傾斜攝影測量技術在古橋檢測與保護中的應用研究

嵇騰嬌 史玉峰 杜雨柯 姚雲瀚

摘 要：近年來，隨著無人機技術的不斷發展，衍生出許多以無人機作為載體的測量方法。通過無人機采集航拍影像的方法具有成本低，操作簡單，且方便快捷的特點。而在古橋保護方面，通過無人機航拍影像建立高精度三維模型，以此作為古橋檢測及保護的依據，也成為了一種新的思路。本文主要介紹傾斜攝影測量技術中，影像數據處理的原理及流程。通過南京市七橋甕的實例，分析在古橋檢測和保護方面，基于無人機平臺的傾斜攝影測量技術的應用。

關鍵詞：傾斜攝影測量技術; 古橋; 三維模型; Context Capture; 檢測與保護

中圖分類號：P231? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）11-171-002

1.引言

古橋承載著中國文化悠久的積淀，也是幫助人們去了解并體會城市和文明發展歷程的橋梁。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、藝術和科學領域都具有非常高的價值。如果出現破損甚至毀壞，古橋本身及其蘊含的歷史文化信息都將消失，對于研究領域也是一種莫大的損失。基于無人機平臺的傾斜攝影測量技術所建立的三維模型有著精度高、速度快的優勢，在古建筑保護領域已經得到廣泛應用。無人機傾斜攝影測量技術具有操作簡便、成本低、測量效率高的優勢，構建的三維實景模型具有人為干預因素少和模型場景逼真的優點，在三維建模和工程測量中有著廣泛的應用前景。基于此，本文以南京七橋甕為例，探究傾斜攝影測量技術在古橋的檢測和保護中的應用。

2.基本原理及關鍵技術分析

2.1傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量是一種新興的航空攝影測量技術^[1]，它是在傳統航空攝影測量技術基礎上發展起來的。無人機傾斜攝影測量可以在同一平臺上搭載多個角度的相機^[2]，按固定航線對目標區域進行拍攝，獲取地物側面紋理信息，有效地避免了垂直攝影無法獲取側面信息的缺陷，能夠實時反映出地物三維信息，進行三維實景模型的建立。傾斜攝影系統本身安裝了GNSS模塊和慣性導航系統，在獲取影像數據的同時，可以獲取相機曝光瞬間的姿態角和地理坐標（POS數據），從而可以直接在影像上對地物進行量測。傾斜攝影技術結合相應的航空攝影測量軟件，經過影像匹配、空中三角測量、自動生成DSM、紋理映射等過程，可以生產出具有真實紋理的三維模型。

2.2傾斜影像的特性

2.2.1多角度拍攝

傾斜攝影系統相機傾斜角度一般為35°或者45°，除了獲取目標頂部紋理，通過傾斜角度還能獲取目標側面紋理。傾斜攝影作業可以設置較低的飛行高度，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

傳統的垂直攝影對重疊度要求較低，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實現影像糾正，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數據量大

傾斜攝影測量系統搭載多個相機，所以在無人機航飛作業完成后，每個相機都會獲取同等數量的影像，導致影像數據量巨大，這就對攝影測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云

多視影像密集匹配是傾斜攝影測量的關鍵技術之一，從根本上區別于傳統的航空攝影。傳統的垂直攝影最終成果是正射影像，可以作為生產地形圖的底圖，具有一定重疊度的立體，相對還可以進行立體測圖，從而生成3D產品。傾斜影像可以在空三加密的基礎上進行密集匹配，從而生成高密度三維點云，在點云基礎上構建三角格網，最終可以構建三維模型，基于三維模型還可以生成真正射影像。

2.3傾斜攝影測量數據處理流程

傾斜攝影涉及的關鍵技術主要包括：影像預處理、多視影像聯合平差、多視影像密集匹配、生成DSM、構建三維模型等。數據處理流程如圖1所示。

2.4傾斜攝影測量三維模型構建方法流程

基于無人機平臺的傾斜攝影測量技術構建三維模型的基本原理，是利用無人機在高空飛行的過程中對觀測對象進行全方位的影像采集。以此為基礎就可以獲得觀測對象多角度的紋理影像，再利用攝影測量的相關算法完成影像匹配的工作。基于影像內方位元素和外方位元素，建立與測區相對應的航帶模型，采用解析法進行聯合平差，就可以完成空中三角測量。再通過密集匹配生成三維點云，構建不規則三角網，完成模型的紋理映射。最后，就可以導出附有正式紋理的高精度三維模型了。基于無人機傾斜攝影測量的三維模型構建方法主要分為兩個步驟：數據采集階段和三維模型構建階段。其技術流程如圖2所示。

3.實例應用分析

本文以南京市七橋甕古橋為例，采用大疆精靈4Pro無人機，獲取古橋影像數據，按照技術流程建立古橋模型，并檢測分析其表面病害情況，提高檢測效率。

3.1實地勘察

七橋甕建于明代正統五年（公元1440年），是南京地區現存規模最大的磚石構筑拱橋。此橋主體橋身共有7個橋孔，故名曰七橋甕。拱橋全長達99.84米，橋面寬13米。此橋的形態酷似彎弓。拱橋的橋體為青石花崗巖質地，結構堅固而緊實。七橋甕的七個橋孔中，第四個也就是中間的橋孔是最大的，其余向兩邊分別對應，兩兩形狀相同且依次變小。橋周圍是水域，并無大型建筑遮擋，適合于無人機飛行。七橋甕實景圖如圖3所示。

3.2數據采集

本次數據采集使用大疆精靈4Pro無人機搭載五鏡頭FC6310相機，在天氣狀況良好的條件下進行數據采集工作。觀察七橋甕周圍地形后進行飛行參數設置，將飛行高度設置為45米，旁向重疊度和航向重疊度按照默認參數設置。飛行區域覆蓋橋周圍20米，確保能獲取古橋側面紋理。飛行時間約15分鐘，數據采集獲取古橋影像共348張，觀察影像發現數據狀況良好，影像中古橋側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據。

3.3構建古橋三維模型

對影像數據的處理主要采用軟件ContextCapture完成，ContextCapture是Bentley公司生產的實景三維建模軟件，擁有全世界最頂尖的數字影像處理手段和計算機視覺圖形算法，對簡單的連續圖像加以處理就可以構建具有豐富側面紋理的三維模型。將帶有坐標信息的古橋影像數據和立體環形航空影像數據導入數據處理軟件中，然后對其進行空三加密、密集匹配制作高精度的古橋三維模型，并對模型進行紋理映射，形成古橋實景三維模型，如圖4所示。

3.4古橋表面病害分析

古橋模型建立后，通過目視觀察古橋模型，可以了解其表面病害情況。通過ContextCapture對病害進行測量，了解病害范圍和量級，為古橋保護提供數據參考。

通過對古橋模型進行目視觀察，可以發現古橋表面存在一定量的裂縫和磚石脫落情況，且范圍較大，之后對于古橋應該加強維護，及時對古橋表面的裂縫和磚石脫落情況進行修繕處理。

4.總結

本文將低成本、高效率的傾斜攝影測量技術應用于古橋表面病害檢測中，無接觸無損害就能夠獲取古橋多角度影像數據，建立古橋三維模型，提取相應病害幾何特征，為古橋維護提供數據參考。該方法減少測量實踐、降低測量成本，值得在同類項目中推廣和應用。

基金項目：大學生實踐創新訓練計劃項目（編號：2019NJFUPITP0457）

參考文獻：

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作者簡介：嵇騰嬌，學士，研究方向：傾斜攝影測量技術與應用。通訊作者簡介：史玉峰，博士，教授。