無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地震烈度評估中的應(yīng)用
——以九寨溝7.0級地震為例

許建華 張雪華 王曉青 杜曉霞 袁小祥

1）中國地震應(yīng)急搜救中心，北京市石景山區(qū)玉泉西街1號 100049

2）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

0 引言

嚴(yán)重破壞性地震的發(fā)生往往可以導(dǎo)致大量建（構(gòu)）筑物等在瞬間發(fā)生倒塌、道路中斷，同時(shí)也會引起山體崩塌，形成滑坡，造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。而震后指揮決策、生命救援、烈度圖的繪制等都依靠災(zāi)情的快速獲取，因此，快速準(zhǔn)確獲取災(zāi)區(qū)實(shí)時(shí)遙感影像至關(guān)重要。

20世紀(jì)80年代以來，無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為遙感技術(shù)提供了新的平臺。無人機(jī)遙感技術(shù)主要以多旋翼、固定翼無人機(jī)以及無人直升機(jī)等作為平臺，通過底部安裝光學(xué)或多光譜相機(jī)等進(jìn)行拍攝，以獲取高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)（崔紅霞等，2005；晏磊等，2004）。因無人機(jī)具有攜帶方便、機(jī)動靈活、飛行高度低以及可通過航線設(shè)計(jì)自行飛往預(yù)先設(shè)置好的區(qū)域等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感空間分辨率較低、受天氣影響較大的缺點(diǎn)，在測繪、電力巡檢、建（構(gòu)）筑物損毀監(jiān)測、礦山監(jiān)測、資源調(diào)查等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用（史占軍等，2011；Keemink et al，2012；Jahanshahi et al，2013；薛永安等，2013；李德仁等，2012）。

在地震災(zāi)害調(diào)查中無人機(jī)遙感也發(fā)揮了重要作用，如2013年蘆山7.0級地震，王曉青等（2015）使用高分辨率航空影像和無人機(jī)影像快速解譯并提取了災(zāi)區(qū)建筑物震害信息，通過建立震害遙感定量評估模型，實(shí)現(xiàn)了地震烈度分布遙感評估圖的繪制；李金香等（2017）結(jié)合現(xiàn)場震害調(diào)查和高分辨率無人機(jī)正射影像對2015年新疆皮山地震的建筑物震害信息進(jìn)行了快速解譯，為及時(shí)了解災(zāi)區(qū)災(zāi)害信息提供了支持。但無人機(jī)正射影像是通過無人機(jī)掛載垂直向下的相機(jī)對建（構(gòu)）筑物等進(jìn)行信息采集的，這種方式通常情況下只能獲取其頂部信息，難以進(jìn)行全方位信息的獲取，特別是在災(zāi)害檢測及評估方面容易產(chǎn)生錯(cuò)誤分類，這就促進(jìn)了能夠獲取建（構(gòu)）筑物等側(cè)面信息的傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展。2010年4月，北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司首次引進(jìn)了一套當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的傾斜攝影設(shè)備，在隨后的幾年里我國無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)得到快速發(fā)展（田野等，2013）。傾斜攝影技術(shù)是指在同一飛行平臺上掛載多個(gè)不同角度的傳感器同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，記錄每張照片拍攝時(shí)的位置、航高、飛行器姿態(tài)等信息，由此獲得的傾斜影像數(shù)據(jù)不僅反映了建（構(gòu)）筑物等的真實(shí)情況，而且包含立面信息及照片精確位置信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了極大的方便（H?hle，2008；李頎，2016）。帥向華（2017）利用傾斜攝影技術(shù)對 2014年云南魯?shù)榈卣鸬慕ㄖ铩⒒?、滾石、堰塞湖等震害場景進(jìn)行精確表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了遙感地震災(zāi)情的精細(xì)化分析。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的靈活性、影像多角度性和高分辨率等特點(diǎn)使該技術(shù)在地震應(yīng)急及烈度評估等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過在無人機(jī)飛行平臺上搭載多個(gè)不同角度的傳感器，同時(shí)獲取建（構(gòu)）筑物等地物的頂部、側(cè)面信息，可以實(shí)現(xiàn)該地物空間信息的全方位表達(dá)，通過建立的三維模型還可以實(shí)現(xiàn)對其尺寸、體積等的量測，有效提高了觀察效果，增強(qiáng)了獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性（黃敏兒等，2014；江明明，2017）。

