三维重建技术在拆除爆破中的应用.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 017 三维重建技术在拆除爆破中的应用* 谢先启 1， 刘昌邦1， 贾永胜1， 姚颖康1，2， 黄小武1 （1.武汉爆破有限公司， 武汉430023；2.河海大学土木与交通学院， 南京210098） 摘 要 随着工程爆破行业迈向精细爆破时代， 工程技术融合发展极大地推动了爆破技术的数字化、 标准 化、 可视化。影像获取方式的多元化发展， 推动了爆破技术的进步。以武汉市原新能酒店爆破拆除工程为案 例， 采用无人机等载体搭载相关测量设备， 对爆破区域进行影像数据扫描， 获取区间的影像数据， 并通过三维 重建软件进行后处理， 快速获取爆破区域内的三维影像信息。实践证明 三维重建技术能够在爆破前为爆破 工程的设计、 施工和安全防护等方案确定提供必要的信息支撑； 在爆破后， 数字化重现爆破效果， 实现对爆堆 各项参数的定量分析， 从而多角度、 全方位地评估爆破质量。采集的影像数据经过适当处理后还可作为档案 长期保存， 为后续相关爆破工程提供有效参考。 关键词 三维重建；工程爆破；无人机；数字化；爆破效果 中图分类号 TD235；TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0096 －04 Application of Three Dimensional Reconstruction in Blasting Engineering XIE Xian-qi1，LIU Chang-bang1，JIA Yong-sheng1，YAO Ying-kang1， 2， HUANG Xiao-wu1 （1. Wuhan Explosion ＆ Blasting Co Ltd，Wuhan 430023，China； 2. College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China） Abstract With the development of Precision Blasting in blasting industry，the blasting technology has developed rapidly with an obvious tendency characterized by digitization，standardization and visualization. The pluralistic devel- opment of image acquisition mode promotes the advancement of blasting technology. Taking blasting demolition of Xinneng hotel as an example，the UAV aerial image-based three dimensional（3D）reconstruction technology was a- dopted. The images of the construction area was captured instantly by the high-speed camera，and then reconstructed by 3D model realistically in subsequent post-processing. The practice shows that in preliminary stage，the 3D recon- struction model provides necessary ination for the project design，implementation and safety protection，while this model digitalizes the muck pile efficiently and avaluates the blasting effect quantitatively. Furthermore，by means of appropriate treatments，the image data