近景攝影測量技術(shù)在三峽庫區(qū)消落帶土壤侵蝕調(diào)查中的應(yīng)用

胡云華，鮑玉海，賀秀斌，王 蕾，甄 艷

(1.四川省第三測繪工程院，四川成都610500;2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041)

一、引 言

水庫消落帶是指由于水位季節(jié)性漲落而使水庫周邊被淹沒土地周期性出露水面的一段特殊區(qū)域，通常指水庫最低水位線至最高水位線之間的地貌單元，是水陸生態(tài)系統(tǒng)的交錯地帶。三峽工程是當(dāng)今世界最大的水利樞紐工程，建成蓄水以后，在庫區(qū)形成一個最高水位175 m、最低水位145 m，垂直落差達(dá)30 m的消落帶［1-2］。消落帶邊坡受干濕交替的周期性影響，在波浪淘蝕和降雨徑流沖刷的共同作用下發(fā)生嚴(yán)重的土壤侵蝕［3-4］。微地貌掃描是監(jiān)測三峽庫區(qū)消落帶地表變形、揭示土壤侵蝕過程的重要手段。由于消落帶地貌發(fā)生變化的機(jī)理復(fù)雜多樣，面積巨大，使用傳統(tǒng)的RTK、全站儀、經(jīng)緯儀等對進(jìn)行地貌監(jiān)測不僅工作量巨大，而且很難滿足地表變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)需求。雖然可以使用三維激光掃描儀進(jìn)行地貌掃描，但是三維激光掃描儀成本高昂，很難在庫區(qū)大面積使用。

近景攝影測量是攝影測量的一個重要分支，主要研究近景物體的三維構(gòu)建，地形測量等［5］。隨著攝影測量軟件數(shù)據(jù)處理功能的不斷強(qiáng)大，使用傳統(tǒng)的非專業(yè)攝影測量相機(jī)也能完成影像的采集工作，尤其是近年來國產(chǎn)數(shù)字?jǐn)z影測量軟件的不斷成熟，大大降低了該方法的使用成本，使得最新的數(shù)碼攝影測量技術(shù)通過一定的技術(shù)設(shè)計，既能滿足平面精度要求，又可能在高程上達(dá)到變形觀測的特殊要求［6-7］。楊化超等曾使用數(shù)字近景攝影測量技術(shù)進(jìn)行礦山地表沉陷監(jiān)測應(yīng)用研究［8］;Thomas等人采用專業(yè)量測相機(jī)將數(shù)字近景攝影測量技術(shù)用于大壩的變形監(jiān)測［9］;石必明等人將非量測數(shù)字相機(jī)數(shù)字化近景攝影測量技術(shù)用于沉陷模型的試驗觀測［10］。但在消落帶土壤侵蝕研究領(lǐng)域，近景攝影測量技術(shù)還鮮有應(yīng)用，三峽庫區(qū)消落帶面積大，地形復(fù)雜，使用普通數(shù)碼相機(jī)近景攝影測量技術(shù)對三峽庫區(qū)消落帶進(jìn)行地形數(shù)據(jù)獲取具有廣闊的應(yīng)用前景。

本研究利用基于普通單反相機(jī)的近景攝影測量技術(shù)對三峽庫區(qū)消落帶進(jìn)行三維建模，并利用全站儀測量驗證點來計算三維建模的精度，以驗證本研究所使用的近景攝影測量技術(shù)在消落帶土壤侵蝕監(jiān)測中的實用性。

二、研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶涪陵區(qū)清溪鎮(zhèn)境內(nèi)(緯度:29.715 271 ～ 29.739 929;經(jīng) 度:106.944 702 ～106.962 524)，如圖1所示。水位在145～175 m 波動，最低水位145 m出現(xiàn)在每年汛期(6—9月)，最高水位出現(xiàn)在非汛期，達(dá)175 m。研究區(qū)坡度10°左右，土壤質(zhì)地以砂質(zhì)為主，只在6—9月出露。出露后，正值暴雨集中期，由于天氣炎熱潮濕，大雨、暴雨頻繁，容易形成坡面侵蝕。同時在風(fēng)和船舶的作用下形成的波浪也會對消落帶進(jìn)行沖刷，因此研究區(qū)土壤侵蝕是在波浪和地表徑流共同作用下的一種特殊的土壤侵蝕形式。本研究選取研究區(qū)內(nèi)兩條侵蝕溝作為研究對象，編號分別為1號溝和2號溝。1號溝溝長3.54 m，平均寬度 0.58 m;2 號溝長 1.95 m，平均寬度 0.42 m。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

