图学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (4): 882-894.DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2026040882
收稿日期:2025-12-25
接受日期:2026-04-09
出版日期:2026-08-31
发布日期:2026-08-31
通讯作者:张晓磊,E-mail:Xiaolei_Zhang@tongji.edu.cn基金资助:
FENG Yong1,2,3, ZHANG Xiaolei1,2(
), LV Ruixin1, ZHU Shulin1
Received:2025-12-25
Accepted:2026-04-09
Published:2026-08-31
Online:2026-08-31
Contact:
ZHANG Xiaolei,E-mail:Xiaolei_Zhang@tongji.edu.cnSupported by:摘要:
隧道三维重建技术可广泛应用于结构病害检测、运维状态可视化展示、结构安全状态评估,以及数字孪生模型构建。针对现有基于单目视觉的隧道三维重建技术存在的自动化程度低、建模精度不足、建模效率欠佳等缺陷,本研究提出了耦合无人机和计算机视觉的隧道三维重建技术。在硬件端,集成了隧道巡检无人机,机体结构采用碳纤维和铝合金材料,配备光流传感器、激光雷达、三轴陀螺仪、三轴加速度计、电子罗盘以及数字气压计等传感器,基于多传感器融合策略在GNSS受限的隧道环境内实现厘米级定位与导航,搭载高性能光电吊舱,实现高清视频实时采集和传输。在算法端,集成了隧道三维重建算法框架,具体包括隧道视频截取与分帧、基于SfM技术解算相机位姿和稀疏点云、通过Gipuma算法生成深度图、基于TGV优化算法进行表面模型重构、利用纹理重建技术构建隧道纹理模型。试验结果表明,隧道巡检无人机可在复杂的隧道环境内稳定飞行,并采集高质量的视频数据。以视频帧为数据源,公路隧道三维重构模型的均方根重投影误差为1.52像素,最大重投影误差为25.44像素,网格数量为668 088。进一步探究了视频帧数量与尺寸对三维重建的影响:采用99张视频帧作为原始数据,可在建模精度与效率之间取得良好平衡;当计算资源充足时,建议先对原始视频帧进行上采样,再执行SfM,然后使用原始尺寸深度图进行表面模型重建。将本研究的建模算法框架与传统方案进行对比,结果证明该算法具有更高的计算精度与效率,且对计算机硬件依赖性较低。此外,在地铁隧道场景中的泛化性试验验证了该技术具有良好的工程可拓展性。其设备和算法可为自动、精准、高效的隧道三维重建提供支撑。
中图分类号:
冯勇, 张晓磊, 吕瑞鑫, 朱书林. 基于无人机和计算机视觉技术的隧道三维重建[J]. 图学学报, 2026, 47(4): 882-894.
FENG Yong, ZHANG Xiaolei, LV Ruixin, ZHU Shulin. 3D reconstruction of tunnels based on UAV and computer vision techniques[J]. Journal of Graphics, 2026, 47(4): 882-894.
| 无人机参数 | 单位 | 取值 |
|---|---|---|
| 尺寸 | mm | ≤990(含四向可碰撞保护罩) |
| 无刷电机数量 | 个 | 4 |
| 空机重量 | g | ≥2 800(含四向可碰撞保护罩) |
| 最大起飞重量 | g | ≥4 900(含电池及保护罩) |
| 最大飞行时间 | min | ≥15 |
| 最大飞行速度 | m/s | 2.0 |
| 最大上升速度 | m/s | 1.0 |
| 工作温度 | ℃ | -20~50 |
| 最大操控距离 | m | ≥300(无遮挡) |
表1 隧道巡检无人机的技术参数
Table 1 Technical parameters of the tunnel inspection drone
| 无人机参数 | 单位 | 取值 |
|---|---|---|
| 尺寸 | mm | ≤990(含四向可碰撞保护罩) |
| 无刷电机数量 | 个 | 4 |
| 空机重量 | g | ≥2 800(含四向可碰撞保护罩) |
| 最大起飞重量 | g | ≥4 900(含电池及保护罩) |
| 最大飞行时间 | min | ≥15 |
| 最大飞行速度 | m/s | 2.0 |
| 最大上升速度 | m/s | 1.0 |
| 工作温度 | ℃ | -20~50 |
| 最大操控距离 | m | ≥300(无遮挡) |
| 激光雷达参数 | 单位 | 描述 |
|---|---|---|
| 激光波长 | nm | 905 |
| 量程 | m | 40(目标物体反射率10%) 70(目标物体反射率80%) |
| 近处盲区 | m | 0.1 |
| 视场角 | ° | 360(水平) -7~52(竖直) |
| 测距随机误差 | cm | ≤2(@10 m) ≤3(@0.2 m) |
| 角度随机误差 | ° | ≤0.15 |
| 点云输出 | 点/秒 | 200 000 |
