超低空無人機交通事故現場三維建模勘測系統設計*

向懷坤，陳淑儀

超低空無人機交通事故現場三維建模勘測系統設計*

向懷坤，陳淑儀

（深圳職業技術學院 汽車與交通學院，廣東 深圳 518055）

針對傳統的道路交通事故現場勘測主要依靠人工作業存在的工作效率低、人為因素影響等諸多不足，本文利用超低空無人機在道路交通事故現場勘查中多角度信息采集的優勢，設計了基于超低空無人機航拍道路交通事故現場三維建模勘測系統，對所涉及的三維建模方法、交通事故現場勘測成圖方法等關鍵內容進行了論述，最后以模擬交通事故場景下的無人機航拍圖像，對所設計的道路交通事故三維建模勘測系統進行了驗證，結果表明設計方案可行．

超低空無人機；三維建模；Smart3D；交通事故；現場勘測

道路交通事故現場勘測是交通事故現場勘查與處置過程中的重要環節，主要涉及現場拍照、測量事故特征參數以及繪制現場事故圖．交通事故發生后，容易引發道路交通擁堵，如果處置不當，還會誘發并造成次生事故．為了減少交通事故的干擾，避免連鎖事件的發生，必須盡量縮短事故現場勘測時間，同時，作為交通事故責任認定、保險理賠及事故分析與管理等工作的基礎資料，道路交通事故現場勘測成果的準確性和有效性也顯得尤為重要．

目前，我國道路交通事故現場勘測仍主要依靠人工作業模式，現場勘測人工作業具有高度的靈活性、機動性和可靠性，但也存在費時費力，成果質量因人而異，甚至引入人為誤差等問題．道路交通事故現場勘測的關鍵問題：1）如何快速地取得事故現場全景圖像；2）如何快速地取得事故特征參數；3）以及如何快速地繪制事故現場圖．事故現場全景圖像的拍攝與事故特征參數的提取，得益于計算機視覺技術、近景攝影測量技術以及交通事故再現理論與技術的發展．日本于1967年推出利用近景攝影測量勘查交通事故現場的專用警車，20世紀80年代中后期，一些交通事故現場攝影測量專用軟件如TRANS4、FOTOGRAM和PC-RECT等陸續問世．我國于20世紀90年代開始研究三維近景攝影測量技術在事故再現領域的應用[1-3]．隨著全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）、移動互聯網及智能終端等技術設備的快速發展，新一代交通事故現場繪圖系統不斷涌現．雖然這些成果利用近景攝影測量技術和計算機繪圖技術實現了道路交通事故現場勘測的主要工作內容，但是由于現場的近景攝影測量過程仍然在地面進行，在實際操作中存在諸多不便，無法快速地、便捷地、可靠性取得事故現場全局的影像，這是導致當前道路交通事故現場勘測效率低下的主要原因．

隨著低空無人機特別是消費級無人機的迅猛發展，以及伴隨而來的基于無人機傾斜攝影測量技術的日臻成熟，為破解上述道路交通事故現場勘測的關鍵問題提供了較好的解決方案．當前，無人機傾斜攝影測量技術主要應用于三維建模景觀展示和地理測繪領域，在道路交通事故現場勘測方面，無人機雖然已經被采用，但主要還是被作為一個高空移動攝影平臺，用于拍攝事故現場的圖像和視頻，安徽省為此在全國率先推出了地方標準《DB 34/T 2925-2017道路交通事故現場無人機勘測技術規范》，對用于道路交通事故現場勘測條件、無人機條件、拍照方法等提出了規范性要求[4]．文獻[5]研究了基于小型無人機進行事故現場勘查的一些關鍵技術問題，提出了基于小型無人機攝影測量的“改進四點法”．目前，在基于低空無人機進行道路交通事故現場三維建模分析方面的成果還不多見，還有許多問題有待深入研究．本文提出基于超低無人機航拍獲取正射影像與傾斜影像，進行交通事故現場的三維建模并提取交通事故特征參數與事故現場圖繪制的技術方案．

