叶素纤 刘方舟 陈强
1.陕西华山路桥集团有限公司；
2.陕西正诚路桥工程研究院有限公司
随着无人机航空测量技术的发展，该技术已经逐渐渗透到各行各业，目前它被广泛用于土地资源勘察、数字化城市建设、城市规划设计等领域。本文为获取西安市朱宏路市政项目道路改扩建所需的影像和数据，提出了利用无人机摄影测量技术获取带有公里格网，图廓内外整饰和注记得平面正射影像图。为快速有效获取项目区域内的实际环境提供了新的数据支撑，一定程度提升了工作效率。
在市政道路改扩建工程中，由于以往项目施工方案单一，不直观，与外围产权单位沟通难度大等情况。为避免这种情况，本文通过介绍西安市朱宏路快速化改造工程提出了更科学地施工导行方案。利用无人机测量技术对该测区进行飞行测量，最后利用相关软件生产出正射影像图。无人机技术是指在机身的平台上架设传感器，在高空进行拍摄，飞行时机身维持水平。它操作简单，运转灵活，不需要特定的场所和跑道，拍摄的影像清晰度高，具有高效化、智能化、自动化等特点。对精准、快速获取项目周边施工环境有着积极的作用。无人机测量时根据不同的飞行方式分为倾斜摄影和垂直摄影，这两种测量方式有着不同的优势，可根据项目情况选择使用哪种方式测量。在需要获取细节地理信息的项目中可采用倾斜测量对不同的角度进行拍摄，而对于本项目需大面积测量来快速获取项目周边环境的，适合采取垂直测量的方式拍摄，最后利用Pix4Dmapper软件对摄影数据进行处理后生成正射影像图。本文主要介绍了数字正射影像图的生产过程与应用情况，为无人机航测者在操作应用上提供参考，也为类似工程的测量工作提供思路。
本课题以“朱宏路快速路”项目为依托，项目全长5.6公里，造价13亿，建设期约16个月。项目采用“主线高速公路+地面辅路”的设计形式。建成后，将实现主城区与机场高速公路之间的“无缝对接”，沿线11条道路交叉，穿越现有人行天桥1座，将道路红线宽度从64m扩大到80m。
数字正射影像，简称DOM。是利用无人机拍摄数字化的航空像片，对各个象元的投影差纠正，然后根据图幅范围对生成的图像数据进行切割。它作为数字测绘产品，包含了几何精度、数字精度和影像的特点，内容直观丰富，包含精细的地理信息，目前在众多行业中已经起到重要作用，其应用前景十分广阔。
2.1 无人飞行器技术参数
（1）本项目使用的是大疆创新公司研发的精灵4RTK无人机，是一款具有精准导航定位系统的小型多旋翼航测无人机。（2）该机重1391g，飞行速度最快可达50m/s，最大可倾斜角25°，在电量足的情况下可续航30min。（3）需在表面有丰富纹理，光照条件充足，温度在0℃～40℃的环境下使用。（4）录像分辨率为H.264，4K：3840×2160 30p，设计有效画幅为5472×3648，有效像素为2000万。
2.2 外业数据采集
（1）首先需要在图新地球软件中对拟飞行区域进行区域规划，规划完成后将区域另存为后缀为.kml的区域文件，然后将建立好的kml文件储存到无人机内存卡中，接着打开无人机遥控器，将规划区域的kml的图层打开，根据规划区域来规划无人机飞行航线。（2）当带状区域过长（区域超出无人机飞行最大范围或无法满足无人机安全降落）的时候，需对区域进行分解，并且区域与区域之间需要有20%的重叠度。（3）区域内布设像控点、精度检查点，像控点应选取影像清晰并与其他物体有明显区分处，应尽可能使用不同区域之间的精度点，否则根据不同的要求单独安排。（4）设置好无人机相机参数，飞行高度，以及照片重叠率。应按照摄制照片的航向规划无人机飞行航线，需保证旁向拍摄的重叠率不得低于70%，这样可以确保正射影像的质量和精度。（5）飞行过程严格遵照《无人机数字航空摄影测量与遥感外业技术规范》实施。若飞行高度过高，需按法律规定申请空域。测量数据应传输到计算机，以便在测试区域完成后使用。如图1所示。
图1 无人机飞行航线Fig.1 Uav flight path
2.3 内业数据处理
本项目中正射影像图的生产采用了Pix4D公司的Pix4Dmapper软件进行。在处理过程中会对照片数据进行空中三角测量，航空三角测量是通过航空摄影测量中的连续摄影来获得具有一定重叠的航空照片。根据野外勘测中少量的控制点，通过摄影测量法建立与野外对应的路线模型或区域网络模型，可以得到加密点的坐标和高程。
内业数据处理的技术流程是：（1）首先，检查基站的静态观测数据和飞行观测数据；
（2）对原始图像、相机和项目参数文件的图像畸形校正；
（3）对影像及控制点文件和相机及项目参数文件创建工程及参数设定；
（4）经过以上处理后进行空三加密；
（5）控制点导入；
（6）处理项目设置；
（7）DOM/DSM成果输出。
2.3.1 初始数据处理
