無人機傾斜攝影在地質(zhì)災害三維可視化中的應用

楊 娟

(重慶第二師范學院，重慶 400065)

無人機傾斜攝影在地質(zhì)災害三維可視化中的應用

楊 娟

(重慶第二師范學院，重慶 400065)

無人機傾斜攝影測量是攝影測量學科中的新興技術，是目前國內(nèi)外研究的熱點。結合實際工作，對無人機傾斜攝影測量在地質(zhì)災害三維可視化模型構建中的應用進行可行性研究，為快速實現(xiàn)地質(zhì)災害三維可視化分析、安全性評估以及災害發(fā)展與影響模擬，建立地質(zhì)災害模擬預警系統(tǒng)等防災減災工作提供技術和決策支持。

無人機傾斜攝影；地質(zhì)災害；三維可視化

0 前 言

隨著人類活動工程的加劇，地質(zhì)災害與地質(zhì)環(huán)境問題日漸嚴重，全面快速地獲取地質(zhì)災害信息，建立地質(zhì)災害預警預測體系，是維護人類生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟建設的迫切需要。目前國內(nèi)的災害監(jiān)測和預警還停留在比較初級的階段，大多依靠經(jīng)驗，災害監(jiān)測圖也都是數(shù)字、曲線，很少有實景演示，實際應用中有很大局限性。隨著計算機技術、自動化技術、圖像處理技術以及人工智能等技術發(fā)展，三維可視化技術已逐步應用到基建、環(huán)境、資源調(diào)查等領域，國內(nèi)外學者也進行了大量研究[1-2]。無人機傾斜攝影測量是攝影測量學科中的新興技術，是目前國內(nèi)外研究的熱點,通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息，傾斜模型具有直實的紋理，建立的三維模型更直實，而且速度快，成本低[3-4],目前無人機技術和傾斜攝影技術在城市三維建模、環(huán)境資源調(diào)查和地質(zhì)災害的應用逐步深入，并積累了一定經(jīng)驗[5-10]。本文結合實際工作，對無人機傾斜攝影測量在地質(zhì)災害三維可視化模型構建中的應用進行可行性研究，為建立地質(zhì)災害模擬預警系統(tǒng)等防災減災工作提供技術和決策支持。

1 系統(tǒng)構建

1.1 無人機系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件包括八軸碳纖折疊式旋翼機，DJI WooKong-M飛行控制器，DJI 900 Mhz電臺，IOSD MARK II，LIPO電池(6 S，30 000 mAh)，地面監(jiān)控系統(tǒng)為DJI Groud Station 4.0和Futaba 14SG，硬件系統(tǒng)主要技術指標如下：飛行器軸距1 045 mm，電機4 114 kV400，漿葉45.72 cm，起飛重量9.62 kg，垂直速度2 m/s，水平速度12 m/s，飛行高度150～500 m，安全航時25 min。

經(jīng)實際航攝工作驗證該無人機系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點：a成本低，結構簡潔，模塊化強，便于維護；b機體輕便，可折疊，便于運輸攜帶，比較適合小面積地質(zhì)災害山高坡陡的地形條件；c旋翼機飛行穩(wěn)定，機體震動小，飛行俯仰角和滾轉角小，相機外方位元素較穩(wěn)定；d旋翼機抗風性較優(yōu)，有效避免山谷紊流影響，飛機容錯力強，安全性高。不過由于電池、材料、電機等性能限制，該無人機系統(tǒng)還存在動力有限，速度慢，續(xù)航短，單架次有效航攝區(qū)域小的缺點，不過普通地災體量較小，可避免以上缺陷。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及檢校

受成本和重量限制，無人機搭載多傾斜攝影使用非量測型數(shù)碼相機作為數(shù)據(jù)采集設備，其內(nèi)方位元素未知，物鏡畸變較大。在獲取航攝影像之前，需對非量測的數(shù)據(jù)碼相機進行檢校，獲取相機內(nèi)方位元素，以提高傾斜攝影軟件處理速度和成果精度。目前，采用布郎畸變模型和純平LCD相機檢校法，可快速取得穩(wěn)定的檢校參數(shù)。數(shù)碼相機布朗畸變模型如下：

