收藏丨基于贴近摄影和云计算建模在特大桥检测中的应用
Editor's Note
非常先进的航测建模技术
The following article is from 华祥测绘 Author 刘志峰
文章内容有点长，听一首歌的时间正好，推荐崔老师最稀罕的外国女歌手——霉霉。她的快歌也很好听，但偏爱她的慢歌，认为慢歌最能体现她声音的磁力美，勾人魂，摄人魄，当然也是贴近摄影的摄。
摘要：本研究采用多种型号旋翼无人机及挂载，主要运用倾斜摄影、贴近摄影等方法获取地势险峻区域铁路特大桥周边环境和桥梁主体的高分辨率多角度影像，基于影像利用实景建模系统和云服务器实地实时的进行高精度实景三维模型生产，利用此类模型成果对特大桥的日常维护检查提供有效的数据支撑，弥补现有手段的不足，提高检查效率，减少人员风险。本文以云贵铁路南盘江特大桥为例，对上述技术方法进行探讨研究，对现有的不足和未来可能的发展进行相关的讨论。
关键词：无人机；云计算；实景建模系统；倾斜摄影测量；贴近摄影测量；三维实景模型；特大桥检测
1项目背景
1.1 项目介绍
云贵铁路南盘江特大桥位于云南省红河州弥勒市与文山州丘北县交界处，横跨南盘江，中心里程K584+437，起止里程K584+011～K584+863，全长852.43m，主桥采用1×416m上承式钢筋混凝土拱桥，引桥及拱上孔跨布置为3-42m连续梁+(60.9+104+60.9)m连续刚构+2联4-39.5m连续梁+2-60mT构+1-43m简支梁。主桥跨度达416米，桥面凌空高出江面270米，是当年全球跨度最大的客货共用铁路上承式混凝土拱桥，大桥集大体积混凝土、高墩、连续钢构、斜拉桥、悬索桥、拱桥、混凝土外包工艺与技术于一身，技术含量高，施工难度大，历经5年半的建设，于2016年1月16日实现全桥合龙。2020年9月22日，南盘江特大桥获得第17届中国土木工程詹天佑奖。
该特大桥是目前世界首座艰险山区地形地质极其复杂、工程极其艰巨的高标准干线铁路拱桥。桥型结构复杂、施工技术难度高，是重难点控制性工程，工程先后攻克艰险山区综合选线难度大，线路平顺性要求高，结构构造及地质情况复杂，施工技术难度大，环境保护和水土保持要求高等一系列世界级关键技术难题，实现了成套技术创新。
1.2存在问题
1.2.1 普遍问题：据不完全统计，自2007年至2018年间，国内共有42座桥梁垮塌，其中近六成的桥梁建设时间在1994年之后，桥龄不足30年。究其原因，绝大多数是由于桥梁病害没有及时发现及时养护。管养部门通常定期对桥梁进行检查，多采用传统检测手段，依靠肉眼或者辅助工具（如桥梁检测车或望远镜等）来检测桥梁主要构件是否出现裂缝、开裂破损、露筋锈蚀、支座脱空等病害。对于特殊结构桥梁（如斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥等）或者大跨高墩桥梁，梁底板、塔柱、索缆、斜拉索、塔顶避雷针等可及范围以外，常规检测手段和方法存在操作难度大，存在检查盲区等局限性。对于此类局部盲区常采取人工现场察看进行检查，但也存在效率较低、技术难度大、危险系数较高等问题。因此，各地交科院与众多检测公司都在寻求一种即可完成精确的检测，同时具有更安全更高效特点的检测方法。
1.2.2云贵铁路南盘江特大桥存在问题：
a.该大桥桥面两侧导风板防护漆脱落，导风板螺栓部分锈蚀、无平垫片、无弹簧垫圈，桥墩漏筋3处等设备问题日常维护开展困难。
b.桥梁检查作业小车长时间风吹、空气湿度大容易锈蚀损坏，影响劳动安全。
c.昼间在该桥拱圈上部检查需步行3.5小时才可完成、用时长，而拱圈下部检查使用小车，存在江面风大、人员易坠落等安全风险。桥面系结构和附属设施只能通过夜间天窗，进入封闭区域，受视线影响，存在夜间检查效果不佳等问题。
