基于UAV傾斜攝影技術(shù)的泥石流跡地探測試驗應(yīng)用

郭天偉 董坤烽 費聯(lián)君

摘 ?要： 作為是一種新興的高新技術(shù)，UAV傾斜攝影測量技術(shù)因其優(yōu)勢，應(yīng)用領(lǐng)域很廣。選擇東川小江支流的小白泥河泥石流跡地為試驗研究案例，通過應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)采集野外數(shù)據(jù)，并獲得泥石流溝谷的三維數(shù)據(jù)模型，結(jié)合DOM及DEM數(shù)據(jù)分析，利用Arcgis10.2軟件處理小白泥河泥石流跡地試驗案例數(shù)據(jù)及特征解譯，驗證UAV傾斜攝影測量技術(shù)在泥石流溝谷中應(yīng)用的可行性與先進性。該技術(shù)在今后的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中具有重大的戰(zhàn)略意義。

關(guān)鍵詞： UAV;傾斜攝影測量技術(shù);小白泥河支溝;地質(zhì)災(zāi)害

中圖分類號： TP79 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.034

本文著錄格式：郭天偉，董坤烽，費聯(lián)君. 基于UAV傾斜攝影技術(shù)的泥石流跡地探測試驗應(yīng)用[J]. 軟件，2019，40（6）：148152

【Abstract】： UAV oblique Photogrammetry Technology is a new high-tech， because of its advantages， solid and application of the field is very wide， this paper applies it to the Xiaobaini River Zhigou mud-rock debris flow disaster investigation， which plays a vital role in the data analysis， through the oblique photography obtained three-dimensional data model， Dom data and DEM data are used for data processing and interpretation using software such as Arcgis10.2， which proves the feasibility of the technology and has great strategic significance in the future geological hazard investigation.

【Key words】： UAV; Oblique photography measurement technology; Xiaobaini river tributary; Geologic hazard

0 ?引言

無人機傾斜攝影是集航空技術(shù)、材料科學、導航定位技術(shù)、測繪技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化控制技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)等于一體的新型攝影測量技術(shù)[1]。它是通過在同一平臺上搭載多種不同的傳感器，同時從 5 個不同角度（垂直、前、后、左、右）采集地面影像，并且前后左右的傾斜角度為40-60，克服了傳統(tǒng)攝影測量只能從垂直角度拍攝的局限[2]，使得更加全面地反映地面地物信息。如今，傾斜攝影測量技術(shù)已發(fā)展成為一種新興的高新技術(shù)，已被廣泛地應(yīng)用于服務(wù)業(yè)、農(nóng)林業(yè)、文物保護、電力及城市規(guī)劃等領(lǐng)域。

泥石流是指山區(qū)或是其他一些險峻地形因為地震以及其他自然災(zāi)害而引起的山體松散進而造成的山石滑落的現(xiàn)象。這種災(zāi)害突發(fā)性強，歷時時間短暫，而且破壞力非常大[3]。在山區(qū)溝谷內(nèi)以及溝谷兩側(cè)的山坡上時有泥石流災(zāi)害發(fā)生，并且發(fā)生時大量泥沙石塊隨著水流被帶出[4]。泥石流的發(fā)生不僅破壞了自然生態(tài)環(huán)境，而且還對人文社會造成了極其嚴重的破壞。我國是一個山地較多的國家，全國山地面積可達2/3以上，并且我國西南地區(qū)的地形主要以山地為主，因此西南地區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害為泥石流災(zāi)害[5]。由于傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法主要是依靠人工來完成，受地形因素、巖土體疏松等不可抗拒因素的限制，調(diào)查結(jié)果不能客觀、全面的辨別出泥石流自身狀態(tài)。將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于泥石流災(zāi)害調(diào)查中，可以滿足盲區(qū)的要求，與傳統(tǒng)的調(diào)查方法相比較，該方法大大縮短了調(diào)查周期、節(jié)省了人力，降低了成本，并且通過本次研究區(qū)的實驗更加證明了該技術(shù)的優(yōu)點所在。

