無人機遙感圖像及其三維可視化在汶川地震救災(zāi)中的應(yīng)用

何 磊,苗 放,唐姝婭,李玉霞

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,四川成都 610059;2.四川省地震局減災(zāi)救助研究所,四川成都 610041;3.電子科技大學(xué) 地表空間信息技術(shù)研究所,四川成都 610054)

0 前言

由于四川盆地多云多雨的特點,造成衛(wèi)星圖片大部分被雨云遮蓋,無法準確觀測特定地區(qū),發(fā)揮衛(wèi)星大范圍以及綜合判斷的優(yōu)勢,可以在地震災(zāi)害發(fā)生的第一時間內(nèi),獲得即使調(diào)整衛(wèi)星拍攝角度也無法得到的詳細災(zāi)區(qū)情形。由于無人機低空遙感系統(tǒng)具有很高的機動性、靈活性和安全性,可獲取多角度、高分辨率影像,不受高度限制和陰云天氣影響,且系統(tǒng)成本及影像處理費用較低。若能發(fā)揮其特有的作用,就可以為決策者提供準確、詳細、及時的第一手資料,在低空領(lǐng)域、小區(qū)域具有一定的優(yōu)勢[1]。作者在本文中介紹了無人機低空遙感數(shù)據(jù)的快速處理,三維可視化技術(shù)與方法,利用無人機航空平臺搭載多種遙感傳感器,在第一時間內(nèi)獲取大量重點災(zāi)區(qū)的高分辨率航空遙感影像數(shù)據(jù)。經(jīng)過圖像幾何校正、鑲嵌、三維可視化、圖像解譯等快速處理,實現(xiàn)了高危堰塞湖,重災(zāi)區(qū)受災(zāi)狀況等目標的實時動態(tài)監(jiān)測,為各級領(lǐng)導(dǎo)和抗震救災(zāi)指揮專家的決策,提供了最及時可靠的數(shù)據(jù)和信息支持。

1 數(shù)據(jù)信息源

在本文中使用的無人機低空遙感數(shù)據(jù),采用了AF-1000小型無人航攝飛機獲取。AF-1000是中短程無人機,采用常規(guī)空氣動力布局,具有重量輕,翼載荷小,起飛降落場地要求低等特點。在野外一般場地即可作業(yè),特別適合突發(fā)情況下快速部署,能夠在五十公里半徑范圍內(nèi)執(zhí)行短時航拍任務(wù)。無人機獲取的低空遙感數(shù)據(jù),具有極高的空間分辨率,單幅影像輻射范圍小,影像總量巨大。為了快速實現(xiàn)影像的“災(zāi)情地圖”作用,采用了自動拼接的圖形處理方法。圖1分別是北川縣城和青川東河口堰塞湖,經(jīng)拼接后的局部影像。

2 無人機遙感圖像處理

由于汶川地震次生災(zāi)害發(fā)育在環(huán)境條件惡劣、地形地貌復(fù)雜等條件下,所以,研究任務(wù)要求沿著高山峽谷地帶飛行。因高山峽谷地帶的氣流變化莫測,而且容易受高空風(fēng)力的影響,造成飛行航線漂移,使得拍攝的影像航向重疊度和旁向重疊度都不夠規(guī)則。與傳統(tǒng)的航天影像和航空影像相比,無人機低空遙感影像存在像幅較小、數(shù)量多、影像的傾角過大且傾斜方向沒有規(guī)律等問題[2]。根據(jù)上述特點,通過分析無人機低空遙感影像的幾何變形原理,可以對無人機遙感圖像進行圖像處理。

2.1 無人機低空遙感影像幾何變形分析

在無人機遙感中,大多使用普通相機,攝影測量過程從航空攝影開始,直至獲得像片或模型坐標的整個數(shù)據(jù)獲取過程中,都會帶來許多系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差主要有:

(1)攝影系統(tǒng)的畸變差。

(2)攝影材料的系統(tǒng)變形、軟片的壓平誤差。(3)地球曲率和大氣折光。

(4)量測儀器的準系統(tǒng)誤差。

(5)觀測員的系統(tǒng)誤差。

作者在本文采用的無人機低空遙感影像,是采用面陣CCD(電子耦合器件)作為感光器件,所獲影像屬于中心投影瞬間一次成像,即一幅影像上的所有像點共用一個影像中心和同一個像片平面,亦即共用一組外方位元素。因此,像點a與物點A之間的空間坐標關(guān)系,可表示為中心投影成像的共線方程式(1)如下:

其中

圖1 北川縣城和青川東河口震后影像(拍攝時間:2008-5-16)Fig.1 Beichuan county and Qingchuan estuary earthquake images(taken time:2008-5-16)

式中 x、y是以像主點為原點的像點坐標;x＊、y＊是像點坐標偏離真值的誤差;f為像片主距;XA、YA、ZA是相應(yīng)地面點的坐標;ai、bi、ci(i=1,2,3)是三個外方位角元素φ、ω、κ求得的方向余弦值;Xs、Ys、Zs是攝影中心的坐標值[3]。

式(1)不僅表示了無人機遙感影像的構(gòu)像關(guān)系,同時也指明了影像幾何變形主要來源于與傳感器本身相關(guān)的內(nèi)部變形誤差,以及由傳感器以外因素引入的外部變形誤差,為影像的幾何糾正提供了理論依據(jù)。

2.2 遙感影像拼接與幾何校正

通過上述幾何變形原理的分析,結(jié)合無人機影像傾角大而無規(guī)律,圖像中必然引入了無規(guī)律的幾何變形,所以對無人機遙感圖像進行幾何糾正是必須的。通過理論分析,作者采用多項式法對無人機遙感影像中外方位元素引入誤差進行幾何糾正。該方法的基本思想是,不考慮影像成像過程中的空間幾何關(guān)系,直接對影像本身進行數(shù)學(xué)模擬。它把影像的總體變形看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲,以及更高層次基本變形的綜合效果,因而糾正前、后影像相應(yīng)點之間的坐標關(guān)系,可以用一個適當?shù)亩囗検竭M行描述。這種方法對各種傳感器形成影像的糾正都是適用的,但有不同的近似程度。而且,這種方法不僅能用于影像對地面(地圖)系統(tǒng)的糾正,還可以用于不同類型影像之間的相互匹配,能滿足計算機分類,地物變化監(jiān)測等處理的需要。

假設(shè)影像坐標為(u,v),相應(yīng)像素的地面坐標為(x,y),則二者之間的多項式糾正公式可以表示為公式(2)。

多項式的項數(shù)(即系數(shù)的個數(shù))N,與其階數(shù)n有固定的關(guān)系:

因此反求n階糾正多項式的系數(shù),至少需要N個控制點,包括其在影像和地面的坐標值。若已知的控制點數(shù)大于N,則可以利用最小二乘法原理,求解多項式的系數(shù)。

作者在本文中,以數(shù)字化地形圖的地理坐標作為配準參考,圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地形圖在公里網(wǎng)坐標系中。利用一階多項式進行擬合糾正,控制點的選取在每幅影像中一般為4個～6個,并使其盡可能地均勻分布,在地物變化復(fù)雜的地區(qū)適當加密。

圖2為安縣茶坪河經(jīng)過幾何糾正后的圖像。2.3 遙感圖像正射精校正及三維可視化

圖2 安縣茶坪河局部幾何糾正圖Fig.2 Chaping river local geometric correction map

遙感圖像三維可視化實現(xiàn)的技術(shù)和思想,就是依據(jù)DEM建立表面模型來顯示真實地形,然后再將遙感影像或航片等數(shù)字影像進行紋理疊加來顯示地表細節(jié),充分發(fā)揮計算機圖示技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢,利用遙感圖像、地理要素和文字符號標注等多種數(shù)據(jù),生成三維地形影像[4]。將這些可視化數(shù)據(jù)集成套合成三維地形影像,必須做到不同數(shù)據(jù)間的坐標配準,目的是將不同來源的同一地區(qū)的圖像、地理要素和文字符號等數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換到同一坐標系中[6]。作者在本文是以地形圖的地理坐標作為配準參考,其它數(shù)據(jù)均需轉(zhuǎn)換到地形圖所在的坐標系中。