d.既有检查手段及方式方法单一、效率低下，无全面完全的高效率检查方式。
2 主要任务
2.1 任务概述
我公司接到任务后，综合利用多平台、多类型无人机（飞马D2000、TOPCON Falcon8、大疆精灵4RTK等）协同作业，克服了极端的飞行作业困难获取到多角度多种分辨率的倾斜和贴近数字影像，利用华为云结合瞰景Smart3D实景三维建模软件在项目现场短时间将多分辨率多角度的数字影像融合解算，最终生成了高精度的基础空间数据成果，辅助铁路管理部门进行南盘江特大桥的维护检测工作，为南盘江特大桥的管理提供有效的数据支撑，一定程度上改变了原有的日常维护手段，提高了日常检查工作效率，减少巡检人员作业风险。
2.2 外业航摄
2.2.1全域航摄：对整个测区（与大桥日常检测所有相关区域）进行分辨率为3cm的倾斜摄影测量所需影像采集。
2.2.2桥梁主体航摄：对桥梁主体及周边附属设施详细情况进行分辨率优于1cm的贴近摄影测量所需影像采集。
2.2.3 细节补拍：对铁路管理系统关注的重点进行细节拍摄，无人机无法进入的区域人工手持相机进行补拍。
2.3 内业数据处理
2.3.1 数据整理，本次采用倾斜贴近两种摄影测量方法融合建模，整个项目会出现从3cm到优于1cm各种分辨率影像，需要先对数据进行完整性检查，然后分类整理。
2.3.2 将2.3.1整理好的数据上传至华为云OBS桶内，根据采集数据量在云端搭建对应需求的存储机、空三机、建模机，申请Smart3D实景建模系统镜像服务。
2.3.3 对2.3.1分类数据分别进行空三结算，待空三计算完成后将空三成果融合进行模型生产。
3 项目特点
3.1 飞行条件困难
项目进行时云南省红河哈尼族彝族自治州开远市正值秋季，当地雨量充沛航飞天气窗口较少；全域航摄部分高差较大，无人机需要变高飞行，加之大桥横在整个测区中间位置，需结合高精度DSM进行精准变高；桥梁主体航摄和细节补拍需贴近摄影，无人机操控手需要较好的操控位置，雨后的测区泥泞湿滑，寻找操控场地困难且危险。南盘江特大桥位于两山之中，山间乱流严重，平均风力均在三级以上，对于无人机飞行安全造成很大影响。
3.2 无人机多样性
本次项目采用三种无人机型号，全域航摄、桥梁主体航摄、细节补拍三种外业航摄任务分别对应机型为飞马D2000+DOP3000，大疆精灵4RTK，TOPCON Falcon8三种机型。三种机型各有特点：
3.2.1飞马D2000续航时间长可以搭载五相机单架次续航50分钟，具备精准变高的能力，非常适合进行大范围大高差的测区，内置的RTK和PPK也可以在免像控的情况下做到高精度；
3.2.2大疆精灵4RTK机动灵活，易于操控，搭载的三轴云台非常适合进行桥梁主体的贴近拍摄，该机型投入成本较低，性能稳定非常适合在这种高风险的扰流区域拍摄。
3.2.3 TOPCON Falcon8无人机搭载有索尼Alpha 7型相机是一款超轻量型八旋翼飞机，其V形机型设计确保其搭载的相机可以实现垂直方向180°旋转，得以实现无遮挡正对桥梁底部拍摄。
三种机型各有特点，各司其职，扬长避短实现了该项目多层次的航摄要求。
4 外业航摄作业流程
4.1全域航摄：
4.1.1全域航摄测区范围：如图1所示，从大桥隧道入口向开放桥体方向的带状测区长2.6km，宽为大桥中线两侧各300m。
图1 全域航摄范围
图2 全域航摄面积
4.1.2 设备型号：飞行平台：飞马D2000，五相机：D-OP3000
