無人機正射影像在公路工程施工中的應用

胡曉輝，謝雨雨，許 峰

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433]

0 引言

公路工程施工中因其周邊環境復雜，從工程前期至竣工均需對現場實際環境及場地布置情況根據施工進度進行現場踏勘和測量。傳統測量及現場踏勘受測量效率及個人經驗影響，費時費力、可靠性偏低、數據碎片化，無法滿足數據采集與施工進度的同步性；且由于傳統測量的結果受測量點密度的影響，對于大范圍的工程，傳統測量和現場踏勘無法滿足精細化施工控制的要求。

隨著無人機技術的快速發展，無人機低空攝影測量因其高精度、高效率、信息豐富、成本低廉的特性在測繪、工程施工等領域得到了廣泛應用。通過無人機低空攝影進行數據重建，生成數字正射影像，實現所需目標的全覆蓋，再通過坐標系轉換，實現數字正射影像與工程項目圖紙的高精度擬合，精細化輔助施工。

1 數字正射影像技術

1.1 數字正射影像

數字正射影像（DOM，Digital Orthophoto Map）是對低空攝影測量照片掃描處理后，經過數字微分矯正和鑲嵌，再按一定的圖幅范圍裁剪形成的數字正射影像集。DOM 同時具有地形圖的幾何精度和影像特征，相較于傳統的地形圖，具有分辨率好、精度高、信息豐富、直觀逼真、現實性強等優點，從中可以提取對象區域的現狀數據，為施工方案部署提供背景依據。

1.2 數字正射影像與CAD 圖紙自動匹配

數字正射影像（DOM）包含tiff 格式影像和tfw 格式的坐標信息文本，tfw 文件定義了影像像素坐標與實際地理坐標的仿射關系[1]，tfw 文件標識含義如圖1和表1 所示。

圖1 tfw 格式坐標信息文本

表1 坐標信息文本含義

tfw 文件中定義了圖像左上角的坐標，而Auto-CAD 定位點是圖像左下角，依據tfw 文件中包含的影像的空間信息數據，可計算圖像某一點的實際坐標[2]。其基本關系為:

式中：x，為像素對應的地理X 坐標，y，為像素對應的地理Y 坐標，x 為像素高，y 為像素寬。

依據此式可計算出影像的4 個角點坐標，借助AutoCAD 對各種影像數據的支持功能，可實現正射影像與CAD 的自動匹配。相關坐標的計算和在CAD中的加載可借助編程來完成，本文中不再贅述。

2 數字正射影像工程應用

2.1 項目背景

大葉公路奉賢段（環城東路—金閘公路）改建工程一標段為現狀道路改擴建項目，規劃紅線除望園路至嘉園路段外，其他路段沿老路走向，整體路幅寬約24 m，長約5.76 km，項目需跨越S4 滬金高速，穿越居民區，周邊環境復雜，對施工場地布置提出了較高要求。針對項目需求，應用無人機快速獲取現場數字正射影像，為工程建設提供指導數據依據。數字正射影像應用流程如圖2 所示。

圖2 數字正射影像應用流程

2.2 數據采集

（1）飛行準備

依據施工要求確定作業區范圍，了解作業區域空域及飛行環境情況，合理制定飛行高度、重疊率等參數，編制飛行計劃。結合本工程性質，無人機采用大疆精靈4RTK，設置帶狀航線，飛行高度140 m，航線重疊率80%，旁向重疊率80%。

（2）像控點布設

上海市工程建設平面坐標采用上海市城市坐標系，高程采用吳淞高程，為統一正射影像和工程項目坐標系統并提高正射影像精度，在飛行作業前布設像控點，如圖3 所示。像控點坐標系與工程坐標系一致，像控點布設應清晰、無遮擋，易于內業刺點，相鄰像控點間距300～500 m，均勻覆蓋整個作業區域，共設置控制點19 個，利用RTK 進行測量。

圖3 像控點布設

（3）無人機影像采集

依據飛行計劃，選擇好起降場所，上傳作業任務，起飛前檢查無人機、飛控系統、地面站系統軟件情況，確保飛行安全。無人機航攝過程中實時關注飛行姿態[3]，并檢查有無漏片現象。本項目共采集影像844 張。

2.3 數據處理

本項目數字正射影像數據處理采用Pix4Dmapper軟件。Pix4Dmapper 軟件是一款專業的無人機影像數據處理軟件，對無人機拍攝的影像數據經過控制點刺點、空三加密計算后生成正射影像產品。

