结合生成倾斜影像相对应的POS数据，便于直接从图像上测量地物。

2．仿真三维建模技术

无人机搭载数码相机设备获取图片，基于GPU多视角立体匹配方法及点云方法，将众多图片匹配，提取图片中具有相同位置的点，并执行空三角运算，生成高密度三维点云，最终转换成三维仿真实景模型，该模型能精确还原地理信息中的空间参数及相应位置，地形地貌及地理信息都与实际情况保持一致。三维建模流程如图1所示。

二、工程应用

1．工程概况

以贵州省兴义环城峰林特大桥为依托工程，峰林特大桥跨越马岭峡谷，分别搭建在马岭峡谷两侧的义龙岸跟兴义岸，桥面离谷底364.2m，该场区位于贵州省西南部高原丘陵，属中低山溶蚀—剥蚀地貌类型，总体地势北高南低，普遍沟底纵坡较大，沟道狭窄，两侧坡面横向坡度大。

2．实景仿真模拟

西南地区地貌复杂、植被充分发育，对于该地区公路施工的整体把控往往是施工的重要关注点，如何将整个项目直观、形象生动的展示到管理者眼前，是一个工程难题。本项目利用无人机倾斜摄影技术结合GPU多视角立体匹配方法，构建基于真实纹理的仿真三维实景模型，把整个项目实景及项目的进度完整的、生动的呈现出来，如图2和图3所示。

（1）前处理

在无人机执行工作前，需选取像控点、进行航线布置，仔细检查无人机设备是否能正常工作。起飞后无人机搭载摄像头按照设定好的航线飞行，获取不同角度、不同方位的影相。

（2）后处理

无人机获取图像放置到新建工程文件夹，在将控制点添加到块，后利用ContextCapture软件计算并提取图像的特征点，通过使用CPU多视角立体匹配同名的点，计算每张图像空间位置以及姿态角以确定图片之间的关系，提交空三测量完成后开始建模，根据点云数据自动生成基于真实纹理的三维实景模型，兴义环高项目实景图如所示，管理者则可以在电脑上360°的查看整个项目及部分项目的进度。

（3）数据测量

西南地区地势崎岖险峻，采用传统测量方式增加了施工难度，且测量数据存在测量误差，而采用无人机高效、快速的获取项目区域内的影相后，利用ContextCapture软件快速、准确的建立项目基于真实纹理的三维仿真实景模型。直接从模型上精准的测量出所需要的高程、位置坐标、面积、体积等数据，而解决了喀斯特地形地貌存在的测量难、定位难、记录难与分析难等一系列问题。构建兴义环高项目的三维实景模型，如所示。在模型上对其进行坐标、距离测量，如图4（a）-（c）所示，从而降低了施工难度，提高了施工效率，缩短了施工周期。

（4）土方量计算

前处理后的项目真实影相后，提交空中三角测量然后开始建模，ContextCapture软件利用GPU多视角立体匹配方法生成高密点云数据，在根据点云数据自动生成不规则三角网形式（TIN），设计精细的网格分辨率。通过DTM法[17]以精细网格为基础求出精确的土方量。以马家沟大桥为例，建立高低桩承台仿真实景模型，计算表明采用高桩承台单个桥墩可以减少1,000余方的土方量开挖，如图5所示。无人机倾斜摄影仿真三维模型的应用实现了施工半自动化的应用，该技术的应用对类似工程具有参

三、结论

文中结合无人机倾斜摄影技术与三维仿真实景技术在兴义环高公路施工中的应用，可得出以下结论：

（1）利用无人机倾斜摄影及三维仿真实景技术

构建出基于真实纹理的高精度三维实景模型，从模型上直接测出高程、面积、坐标、体积，解决了喀斯特地貌存在测量难、定位难、分析难，记录难等问题，提高了施工效率。

（2）基于GPU多视角立体匹配方法及点云算法

构建了不同拟规划方案三维仿真实景模型，利用软件直接精确计算出不同方案需开挖土方量、填方量，从而确定了马家沟大桥选用高桩承台时，单个桥墩可减少土方量1,000余方开挖，而实现了半自动化施工，缩短了施工周期，则该技术具有较强的工程实用价值。

作者:姜远坤 单位:贵州大学