三、數(shù)據(jù)獲取

1.試驗設(shè)備

試驗中使用的相機(jī)Canon EOS 5D Mark II是一款高性能數(shù)碼單鏡頭反光自動對焦相機(jī)，配備有2110萬有效像素的全畫幅CMOS感應(yīng)器，相機(jī)鏡頭另配備24～105 mm f/4L USM鏡頭，控制點測量使用南方NTS-360R激光免棱鏡全站儀。

本研究使用中國測繪科學(xué)研究院研發(fā)的高分辨率遙感影像一體化測圖系統(tǒng)PixelGrid作為數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件具有非量測相機(jī)影像畸變差改正，同時完成影像旋轉(zhuǎn)的功能;該軟件還可以針對非航空攝影測量影像重疊度不夠規(guī)則、像幅較小、相片傾角過大且傾斜方向沒有規(guī)律等特點，采用基于尺度/旋轉(zhuǎn)不變特征和多基線影像匹配技術(shù)的全自動鏈接點選取配準(zhǔn)等功能［11］。

2.數(shù)碼相機(jī)檢校

普通的數(shù)碼相機(jī)的主距f和像主點在像片中心坐標(biāo)系里的坐標(biāo)(x0，y0)都是未知的，根據(jù)影像無法直接量測以像主點為原點的坐標(biāo)，必須進(jìn)行內(nèi)定向。同時非量測相機(jī)的鏡頭畸變差較大，這是因為透鏡成像時，視場的不同區(qū)域所形成的影像放大率不同而產(chǎn)生扭曲，屬于一種影像的幾何失真，這種扭曲或失真在越靠近影像邊緣的地方就越嚴(yán)重。為了恢復(fù)每張影像攝影中心與像片之間的相對幾何關(guān)系，提取光學(xué)畸變系數(shù)，以獲得非測量相機(jī)攝影測量處理的必要參數(shù)，數(shù)碼相機(jī)的校驗工作必不可少［12-13］。

根據(jù)所需要使用的硬件條件，數(shù)碼相機(jī)的檢校的方法主要可以分為:基于標(biāo)準(zhǔn)參照物的方法、自檢校和基于主動視覺的檢校方法。相機(jī)的檢校需要專業(yè)的三維控制場和二維控制場，在測量區(qū)域內(nèi)，安設(shè)控制點，利用全站儀輔助測量控制點的幾何坐標(biāo)，將幾何坐標(biāo)帶入圖像，可以求解相機(jī)形變參數(shù)并對影像進(jìn)行幾何校正。在本研究過程中，由于沒有設(shè)置專門的校驗場，因此直接引用中南大學(xué)鄒崢嶸教授團(tuán)隊建立的同型號Canon EOS5D相機(jī)檢校結(jié)果［14］，見表1。

表1 Canon EOS 5D相機(jī)檢校參數(shù)

3.控制點布設(shè)與影像獲取

在1號溝和2號溝內(nèi)選擇盡量均勻布設(shè)的控制點，利用塑料圖釘對控制點進(jìn)行標(biāo)注。本研究中，共在主溝和副溝設(shè)立個34個控制點，如圖2所示。在主溝溝頭選擇一個位置較高的點架設(shè)全站儀，設(shè)定相對的平面坐標(biāo)系，將全站儀所在點坐標(biāo)設(shè)置為(100，100，100)，使用免棱鏡模式，全站儀激光直接瞄準(zhǔn)大頭針頂部中心，坐標(biāo)測量使用測回法，每個控制點測3個測回，最后控制點結(jié)果取平均值，見表2。獲取完控制點以后，利用免棱鏡模式隨機(jī)測量了個122驗證點，用以對攝影測量獲取的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗證。

進(jìn)行攝影時，為了盡量保證多幅影像獲取時的角度、高度一致，保持相機(jī)的穩(wěn)定性，盡量使攝影照片接近于航攝影像，利用三角架對相機(jī)進(jìn)行固定，并對擺放三角架的地面進(jìn)行平整，利用標(biāo)尺作為參照，拍照時平行移動三角架，使獲取的兩幅相鄰影像的重疊度在80%以上，最終共獲得研究區(qū)影像5景。

圖2 控制點測量及控制點分布圖

表2 控制點編號及其坐標(biāo)

四、數(shù)據(jù)處理

使用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景攝影測量圖像處理流程如圖3所示。

圖3 近景攝影測量圖像處理流程

1.原始影像和相機(jī)參數(shù)的獲取

獲取照片后，讀取拍照時的相機(jī)參數(shù)(見表3)，主要相機(jī)參數(shù)有:寬度、高度、水平分辨率、垂直分辨率、位深度、焦距。結(jié)合檢校結(jié)果的主點坐標(biāo)(x0，y0)、主距(f)、畸變系數(shù)(k1)、攝影中心坐標(biāo)(Xs，Ys，Zs)等參數(shù)，建立相機(jī)檢校文件(*.cam格式)。