1 ?UAV傾斜攝影技術(shù)方法

傾斜攝影測量技術(shù)是近年迅速發(fā)展起來的一項自動獲取遙感影像數(shù)據(jù)的先進手段，該技術(shù)與傳統(tǒng)的垂直航空攝影方式相比較而言，工作原理有所不同，傳統(tǒng)航空攝影中主要是獲取地形地物的頂部相片，但卻很難得到地形地物的側(cè)面信息;而傾斜攝影是通過不同方位獲取地面信息，不但獲取地物的頂部相片，而且還獲取得到地形地物的側(cè)面信息;不過兩者的核心理論均為共線方程，都是在共線方程的基礎(chǔ)上所發(fā)展得到的，影像的外方位元素可利用光束法區(qū)域網(wǎng)平差計算得到，通過計算的外方位角元素獲取整個影像的特征點云，再在密集點云的基礎(chǔ)上得到一系列產(chǎn)品的一種航測方法。

傾斜攝影測量技術(shù)能夠?qū)⒄鎸崍鼍斑M行還原[6]。在傾斜航攝影像時，可同時獲取空間地理位置數(shù)據(jù)、航高、像片旁向重疊度、像片航向重疊度等相關(guān)數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)處理時基于多張傾斜像片和基礎(chǔ)控制點數(shù)據(jù)，通過解析空中三角測量方法，計算出傾斜像片任意目標點位的三維坐標，同時采集相應(yīng)目標點的顏色信息數(shù)據(jù)，最后形成真實、豐富的點云數(shù)據(jù)集[7]。

總的來說，傾斜攝影測量影像獲取方法先進且采用連續(xù)成像方式，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，傾斜攝影技術(shù)具有更高的效率、性價比及更高的精度，而且所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)成果也更加實用美觀，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。

2 ?研究區(qū)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

本次野外數(shù)據(jù)采集所采用的是DOP820八旋翼無人機，其上搭載索尼五鏡頭傾斜相機，該無人機質(zhì)量輕體積小，對起飛降落環(huán)境要求較低，而且易于操作，飛行過程中靈活;在飛行過程中利用飛行控制系統(tǒng)來實現(xiàn)定點等距曝光，智能化的獲取數(shù)據(jù)相片及曝光時刻的POS 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取的全過程均為自動獲取，不用人為干涉，這些數(shù)據(jù)作為初始值為遙感影像數(shù)據(jù)的高速處理提供依據(jù)。

首先要做的是明確所要采集區(qū)域的概況。具體在了解概況中，我們需要掌握采集區(qū)域的最高點海拔和最低點海拔，這兩個數(shù)據(jù)作為測區(qū)的基本數(shù)據(jù)，還需知道平均海拔，這樣我們才能確定滿足所需的飛行高度為多少;進而來進行航線規(guī)劃設(shè)計，這是獲取數(shù)據(jù)最重要的一步。

然后，在飛機起飛之前需要進行一系列的飛前檢查。首先需要檢測好無人機的動力電池電壓是否滿足，電壓不穩(wěn)定或過低會直接影響飛行的姿態(tài)，還會損傷電池壽命，而且還很有可能因電量不足，使得無人機無法進行安全返回著陸。其次是需要進行地磁檢測以及檢校，如果地磁檢校不能成功通過，飛機則無法正常起飛，檢校必須通過飛機才能起飛。

針對本測區(qū)，采集對象主要是泥石流跡地，而其特點是狹長，整體呈帶狀，高程由溝頭到溝尾逐漸降低，故需大體掌握溝頭及溝尾的高差，然后設(shè)計飛行高度，對于航線布設(shè)則采用折線型航線影像采集方法，航線方向與支溝走向一致，這樣可減少航線條數(shù)，從而提高作業(yè)效率。在對無人機進行地磁檢校中，第一次檢校未通過，從而使得機器無法正常起飛，第二次進行檢校才得以通過，初步判斷原因為當?shù)貫樘厥獾囟?，周圍地下富有礦物質(zhì)，擾亂地磁場，故在地磁檢校過程中出現(xiàn)檢校不通過的情況。在其他地方則很少出現(xiàn)該情況，這也是本采集區(qū)域的特點所在。

完成了以上準備完畢方可執(zhí)行起飛，實施對任務(wù)區(qū)進行數(shù)據(jù)采集。本次基于多旋翼無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

本次實驗區(qū)數(shù)據(jù)采集共飛行一個架次，旁向和航向重疊率均為70%，設(shè)計航線為6條，航線長度總長為8.2公里，設(shè)計航高為260米，五組飛行照片共計1190張，然后去掉所有無效照片共計20張，最后剩余可用照片共計1170張。具體航線規(guī)劃圖如圖2。