数据初始处理时，提取特征点的数据并进行匹配，过程中确保数据的完整性和精度。数据图像的匹配是指使用特定的算法在多个图像之间识别相同的名称点，这也是数字图像处理问题的核心。传统的图像匹配仅基于灰度和特征匹配。灰度匹配是将未确定窗口的灰度与参考图像窗口的灰度进行比较，以验证未确定窗口是否满足匹配要求。特征匹配是从原始图像中提取特征值，然后将其更改条件应用于要约束匹配的图像。对于数字影像图，由图像特征构成得非常明显的目标被称为特征点。点特征、面特征、色彩特征都可以被称为图像特征。特征提取是最关键的一步，也是影像分析的基础。然后对选定的点进行刺点，采用空三预测的模式刺点，在数据初步处理后，所有控制点的位置都可以通过POS数据进行预测，然后逐个刺穿使用同一控制点的图像。
2.3.2 空中三角测量
空中三角测量是根据现场和内部处理过程中的少量控制点对控制点进行加密的过程，从中可以获得加密点的平面位置和高程。好处是可以为野外控制点不好确定的地区测量提供定向点。在空中三角测量中，空三计算首先在单个区域上进行，然后通过组合多个测量区域进行整个测量区域空三计算，直到所有测量区域计算完成。以下为空三运算步骤：（1）准备扫描图像电子数据、相机参数和照片控制点；
（2）建立试验区，设置试验区的参数；
（3）引入图像数据创建图像列表；
（4）自动内部定位或手动内部定位；
（5）测取路线之间的连接点；
（6）全自动相对定向、模型连接点提取。
空三运算结束后，输出加密成果，对数据完整性进行检查看是否满足要求。可利用加密成果自动创建三维立体模型，数字正射影像由正交校正和图像镶嵌形成。
2.3.3 基于Pix4Dmapper软件的影像制作
在正射影像图的制作中，本项目采用的Pix4Dmapper软件，它是一款专业数据处理软件，具有精度高、操作简单、处理速度快等特点。可以对空中测量的原始影像，采Pix4UAV技术进行影像自动校正，最后生成精度报告，报告中非常详细地说明了区域网平差、空三加密及控制点的精度，通过该报告可以快速获取想要的结果。对生成的正射影像图自动匀色并将所有影像拼接，简单不需要过多的人工干预，其独特的影像处理技术，在正射影像制作中极受欢迎，也将是未来正射影像生产的主流。
基于Pix4Dmapper软件制作数字正射影像图，对处理者的专业没有限制，经过简单的学习就可以上手操作，节省了大量人力。拍摄出的影像经过不同软件处理，不仅可以生成正射影像图，还可以生成实景三维模型和数字线画图。其中数字正射影像具备矢量性，比例坐标与现场相一致，能与设计单位提供的CAD图进行嵌套，并可对外围实际环境进行测量。相比实景模型而言，数字正射影像出成果更效率，应用前景更广泛，是未来城市发展不可或缺的一种技术手段。
3.1 辅助市政项目规划设计和交通导改
道路改造工程中，利用正射影像的空间地理信息进行项目进展分析和规划设计，以及项目整体情况汇报展示。
处理步骤为：（1）通过无人机获取现场现状的航拍图和地理信息数据；
（2）通过软件制作正射影像，并提供空间位置信息到正射影像中；
（3）通过GIS平台将正射影像和CAD图纸核对叠加在一起；
（4）将正射影像的位置和CAD图纸的位置进行核准。如图2所示。
图2 市政项目交通导改Fig.2 Transportation guidance and reform of municipal projects
通过核准，将CAD图纸和拥有实景地貌的正射影像合并在一起，方便快捷的分析设计路线范围和现场实际情况是否冲突，并通过正射影像图进行改造设计。同时，通过CAD图纸上的设计范围，能够清晰地看到项目现场具体情况。
以正射影像为底图，实景三维模型为参考，通过无人机以及RTK提供的精确地理数据，在GIS平台上计算项目的土地数据以及录入项目属性信息，通过在正射影像上的编辑，可以直观地看到各建筑的属性信息。可节省大量的人工和时间成本，极大地方便了后期设计规划。
3.2 数字正射影像其他应用
（1）随着城市建设的快速发展，对城市地图的更新越来越频繁。采用传统的测绘技术制作地形图，不仅速度慢、周期长，而且精度不高。但随着对正射影像图制作工艺的研究，生产出的地形图不仅精度高，比例尺也可达到1∶1000或1∶2000，为城市基础地图更新提供了重要手段。数字正射影像图也是三维实景建模的基础，在数字正射影像图的基础上通过一定的软件制作可以生成三维实景模型，推动了数字三维城市的建设，非常方便、快捷。正射影像图也可以清晰地了解城市绿化的分布情况，方便分类统计绿化面积，能为城市绿化发展作出贡献。（2）数字正射影像与建筑结构模型或数字地面模型结合建立三维景观模型，是实现城市规划的一种新方法，为城市规划提供最直观的技术支持；
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（1）本文根据西安市朱宏路市政项目道路改扩建工程，介绍了数字正射影像图的生产过程与应用情况。得出利用数字正射影像图能获取项目区域内的实际环境，项目人员根据正射影像图可以快速直观地规划施工方案，能够周期性的对项目进行进度把控，未来必将成为市政项目高效施工的主要工具之一。（2）由于数字正射影像技术对社会生活的影响日益渗入，其使用也变得日益普遍，而人们对产品的质量与需求也在日益增加。所以，需要积极寻找生产新技术，以减少生产制造周期，并完善生产形式。而数字正射影像的应用将会成为一个越来越成熟的市场。