表3 相機(jī)獲取的影像參數(shù)信息

2.畸變差校正

由于拍攝的相機(jī)為非量測相機(jī)，其像片存在邊緣畸變，需對其進(jìn)行畸變差校正。利用中國測繪科學(xué)研究院研發(fā)的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)一體化測圖系統(tǒng)PixelGrid對照片進(jìn)行畸變差校正，選擇好相機(jī)參數(shù)文件選擇后，在相機(jī)參數(shù)單位中選擇該測區(qū)相機(jī)參數(shù)文件的單位(mm)。將所有影像添加入軟件，可以實現(xiàn)影像的一次性畸變差校正。

3.建立測區(qū)工程

在設(shè)置航攝區(qū)域必要參數(shù)模塊中，首先設(shè)置工程目錄名，將攝影比例尺設(shè)置為3000，然后設(shè)置相機(jī)檢校參數(shù)文件，為了提高模型連接成功率，將內(nèi)定向限差、相對定向限差和模型連接限差都設(shè)定為0.02 mm，設(shè)置平差迭代允許最大次數(shù)為20，平差迭代停止時變化量0.005。建立好測區(qū)工程文件后，直接導(dǎo)入全站儀測量的控制點數(shù)據(jù)，建立地面控制文件。

4.空三加密

進(jìn)行空三加密前，首先進(jìn)行生成金字塔影像和索引影像的操作，金字塔影像在匹配相對定向點時需要使用，索引影像是在瀏覽影像時所生成的文件。隨后進(jìn)行影像的自動內(nèi)定向操作，相對定向完成后，便可開始進(jìn)行模型連接，完成連接后，進(jìn)行航帶初始點提取;然后進(jìn)行全自動航帶間轉(zhuǎn)點及數(shù)據(jù)整理，自由網(wǎng)平差;自由網(wǎng)平差合格后進(jìn)行控制點提取及區(qū)域網(wǎng)平差;再點擊平差工具，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差解算;解算后，查看其控制點殘差，如果控制點超限，則需對其進(jìn)行修改再平差，直到連接點及控制點都滿足要求為止，解算合格后，就完成了整個測區(qū)的空三加密。

5.DEM匹配及編輯

導(dǎo)入空三加密成果，輸入測區(qū)航向重疊率、測區(qū)平均高程和測區(qū)旁向重疊率進(jìn)行工程及格式轉(zhuǎn)換，生成 PixelGrid工程文件。影像格式轉(zhuǎn)換完成后，進(jìn)入PixelGrid主模塊，然后進(jìn)行核線影像生成，設(shè)置影像匹配參數(shù)，輸入每個像對切除影像的邊緣像素值，再設(shè)置該區(qū)域的DEM格網(wǎng)間隔為0.05 m，隨后開始進(jìn)行DEM自動匹配。DEM自動匹配完成后，點擊“DEM拼接生成”按鈕，開始把匹配好每個像對的DEM數(shù)據(jù)拼接成一個大DEM文件，如圖4所示。

圖4 拼接完成的研究區(qū)DEM

五、結(jié)果分析

1.DEM精度驗證

基于全站儀隨機(jī)測量的122個驗證點，利用ArcGIS軟件的Extract Value to Points工具提取其DEM上的高程信息，分別利用平均誤差ME、中誤差RMSE和誤差標(biāo)準(zhǔn)差STD來估算獲取的DEM數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。平均誤差是數(shù)據(jù)和真實值的誤差的平均值。中誤差是衡量觀測精度的一種數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，亦稱標(biāo)準(zhǔn)差或均方根差，它是相同觀測條件下的一組真誤差平方中數(shù)的平方根，誤差標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)的是誤差的離散程度，從誤差標(biāo)準(zhǔn)差可以看出數(shù)據(jù)誤差的波動程度。它們的計算公式分別如下［15］

式中，εi表示實測值(測量結(jié)果)與采樣值(DEM結(jié)果)的差;n代表采樣點個數(shù)。對全站儀測量驗證點高程值和近景攝影測量建立的DEM上提取的高程值的平均誤差、中誤差、誤差標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表4。測量誤差的平均值為1.231 7 cm，最大最小值-3.73 cm，最大值 0.699 5 cm，平均誤差-1.23 cm，中誤差 1.638 7 cm，誤差標(biāo)準(zhǔn)差 1.080 9 cm。從誤差結(jié)果來看，利用本研究所使用的方法生成的DEM高程值數(shù)據(jù)和實際測量結(jié)果的誤差在厘米級，只能滿足較粗略的土壤侵蝕調(diào)查需求，測量結(jié)果可以用于提取侵蝕溝的邊界、面積、土壤侵蝕量的估算等應(yīng)用分析。

