基于无人机摄影测量的桥梁实景三维重建

陈正飞

摘 要：【目的】随着三维建模技术的发展，建筑信息模型已成为工程分析和信息化管理的基础。对实际工程中缺失设计资料的老旧桥梁进行智能化检测和可视化管理及维护具有重要意义。【方法】针对老旧桥梁结构，提出基于无人机摄影测量的三维形态测量法，利用搭载单目相机的无人机来采集綦江城北大桥和内江沱江四美大桥的引桥部分影像，利用Smart3D软件来重建桥梁结构的实景三维模型，测量其具体尺寸，并与设计图纸进行对比分析。【结果】仿真结果证明了该方法的可行性，获取到的桥梁三维实景模型纹理清晰、尺寸数据精度较高。【结论】了解桥梁结构的状况及获取尺度数据，为后续BIM重建提供数据支持。

关键词：摄影测量；无人机；桥梁实景重建；Smart3D

中图分类号：P231                 文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）14-0015-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.003

3D Reconstruction of Bridge Real Scene Based on

UAV Photogrammetry

CHEN Zhengfei

（School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract：[Purposes] With the development of 3D modeling technology， building information model has become the basis of engineering analysis and information management. It is of great significance to carry out intelligent detection， visual management and maintenance of old bridges lacking design data in practical projects. [Methods] Aiming at the old bridge structure， a three-dimensional shape measurement method based on UAV photogrammetry was proposed. The UAV equipped with monocular camera was used to collect some images of the approach bridge of Qijiang Chengbei Bridge and Neijiang Tuojiang Simei Bridge. The Smart3 D software was used to reconstruct the real three-dimensional model of the bridge structure， measure its specific size， and compare it with the design drawings. [Findings] The simulation results prove the feasibility of the method， and the obtained three-dimensional real bridge model has clear texture and high accuracy of size data. [Conclusions] It can understand the status of the bridge structure and obtain the scale data， and provide data support for the subsequent BIM reconstruction.

Keywords： photogrammetry; UAV; bridge reality reconstruction; Smart3D

0 引言

中国是桥梁建造大国，截至2021年末，全国公路桥梁保有量为96.11万座。在实际工程中，存在部分老旧桥梁设计施工资料不完整的情况。检测、监测并评估这些桥梁的实时结构状态是目前迫切要解决的问题。因此，在桥梁建设运营及可视化维护管理工作中，基于桥梁结构形态及尺度信息需求，建立包含尺度及外观信息在内的桥梁三维实景模型具有重要的应用价值。

通过对桥梁进行无人机摄影测量及实景三维重建，可获得桥梁的形态、尺寸及表面纹理信息。相较于传统建模法，基于无人机摄影测量法能克服可能存在的图纸缺失问题，且能减少人工纹理映射的工作量［1］。无人机摄影测量技术具有快速、真实的优势，可为桥梁智能检测机器人提供导航和路径规划，为后期桥梁信息化管理和BIM重建提供技术与数据支持。

本研究利用搭载单目光学相机的行业级无人机对綦江城北大桥和内江沱江四美大桥引桥部分进行影像采集，在此基础上进行三维实景重建，重点探究摄影测量技术的飞行计划、影像采集、产品生成等关键流程，为桥梁三维实景建模提供参考。

1 桥梁实景三维重建

1.1 无人机摄影测量

随着计算机视觉、数字图像处理、人工智能、神经网络等技术的发展，摄影测量技术也发展到数字摄影测量阶段。得益于无人机技术和影像技術的飞速进步，无人机摄影测量也应运而生，对大规模地物的摄影测量往往会借助无人机。根据无人机活动范围广的特点，在飞行平台上挂载云台摄像模组及姿态传感器，使其穿梭于复杂空间，可对测区进行全方位的影像采集［2］。利用无人机的定位系统（GPS/RTK GNSS等）可精准定位影像中心，通过空三加密、影像匹配、不规则三角网（TIN）模型构建、纹理映射等步骤来获取被测对象整个外部表面的空间位置数据，得到具有尺度信息的三维模型。影像中包含被测物体的外部纹理，建模软件可自动将其映射到基础模型上，建立符合人眼直观视觉的三维实景模型。

1.2 桥梁实景三维重建

桥梁是一种结构形式较为特殊的工程结构，与常规建筑物不同的是，在呈现形式上桥梁结构一般为线状，且桥梁结构上部与下部的形式多种多样，在摄影测量表达上比一般建筑（如楼宇）的难度要更大。想要重建影像间的几何关系，就要保证影像有足够的重叠度［3］。因此，对桥梁的摄影测量要确保航线的良好规划，从而保证三维模型测量的完整性。桥梁的摄影测量技术流程如下。

1.2.1 倾斜摄影的影像采集。对梁拱体系桥梁而言，桥梁是由橋面系和下部构造组成的，对桥面铺装、伸缩缝、护栏及路灯等附属设施所在的桥面系部分，可采用五视角倾斜摄影法来采集影像［4］，倾斜摄影对桥面系有较好的表达，五视角包括前视、后视、左视、右视、下视。在使用五镜头倾斜摄影相机时，只需一组航线即可完成任务，而单镜头无人机要用五组不同航线才能完成此任务。在无人机航线规划软件内设置待测区域及像片航向、旁向重叠度、相机俯仰角等数据，软件会自动生成航线，并上传到无人机，由无人机执行任务。