| 尺寸 | mm | 65×65×60 |
| 重量 | g | 265 |
表2 激光雷达的主要参数
Table 2 Main parameters of the laser radar
| 激光雷达参数 | 单位 | 描述 |
|---|---|---|
| 激光波长 | nm | 905 |
| 量程 | m | 40(目标物体反射率10%) 70(目标物体反射率80%) |
| 近处盲区 | m | 0.1 |
| 视场角 | ° | 360(水平) -7~52(竖直) |
| 测距随机误差 | cm | ≤2(@10 m) ≤3(@0.2 m) |
| 角度随机误差 | ° | ≤0.15 |
| 点云输出 | 点/秒 | 200 000 |
| 尺寸 | mm | 65×65×60 |
| 重量 | g | 265 |
图2 隧道巡检无人机的关键配件((a) 光电吊舱;(b) 手持地面制遥控站)
Fig. 2 Key components of the tunnel inspection drone ((a) Electro-optical gimbal; (b) Handheld ground-based remote control station)
| 光电吊舱参数 | 单位 | 描述 | |
|---|---|---|---|
| 云台参数 | 角度抖动量 | ° | ±0.01 |
| 可控俯仰转动范围 | ° | -135~+45 | |
| 可控水平转动范围 | ° | -160~+160 | |
| 横滚转动范围 | ° | -30~+30 | |
| 相机参数 | 镜头焦距 | mm | 5.15~47.38(±5%) |
| 光圈 | F | 1.8~2.5 | |
| 视场 | ° | 无变倍:对角79.5,水平71.5 10×光学变倍:对角7.7, 水平6.7 | |
| TF卡录视频分辨率 | — | 2 K (2 560×1 440)@30 fps 1 080 p(1 920×1 080)@30 fps 720 p(1 280×720)@30 fps | |
| 视频存储码率 | Mbps | 12 | |
| 视频文件格式 | — | MP4 | |
表3 吊舱的核心技术参数
Table 3 Core technical parameters of the pod
| 光电吊舱参数 | 单位 | 描述 | |
|---|---|---|---|
| 云台参数 | 角度抖动量 | ° | ±0.01 |
| 可控俯仰转动范围 | ° | -135~+45 | |
| 可控水平转动范围 | ° | -160~+160 | |
| 横滚转动范围 | ° | -30~+30 | |
| 相机参数 | 镜头焦距 | mm | 5.15~47.38(±5%) |
| 光圈 | F | 1.8~2.5 | |
| 视场 | ° | 无变倍:对角79.5,水平71.5 10×光学变倍:对角7.7, 水平6.7 | |
| TF卡录视频分辨率 | — | 2 K (2 560×1 440)@30 fps 1 080 p(1 920×1 080)@30 fps 720 p(1 280×720)@30 fps | |
| 视频存储码率 | Mbps | 12 | |
| 视频文件格式 | — | MP4 | |
图7 图像之间的特征点匹配示例((a) 第1与第2视频帧;(b) 第3与第4视频帧)
Fig. 7 Example of feature point matching between images ((a) The first and the second video frame; (b) The third and the fourth video frame)
| 序号 | 图像数量 | RMSRE/pix | MRE/pix | 全过程用时/s | 稀疏点云数量/个 | 表面模型面数/个 | 重建内存用量/GB | 纹理映射内存用量/MB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 49 | 1.54 | 21.62 | 66 | 9 156 | 547 706 | 1.05 | 381.53 |
| 2 | 99 | 1.52 | 25.44 | 102 | 18 559 | 668 088 | 1.51 | 485.70 |
| 3 | 200 | 1.47 | 30.16 | 148 | 36 849 | 705 928 | 1.56 | 670.67 |
| 4 | 400 | 10.51 | 47.92 | 279 | 67 069 | 719 148 | 1.70 | 957.99 |
表4 不同输入帧数的三维重建指标
Table 4 3D reconstruction metrics for different input frame counts
| 序号 | 图像数量 | RMSRE/pix | MRE/pix | 全过程用时/s | 稀疏点云数量/个 | 表面模型面数/个 | 重建内存用量/GB | 纹理映射内存用量/MB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 49 | 1.54 | 21.62 | 66 | 9 156 | 547 706 | 1.05 | 381.53 |