3 ?傾斜攝影數(shù)據(jù)處理

無人機傾斜攝影后期對自動建模系統(tǒng)和軟件的應(yīng)用有嚴格的要求，本次采用Smart 3D Capture軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行三維建模。該軟件具有穩(wěn)健、快速、全自動的建模特點和廣泛的數(shù)據(jù)源兼容性和優(yōu)化的數(shù)據(jù)輸出格式[8]。其全程數(shù)據(jù)處理智能化，它通過所獲得的連續(xù)影像中自動生成實景三維場景模型，然后對傾斜影像數(shù)據(jù)進行一系列的數(shù)據(jù)處理，把典型地物的紋理特征提取出來，再對其可視化，最后輸出我們所想要的三維數(shù)據(jù)模型。三維數(shù)據(jù)建模具體步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)導入準備。外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，需對所獲取的所有相片進行檢查，刪除無效相片，確定所有相片均可達到需符合的質(zhì)量標準，對有質(zhì)量問題的相片進行修復，然后再統(tǒng)一做好編號，通過野外數(shù)據(jù)采集中自動生成的POS數(shù)據(jù)對應(yīng)制作POS表用于相片導入軟件中。需保證曝光點影像數(shù)據(jù)與 POS 數(shù)據(jù)一一對應(yīng)[9];Smart 3D Capture軟件導入數(shù)據(jù)步驟簡便，一目了然，按照所給的模板編輯即可導入。

（2）空中三角測量。又稱為空三加密，它是傾斜攝影測量三維建模中最為重要了一步。將試驗區(qū)影像數(shù)據(jù)導入Smart 3D Capture軟件后，利用所給定的控制點，通過光速法區(qū)域網(wǎng)整體平差進行處理，平差處理之后軟件會自動提取所有特征點，形成特征點云數(shù)據(jù)。在 Smart 3D Capture 系統(tǒng)中，空三加密為全自動解算，在解算過程中，如果出錯還可以同步檢查POS數(shù)據(jù)和相機參數(shù)[10-11]。對數(shù)據(jù)做完空三加密之后所得到的結(jié)果便是整個試驗區(qū)的特征點云，生成白模（圖4）。

（3）生成成果文件?？杖晒螅跋窠M的照片全部被定位完畢，檢查其結(jié)果是否符合技術(shù)要求，如果空間坐標系兩軸與模型位置相平行，那么說明該模型位置是相對正確的，再有控制點點位分布情況與實際位置相符，則可說明最終結(jié)果是正確的，然后進行三維模型的設(shè)計，設(shè)置好各個參數(shù)及所出結(jié)果的格式進行輸出三維模型。三維數(shù)據(jù)處理流程如下圖3所示。

4 ?小白泥河支溝泥石流應(yīng)用實例

4.1 ?試驗區(qū)概況

本次選定的試驗區(qū)位于東川區(qū)，隸屬于云南省昆明市，是昆明市的最北端，該地經(jīng)緯度地處東經(jīng)10247～10318，北緯2557～2632，東川地處云貴高原北部邊緣，屬川滇經(jīng)向構(gòu)造帶與華夏東北構(gòu)造帶結(jié)合過度部位。東川區(qū)泥石流，是聞名遐邇的泥石流天然博物館，泥石流的發(fā)生是生態(tài)失去平衡所導致的后果，但卻又是大自然當中的奇觀之一。

小白泥河是白泥河的一條支流，該地區(qū)屬于泥石流多發(fā)地，本次試驗選定的是小白泥河的一條支溝。通過三維模型可得出該條支溝總體走勢為西北-東南，東南高，西北低，基于三維立體量測該支溝長度約為780米，溝頭剛顯露出來，從上往下越來越寬，最低處形成沖積扇。三維模型如下圖5所示。

巖體巖性及其結(jié)構(gòu)特征決定了斜坡巖土體的強度、抗風化能力、變形破壞特性，進而影響到斜坡的穩(wěn)定性和地表的侵蝕速率，是滑坡泥石流形成的重要因素[12]。經(jīng)過實地踏勘，該區(qū)域多沉積巖、砂質(zhì)頁巖以、白云巖以及灰?guī)r。又因斷裂帶南北向延伸，縱穿東川區(qū)中部，斷裂活動破壞區(qū)內(nèi)巖石完整性，使得巖石松動裂化，再加上本地氣候作用，軟巖經(jīng)過風吹雨淋，導致巖石風化嚴重，在坡度較大的地方極易形成滑坡，歷經(jīng)雨季時的沖擊，為泥石流形成提供了大量物源。