can be preserved and provide valuable references for the similar blasting pro- jects. Key words three dimensional reconstruction；blasting engineering；UAV；digitization；blasting effect 收稿日期2017 －11 －14 作者简介谢先启（1960 －） ， 男， 中国工程院院士， 教授级高级工程 师、 博士生导师， 主要从事工程爆破理论研究与工程实践 工作， （E-mail）xxqblast＠163. com。 通讯作者刘昌邦（1982 －） ， 男， 高级工程师， 主要从事工程爆破设 计、 施工和科研等工作， （E-mail）liubang4＠163. com。 基金项目武汉市创新人才开发资助项目（51379194） 当前， 我国的城市建设已进入了大规模发展阶 段， 各地旧城改造和新区建设蓬勃兴起。这其中， 工 程爆破技术由于经济、 高效、 低耗等特点得到了广泛 应用， 在新工艺、 新材料和新设备的研发等方面取得 了举世瞩目的成就。但与此同时， 随着待拆建（构） 筑物的数量急剧增多、 规模显著增大、 结构愈加复 万方数据 杂， 这一技术也面临着日益严峻的挑战［ 1］。在此背 景下， “ 精细爆破”理念应时提出， 被认为是工程爆 破领域发展新阶段的重要里程碑［ 2］。 作为传统“控制爆破”理念的继承和发展， “精 细爆破” 更加侧重于对炸药爆炸能量的释放与介质 破碎、 抛掷等过程的有效控制［ 3］。为实现这一目 标， 除了需要具备先进的设计方法、 精确的理论模型 和可靠的数值仿真外， 还应准确掌握建（构）筑物的 体量规模、 尺寸大小及其周边环境概况等。另一方 面， 随着爆破技术的进步， 对于爆破质量定量评价的 要求也越来越高［ 4］。很长一段时间内， 上述特征信 息和评价指标都是通过人工测量［ 5］、 摄影拍照和激 光扫描等方式得到［ 6，7］， 基本满足了工程实际需要， 但同时也存在着一些比较突出的问题， 如获取的资 料往往信息不全， 只涵盖了建（构）筑物在二维视角 下的局部信息， 致使工程技术人员始终处于“管中 窥豹” 的状态［ 8］， 一定程度上影响了“精细爆破”理 念的推广实践。因此， 获取并建立建（构）筑物真 实、 全面、 准确的三维信息， 进而客观、 高效地评估爆 破质量对爆破技术水平的进一步提升将是十分有 益的。 近年来， 随着我国空间信息技术的迅猛发展， 无 人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV） 遥感航拍技术 已取得了长足进步， 逐步从研发阶段过渡到实用阶 段［ 9］。凭借着飞行灵活、 操作简便、 成本低廉等优 势， 这一技术被越来越广泛地应用于社会各个领域， 其中， 结合基于计算机视觉的三维重建技术建立建 （ 构） 筑物逼真的三维模型正日渐成熟， 有效地填补 了卫星、 航空等遥感技术在某些特定应用范围内快 速获取高分辨率影像资料需求上的空白［ 10］， 也为工 程爆破领域内的相关工作提供了崭新的方法和 思路。 1 无人机航拍三维重建技术 无人机航拍三维重建技术就是利用小型无人机 操作灵活、 视觉可控等优点， 将其作为图像获取的载 体， 并结合计算机视觉中基于图像的重建方法进行 现实场景的三维重建。 下面分别对无人机航拍和三维重建技术两方面 内容进行简要地介绍。 1. 1 无人机航拍 无人机航拍系统主要由飞行平台、 传感器稳定 云台、 飞行控制系统和高速相机等几部分组成。进 行航拍摄影时， 一般可采取以下两种方式1）无人 机在建（构）筑物的正上方飞行， 相机竖直向下拍 摄；2） 无人机在建（构）筑物的斜上方飞行， 相机倾 斜一定的角度拍摄建（ 构） 筑物的侧面。 航拍前， 根据爆破对象合理地规划无人机航拍 路线是保证影像资料可靠性和三维重建模型精确度 的基本前提， 它主要涉及到航向重叠度、 旁向重叠 度、 影像分辨率、 航高， 航速、 测区范围、 曝光控制等 参数的设置， 如图1所示。 图1 无人机航拍路线规划流程示意图 Fig. 1 Planning flowchart of the aerial line 航拍过程中， 遥控飞机从拍摄区域的一角起飞， 到达合适的飞行高度后， 沿着既定航带飞行， 相邻两 幅影像的拍摄范围保持一定的航向重叠。