| 2 | 99 | 1.52 | 25.44 | 102 | 18 559 | 668 088 | 1.51 | 485.70 |
| 3 | 200 | 1.47 | 30.16 | 148 | 36 849 | 705 928 | 1.56 | 670.67 |
| 4 | 400 | 10.51 | 47.92 | 279 | 67 069 | 719 148 | 1.70 | 957.99 |
| 序号 | 图像尺寸-SfM过程 | 图像尺寸-表面模型重构 | RMSRE/pix | MRE/pix | 全过程用时/s | 稀疏点云数量/个 | 表面模型面数/个 | 重建内存用量/MB | 纹理映射内存用量/MB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 原始尺寸 | 原始尺寸 | 1.52 | 25.44 | 102 | 18 559 | 668 088 | 1 546.24 | 485.70 |
| 2 | 原始尺寸 | 四分之一原始 尺寸 | 1.52 | 25.44 | 69 | 18 559 | 204 275 | 502.85 | 145.29 |
| 3 | 原始尺寸 | 十六分之一 原始尺寸 | 1.52 | 25.44 | 67 | 18 559 | 81 474 | 221.45 | 65.42 |
| 4 | 四倍原始尺寸 | 原始尺寸 | 1.16 | 27.33 | 124 | 54 846 | 724 797 | 1 597.44 | 1 010.38 |
| 5 | 四倍原始尺寸 | 四分之一原始 尺寸 | 1.16 | 27.33 | 94 | 54 846 | 218 754 | 630.92 | 295.64 |
| 6 | 四倍原始尺寸 | 十六分之一 原始尺寸 | 1.16 | 27.33 | 66 | 54 846 | 84 236 | 283.55 | 189.16 |
| 7 | 四分之一原始尺寸 | 原始尺寸 | 1.81 | 22.24 | 87 | 3 756 | 510 036 | 524.48 | 449.82 |
| 8 | 四分之一原始尺寸 | 四分之一原始 尺寸 | 1.81 | 22.24 | 56 | 3 756 | 138 517 | 343.82 | 137.79 |
| 9 | 四分之一原始尺寸 | 十六分之一 原始尺寸 | 1.81 | 22.24 | 53 | 3 756 | 52 115 | 245.59 | 70.44 |
表5 不同图像尺寸下隧道三维重建过程的各项指标
Table 5 Various indicators of tunnel 3D reconstruction process under different image sizes
| 序号 | 图像尺寸-SfM过程 | 图像尺寸-表面模型重构 | RMSRE/pix | MRE/pix | 全过程用时/s | 稀疏点云数量/个 | 表面模型面数/个 | 重建内存用量/MB | 纹理映射内存用量/MB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 原始尺寸 | 原始尺寸 | 1.52 | 25.44 | 102 | 18 559 | 668 088 | 1 546.24 | 485.70 |
| 2 | 原始尺寸 | 四分之一原始 尺寸 | 1.52 | 25.44 | 69 | 18 559 | 204 275 | 502.85 | 145.29 |
| 3 | 原始尺寸 | 十六分之一 原始尺寸 | 1.52 | 25.44 | 67 | 18 559 | 81 474 | 221.45 | 65.42 |
| 4 | 四倍原始尺寸 | 原始尺寸 | 1.16 | 27.33 | 124 | 54 846 | 724 797 | 1 597.44 | 1 010.38 |
| 5 | 四倍原始尺寸 | 四分之一原始 尺寸 | 1.16 | 27.33 | 94 | 54 846 | 218 754 | 630.92 | 295.64 |
| 6 | 四倍原始尺寸 | 十六分之一 原始尺寸 | 1.16 | 27.33 | 66 | 54 846 | 84 236 | 283.55 | 189.16 |
| 7 | 四分之一原始尺寸 | 原始尺寸 | 1.81 | 22.24 | 87 | 3 756 | 510 036 | 524.48 | 449.82 |
| 8 | 四分之一原始尺寸 | 四分之一原始 尺寸 | 1.81 | 22.24 | 56 | 3 756 | 138 517 | 343.82 | 137.79 |
| 9 | 四分之一原始尺寸 | 十六分之一 原始尺寸 | 1.81 | 22.24 | 53 | 3 756 | 52 115 | 245.59 | 70.44 |
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