x=X/Z

y=Y/Z

x′=x(1+K1r2+K2r4+K3r6)+P1(r2+2x2)+

2P2xy

y′=y(1+K1r2+K2r4+K3r6)+P2(r2+2y2)+

2P1xy

u=cx+x′fx+y′skew

v=cy+y′fy

其中：r=sqrt(x2+y2)，X、Y、Z是相機坐標，u、v是檢校轉換后坐標，f焦距，cx、cy是像主點坐標，K1、K2、K3徑向畸變系數(shù)，P1、P2是切向畸變系數(shù)，skew是x和y夾角系數(shù)。LCD檢校法是大屏以幕純平的棋盤矩陣作為檢校目標，通過相機多角度拍攝獲取足夠數(shù)量和的照片，利用軟件自動相機檢校參數(shù)。檢校時需注意在拍攝時應保持相機焦距與作業(yè)時保持一致并恒定不變，檢校矩陣應覆蓋整張照片，并保證相片避免顯示器輝光及其他光源影響，防止爆光過度，使照片具有最佳的清晰度，為使檢校矩陣邊界更加明晰，可對拍攝的照片進行必要的對比度和銳度進行調(diào)整，便于軟件計算并取得更準確的檢查成果[11]。照片拍攝效果如圖1。

圖1 檢校矩陣和相機拍攝效果

本次使用北京觀著五拼傾斜攝影相機，圖像分辨率7 140×5 360，像元尺寸0.001 4，側視鏡頭傾角40(°)。通過足夠數(shù)量和精度的照片，利用agisoft lens軟件多次檢校比較，直到獲得穩(wěn)定的參數(shù)作為相機內(nèi)方位元素，經(jīng)計算傾斜攝影測量數(shù)碼相機相關參數(shù)如下：f=7.929 3，cx=3 565.549，cy=2 802.299，K1=0.246 3，K2=-0.663 2，K3=0.533 4，P1=0.314E-6，P2=-0.141E-6。

1.3 軟件處理系統(tǒng)

Smart 3D capture是一套基于圖形運算單元GPU的快速三維場景運算軟件，他能無需人工干預地從簡單連續(xù)影像中生成實景真三維場景模型[11]。通過攝影測量原理，可以將多種源數(shù)據(jù)、分辨率、任務數(shù)據(jù)量的照片轉化為高分辨率的、帶有圖像紋理的三維網(wǎng)絡模型。具體通過對獲得的傾斜影像進行同名點選取、多視匹配、三角網(wǎng)構建、自動賦予紋理等步驟，最終得到三維模型。

2 數(shù)據(jù)采集、處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

本次開展傾斜攝影地災體位于三峽庫區(qū)萬州區(qū)，航攝區(qū)域內(nèi)最高海拔460 m，最低海拔約250 m，相對高差210 m，航攝范圍約400 m×600 m，拍攝天氣多云，拍攝時間上午11∶00～11∶30。航線按矩形等高設計，航高與地形最高點相對海拔200 m，按相機內(nèi)方位元素計算，地面分辨率35～72 mm。由于高差大，地形坡度陡，為盡量獲取地表信息，采用66%旁向重疊和80%航向重疊拍攝。由航線設計軟件生成飛行計劃文件，該文件包含飛機的航線坐標及各個相機的曝光點坐標位置，各個相機根據(jù)對應的曝光點坐標自動進行曝光拍攝。

2.2 數(shù)據(jù)處理

航攝完成后在現(xiàn)場應將航攝獲取的傾斜攝影原始照片數(shù)據(jù)按不同方位的相機分別整理，檢查照片質(zhì)量、數(shù)量，如出現(xiàn)漏拍應及時補拍。通過IOSD數(shù)據(jù)下載和讀取，獲取各拍攝時點無人機姿態(tài)參數(shù)，包括飛行坐標X、Y、Z、omega、phi、kappa，通過傾斜攝影相機與IOSD固件參考關系，可計算得到各照片拍攝時點初始姿態(tài)信息。

按Smart 3D capture軟件格式要求將數(shù)據(jù)整理好后，首先創(chuàng)建一個工程，將存放在不同目錄中各方位相機照片導入工程，在導入的照片組中，需要輸入拍此相片相機的內(nèi)文位元素，包括傳感器尺寸、鏡頭焦距、像主點、畸變參數(shù)等，所有照片組信息應按規(guī)定格工填寫在BLOCKSEXCHANGE.XML文件中。

設置好導入信息后，默認情況下系統(tǒng)重建使用ENU坐標系統(tǒng)，即在模型中心設置原點，重建坐標系統(tǒng)用來設定模型區(qū)域和切瓦片依據(jù)，而生產(chǎn)項目最終輸出的三維模型坐標系由另外的坐標系統(tǒng)進行定義。要獲得模型地理空間定位信息可以有兩種方式：a使用照片位置屬性，各照片所帶方位屬性決定；b參照控制點精確配準，由于無人機攜帶POS精度不高，初始空中姿態(tài)并不十分準確，因此要獲得高精度的傾斜三維模型。建議引入實測控制點，人機交互輸入后再進行空三加密。