4.2 ?信息提取與分析

通過傾斜攝影三維重建可以得到分塊DOM和DEM數(shù)據(jù)，然后運用Arcgis10.2版本進行數(shù)據(jù)拼接，成為完整的試驗區(qū)數(shù)據(jù)體，利用這兩者進行泥石流信息提取及分析，對泥石流支溝的危險情況進行預測。從DOM數(shù)據(jù)可得到該支溝植被覆蓋很少，表面裸露出巖體，植被覆蓋率為12%左右，其沖積扇左側(cè)有一處房屋，房屋附近現(xiàn)有一塊發(fā)生泥石流改良后的土地作為該農(nóng)戶的耕地，在耕地中還可看到灰白色泥石流物源的存在，由于人為活動因素造成了沖積扇區(qū)域不明顯;如若在收成之前發(fā)生泥石流，那么耕地中所種的莊稼將毀于一旦，房屋也將面臨泥石流的威脅（圖6）。

在溝頭上方有人工梯田分布，易造成土質(zhì)疏松，在雨季經(jīng)過強降雨沖刷極易為泥石流提供豐富的物源。由DEM數(shù)據(jù)（圖7）以及該支溝地形斷面圖（圖8）可得，上下相對高差約269米左右，從支溝頂端算起，100米至380米之間的坡度較大，該段總體坡度在45°以上，而從480米處左右往下一直到?jīng)_積扇該段地形較為平緩，這些地形因素很好的成為了發(fā)生泥石流的先天優(yōu)勢，也為物源輸出準備了優(yōu)良的輸送渠道。

由數(shù)據(jù)成果中的DEM數(shù)據(jù)利用Arcgis10.2對其坡度分析，得該試驗區(qū)的坡度圖（圖9），從圖中可以看出小白泥河支溝兩側(cè)坡度較大，坡度均在45以上，這樣使得山坡上的植被都難以生長，出現(xiàn)大面積裸露巖體，加上巖體在本地氣候的作用下發(fā)生風化因素，使得坡面松散;再結(jié)合三維數(shù)據(jù)模型可以得到?jīng)_積扇區(qū)以上部分整體呈現(xiàn)“V”字型，通道口狹窄，支溝兩側(cè)山體均出現(xiàn)山體滑坡現(xiàn)象，尤其是在暴雨的作用下，極易出現(xiàn)山體松動、崩塌而滑坡，這就為泥石流提供了豐富的物源，如果今后再次發(fā)生暴雨沖刷，那么該支溝將會爆發(fā)泥石流，在沖積扇左側(cè)農(nóng)戶房屋將會收到?jīng)_擊，因此存在潛在危險，在預測基礎(chǔ)上建議該農(nóng)戶遷移該地。

本次對研究區(qū)泥石流跡地調(diào)查為期三天，全部完成調(diào)查分析工作，效率較傳統(tǒng)野外實地踏勘調(diào)查方法極高，而且數(shù)據(jù)更新及時，非常符合當前研究區(qū)的現(xiàn)狀，通過三維立體量測可更加準確定量掌握研究區(qū)概況，對解譯出來的結(jié)果對比當?shù)貙嵉厍闆r大部分都很準確，而且相對于野外實地踏勘調(diào)查方法更為安全。所得數(shù)據(jù)對今后的地質(zhì)災(zāi)害預防提供更為全面的參考依據(jù)。

5 ?結(jié)論

將無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用到本次試驗區(qū)的泥石流災(zāi)害調(diào)查中，驗證了其可行性。相比于傳統(tǒng)的泥石流災(zāi)害調(diào)查手段，我們所需要的新調(diào)查手段就是需減少工作量，降低成本以及使得結(jié)果更快速、數(shù)據(jù)更為直觀準確，無人機傾斜攝影測量技術(shù)滿足了這些要求，它將成為今后地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的一把利器。其所生產(chǎn)的三維立體數(shù)據(jù)模型可以直觀的反映出現(xiàn)場情況，相比傳統(tǒng)的二維平面影像，它不僅具有視覺上一目了然，而且還具有立體三維可量測性，這將為解譯帶來很大的方便，也大大提高了解譯精度。本次實驗的結(jié)果清晰明確，很好的掌握了支溝的基本信息，由其是該支溝沖積扇附近的農(nóng)戶所面臨的潛在危險，通過解譯分析及實地詢問，現(xiàn)階段泥石流發(fā)生率較低，但考慮長期性，建議該農(nóng)戶搬遷，避免今后的經(jīng)濟損失問題。該技術(shù)在今后的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中具有很大的價值意義，憑借其優(yōu)勢特點將會廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中。

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