4.1.3 航摄参数：比例尺1：500，地面分辨率：3cm，航线重叠率：80%，旁向重叠率：65%，相对航高：191m，测区平均海拔：1206m，航向外扩216m，旁向外扩4条航线，测区最高点海拔：1490m，测区最低点海拔：987m，航线间距：63m，拍照间距：24m，测区面积：1.58km²，测区高差503m。
4.1.4 全域航线设计：如图3所示，由于测区高差较大航线采用变高航线，依据现场地形防地飞行，始终保持相对地面航高为191m，地面分辨率3cm。如果不利用变高航线，该测区利用主流半画幅五相机等高航线，最佳只能获取到15cm左右的分辨率影像，由于飞马无人机管家内置了全球DEM模型，直接利用其内置的30m分辨率的DEM生成变高航线。
图3 全域航线设计
4.1.5 难点：内置的DEM无法识别横跨南盘江上凌空高出江面270米的大桥，原来计划制作粗模后设计更复杂的变高航线，但是现场天气窗口较少，为了赶进度，我们直接利用的飞马自动生成的变高航线，由于飞机配备毫米波雷达避障，就让飞机飞行中遇到桥体阻挡后自动返航，调整航线跳过桥体继续作业，较短时间完成了全域的3cm分辨率的原始影像获取。
4.2桥梁主体航摄及细节补拍
4.2.1 桥梁主体飞行环境：如图4所示，南盘江特大桥位于两山之间，山与山之间乱流严重，平均风力均在三级以上。南盘江特大桥全长852.43米，桥体两侧，桥墩,桥体两端,拱面与山体衔接处均为较难获取精细纹理区域，贴近摄影时火车通过有安全隐患，结合铁路部门现场负责人报备确认后方可开始执行飞行作业。
图4 桥梁主体情况
4.2.2 设备型号：飞行器一：大疆精灵4RTK，飞行器二：TOPCON Falcon8
图5 TOPCON Falcon8 无人机贴近摄影
4.2.3 飞行过程：桥梁主体航摄及细节补拍均采用手动超视距操作飞行。桥体两侧影像纹理采集：桥体两侧采集时飞手位于大桥下方空场安全区域起飞，桥体下方也可更加快速直观了解无人机超视距和超远可视距相互结合把控飞行，同时桥体下方飞行有助于信号传播且飞手第一时间了解桥体下方现场环境，有益于及时把控现场突发情况。
图6 飞手现场手控操作
桥墩影像纹理采集：桥墩飞行时飞手位于大桥两端处与桥面保持平行，对于长体桥墩进行环绕手动飞行。环绕手动飞行尽量在视距内完成，因为无人机飞行过程中避障为关闭状态，环绕飞行时镜头始终面向桥墩进行单体等距环绕。因超视距飞行不利于把控桥墩之间的墩距，可能会造成安全事故，同时可以直观把握环绕距离以达到最佳拍摄距离，保障桥墩各部位细节采集。
桥体两端影像纹理采集：桥体两端一侧为隧道入口，另一侧为开放式桥体。开放式桥体纹理采集数量多余隧道口纹理采集，因为开放式桥体地面外物更加丰富（如房屋,墙体,防滑坡面等）。大桥拱体与山体衔接处都需进行特定纹理采集，因衔接处地形地貌复杂，飞行时需格外谨慎，超视距复杂地貌作业应提前把握舵量，仔细观察机身附近现场环境随时应对特殊情况。隧道口为复杂多变现场，外部干扰因素量大，飞行时飞手位于隧道口附近净空安全区域，隧道口作业时，高铁高速通过隧道口时容易导致无人机稳量失速造成安全事故，无人机均远离隧道口但同时要保证纹理不丢失。飞手要严格把控无人机外部矢量提前预判。
5 内业数据处理流程
本部分内容是已有华为云账号的前提下：
图7 华为云三维模型数据处理架构
5.1 数据整理上传
5.1.1 数据整理：将三架不同型号飞机的数据整理分类，所有POS名称与影像名称一致且一一对应。
5.1.2 数据上传：下载华为云OBS Browser+ ，创建桶登录browser+界面后，点击创建桶，创建对应区域的桶，上传数据到OBS中。
图8 华为云OBS Brower+登录界面
5.2、创建云环境：
5.2.1 创建软件镜像：通过华为云账号申请瞰景Smart3D私有镜像，共享镜像后需要接受镜像后方可使用。
