無人機正射影像在公路工程施工中的應(yīng)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(huán)境復(fù)雜，從工程前期至竣工均需對現(xiàn)場實際環(huán)境及場地布置情況根據(jù)施工進度進行現(xiàn)場踏勘和測量。傳統(tǒng)測量及現(xiàn)場踏勘受測量效率及個人經(jīng)驗影響，費時費力、可靠性偏低、數(shù)據(jù)碎片化，無法滿足數(shù)據(jù)采集與施工進度的同步性；且由于傳統(tǒng)測量的結(jié)果受測量點密度的影響，對于大范圍的工程，傳統(tǒng)測量和現(xiàn)場踏勘無法滿足精細化施工控制的要求。

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過無人機低空攝影進行數(shù)據(jù)重建，生成數(shù)字正射影像，實現(xiàn)所需目標(biāo)的全覆蓋，再通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)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(shù)字正射影像技術(shù)

1.1 數(shù)字正射影像

數(shù)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(jīng)過數(shù)字微分矯正和鑲嵌，再按一定的圖幅范圍裁剪形成的數(shù)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(tǒng)的地形圖，具有分辨率好、精度高、信息豐富、直觀逼真、現(xiàn)實性強等優(yōu)點，從中可以提取對象區(qū)域的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，為施工方案部署提供背景依據(jù)。

1.2 數(shù)字正射影像與CAD 圖紙自動匹配

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

圖1 tfw 格式坐標(biāo)信息文本

表1 坐標(biāo)信息文本含義

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

式中：x，為像素對應(yīng)的地理X 坐標(biāo)，y，為像素對應(yīng)的地理Y 坐標(biāo)，x 為像素高，y 為像素寬。

依據(jù)此式可計算出影像的4 個角點坐標(biāo)，借助AutoCAD 對各種影像數(shù)據(jù)的支持功能，可實現(xiàn)正射影像與CAD 的自動匹配。相關(guān)坐標(biāo)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(shù)字正射影像工程應(yīng)用

2.1 項目背景

大葉公路奉賢段（環(huán)城東路—金閘公路）改建工程一標(biāo)段為現(xiàn)狀道路改擴建項目，規(guī)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(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，對施工場地布置提出了較高要求。針對項目需求，應(yīng)用無人機快速獲取現(xiàn)場數(shù)字正射影像，為工程建設(shè)提供指導(dǎo)數(shù)據(jù)依據(jù)。數(shù)字正射影像應(yīng)用流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)字正射影像應(yīng)用流程

2.2 數(shù)據(jù)采集

（1）飛行準(zhǔn)備

依據(jù)施工要求確定作業(yè)區(qū)范圍，了解作業(yè)區(qū)域空域及飛行環(huán)境情況，合理制定飛行高度、重疊率等參數(shù)，編制飛行計劃。結(jié)合本工程性質(zhì)，無人機采用大疆精靈4RTK，設(shè)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(shè)

上海市工程建設(shè)平面坐標(biāo)采用上海市城市坐標(biāo)系，高程采用吳淞高程，為統(tǒng)一正射影像和工程項目坐標(biāo)系統(tǒng)并提高正射影像精度，在飛行作業(yè)前布設(shè)像控點，如圖3 所示。像控點坐標(biāo)系與工程坐標(biāo)系一致，像控點布設(shè)應(yīng)清晰、無遮擋，易于內(nèi)業(yè)刺點，相鄰像控點間距300～500 m，均勻覆蓋整個作業(yè)區(qū)域，共設(shè)置控制點19 個，利用RTK 進行測量。

圖3 像控點布設(shè)

（3）無人機影像采集

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

2.3 數(shù)據(jù)處理

本項目數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)處理采用Pix4Dmapper軟件。Pix4Dmapper 軟件是一款專業(yè)的無人機影像數(shù)據(jù)處理軟件，對無人機拍攝的影像數(shù)據(jù)經(jīng)過控制點刺點、空三加密計算后生成正射影像產(chǎn)品。

