基于无人机倾斜摄影的道路交通事故现场三维建模

潘九宝

(江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013)

0 引言

近年来，随着我国经济快速发展，机动车保有量迅猛增长。与此同时，交通出行的个性化需求以及网络服务平台的快速兴起和繁荣，网约车、外卖及快递车辆等交通工具大量参与道路交通通行，道路交通事故已呈高发态势。道路交通事故现场勘测主要内容是拍摄事故现场照片、完成事故现场定位测量及各事故元素的测量、绘制现场图。根据事故现场勘测的数据，反推事故车辆的碰撞过程，分析事故原因，为事故责任认定提供科学参考依据。

交通事故极其容易引起交通拥堵，为了减少对交通事故现场的干扰，道路交通事故现场勘测过程必须在较短时间内完成，且能够全面地采集各类信息。面对上述要求，传统的现场勘测人工作业、近景摄影测量方法仍然是在地面进行，无法快速有效地实现全局影像的获取[1-2]，不能满足当前道路交通事故快速处理的需要。近年来，随着无人机技术的快速发展和普及程度的提升，利用消费级无人机进行倾斜摄影测量已经逐渐成为一种重要的空间信息采集手段，广泛用于生成4D产品和实景三维模型[3-5]。利用无人机航拍道路交通事故现场方位和概览照片，建立了“以无人机拍摄为主、其他勘查手段为辅”的道路交通事故现场勘测新思路[6-7]。当前，无人机在道路交通事故现场勘测中，主要是作为高空移动摄影平台，用于拍摄事故现场的图像和视频[1]。随着无人机倾斜摄影测量技术的不断成熟，利用无人机拍摄倾斜影像建立道路交通事故现场的三维模型更具有应用价值。本文分析了道路交通事故现场倾斜摄影与三维建模的技术流程，结合实例分析了道路交通事故现场三维模型的质量，总结了三维模型的应用优势。

1 道路交通事故现场倾斜摄影与三维建模

1.1 无人机倾斜摄影测量技术

与传统摄影测量的垂直摄影方式不同，无人机倾斜摄影测量技术通过搭载多台不同朝向的相机，分别从不同角度获取目标的全景影像，同时记录拍摄点位的位置信息，通过后期数据处理可实现影像的空间定位。

用于倾斜摄影测量的无人机均配置了GNSS定位模块，与地面自设基准站或CORS基准站之间进行实时动态差分定位(RTK)，GNSS定位模块可以实时提供高精度的定位数据，其精度可以达到厘米级。在倾斜影像数据采集过程中，充分利用GNSS定位模块 RTK 测量高精度定位结果，在没有提前设置地面控制点的条件下进行数据采集，利用每次曝光瞬间获取的定位数据作为整个三维模型统一的空间参考基准。由于影像含有空间信息，可以在影像上直接量测地面目标的距离、面积等属性信息。在三维建模时可以为三维模型提供丰富的地物纹理，并降低建模的成本。

1.2 技术流程

内外业实施技术流程如图1所示。在无人机实施航测任务之前，需要对目标区域进行现场勘查，利用配套的航摄规划软件确定初步的技术方案，明确航测作业空域，在飞控软件中设置起降点、航高等作业参数。

在倾斜摄影测量内业处理中，需要依据物方和像方之间的解析关系，由像点坐标、影像的摄影中心和影像在地面坐标系中的位置和姿态，进一步从航拍影像上的像点确定被研究物体的位置、形状和大小及其相互关系等信息。三维模型的生成原理是通过寻找影像的特征点，然后进行特征点匹配，营造出三维立体效果，在实际生产过程中，需要依靠专业软件处理来生成三维模型，常见的处理软件有Pix4Dmapper，ContextCapture，PhotoScan，Inpho等。

图1 技术路线

2 试验分析

2.1 影像获取

以某一模拟的交通事故现场开展试验，事故现场面积约500 m2。使用大疆精灵3四旋翼无人机进行数据采集，无人机主要性能参数如表1所示。无人机的卫星定位模块支持GPS/GLONASS双系统，通过RTK可实现厘米级导航定位，为空三解算提供高精度外方位线元素初始值。