图9 华为云镜像服务
5.2.2 创建云主机：登录华为云控制台：https://console.huaweicloud.com，弹性云服务器 ECS，跳转至弹性云服务器页面以创建主机。存储机选择m6.4xlarge.8 空三机ir3.xlarge.4，建模机g5r.4xlarge.2。镜像选择之前准备的瞰景镜像，系统盘选择超高IO，增加两块数据盘，一块用于存储源数据，一块用于存储工程，大小至少是源数据盘的5倍，EIP 选择按流量计费，其他都默认。
图10 华为云创建云主机
5.2.3 设置数据盘：登录云服务器，进入服务器管理器，在“初始化磁盘”对话框中显示需要初始化的磁盘，本次选择“GPT（GUID 分区表）”。
*注意MBR支持的磁盘最大容量为 2 TB，GPT 最大支持的磁盘容量为 18 TB，当前华为云数据盘支持的最大容量为 32 TB。
图11
新建简单卷，指定卷大小，系统默认卷大小为最大值，可以根据实际需求指定卷大小，此处保持系统默认配置。
图12
格式化分区，系统默认的文件系统为 NTFS，并根据实际情况设置其他参数，此处保持系统默认设置，完成新建卷，需要等待片刻让系统完成初始化操作，当卷状态为“状态良好”时，表示初始化磁盘成功。
图13
初始化成功后，设置数据盘共享，当云硬盘挂载到云主机后，就是以盘符显示如E盘/F盘。右键盘符-共享-高级共享-权限-所有权限打钩-保存。通过IP其他云主机就能访问到该共享盘。注意：数据盘和工程盘都需要设置共享。下载数据到数据盘中，远程登录云主机后，系统中自带OBS Browser+客户端，通过华为云账号密码登录后，选择对应文件夹数据下载到数据盘中。
5.3 空三建模数据处理
5.3.1 集群设置：云作业环境创建好后，打开”弹性云服务器”，可查看相应服务器公网及私网IP地址，复制相应服务器公网IP，在系统 windows 附件程序下，打开远程桌面连接，输入对应IP和密码，即可远程连接云主机，然后在服务器安装相应应用软件。
图14
新建工程，工程路径以及任务路径均要选择网络路径下的共享盘，网络路径使用IP地址的方式，也可以直接通过映射的方式访问共享盘；加载影像和pos的时候，均要从网络路径添加（做完自由网空三导入控制点的时也要从网络路径导入，该项目无控制点无需添加）；提交空三任务，打开从机的引擎，在主机master工具下面，打开引擎管理器，引擎管理器中会将和主机在同一个局域网中的从机打开的引擎显示出来，选中引擎，右击修改任务路径，修改到和master 一样的任务路径即可；集群的关键在于所有的路径均要在网络路径下，从机只需要将引擎打开，然后将引擎的任务路径改到和主机master的任务路径一致，提交任务后从机就会运行主机提交的任务。
5.3.2 引擎设置：空三云主机：“超高 I/O 型ir3.xlarge.4”主要用于空三流程中的特征提取和特征匹配的计算；“内存优化型 m6.4xlarge.8”因内存为128GB所以推荐用于空三的平差处理。
图15
图16
由于选择的空三云主机中不带GPU，所以无法在Smart3D Master的三维界面下浏览空三结果。因此如果要在master中可视化分块、刺点、三维浏览等步骤，就需要启动一台带GPU的云主机。我们选择一台建模主机如“GPU加速型 g5r.4xlarge.2”。因为g5r的云主机的内存只有32GB所以，在引擎能力设置时需要关闭“图像相似性计算”和“光束法平差”的能力。
图17
5.4 空三建模数据处理