（1）數據采集中為提高成果精度未開啟相片畸變矯正，數據處理中需輸入畸變參數矯正航拍相片，畸變參數根據相片XMP 字段信息可得到，關鍵字順序分別為：“calibrate_date；fx，fy，cx，cy，k1，k2，p1，p2，k3”，其中calibrate_date 為矯正信息；fx、fy 是以像素為單位標定出的焦距，可得出相機焦距為（fx+fy）/2，cx、cy 為以像素為單位的像主點坐標，k1、k2、k3 為徑向畸變校正參數，p1、p2 為切向畸變校正參數，對應Pix4Dmapper 軟件中的切向畸變T1、T2，畸變參數設置如圖4 所示。

圖4 相片畸變參數設置

（2）實際測量坐標與CAD 中坐標X、Y 相反，導入控制點時控制點坐標順序應為Y，X，Z，如圖5、圖6 所示。控制點刺點導入控制點坐標，坐標系選擇任意坐標系，如圖7 所示，導入控制點后在對應相片上刺出控制點，每個控制點最好能夠在5 張以上影像刺出，最少要在2 張影像上刺出。

圖5 控制點測量值

圖6 控制點導入設置

圖7 控制點刺點導入坐標系統設置

（3）空三加密計算刺點完成后點擊開始處理，軟件全自動完成空三加密計算數據處理，生成正射影像。

2.4 數字正射影像的應用

（1）大葉公路施工中因其經過居民及商業區等，周邊環境復雜。項目前期階段，在正射影像上疊加施工紅線、征地線等，如圖8 所示，可以準確直觀反映出證拆遷范圍和拆遷進度。根據航拍圖像對房屋拆遷進行識別，過程中隨時了解房屋拆遷的進展，做到動態跟蹤，相較于傳統的地形圖衛星相片，其具有更高的準確性以及更好的時效性和直觀性。

圖8 正射影像疊加各類規劃邊線

（2）根據正射影像，進行施工便道、臨時辦公區、臨時生活區、鋼筋加工車間、施工圍擋等臨時設施的場地布置方案的設計，如圖9 所示，基于正射影像進行施工總平圖布置，可以檢查與周邊環境、構筑物的位置關系，避免出現位置關系沖突。同時依據直觀的現場環境，優化布置，減少市區珍貴用地資源的浪費。

圖9 基于正射影像的施工總平圖布置

（3）將正射影像與AutoCAD 圖紙匹配后，利用AutoCAD 的測量功能[4]，可以快速進行一些測量工作，操作快捷方便，減少大量人員現場踏勘測量工作，實現數字化踏勘，如圖10 所示。

圖10 不同屬性綠化面積測量

（4）實現對綜合管線及施工期間的動態跟蹤。根據綜合管線位置對規劃管線和施工范圍的影響，協助業主推進管線搬遷，施工期間分階段實施，有針對性地向業主及管線搬遷單位提出搬遷程度，推進搬遷進度，如圖11、圖12 所示。

圖11 錯綜復雜的綜合管線分布圖

圖12 分階段施工安排

（5）通過將正射影像與地形圖匹配對比，可以反映出現場實際環境地形的變化情況。出現變化可以及時反饋給項目各方，根據情況評判是否調整設計方案。

（6）本工程為現狀道路改擴建工程，施工過程中需保障現有交通不中斷，因此施工中涉及多階段的交通組織翻交?；谡溆跋窨梢灾庇^反映翻交方案的可行性，直觀了解到交通翻交前后的對比，深入分析對施工現場的影響，做到合理組織施工，如圖13、圖14 所示。

圖13 第一階段交通組織

圖14 第二階段交通組織

（7）對重要路口交通組織進行優化，合理設置車道數量，擴大保通道路占用的空間，以最大程度減少對社會的影響，也減輕交通帶來的安全風險，如圖15所示。

圖15 保通對施工現場的影響

（8）據施工現場的進展情況，利用無人機定期采集正射影像數據[5]，能夠快速完成圖像的更新，對管線搬遷進度及施工進展做到定期跟蹤，為施工籌劃提供依據。同時還可以核對進度計劃以及橋梁結構是否發生偏差，為組織施工提供依據，如圖16、圖17 所示。

圖16 2020 年1 月現場正射影像

圖17 2020 年8 月現場正射影像

3 結語

隨著城市更新速度的加快，針對公路工程施工中受周邊環境影響制約大的特點，本文通過采用無人機快速獲取數字正射影像，并通過坐標系統轉換，高精度擬合CAD 圖紙，基于正射影像為底圖進行施工測量、場地規劃、方案設計等工作，更加精細化地輔助施工設計決策，節省大量人工現場踏勘測量的人力、物力和時間成本，為工程建設增值，真正實現更新速度快、精度高、反復使用、應用真實和動態管理，精益求精。