1.2.2 贴近摄影的影像采集。由于部分桥梁的高低落差较大，常规倾斜摄影无法统一重叠度和分辨率，桥梁下部结构高程较低的区域存在重叠度高、分辨率低的现象，高程较高的区域存在重叠度低、分辨率高的现象，导致数据处理的空三分层或建模后的效果差。因此，单一航高无法满足建模要求。而无人机可结合贴近摄影测量，采取立面分层飞行法对桥梁进行影像采集［5-6］，能提升桥梁下部结构的整体分辨率［7］。

1.2.3 影像三维重建。使用Bentley公司研发的Context Capture（Smart3D）软件和Agisoft公司研发的Metashape软件进行三维重建，二者在空中三角测量和建模质量上各有优劣。Metashape软件的空三计算能力优秀且影像畸变纠正能力较强，Context Capture软件在生产模型质量方面具有优势［8］。三维重建时要精确计算出所采集图像的外方位元素（即定向参数）［9］。对像片进行空中三角测量（也称对齐照片），在Metashape中对空中三角测量的精度及提取关键点的数量进行设置，Metashape对较复杂的场景有较好的空中三角测量效果。因此，需要采用Metashape软件的照片对齐功能对空中三角测量部分进行处理。

在将照片对齐后，按工作流程建立密集点云，构建稠密的三维点云信息，为三维模型生产做好准备。分布均匀、误匹配少、精度高的影像匹配是影像高精度自动定向的重要保障［10］。在Metashape中生成交换数据，将空中三角测量结果导入到Context Capture软件中来构建模型，如图1所示。

在无人机影像采集外业工作结束后，对获取到的影像数据进行处理，得到桥梁实景三维模型。整个桥梁实景三维重建的技术流程如图2所示。

2 试验项目

2.1 无人机平台配置

采用大疆科技生产的御Mavic 2行业进阶版执行飞行任务，搭载红外与光学双相机，无人机平台配置具体参数见表1。

2.2 綦江城北大桥

本研究以綦江城北大桥为试验对象，该桥位于綦江区沙溪路与G210国道的交汇处，经纬坐标为东经106.631 1°、北纬29.030 3°。桥梁使用的是钢筋混凝土，全长约为130 m，本次共完成5 713 m2区域的航空影像数据采集。无人机平台分别从5个方向来采集桥梁影像数据，飞机轨迹达4.66 km，倾斜摄影采集航点如图3所示。

在建模过程中，为保证拱圈底部能与水面正确分离，在布设航线时，应规划一组自动航线或采用手动飞行的拍摄方式，以低于拱圈高度来对桥梁进行贴近摄影测量。结合贴近摄影测量，可对物体进行很好的影像覆盖，从而使模型效果更精细、真实。为满足像片间的重叠率要求，采集航点如图4所示。

最终采集到514张可用于三维重建的像片。其中，倾斜摄影像片452张，贴近摄影测量像片62张。模型投影采用的是WGS84坐标系，通过空三加密、影像匹配、不规则三角网（TIN）模型构建与纹理映射等步骤可建立清晰完整的桥梁三维实景模型，如图5所示。

2.3 内江沱江四美大桥

内江沱江四美大桥位于四川省内江市市中区G321国道与沱江交汇处，主桥为上承式混凝土拱桥。选取其三跨简支梁引桥为采集对象，全长为60 m、地面覆盖范围为40 927.76 m2，本次共采集到378张可用于三维重建的像片。桥梁实景模型如图6所示。

空中三角测量精度是影响模型质量较为关键的因素。空中三角测量后会生成连接点，连接点的质量越高，加密后三维模型的精度也越高［11］。解算出的连接点精度见表2。

对选取的四美大桥7组桥梁结构实景模型中测量得到的特征长度与已有的桥梁设计图纸、已知的特征距离进行对比，即对引桥梁高、墩柱中心线距离、桥面宽度、桥墩水位标高线、引桥长度、人行道宽及墩柱直径进行对比，结果及精度统计见表3。

研究表明，通过摄影测量重建获得的三维实景模型纹理清晰，且与实际结构的尺寸误差不超过1%，可满足工程要求。在缺少老旧桥梁设计资料的情况下，构建基于无人机摄影测量的桥梁实景三维模型，为了解桥梁状况及后续BIM重建、开展可视化管理提供数据支持。

3 结语

本研究采用基于无人机摄影测量的技术，通过分析桥梁实景三维重建的关键技术及难点所在，并在綦江城北大桥和内江沱江四美大桥上进行验证，利用Metashape和Smart3D平台来重建桥梁实景三维模型。结果表明，实景三维模型具有良好的分辨率和纹理细节，地理位置信息准确，尺寸数据具有较好的精度。相较于传统的桥梁测量及建模方法，该方法具有建模速度快、模型真实程度高等优点。但不可忽视的是，由于无法全方位采集桥梁的各处细节，模型局部仍不可避免地出现一些拉花、空洞现象。采集的影像数据因必须存在足够的重叠度用来计算连接点，存在着大量的数据冗余，导致计算机处理压力增加。因此，通过无人机对桥梁等特殊构筑物的数据采集路径优化还需进一步研究。

参考文献：

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