1 三維建模的基本方法

三維建模（即3D建模），是指根據研究對象的三維信息構建其立體模型，然后利用相關建模軟件或編程語言，將該模型在屏幕上顯示出來并對模型進行各種操作和處理的活動總稱．

1.1 三維建模原理

三維建模原理主要涉及三個方面：基于幾何參數的建模，基于圖像的建模和基于幾何參數與圖像混合的建模．其中，基于幾何的建模原理最早被提出來，目前應用已較為廣泛，典型的應用軟件包括AutoCAD、3DMAX等，但這種建模方法在復雜對象的建模過程中還很困難．隨著無人機的逐步廣泛應用，利用無人機采集各類圖像越來越方便，因此利用無人機航拍圖像進行三維建模成為研究熱點，經過十多年的發展，目前基于圖像的建模方法已基本成熟，當然，基于圖像的建模也有其不足之處，那就是圖像采集不到的區域，就無法進行三維建模．為解決這一困難，人們研究將幾何參數構圖與圖像建模相結合，可以解決那些復雜地物對象的建模工作．

圖1給出了通用的基于無人機航拍影像的三維建模工作原理流程．利用無人機航拍，取得正射影像和傾斜影像，將其進行導入專業軟件進行區域整體平差處理，在此基礎上進行多視角影像密集匹配計算，其中要結合標志點（point of sign，POS）信息，進行空中三角網平差處理（即空三解算），得到計算區域的點云數據，然后由點云數據構成不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN），由此可生成三維模型，通過粘貼紋理影像，最后得到附有紋理的三維模型場景．

圖1 三維建模原理圖

1.2 三維建模軟件對比

目前主流的基于航拍影像進行三維建模的軟件有Bently公司的ContextCapture（Smart3D），俄羅斯Agisoft公司的PhotoScan，瑞士Pix4D公司Pix4D mapper．

Smart3D是法國的Acute3D公司研發的一款產品．該產品基于GPU圖形運算單元進行快速建模，可以在圖片質量符合要求下，無須人工干預進行快速、簡單、全自動處理，不僅可用于實景地理三維模型構建，還可以用于其他應用如模具、特定地物等的三維建模，并且還支持輸出多種數據成果和兼容多種數據源．PhotoScan是一款優秀的基于航拍影像自動生成高質量三維模型的軟件，其操作過程無需設置初始值，也無須相機檢校，可對任意照片進行處理且無需控制點，可通過影像分析控制點生成真實坐標的三維模型，對照片的拍攝位置沒有特殊要求，無論是航攝照片還是高分辨率數碼相機拍攝的影像都可以使用，整個影像定向和三維模型重建工作流程基本全自動化．Pix4d Mapper也是一款集全自動、快速、專業及高精度于一體的無人機數據和航空影像處理軟件，無需人工干預即可將數千張影像快速制作成專業的、精確的二位地圖和三維模型．

從建模精度的角度分析可知，三維建模成果的精度不僅與拍攝圖像的分辨率、圖像的清晰度、圖像重疊度等因素為關，還與控制點點位的精度信息有關，除此之外，還需要三維建模軟件在進行控制點信息提取、區域整體平差和TIN構建時的數據處理取舍精度有關，這些都決定了三維建模成果是否可以用于后續的高精度數字化信息的提取，因此，三維建模軟件只是完成高精度數字化影像成果的一個基本條件．

2 面向三維建模的無人機航拍需求

面向三維建模的無人機航拍的關鍵技術之一是傾斜攝影測量技術．從某種意義上講，傾斜攝影技術是地面近景攝影測量和航空攝影測量的集成．它是無人機及其多視角攝像傳感器設備出現后，基于計算機視覺、攝影測量學理論與技術的基礎上，衍生出來的一種集成創新技術．它利用飛行平臺上所搭載的多視角圖像采集傳感器，比如單鏡頭、五鏡頭攝像機系統，同時取得垂直與傾斜角度下采集的影像數據，圖2所示的垂直攝影是傳統的航空攝影測量采集正射影像圖的成像概念模型，其中的傾斜攝像所示是傳統的地面近景攝影測量采集傾斜影像的成像概念模型．在取得多視角影像的基礎上，傾斜攝影技術利用傳統的攝影測量學理論進行空三解算、圖像模式識別、不規則三角網構建及三維影像視覺處理，最后得到數字三維模型．