軟件在執(zhí)行空三過程中，可以有不借助輸入初值計算、利用初值計算、容差范圍內(nèi)調(diào)整初值計算和保持使用初始值但不參與計算幾種模式，一般來講針對位置和姿態(tài)在公差范圍內(nèi)保持和調(diào)整針對無人機數(shù)據(jù)精度提高具有重大的作用，但運算較為復雜，耗時也較長。當輸入照片重疊度不足，或信息不準確時，照片會發(fā)生丟失的情況，可以在修改相關屬性后，重新提交空三計算，或將當前空三成果作為中間成果，在此基礎上計算新的空三運算，在必要的情況下，需要人工增加新的地面控制點作為空間參考進行空三運算。

當空三執(zhí)行完畢，經(jīng)檢查質(zhì)量符合要求后，可將成果導出來XML或KML文件，或導入PHOTOMESH軟件中進行三維重建。具體流程如圖2。

利用Smart 3D capture空三運算成果，可輸出DSM、真正射影像、密集點云、三角網(wǎng)、真實紋理的三維數(shù)據(jù)成果。

2.3 精度分析

由于地形限制，暫無條件在危巖體上布設控制點并開展精度檢驗測量，因此選擇了一片地勢相對平緩的新開發(fā)地塊開展無人機傾斜攝影建模精度分析。航攝區(qū)域約500 m×600 m，根據(jù)地形條件布設20個控制點并采用RTK測量獲得三維坐標，其中選取8個作為建模精確控制點，其余12個作為驗證點。經(jīng)計算，控制點與模型量測點坐標誤差如表1。

圖2 建模流程

表1 控制點與模型量測點坐標誤差

從表1可以得到，無人機傾斜攝影開展三維建模成果能夠滿足1∶500～1∶1 000比例尺測繪精度要求，可為地質(zhì)災害可視化監(jiān)測和測量提供基礎數(shù)據(jù)。

3 結 語

利用傾斜攝影技術生成高分辨率紋理的三維模型，在計算機中實現(xiàn)地質(zhì)災害體真實場景再現(xiàn)，可為地質(zhì)災害的管理工作帶來革命性的改進。

1) 建立地質(zhì)災害三維模型，使得地災信息表達、傳遞、溝通更加真實直觀，降低了專業(yè)門檻，有利于領導和各行業(yè)專家發(fā)揮多方智慧共同會商決策。

2) 通過與GIS軟件相結合，將原來以點、線、表格存儲的地質(zhì)災害信息，可以用三維模型為基礎建立地質(zhì)災害三維空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)鉆孔、防護整治設施、治理工程三維建模，并根據(jù)鉆孔巖芯、部面地屋和地質(zhì)測量資料，模擬生成三維數(shù)字地質(zhì)災害體構造地層格架，對地災體內(nèi)部進行全方位分析。

3) 在構建三維數(shù)字地質(zhì)災害數(shù)據(jù)庫基礎上，可實現(xiàn)對地質(zhì)災害體感興趣區(qū)域的信息查詢，任意切割制作地質(zhì)剖面圖、平面圖等，并對地質(zhì)災害體局部或全面的面積和體積(容量)計算，為地質(zhì)災害的發(fā)生、演變提供決策和技術依據(jù)。

4) 通過三維模型中各部位分析與巖體力學結構、抗滑系數(shù)、動力學模型等相結合進行可視化表達和計算解析，建立地災仿真預警系統(tǒng)，對各類地質(zhì)災害體及災體內(nèi)各部位進行數(shù)學和力學仿真分析，快速實現(xiàn)地質(zhì)災害三維可視化分析、安全性評估以及災害發(fā)展與影響模擬。

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An Application of Oblique Photography in 3D Visualization of Geological Hazards

YANG Juan

(ChongqingUniversityofEducation,Chongqing400065,China)

Oblique photogrammetry of UAV is a new technology in photogrammetry. It is a hot spot of research at home and abroad. Combined with practical work, this paper makes a feasibility study on the application of obliquePhotogrammetry in the construction of 3D model of geological hazard. In order to realize the 3D visualization analysis, including safety assessment, disaster development and impact simulation, we try to provide technical and decision support for disaster prevention and mitigation.

UAV tilt photography；Geologic hazard；3D visualization

2017-01-15

重慶市教委科學技術研究項目(KJ14011408)；重慶第二師范學院科研項目(KY201336B)

楊娟(1978-)，女，福建政和人，副教授，研究方向：災害與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，手機：13637905606，E-mail：516407107@qq.com.

P694；P23

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.044