帶狀市政項目數字正射影像圖的生產與應用

葉素纖 劉方舟 陳強

1.陜西華山路橋集團有限公司；2.陜西正誠路橋工程研究院有限公司

隨著無人機航空測量技術的發(fā)展，該技術已經逐漸滲透到各行各業(yè)，目前它被廣泛用于土地資源勘察、數字化城市建設、城市規(guī)劃設計等領域。本文為獲取西安市朱宏路市政項目道路改擴建所需的影像和數據，提出了利用無人機攝影測量技術獲取帶有公里格網，圖廓內外整飾和注記得平面正射影像圖。為快速有效獲取項目區(qū)域內的實際環(huán)境提供了新的數據支撐，一定程度提升了工作效率。

在市政道路改擴建工程中，由于以往項目施工方案單一，不直觀，與外圍產權單位溝通難度大等情況。為避免這種情況，本文通過介紹西安市朱宏路快速化改造工程提出了更科學地施工導行方案。利用無人機測量技術對該測區(qū)進行飛行測量，最后利用相關軟件生產出正射影像圖。無人機技術是指在機身的平臺上架設傳感器，在高空進行拍攝，飛行時機身維持水平。它操作簡單，運轉靈活，不需要特定的場所和跑道，拍攝的影像清晰度高，具有高效化、智能化、自動化等特點。對精準、快速獲取項目周邊施工環(huán)境有著積極的作用。無人機測量時根據不同的飛行方式分為傾斜攝影和垂直攝影，這兩種測量方式有著不同的優(yōu)勢，可根據項目情況選擇使用哪種方式測量。在需要獲取細節(jié)地理信息的項目中可采用傾斜測量對不同的角度進行拍攝，而對于本項目需大面積測量來快速獲取項目周邊環(huán)境的，適合采取垂直測量的方式拍攝，最后利用Pix4Dmapper軟件對攝影數據進行處理后生成正射影像圖。本文主要介紹了數字正射影像圖的生產過程與應用情況，為無人機航測者在操作應用上提供參考，也為類似工程的測量工作提供思路。

1 數字正射影像依托項目與簡介

本課題以“朱宏路快速路”項目為依托，項目全長5.6公里，造價13億，建設期約16個月。項目采用“主線高速公路+地面輔路”的設計形式。建成后，將實現主城區(qū)與機場高速公路之間的“無縫對接”，沿線11條道路交叉，穿越現有人行天橋1座，將道路紅線寬度從64m擴大到80m。

數字正射影像，簡稱DOM。是利用無人機拍攝數字化的航空像片，對各個象元的投影差糾正，然后根據圖幅范圍對生成的圖像數據進行切割。它作為數字測繪產品，包含了幾何精度、數字精度和影像的特點，內容直觀豐富，包含精細的地理信息，目前在眾多行業(yè)中已經起到重要作用，其應用前景十分廣闊。

2 正射影像圖生產的技術流程

2.1 無人飛行器技術參數

（1）本項目使用的是大疆創(chuàng)新公司研發(fā)的精靈4RTK無人機，是一款具有精準導航定位系統(tǒng)的小型多旋翼航測無人機。（2）該機重1391g，飛行速度最快可達50m/s，最大可傾斜角25°，在電量足的情況下可續(xù)航30min。（3）需在表面有豐富紋理，光照條件充足，溫度在0℃～40℃的環(huán)境下使用。（4）錄像分辨率為H.264，4K：3840×2160 30p，設計有效畫幅為5472×3648，有效像素為2000萬。