無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)主要包括無人機(jī)系統(tǒng)、傾斜相機(jī)系統(tǒng)和后期影像處理軟件等3部分。無人機(jī)系統(tǒng)主要是指無人機(jī)飛行平臺及地面站操作系統(tǒng)。目前，無人機(jī)飛行平臺主要以多旋翼、固定翼無人機(jī)為主。隨著科技的發(fā)展，這2類無人機(jī)在朝著體積小、質(zhì)量輕、攜帶方便等方向發(fā)展。但一般來說，多旋翼無人機(jī)在起降場地選擇方面更加靈活，而固定翼無人機(jī)的航時(shí)更長，航程更遠(yuǎn)。地面站操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃、無人機(jī)控制等功能，進(jìn)而獲取人員視距外無法進(jìn)入?yún)^(qū)域的影像。傾斜相機(jī)系統(tǒng)主要有3種類型：扇形布局、塊狀布局和馬耳他十字形布局，通常是由2～6個(gè)不等的鏡頭組成，每個(gè)鏡頭根據(jù)鏡頭數(shù)量的不同，其傾斜方向及角度也不同（Petrie，2009；田野等，2013）。另外，也可使用同一相機(jī)通過鏡頭不同角度的傾斜進(jìn)行多次航飛拍攝。目前，常用的傾斜相機(jī)系統(tǒng)為5個(gè)鏡頭，如Vision Map＿A3相機(jī)系統(tǒng)、美國Pictometry相機(jī)系統(tǒng)、萊卡RCD30相機(jī)系統(tǒng)及中國測繪科學(xué)院的SWDC-5相機(jī)系統(tǒng)等（圖1）。

無人機(jī)飛行平臺以及傾斜相機(jī)等硬件技術(shù)的發(fā)展，在便于獲取高分辨率傾斜影像的同時(shí)，也促進(jìn)了后期影像處理軟件的發(fā)展。常用的數(shù)據(jù)處理軟件包括美國Pictometry軟件、Multi Vision系統(tǒng)、法國 Street Factory軟件、萊卡LPS工作站、Street Factory系統(tǒng)、Smart 3D軟件及國內(nèi)的DP-Modeler、Leador AMMS軟件等（楊國東等，2016）。數(shù)據(jù)后處理軟件系統(tǒng)整合了傾斜攝影技術(shù)采集的空間信息和應(yīng)用功能，目前在地震應(yīng)急、規(guī)劃建設(shè)、測繪、三維建模等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用（李瑋瑋，2016）。

圖1 五鏡頭傾斜攝影原理圖（據(jù)李瑋瑋（2016））

2 全自動快速構(gòu)建三維模型技術(shù)

圖2為全自動快速構(gòu)建三維模型技術(shù)路線圖。在數(shù)據(jù)獲取階段，本文采用大疆Mavic單鏡頭無人機(jī)進(jìn)行多次同航線飛行，每個(gè)航拍點(diǎn)飛行5次，鏡頭分別朝向正下、前傾、后傾、左傾、右傾，4個(gè)方向的傾斜角度為40°（Petrie，2009），進(jìn)而模擬 Pictometry五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)；在數(shù)據(jù)處理階段，由于Smart 3D Capture三維建模技術(shù)可實(shí)現(xiàn)基于圖形運(yùn)算單元的快速運(yùn)算，同時(shí)具有簡單、全自動的特點(diǎn)（孫宏偉，2014），可在調(diào)查行進(jìn)中處理，在一定程度上滿足地震烈度調(diào)查的應(yīng)用，故本文采用Smart 3D Capture進(jìn)行空中三角測量、多視影像密集匹配、構(gòu)建TIN模型、自動紋理映射等步驟。

圖2 全自動快速構(gòu)建三維模型技術(shù)路線

3 傾斜攝影技術(shù)在九寨溝地震烈度評估中的應(yīng)用

在九寨溝7.0級地震烈度評估工作中，共對漳扎鎮(zhèn)九道拐附近公路處、紅巖林場管理處附近單體建筑物、如意壩附近的山體滑坡、海子口村附近S301道路進(jìn)行了低空傾斜航拍，航拍區(qū)域涉及烈度Ⅸ、Ⅷ度區(qū)，航拍類型包括建筑物、道路、滑坡。數(shù)據(jù)獲取后第一時(shí)間進(jìn)行處理，于當(dāng)天抗震救災(zāi)現(xiàn)場指揮部召開會議前提交，為烈度圖繪制等提供了及時(shí)有力的信息。

本文依據(jù)《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級劃分》（GB/T 24335－2009）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2009）、《中國地震烈度表》（GB/T 17742－2008）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2008）及《地震現(xiàn)場工作：調(diào)查規(guī)范》（GB/T 18208.3-2011）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2011）中的相關(guān)規(guī)定對調(diào)查點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了烈度評估，下面分別進(jìn)行詳細(xì)描述。