遙感圖像地質(zhì)解譯三維可視化與影像動態(tài)分析系列動畫制作工序,主要包括以下幾個內(nèi)容。

(1)遙感圖像數(shù)字處理。遙感圖像數(shù)字處理是數(shù)字區(qū)調(diào)工作中信息提取的重要環(huán)節(jié)。圖像處理的目的,是對原始遙感圖像進行輻射校正、幾何校正和投影差改正等,最終制作出統(tǒng)一規(guī)格標準的高質(zhì)量遙感圖像,以提高數(shù)字區(qū)調(diào)地質(zhì)解譯應(yīng)用效果[5]。

(2)高精度DEM生成。高精度三維立體圖像需要高精度的DEM來支撐,在遙感圖像的正射處理中,各像點的投影差改正也需要對應(yīng)點的高精度DEM[6]。

(3)三維飛行路線選取。根據(jù)工作區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度和工作需要,按照一定的規(guī)則進行飛行勘察路線部署。

(4)三維可視化系列動畫產(chǎn)品制作。首先進行三維飛行的參數(shù)設(shè)置,如航高、時速、夸大系數(shù)、屏幕大小、視角設(shè)置及背景效果等;然后再根據(jù)布置的飛行路線完成三維動畫制作。

(5)三維可視化產(chǎn)品輸出。根據(jù)選擇的飛行路線,逐條生成遙感圖像地質(zhì)解譯三維可視化及影像動態(tài)分析系列動畫,并把這些產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成了通用動畫所支持的格式打包,如Quick Time Movie格式等,刻盤并提交給有關(guān)的工作人員使用。

(6)信息提取。地震次生災(zāi)害(滑坡、堰塞湖等)、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶地貌解譯和影像判讀等。

遙感圖像三維可視化,是在高程表面模型(DEM)上覆蓋遙感圖像、地理要素和文字符號標注等多種數(shù)據(jù),生成的三維地形影像。不同類型數(shù)據(jù)的集成套合,是以地理坐標為組織的,因此在套合成三維影像時,必須做到不同數(shù)據(jù)間的坐標配準,將同一地區(qū)不同來源的影像、地理要素和文字符號轉(zhuǎn)換到同一坐標系中[7]。作者在本文中以地形圖的地理坐標作為配準參考,其它數(shù)據(jù)均需轉(zhuǎn)換到地形圖所在的坐標系中。其中DEM由地形圖上數(shù)字化得來的等高線或高程點生成,因此已實現(xiàn)了與地形圖的坐標配準。無人機影像在進行幾何糾正時,已實現(xiàn)了與地形圖間的配準。這樣DEM和影像都是依據(jù)地形圖內(nèi)容而進行的特征數(shù)字化或文字符號注記,與地形圖存在于同一坐標系中,無需進行再次配準[8]?？紤]到模擬飛行觀察效果,計算機處理能力,以及編輯操作簡便易行等因素,疊合后生成的三維影像,實現(xiàn)了三維地形影像模擬飛行的動態(tài)觀測。

對安縣茶坪河圖像進行三維可視化及實現(xiàn)飛行觀察,示例見圖3。在圖3中,河道位置清晰,堰塞湖、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害可清楚解譯。

3 地震災(zāi)害遙感信息的快速提取與分析

在地震發(fā)生后,災(zāi)區(qū)河谷地帶災(zāi)情嚴重,形成多處堰塞湖,后期隱患重大。由于災(zāi)區(qū)道路損毀情況嚴重,交通線中斷,無人機作為能深入了解災(zāi)情的有效手段,在面臨抗震救災(zāi)要求快速、及時、準確反映受災(zāi)地區(qū)的真實情況時,可以在較短的時間內(nèi)提供給決策層詳細的數(shù)據(jù),方便重大決策的制定[9]。

圖3 安縣茶坪河三維影像(局部區(qū)域)Fig.3 Chaping river three-dimensional image(local area)