待飞完一 条航带后， 再转入另一相互平行的航带， 两个航带之 间影像的拍摄范围也应保持一定的旁向重叠， 然后 再拍摄第三航带、 第四航带。见图2。 图2 无人机航拍及路径示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the aerial photography 这其中， 航向重叠度和旁向重叠度的确定尤为 重要。通常情况下， 为避免无人机飞行平台姿态不 稳时出现拍摄遗漏， 同时提高后续定向与空中三角 加密测量的全自动化， 其航拍影像的重叠度应稍高 于传统航测， 如航向重叠度应大于等于80％， 且旁 向重叠度大于等于30％。 1. 2 三维重建技术 在过去的几十年里， 随着自标定算法、 特征点检 测匹配算法、 鲁棒性估计算法、 运动恢复结构重建算 法， 以及多视图立体匹配算法等技术的不断进步和 完善， 三维重建技术已取得了突破性进展［ 11］。 79第34卷 第4期 谢先启， 刘昌邦， 贾永胜， 等 三维重建技术在拆除爆破中的应用 万方数据 具体来讲， 三维重建技术一般是通过摄像机获 取建（ 构）筑物的图像数据， 对其进行预处理分析， 然后提取每帧图像中的特征点进行匹配， 并基于此， 建立图像序列中各图像之间的相互关系， 计算出各 图像对应的相机位置和投影矩阵， 实现从图像序列 到可视化三维模型的还原， 最终建立真实场景的三 维信息， 如图3所示。 图3 三维重建总体流程图 Fig. 3 General flowchart of the 3D reconstruction 在模型重建过程的各个阶段中， 以三维稀疏点 云和稠密点云的重建尤为关键， 主要涉及运动恢复 结构重建算法（structure from motion，SFM） 和多视图 立体匹配算法（multi-view stereo，MVS）等技术的合 理运用［ 12］。其中， SFM算法能够实现从一系列不同 角度的图像中寻找相互匹配的点对， 并根据它们在 图像中的位置结合三角测量原理和相机的内外参 数， 计算得到对应场景在真实空间中的坐标， 如图4 所示； 而MVS算法能够在此基础上， 通过从剪影中 恢复形状或利用光度一致性约束等方法， 进一步将 三维稀疏点云扩展成稠密点云， 获得建（构）筑物表 面更为准确的描述， 有效地提高实物场景的观感度 和精确性。 图4 SFM算法示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the SFM algorithm 2 无人机航拍三维重建技术的优越性 大量工程实践表明， 相比于传统的人工测绘和 摄影测量等方式， 将无人机航拍三维重建技术应用 于工程爆破领域具有明显的优越性， 归纳起来， 主要 体现在以下几个方面 （1） 较好地吻合了爆破技术发展的趋势 现如今， 数字化和智能化已成为各行各业发展 的必然趋势， 工程爆破行业也不例外。随着CAD、 CAM、BIM等技术的发展， 传统的工程平面图纸必将 或正在被三维实体模型所取代。因此， 基于无人机 航拍的三维重建技术的应用正好吻合了时代发展的 大趋势， 有利于推动爆破行业的可持续发展， 进一步 地向精细、 智能、 高效、 安全、 绿色爆破的方向前进。 （2） 极大地满足了爆破设计施工的需求 无人机航拍三维重建技术通过非接触式的摄影 测绘， 能够有效克服人工／相机的局限， 从不同角度 捕捉还原平面视角下无法看到的部位和细节。此 外， 无人机相机拍摄的影像资料具有清晰度高、 时效 性强和场景特征丰富等特点， 能够极大地提高爆破 施工人员对建（构）筑物的整体布局和周边环境的 了解和认识， 为爆破工程的设计、 施工和安全防护等 提供必要的参考信息。 （3） 明显地提高了爆破效果评估的效率 通过无人机航拍三维重建技术能够快速准确地 获得各时段待爆建（构）筑物及其所在区域的三维 实景， 并在此基础上分析其轮廓形态的变化情况， 全 样本测量爆破结构面和爆堆形态， 从而定量评价爆 破效果、 判定爆破参数的合理性， 最终形成三维数字 化的爆破质量评价体系。 3 工程应用 为更好地说明无人机航拍三维重建技术在工程 爆破中应用的效果， 下文将以武汉经济技术开发区 新能酒店爆破拆除工程为例作进一步详细阐述。 