相比于人工建模，以及傳統的低空近景攝影測量三維建模，傾斜攝影測量技術可以極大地加快大場景精細三維模型的生成速度，并解決低空攝影測量只能從垂直角度獲取數據的局限，從多個角度獲取影像數據，實現三維場景的快速、高效、低成本的真實還原[6]．在本文中，面向道路交通事故現場勘測的三維建模，需要利用無人機航拍平臺，同時獲取正射（垂直）影像和傾斜影像，為此需要專用的攝像設備，并保證有必要的現場控制點信息．目前，低空無人機均配置了GPS和高度量測設備，可據此進行初步定位獲取三維信息，但對于局部交通事故現場的建模與成圖而言，可以構建相對坐標系對道路交通事故現場進行坐標處理．

圖2 傾斜攝影與垂直攝影圖

3 基于無人機航拍三維建模的交通事故現場勘測系統設計

3.1 無人機航拍三維建模的交通事故現場勘測系統結構

無人機航拍三維建模的交通事故現場勘測系統由交通事故勘測專用無人機、現場勘測數據采集與處理終端、現場勘測成果輸出與執法終端、交通事故管理中心端四大子系統構成，如圖3所示．

3.2 無人機航拍三維建模的交通事故現場勘測系統功能

無人機航拍三維建模的交通事故現場勘測系統的主要功能包括：

1）無人機航拍功能：需要由專業人員對無人機進行操控，在指定地點航拍所需要的用于三維建模的交通事故現場勘測所需要的各類資料．現場航拍流程如圖4所示．

2）三維建模功能：能導入無人機航拍影像，進行三維建模操作，完成定地點區域交通事故現場勘測對象的三維建模任務．

3）交通事故勘測功能：能按照公安部相關規范和標準的要求，在三維模型上進行交通事故現場勘測，生成符合標準的成果用于交通事故處理．

4）交通事故勘測成果輸出功能：可以現場完成交通事故現場勘測成果的輸出打印、查詢等功能．

5）交通事故資料上傳：能將交通事故現場勘測資料數據上傳到交通事故管理中心端，為中心端基于大數據的交通事故分析、管理、處置等提供依據．

圖3 無人機航拍三維建模的交通事故現場勘測系統結構

圖4 現場拍照流程

4 基于無人機航拍三維建模的交通事故現場勘測系統開發測試

4.1 交通事故情景構建

為對本文的技術路線進行實驗，模擬現場搭建了相應的事故情景如圖5．在深圳職業技術學院西麗湖校區東門口，模擬了一場兩車碰撞的交通事故．甲車直行往西麗湖路方向行駛；乙車左轉彎往沙河西路行駛；兩車在乙車左轉彎過程中發生碰撞．

圖5 事故模擬現場航拍圖

由于安全的考慮，本文實測時請深圳市交警局無人機飛控大隊兩位資深工程師幫助，于2018年11月17日中午，選用大疆超低空無人機進行事故模擬現場拍攝，成了道路交通事故現場模擬場景的布置，以及相應的無人機圖像拍攝任務．

4.2 交通事故三維重建

作為系統測試，本文選取ContextCapture（Smart3D）創建工程，完成事故模擬現場三維建模，建模過程主要包括導入航拍圖片、空三處理、重建生成模型這幾大步驟，工作流程如圖6所示．其中，重建生成模型時，默認是不分塊的（No tiling），Smart3D 的Expected maximum RAM usage per job代表每項處理任務的最大期望內存值，因此計算機可用內存必須大于這個內存值，而當前的處理任務中，期望內存值是11個GB，對于處理它的只有4GB裝機內存的計算器是不可行的，所以需要進行分塊處理，使得每塊處理所需的內存控制在計算器的可用內存以下．

4.3 交通事故三維勘測

三維建模完成后，得到了數字化的交通事故模擬現場的三維信息．在此基礎上，一方面，可以通過人工旋轉、放大或縮小操作，在圖上勘查事故模擬現場的各方位的信息，進行交通事故現場的勘測工作．