無人機影像具有數(shù)量多、相幅小的特點,但是由于高度和分辨率的特殊性,要適應(yīng)抗震救災(zāi)的實時性要求,必須在較短時間內(nèi)完成影像的快速拼接、糾正和解譯等相關(guān)工作。低空遙感能提供完整影像,且分辨率較高,經(jīng)過校正和災(zāi)害區(qū)域、對象增強處理,結(jié)合部份地理信息,能滿足對堰塞湖災(zāi)害的快速定量評估與解譯要求。

堰塞湖災(zāi)害定量信息評估與解譯包括:

(1)滑坡。根據(jù)遙感影像的比例尺和方向,判別滑坡的長度和寬度,以及滑動方向。由于影像有30%以上的航向和旁向重疊,通過立體像對,可快速提取滑坡體高度和厚度,再通過地質(zhì)圖的資料對比,可準確得出滑體的主要巖性。

(2)崩塌。崩塌體長度、寬度信息的提取,與滑坡基本一樣。災(zāi)害區(qū)崩塌體的平面規(guī)模與其厚度有相關(guān)性,發(fā)生崩塌所形成的倒石堆坡度一般在37°左右,可通過崩塌體的長度推算其高度。

(3)泥石流。泥石流溝的判讀主要是通過對溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)的辨識獲得。一般通過專家知識庫及相關(guān)經(jīng)驗,判斷具備爆發(fā)泥石流所需要的地形條件(溝道比降)。震后所引發(fā)的大量滑坡和崩塌固體物,提供了形成泥石流的必備條件。

(4)堰塞湖。堰塞湖是由于河道二岸滑坡(崩塌)阻塞河道所致,堰塞壩為阻塞河道的滑坡體。確定堰塞壩體積,需判讀出堰塞壩的平面規(guī)模,結(jié)合其高度進行。

建立震后災(zāi)區(qū)的三維動態(tài)影像,可以根據(jù)堰塞體的回水位置,確定其高程,結(jié)合地形圖數(shù)據(jù),計算壩體位置水深。通過壩體前、后的有水和無水區(qū)位置,可以確定壩體的高度,從而計算出堰塞壩的體積。堰塞湖的流域面積可通過地形圖量算,再配合水文以及氣象資料,計算出有關(guān)匯流以及水位上漲信息。壩體的穩(wěn)定性評估,除了對堰塞體的組成物質(zhì)進行判斷外,還需要深入到現(xiàn)場考察。另外,由于包含了高程信息,在圖像與震前地形不符合的地方,可以顯示出地震引起的地形變化,例如滑坡、堰塞湖,以及由此引起的河道改變等?？梢詾楹Ａ窟b感數(shù)據(jù)的快速解譯與定量分析提供依據(jù),可以實現(xiàn)災(zāi)害特征及感興趣目標點的解譯與空間統(tǒng)計分析,提供災(zāi)后恢復(fù)與重建詳細統(tǒng)計數(shù)據(jù)的信息支撐[10]。

4 結(jié)論與探討

作者在本文針對無人機低空遙感數(shù)據(jù)在地震災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)急應(yīng)用,能較完整地處理震后無人機遙感影像,處理結(jié)果清晰、生動,并在汶川地震救災(zāi)工作中得以實現(xiàn)。數(shù)據(jù)成果為勘察工作者和決策者提供了三維的背景資料,為其它數(shù)字化成果提供了可視化載體,使遙感影像呈立體化、動態(tài)化模擬顯示,工作人員可身臨其境,高空俯視,景觀漫游,對決策者具有十分重要的意義。無人機低空遙感數(shù)據(jù)在“5·12”抗震救災(zāi)中,發(fā)揮了不可替代的科學(xué)作用。同時,在特定災(zāi)害環(huán)境和復(fù)雜地理條件下,無人機低空遙感數(shù)據(jù)在應(yīng)用中也暴露出許多技術(shù)問題,例如,數(shù)字影像內(nèi)部誤差糾正,無控制點糾正,快速自動配準與拼接,地震災(zāi)害信息的自動提取等。在后續(xù)研究中,建立無人機高分辨率低空遙感數(shù)據(jù)的快速處理系統(tǒng),及災(zāi)情快速解譯和定量分析技術(shù),可以提高無人機獲取海量遙感數(shù)據(jù)的處理速度,更進一步的提高數(shù)據(jù)成果的實時性和應(yīng)用性。

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