3. 1 工程简介 新能酒店位于武汉经济技术开发区东风大道与 立业路之间， 主楼为10层框架结构， 平面呈“L”型， 长53. 4 m，宽37. 9 m，高42. 0 m，总建筑面积约 2万m2。楼房周边紧挨有高架桥、 地铁隧道和办公 楼， 以及电缆沟、 供水管、 天然气管道等各类地下管 网， 如图5所示。 图5 新能酒店及其周边环境航拍俯视图 Fig. 5 Aerial photo of the Xinneng Hotel 89爆 破 2017年12月 万方数据 3. 2 无人机航线规划及爆破影像采集 在拆除爆破施工前， 依据本工程已有的施工图 纸和现场踏勘所掌握的基本情况， 工程技术人员以 新能酒店大楼为中心， 设置了一个200 m 200 m 面积的图像采集范围， 如图6所示。 图6 Altizure界面下设置图像采集范围 Fig. 6 Parameter setting of the image capture area in Altizure 基于此， 确定对于该工程， 航拍时的飞行高度为 70 m， 航向重叠率为90％， 旁向重叠率为70％， 最大 航速为6 m／ s， 拍照间隔时间为2 s。同时， 为确保能 够获取到一个准确而完整的三维模型， 先后进行了 五个角度的拍摄， 相机姿态如图7所示， 最终共获取 到有效图片497张。 图7 相机姿态 Fig. 7 The pose of the camera 3. 3 数据处理及爆破效果分析 图像数据获取完成后， 将图像上传至Altizure 网站， 等待服务器生成三维模型， 生成后的三维模型 见图8。在最终模型中，可直观地了解到待爆建 （ 构） 筑物周边的现状， 测量任意点对点的距离， 并 校正前期测量数据的准确性， 获取与设计方案相关 的信息与数据。 爆破后， 通过相同的方式对新能酒店爆破后的 爆堆进行航拍扫描， 得到有效图片673张。然后， 再 次通过Altizure网站新建项目重建爆堆的三维模 型， 如图9所示。在爆堆模型上， 可以准确测得爆堆 的倒塌距离、 范围、 高度和总体积， 以及各构件的空 中姿态等情况。 3. 4 注意事项 上文详细地叙述了无人机航拍三维重建技术应 用于工程爆破中的显著效果。然而， 在此过程中， 除 了诸多常规事项外， 还需额外注意以下几点 图8 爆破前大楼的三维模型 Fig. 8 3D reconstruction model of the hotel before the blasting 图9 爆破后爆堆的三维模型 Fig. 9 3D reconstruction model of the muck pile after the blasting （1） 在爆破施工现场进行无人机航拍时， 每次 飞行面对的地理环境和气象条件均各不相同， 风速 和风向的变化对无人机的飞行将产生一定的干扰， 手动控制无人机使其不偏离预定航线并获得满足重 叠率要求的影像将是十分困难的。鉴于现有的无人 机大部分均具有开放的软件开发工具包， 因此， 推荐 使用第三方软件（如Altizure）来规划飞行航线和控 制影像采集。 （2） 考虑到环境因素、GPS信号漂移、 无人机机 械振动等因素的影响， 无人机搭载的高速相机的绝 对位置是时变的， 不同时刻间的三维数据相互间存 在着缩放、 旋转和平移。因此， 无人机的立体视场范 围应大于实际的爆破场地， 利用周围不变的地物特 征或预先布设的少量人造特征作为绝对控制， 结合 局部点云配准纠正， 将所有三维数据纳入到统一的 坐标系内。 （3） 工程区域因高耸建（ 构） 筑物， 外在空间无线 信号等等影响机载设备的正常工作， 从而遮蔽和干扰 无人机的航拍。因此， 在对相机所拍摄的图片进行自 动处理（ 包括影像配对、 影像增强、 特征匹配、 三维生成 等过程） 时， 需要施加一定的人工干预和引导。 （下转第119页） 99第34卷 第4期 谢先启， 刘昌邦， 贾永胜， 等 三维重建技术在拆除爆破中的应用 万方数据 桥爆破拆除［J］.爆破，2012，29（2） 84-86. ［5］ LI Ben-ping，PENG Shao-pei，LIU Cong. 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