表1 九寨溝7.0級地震傾斜攝影航拍情況

3.1 建筑物破壞

由于汶川8.0級地震后，該地區(qū)建筑物設(shè)防等級較高，墻體出現(xiàn)裂縫及填充墻倒塌的建筑物較多。建筑物裂縫會降低結(jié)構(gòu)承載力，使居民居住存在安全隱患，同時(shí)承重墻、柱等構(gòu)件是否出現(xiàn)裂縫以及裂縫大小，也是烈度評定的重要指標(biāo)。因此，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的快速、多角度的災(zāi)害調(diào)查優(yōu)勢就凸顯出來。此次九寨溝地震應(yīng)急中，建筑物的傾斜航拍點(diǎn)包括漳扎鎮(zhèn)九道拐公路處、紅巖林場管理處附近建筑物。

由九道拐公路處的三維模型（圖3（a））可見，該處共有3棟建筑，其中，1棟建筑已經(jīng)完全毀壞，門墻發(fā)生倒塌，另外2棟建筑屋脊有梭瓦現(xiàn)象，從側(cè)視角度還可見窗戶下墻體均出現(xiàn)裂縫（圖3（b）），故判定該區(qū)域?qū)儆冖葏^(qū)。

圖3 漳扎鎮(zhèn)九道拐公路處三維模型

圖4（a）～4（c）分別為紅巖林場附近單體建筑不同角度的三維展示圖。由圖4可見，該建筑物頂部形狀完整，無裂縫等破壞，從側(cè)面可以觀察到該建筑墻體出現(xiàn)斜向和“X”形剪切破裂，屬毀壞級別。從正射影像上此類建筑極易判讀為未倒塌或基本完好，進(jìn)而造成震害評估不準(zhǔn)確。圖4（d）為裂縫寬度測量，從測量結(jié)果來看，該裂縫寬度約為3.8cm，已無修復(fù)可能，故判定該區(qū)域?qū)儆冖葏^(qū)。

圖4 紅巖林場附近單體建筑三維模型

3.2 道路破壞

道路破壞也是烈度評定的一項(xiàng)重要指標(biāo)，使用傾斜攝影技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)道路塌陷、垂直錯(cuò)動和水平破裂等距離的量算。通過測量的破壞距離值可對該地區(qū)的道路破壞程度有定量的了解，這對于烈度評估具有重大的參考價(jià)值。

圖5為S301省道海子口附近道路破壞量算圖。由圖5可見，該段道路最大垂直塌陷約為1.5m，最大水平破裂長度約為15m，通行能力受到嚴(yán)重影響。依據(jù)林均岐等（2013）對路基破壞等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，判定該道路屬于嚴(yán)重破壞。結(jié)合該區(qū)其他震害判斷，該區(qū)屬于Ⅸ度區(qū)。

3.3 滑坡災(zāi)害

滑坡災(zāi)害不僅對自然生態(tài)造成嚴(yán)重破壞，同時(shí)還會對道路造成堵塞、破壞，對行車、建筑及生命財(cái)產(chǎn)等造成重大威脅。九寨溝7.0級地震引發(fā)的滑坡災(zāi)害總數(shù)較多，其中，最大的滑坡體位于如意壩附近，通過傾斜航拍建立的三維模型進(jìn)行量算，該滑坡體落石體積約為250000m3，滑坡面積約為27000m2，通過量測數(shù)值可知，該滑坡體屬于大型滑坡，對判定該區(qū)屬于Ⅸ度區(qū)提供了幫助。

圖5 S301省道海子口附近道路破壞量算圖

圖6 如意壩附近山體滑坡三維模型

4 結(jié)論與討論

本文通過闡述無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的組成及全自動快速建模流程，說明了該技術(shù)可多角度獲取災(zāi)害信息的優(yōu)勢，同時(shí)處理生成三維模型，實(shí)現(xiàn)了對建筑物及地質(zhì)災(zāi)害的真實(shí)場景再現(xiàn)，使得災(zāi)害信息的表達(dá)、傳遞更加直觀。另外，通過軟件量測工具可得到建筑物破壞、道路破壞、滑坡等的長度、寬度及體積等信息，在九寨溝地震中提升了烈度評估、災(zāi)害調(diào)查等工作的效率及準(zhǔn)確性，對于地震應(yīng)急工作具有重大應(yīng)用意義。

使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了快速、大范圍、多角度的建筑物、道路、滑坡等災(zāi)情信息的獲取，但是在災(zāi)區(qū)的特殊環(huán)境下，對于大面積的傾斜攝影影像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理依然是一個(gè)難題。另外，基于傾斜攝影三維建模技術(shù)生成的研究區(qū)三維模型對于建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)破壞難以觀察，影響了對部分建筑物震害的提取，難以達(dá)到地面調(diào)查的精度，今后應(yīng)發(fā)展獲取建筑物內(nèi)部影像的新方法。