2.2 外業(yè)數據采集

（1）首先需要在圖新地球軟件中對擬飛行區(qū)域進行區(qū)域規(guī)劃，規(guī)劃完成后將區(qū)域另存為后綴為.kml的區(qū)域文件，然后將建立好的kml文件儲存到無人機內存卡中，接著打開無人機遙控器，將規(guī)劃區(qū)域的kml的圖層打開，根據規(guī)劃區(qū)域來規(guī)劃無人機飛行航線。（2）當帶狀區(qū)域過長（區(qū)域超出無人機飛行最大范圍或無法滿足無人機安全降落）的時候，需對區(qū)域進行分解，并且區(qū)域與區(qū)域之間需要有20%的重疊度。（3）區(qū)域內布設像控點、精度檢查點，像控點應選取影像清晰并與其他物體有明顯區(qū)分處，應盡可能使用不同區(qū)域之間的精度點，否則根據不同的要求單獨安排。（4）設置好無人機相機參數，飛行高度，以及照片重疊率。應按照攝制照片的航向規(guī)劃無人機飛行航線，需保證旁向拍攝的重疊率不得低于70%，這樣可以確保正射影像的質量和精度。（5）飛行過程嚴格遵照《無人機數字航空攝影測量與遙感外業(yè)技術規(guī)范》實施。若飛行高度過高，需按法律規(guī)定申請空域。測量數據應傳輸到計算機，以便在測試區(qū)域完成后使用。如圖1所示。

圖1 無人機飛行航線Fig.1 Uav flight path

2.3 內業(yè)數據處理

本項目中正射影像圖的生產采用了Pix4D公司的Pix4Dmapper軟件進行。在處理過程中會對照片數據進行空中三角測量，航空三角測量是通過航空攝影測量中的連續(xù)攝影來獲得具有一定重疊的航空照片。根據野外勘測中少量的控制點，通過攝影測量法建立與野外對應的路線模型或區(qū)域網絡模型，可以得到加密點的坐標和高程。

內業(yè)數據處理的技術流程是：（1）首先，檢查基站的靜態(tài)觀測數據和飛行觀測數據；（2）對原始圖像、相機和項目參數文件的圖像畸形校正；（3）對影像及控制點文件和相機及項目參數文件創(chuàng)建工程及參數設定；（4）經過以上處理后進行空三加密；（5）控制點導入；（6）處理項目設置；（7）DOM/DSM成果輸出。

2.3.1 初始數據處理

數據初始處理時，提取特征點的數據并進行匹配，過程中確保數據的完整性和精度。數據圖像的匹配是指使用特定的算法在多個圖像之間識別相同的名稱點，這也是數字圖像處理問題的核心。傳統(tǒng)的圖像匹配僅基于灰度和特征匹配。灰度匹配是將未確定窗口的灰度與參考圖像窗口的灰度進行比較，以驗證未確定窗口是否滿足匹配要求。特征匹配是從原始圖像中提取特征值，然后將其更改條件應用于要約束匹配的圖像。對于數字影像圖，由圖像特征構成得非常明顯的目標被稱為特征點。點特征、面特征、色彩特征都可以被稱為圖像特征。特征提取是最關鍵的一步，也是影像分析的基礎。然后對選定的點進行刺點，采用空三預測的模式刺點，在數據初步處理后，所有控制點的位置都可以通過POS數據進行預測，然后逐個刺穿使用同一控制點的圖像。

2.3.2 空中三角測量

空中三角測量是根據現場和內部處理過程中的少量控制點對控制點進行加密的過程，從中可以獲得加密點的平面位置和高程。好處是可以為野外控制點不好確定的地區(qū)測量提供定向點。在空中三角測量中，空三計算首先在單個區(qū)域上進行，然后通過組合多個測量區(qū)域進行整個測量區(qū)域空三計算，直到所有測量區(qū)域計算完成。以下為空三運算步驟：（1）準備掃描圖像電子數據、相機參數和照片控制點；（2）建立試驗區(qū)，設置試驗區(qū)的參數；（3）引入圖像數據創(chuàng)建圖像列表；（4）自動內部定位或手動內部定位；（5）測取路線之間的連接點；（6）全自動相對定向、模型連接點提取。

空三運算結束后，輸出加密成果，對數據完整性進行檢查看是否滿足要求。可利用加密成果自動創(chuàng)建三維立體模型，數字正射影像由正交校正和圖像鑲嵌形成。

2.3.3 基于Pix4Dmapper軟件的影像制作

在正射影像圖的制作中，本項目采用的Pix4Dmapper軟件，它是一款專業(yè)數據處理軟件，具有精度高、操作簡單、處理速度快等特點。可以對空中測量的原始影像，采Pix4UAV技術進行影像自動校正，最后生成精度報告，報告中非常詳細地說明了區(qū)域網平差、空三加密及控制點的精度，通過該報告可以快速獲取想要的結果。對生成的正射影像圖自動勻色并將所有影像拼接，簡單不需要過多的人工干預，其獨特的影像處理技術，在正射影像制作中極受歡迎，也將是未來正射影像生產的主流。