影像获取共实施飞行1个架次，通过以事故现场为中心环绕式飞行，通过云台调整使相机镜头始终朝向事故现场车辆，获得有效航片67张，其相对航高在4.2 m～22.5 m，各张航片的拍摄时间如图2所示，各张航片的平面位置如图3所示。

从图2可以看出，相邻航片之间的采集时间间隔较为均匀，航片拍摄总耗时为8分54秒。从图3可以看出，航片以事故现场为中心呈环形分布，实现了对事故现场的多角度和多高度观测，更加全面地记录现场细节。

表1 无人机主要性能参数

图2 航片的拍摄时间

图3 航片的平面位置

2.2 数据处理

影像数据处理选用 PIX4Dmapper软件，整个处理过程完全自动化，无需人为干预即可获得专业的精度。此外，该软件无需IMU姿态信息，只需影像的GNSS定位信息。PIX4Dmapper软件导入影像后，快速建立影像之间的拓扑关系，空中三角测量处理后得到原始影像的外方位元素，前方交会计算出像点对应地面点的三维坐标，经过特征点匹配后，得到影像匹配的点云，快速构建不规则三角网(TIN)，完成三维建模，并提供详细的、定量化的自动空三、区域网平差精度信息。整个数据处理流程在一台CPU i5-3470、内存4GB的计算机上耗时15分58秒。空中三角测量处理后恢复了外方位元素的航片如图4所示，事故现场三维建模的局部结果如图5所示。

图4 空中三角测量处理后的航片

图5 交通事故现场三维建模结果

2.3 模型质量评价

道路交通事故现场勘测注重现场目标的形状、大小和运动数据，如车辆间距、制动和侧滑痕迹、挫划痕等信息，因而三维重建的精度主要侧重于相对精度。首先，根据PIX4Dmapper软件生成的质量报告，以光束法区域网平差细节和内部相机参数[8-9]两个指标进行精度评价。质量报告显示光束法区域网平差后平均重投影误差为0.159像素，具有较高的精度。质量报告中的内部相机参数如表2所示，各类参数的初始值和优化值相差较小，R1，R2，R3的数值远小于1，表明各类参数均符合要求，平差结果是可靠的。

表2 内部相机参数

为了检验三维模型的相对精度，将现场中特定目标的长度与三维模型上量测得到的结果进行比对。本试验中选取现场车辆的轮毂作为参考，各类车型的轮毂半径是精确已知的常数，利用该数值可以方便地计算三维模型上量测结果的真实偏差。以现场两类车型为参考，其轮毂尺寸分别为18英寸和17英寸，对应的轮毂半径分别为22.86 cm和21.59 cm，在各类车型上分别在不同位置量取其轮毂半径，各量取10次，各次量取结果的绝对误差如图6所示。

由图6结果可以看出，特定目标的长度偏差绝对值最大为1.6 cm，最小为0.3 cm，平均值为0.8 cm，表明三维模型具有较高的精度，其量测结果能够满足道路交通事故现场勘测的需求。

图6 轮毂半径量测值与实际值的比较

3 结语

本文分析了道路交通事故现场无人机倾斜摄影与三维建模的技术流程，结合实例分析了道路交通事故现场三维模型建立的效率和精度，根据模拟事故现场的试验结果，可以得出以下结论：

(1)无人机倾斜摄影的外业耗时短、效率高，典型的交通事故现场数据采集时间少于10 min，内业处理耗时少于20 min，如果采用高性能计算机可进一步缩短内业处理时间。

(2)使用合适的内业软件能以较高的自动化处理程度完成三维建模，模型具有较高的相对精度，符合道路交通事故现场勘测的需求。

无人机倾斜摄影技术能够快速采集现场环境三维信息，将视野从传统的平面图像扩展到立体空间，影像采集过程简单易行，对道路交通的影响较小，后期处理自动化程度高，在道路交通事故现场勘测中具有较强的应用优势。利用该技术建立的三维模型可以通过不同的尺度和视角进行浏览，丰富的侧面纹理信息能够更加逼真地展示现场状况，还可以根据需要对特定要素进行量测，实现了对事故现场的数字化保存，因而无人机倾斜摄影技术建立交通事故现场的三维模型具有独特的应用价值。