（1）數(shù)據(jù)采集中為提高成果精度未開啟相片畸變矯正，數(shù)據(jù)處理中需輸入畸變參數(shù)矯正航拍相片，畸變參數(shù)根據(jù)相片XMP 字段信息可得到，關(guān)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(biāo)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(biāo)，k1、k2、k3 為徑向畸變校正參數(shù)，p1、p2 為切向畸變校正參數(shù)，對應(yīng)Pix4Dmapper 軟件中的切向畸變T1、T2，畸變參數(shù)設(shè)置如圖4 所示。

圖4 相片畸變參數(shù)設(shè)置

（2）實際測量坐標(biāo)與CAD 中坐標(biāo)X、Y 相反，導(dǎo)入控制點時控制點坐標(biāo)順序應(yīng)為Y，X，Z，如圖5、圖6 所示?？刂泣c刺點導(dǎo)入控制點坐標(biāo)，坐標(biāo)系選擇任意坐標(biāo)系，如圖7 所示，導(dǎo)入控制點后在對應(yīng)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(dǎo)入設(shè)置

圖7 控制點刺點導(dǎo)入坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)處理，生成正射影像。

2.4 數(shù)字正射影像的應(yīng)用

（1）大葉公路施工中因其經(jīng)過居民及商業(yè)區(qū)等，周邊環(huán)境復(fù)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(zhǔn)確直觀反映出證拆遷范圍和拆遷進度。根據(jù)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(tài)跟蹤，相較于傳統(tǒng)的地形圖衛(wèi)星相片，其具有更高的準(zhǔn)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(guī)劃邊線

（2）根據(jù)正射影像，進行施工便道、臨時辦公區(qū)、臨時生活區(qū)、鋼筋加工車間、施工圍擋等臨時設(shè)施的場地布置方案的設(shè)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(huán)境、構(gòu)筑物的位置關(guān)系，避免出現(xiàn)位置關(guān)系沖突。同時依據(jù)直觀的現(xiàn)場環(huán)境，優(yōu)化布置，減少市區(qū)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(xiàn)場踏勘測量工作，實現(xiàn)數(shù)字化踏勘，如圖10 所示。

圖10 不同屬性綠化面積測量

（4）實現(xiàn)對綜合管線及施工期間的動態(tài)跟蹤。根據(jù)綜合管線位置對規(guī)劃管線和施工范圍的影響，協(xié)助業(yè)主推進管線搬遷，施工期間分階段實施，有針對性地向業(yè)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(fù)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(xiàn)場實際環(huán)境地形的變化情況。出現(xiàn)變化可以及時反饋給項目各方，根據(jù)情況評判是否調(diào)整設(shè)計方案。

（6）本工程為現(xiàn)狀道路改擴建工程，施工過程中需保障現(xiàn)有交通不中斷，因此施工中涉及多階段的交通組織翻交。基于正射影像可以直觀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(xiàn)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(yōu)化，合理設(shè)置車道數(shù)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(fēng)險，如圖15所示。

圖15 保通對施工現(xiàn)場的影響

（8）據(jù)施工現(xiàn)場的進展情況，利用無人機定期采集正射影像數(shù)據(jù)[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(jù)。同時還可以核對進度計劃以及橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生偏差，為組織施工提供依據(jù)，如圖16、圖17 所示。

圖16 2020 年1 月現(xiàn)場正射影像

圖17 2020 年8 月現(xiàn)場正射影像

3 結(jié)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(huán)境影響制約大的特點，本文通過采用無人機快速獲取數(shù)字正射影像，并通過坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(guī)劃、方案設(shè)計等工作，更加精細化地輔助施工設(shè)計決策，節(jié)省大量人工現(xiàn)場踏勘測量的人力、物力和時間成本，為工程建設(shè)增值，真正實現(xiàn)更新速度快、精度高、反復(fù)使用、應(yīng)用真實和動態(tài)管理，精益求精。