表4 校正和未校正的坡度數(shù)據(jù)誤差指標(biāo)分析結(jié)果 cm

2.誤差的空間分布

在計算結(jié)果的誤差當(dāng)中，可以看出大部分誤差結(jié)果為負(fù)值，即實際測量結(jié)果高程值小于DEM提取高程值，在ArcGIS軟件中，利用二階反權(quán)距離插值方法對誤差計算結(jié)果進(jìn)行空間插值，并按正負(fù)值進(jìn)行彩色分級顯示，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，僅在個別驗證點處，實際測量高程值大于DEM所提取的高程值，在大部分地區(qū)，測量結(jié)果要低于DEM觀測值。為了分析誤差大小的空間分布狀況，利用反權(quán)距離插值方法對誤差絕對值進(jìn)行空間插值，如圖5所示，從圖中可以看出，誤差比較大的地區(qū)都分布在溝頭或者溝中部相對較深的地區(qū)。從這個結(jié)果可以看出，利用攝影測量所獲得的DEM數(shù)據(jù)，在刻畫地貌形態(tài)時，對于影像陰影覆蓋的溝底地區(qū)，攝影測量產(chǎn)生的誤差較大，容易高估出地表實際的高程，不能反映地表的細(xì)節(jié)信息。

圖5 誤差正負(fù)值分布圖和絕對誤差分布圖

六、結(jié)論與建議

本研究利用近景攝影測量技術(shù)，使用普通單反相機(jī)獲取的影像結(jié)合全站儀測量的地面控制點在PixelGrid軟件中對三峽庫區(qū)消落帶地貌進(jìn)行三維建模，并利用全站儀測量的驗證點來計算獲取的DEM數(shù)據(jù)的精度。從結(jié)果可以看出，利用本研究所使用的近景攝影測量技術(shù)可以從普通單反相機(jī)照片中提取地貌DEM信息，但由于相機(jī)校準(zhǔn)和實際軟件處理效果的限制，影像所獲取的DEM數(shù)據(jù)平均誤差在1.2 cm左右，而且由于影像陰影和相機(jī)傾角等原因，獲取數(shù)據(jù)在溝底和地貌起伏較大的地區(qū)誤差較大，無法較精確地還原地貌信息。本研究所使用的技術(shù)方法可以用于較粗略的消落帶土壤侵蝕調(diào)查，可以用于提取土壤侵蝕溝的邊界、面積、深度、坡度、土壤侵蝕量等信息，結(jié)合多期調(diào)查結(jié)果，還能進(jìn)行土壤侵蝕溝發(fā)育過程的粗略監(jiān)測?；诮皵z影測量技術(shù)研究簡單、可靠并快速的普通數(shù)碼相機(jī)的攝影測量方法，將是進(jìn)一步研究的方向。

［1］刁承泰，黃京鴻.三峽水庫水位漲落帶土地資源的初步研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，1999，8(1):75-80.

［2］張信寶.關(guān)于三峽水庫消落帶地貌變化之思考［J］.水土保持通報，2009，29(3):1-4.

［3］鮑玉海，賀秀斌.三峽水庫消落帶土壤侵蝕問題初步探討［J］.水土保持研究，2011，18(6):190-195.

［4］鮑玉海，唐強(qiáng)，高銀超.水庫消落帶消浪植生型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用［J］.中國水土保持，2010(10):37-39.

［5］馮文灝.近景攝影測量:物體外形與運(yùn)動狀態(tài)的攝影法測定［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2002.

［6］黃桂平.數(shù)字近景工業(yè)攝影測量關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.天津:天津大學(xué)，2005.

［7］張祖勛.數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展與展望［J］.地理信息世界，2004，2(3):1-5.

［8］楊化超，鄧喀中，張書畢，等.數(shù)字近景攝影測量技術(shù)在礦山地表沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2008，13(3):519-524.

［9］THOMASK，HANSGM.Photogrammetric 3Dpoint determination for dam monitoring［J］.Optical 3D Measurement T echniques，1995，14(10):161-168.

［10］石必明，俞啟香.遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采煤巖移動變形特性的試驗研究［J］.煤炭科學(xué)與技術(shù)，2005，33(2):39-41.

［11］賈嬌，艾海濱，張力，等.應(yīng)急響應(yīng)中PixelGrid無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［J］.測繪通報，2013(5):62-65.

［12］侯文廣.基于普通數(shù)碼相機(jī)實現(xiàn)三維重建的應(yīng)用研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2006.

［13］崔紅霞，孫杰，林宗堅，等.非量測數(shù)碼相機(jī)的畸變差檢測研究［J］.測繪科學(xué)，2005，30(1):105-107.

［14］王成亮.基于普通數(shù)碼影像的近景攝影測量技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.長沙:中南大學(xué)，2006.

［15］劉飛，范建容，郭芬芬，等.藏北高原區(qū)DEM高程與坡度值提取的誤差分析［J］.水土保持通報，2011，31(6):148-151.