3 數字正射影像應用前景

基于Pix4Dmapper軟件制作數字正射影像圖，對處理者的專業(yè)沒有限制，經過簡單的學習就可以上手操作，節(jié)省了大量人力。拍攝出的影像經過不同軟件處理，不僅可以生成正射影像圖，還可以生成實景三維模型和數字線畫圖。其中數字正射影像具備矢量性，比例坐標與現場相一致，能與設計單位提供的CAD圖進行嵌套，并可對外圍實際環(huán)境進行測量。相比實景模型而言，數字正射影像出成果更效率，應用前景更廣泛，是未來城市發(fā)展不可或缺的一種技術手段。

3.1 輔助市政項目規(guī)劃設計和交通導改

道路改造工程中，利用正射影像的空間地理信息進行項目進展分析和規(guī)劃設計，以及項目整體情況匯報展示。

處理步驟為：（1）通過無人機獲取現場現狀的航拍圖和地理信息數據；（2）通過軟件制作正射影像，并提供空間位置信息到正射影像中；（3）通過GIS平臺將正射影像和CAD圖紙核對疊加在一起；（4）將正射影像的位置和CAD圖紙的位置進行核準。如圖2所示。

圖2 市政項目交通導改Fig.2 Transportation guidance and reform of municipal projects

通過核準，將CAD圖紙和擁有實景地貌的正射影像合并在一起，方便快捷的分析設計路線范圍和現場實際情況是否沖突，并通過正射影像圖進行改造設計。同時，通過CAD圖紙上的設計范圍，能夠清晰地看到項目現場具體情況。

以正射影像為底圖，實景三維模型為參考，通過無人機以及RTK提供的精確地理數據，在GIS平臺上計算項目的土地數據以及錄入項目屬性信息，通過在正射影像上的編輯，可以直觀地看到各建筑的屬性信息。可節(jié)省大量的人工和時間成本，極大地方便了后期設計規(guī)劃。

3.2 數字正射影像其他應用

（1）隨著城市建設的快速發(fā)展，對城市地圖的更新越來越頻繁。采用傳統(tǒng)的測繪技術制作地形圖，不僅速度慢、周期長，而且精度不高。但隨著對正射影像圖制作工藝的研究，生產出的地形圖不僅精度高，比例尺也可達到1∶1000或1∶2000，為城市基礎地圖更新提供了重要手段。數字正射影像圖也是三維實景建模的基礎，在數字正射影像圖的基礎上通過一定的軟件制作可以生成三維實景模型，推動了數字三維城市的建設，非常方便、快捷。正射影像圖也可以清晰地了解城市綠化的分布情況，方便分類統(tǒng)計綠化面積，能為城市綠化發(fā)展作出貢獻。（2）數字正射影像與建筑結構模型或數字地面模型結合建立三維景觀模型，是實現城市規(guī)劃的一種新方法，為城市規(guī)劃提供最直觀的技術支持；電子沙盤景觀可以直觀、真實地向人們展示一個仿真、三維空間視覺圖像；立體景觀在線旅游真正讓游客不離家就能參觀美麗的風景。

4 結語

（1）本文根據西安市朱宏路市政項目道路改擴建工程，介紹了數字正射影像圖的生產過程與應用情況。得出利用數字正射影像圖能獲取項目區(qū)域內的實際環(huán)境，項目人員根據正射影像圖可以快速直觀地規(guī)劃施工方案，能夠周期性的對項目進行進度把控，未來必將成為市政項目高效施工的主要工具之一。（2）由于數字正射影像技術對社會生活的影響日益滲入，其使用也變得日益普遍，而人們對產品的質量與需求也在日益增加。所以，需要積極尋找生產新技術，以減少生產制造周期，并完善生產形式。而數字正射影像的應用將會成為一個越來越成熟的市場。