交通事故現場勘測的具體內容及輸出成果，需要遵照相應的標準規范．在道路交通事故現場勘測領域，目前我國公安部頒發了一些標準，包括《道路交通事故現場勘驗照相》標準、《道路交通事故現場圖繪制》標準、《道路交通事故現場圖形符號》標準等等．在道路交通事故勘測階段，除了輸出道路交通事故照片、交通事故現場圖以外，還可以接合三維數字化模型，對交通事故現場的一些特征參數進行提取和分析，這需要借助計算機視覺理論技術，對圖像進行識別．在常規的現場勘查中，包括對事故各主體產生的痕跡進行檢驗，提取現場各種印記、印痕，如路面的痕跡、車體的痕跡、物體的痕跡及散落物等等，還有對車輛結構的破損情況、車體接觸位置、狀態、角度等進行提取，以方便處置人員或分析人員對道路交通事故特性進行分析，包括對當事人是否處于疲勞、酒后駕車或服用某些藥物等進行分析．

圖6 交通事故三維建模及勘測工作流程圖

在上述工作中，交通事故現場勘測圖可以現場輸出，但需要連接相應的打印設備．道路交通事故現場圖是根據相關的繪圖標準、運用規范的制圖符號，利用正投影原理繪制完成的，主要用于記錄與事故有關的車輛、物體、痕跡等現場遺留物位置信息，是道路交通事故處置的重要依據．除了輸出交通事故現場勘測圖，還可以在三維模型上測量事故車輛、現場遺留痕跡、剎車痕跡的長度等數據，以及通過3D模型可以測量事故區域的面積和體積，這些數據可作為交通事故認定、事故分析的參考．

5 結 論

本文在總結分析道路交通事故現場勘測領域當前的研究開發現狀基礎上，提出超低空無人機交通事故現場三維建模勘測系統，并就測試該系統進行了硬軟件搭建及開發技術路線的驗證．根據對模擬事故現場勘測案例的測試，可以得出以下結論：

1）運用無人機3D建模方法采集到的交通事故現場信息可以滿足傳統的交通事故現場勘測工作對信息采集的要求．

2）運用無人機3D建模方法，可以快速地獲取道路交通事故現場相關對象的幾何信息，如車輛變形、痕跡以及碎片的大小．

3）無人機3D建模可以完整的看到整個道路交通事故現場的全局影像，能夠較完整地保留事故現場，為二次勘測提供依據．

由于基于無人機航拍受天氣影響較大，另外三維建模對計算機性能有較高要求．因此，如何將無人機與傳統方法相結合開發出實用化產品是有待進一步研究的問題．

[1] 魯光泉，李一兵．基于普通數碼相機的交通事故攝影測量技術及其研究進展[J]．交通運輸工程與信息學報，2005，3（3）：63-67．

[2] 熊靜．道路交通事故現場與過程重建系統研究[D]．長安大學，2007．

[3] 王東瑋．道路交通事故現場圖繪制系統的設計與實現[D]．天津大學，2016．

[4] DB 34/T 2925-2017道路交通事故現場無人機勘測技術規范[R]．安徽省質量技術監督局，2017．

[5] 陳強，許洪國，譚立東．基于小型無人機攝影測量的交通事故現場勘查[J]．吉林大學學報（工學版），2016，46（05）：1439-1446．

[6] 劉本寧，黃兵，張陳鋒．傾斜攝影測量技術在三維建模中的應用[J]．城市勘測，2018（01）：37-40．

Design of Traffic Accident Scene 3D Modeling and Survey System based on Ultra Low Altitude UAV

XIANG Huaikun, CHEN Shuyi

（）

Old-fashioned traffic accident survey has the shortcomings of low efficiency and lack of objectivity due to heavy reliance on manual work. To cope with this dilemma, this paper designs a road traffic accident three-dimensional modeling and survey system using ultra-low altitude unmanned aerial vehicle (UAV), which has a huge advantage in multi-angle information collection in road traffic accident site investigation. The key content of the three-dimensional modeling method and the traffic accident site survey mapping method are discussed. Finally, the system is verified by images taken by ultra-low altitude UAV on the simulated traffic accident scene. The results show that the design scheme is feasible.

ultra-low altitude UAV; three-dimensional modeling; Smart3D; traffic accident; site survey

2019-06-17

深圳市科創委基礎研究項目（項目編號：JCYJ20180305163701198）；深圳市科技計劃資助項目（項目編號：JSGG20170822093602485）

向懷坤，男，四川人，博士，副教授，主要研究方向：城市智能交通管理與控制．

U491

A

1672-0318（2020）01-0029-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.01.005