5.4.1 空三解算：创建工程：新建工程，影像加载，导入pos文件，提交空三，由于该项目采用的免像控模式，空三计算完成后，即可在三维视图下查看空三运算成果。本次三架飞机拍摄的影像分辨率差距较大，从全域航拍的3cm到细节补拍的优于1cm，空三报告中显示，补拍细节影像RMS普遍达到2mm左右（图19）。原计划采用分批处理再合并出模型，与瞰景厂家技术沟通后，厂家建议整体处理，结果利用一台空三主机2个小时10分钟左右就整体解算通过，省去分批处理后再合并的麻烦。
图18
图19 空三界面整体截图
图20 空三界面细节截图
5.4.2 三维重建：确认空三无误，进行三维重建工作，由于模型输出需大量内存，需要对模型进行分块处理，使其占用少量内存。选择模型分块模式，确定分块大小。分块大小由电脑内存决定，本次采用的g5r的云主机的内存为32GB，为了保证每个分块得以运行，分块所耗内存应设置在16G以内。本次三维重建，在华为云端部署了g5r.4xlarge.2(16 核 | 32GB)型服务器30台，耗时10个小时左右重建完成。
图21 g5r.4xlarge.2(16 核 | 32GB)型服务器30台数据处理界面
图22 全域测区模型截图
图23 大桥主体模型截图
图24 大桥主体三角网截图
图25 大桥桥墩模型截图
图26 大桥侧面模型细节截图
图27 大桥侧面病害量测
6 项目总结与讨论
6.1作业效率
无人机及挂载种类的丰富为完成复杂场景下的精细化建模需求提供了外业获取手段，云端高性能GPU集群服务的完善为海量数据实时实地的处理提供了足够的算力。以本次大桥项目为例，三种机型同时作业，外业有效作业时间5个小时左右，数据传输3个小时左右，空三耗时2小时左右，三维重建耗时10个小时左右，整个项目用时20个小时，三维重建不需要干预，全部在夜间完成，成果从开始作业的第二天下午就已经交到甲方手中，这样的速度以往的作业手段是无法想象的。
6.2 成果应用
有了精细化的实景三维模型，管养部门可以利用裂缝提取软件进行裂缝的自动提取以及其他缺陷的量化计算，辅以桥梁模型对裂缝宽度、长度、位置信息进行汇总，最终出具检测报告。原本极难检测的桥底，现在也可以通过模型确定桥底缺陷类别、大小及位置。相对于传统的检测方式，不仅从检测成本、检测效率上有着明显的提升，同时保证了检测人员的作业安全，对于交通的影响也得到了显著的改善。
6.3 现有不足和未来探讨
本次项目高效的完成是建立在前期充分的准备工作及现场人员较高的技术水平之上，而此类项目地处偏远，想做到定期检测人员及通勤成本太高。所以就需要一套成本更低，对设备和人员没有太高要求的作业方案。
无人机全自动飞行系统可以很好的解决这个问题，要实现全自动飞行作业，无人机在作业地自动起降巡检，必须得解决以下四个问题：1. 无人机的野外存放问题；2. 无人机的自动起降问题；3. 无人机的电池充能问题；4. 自动精细化航线设计问题。存放的问题有一个密闭空间即可，通过机械化装置实现飞行平台的升降和舱门开合；起降问题可以通过RTK定位技术，视觉辅助和超声波定高等实现自动高精度的降落到户外存放装置中；通过机械臂等装置可以实现自动化换电和充电；因为已有精细化模型，基于模型的精细化航线设计已经运用非常成熟。解决完外业数据获取，内业数据处理就更容易解决了，本文利用的云处理的方式就能很好的解决这一问题。
以上是基于本项目对未来偏远地区重要基础设施巡检的展望，讨论了利用无人机、云计算和实景三维建模等技术实现自动化巡检的可行性，目前笔者了解到的自动飞行系统产品化程度较低，现阶段我们可以利用有人参与的半自动化方式作为过渡，相对于传统巡检模式也进步巨大。
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