無(wú)人機(jī)遙感在山體創(chuàng)面三維模型制作中的應(yīng)用研究

王琳，陳楚，吳正鵬，姜興鈺，劉宓，王樹(shù)文，汪林，王爽

（1.天津市測(cè)繪地理信息研究中心，天津300381；2.天津市測(cè)繪院，天津300381；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300170）

山體創(chuàng)面通常具有臨空面陡峭特點(diǎn)，特別是經(jīng)人工開(kāi)采的礦區(qū)，其創(chuàng)面規(guī)模較小，坡度通常達(dá)70～90°，高程變化30 m以上，呈星羅棋布，臨空面險(xiǎn)石林立狀。目前，為獲取山體創(chuàng)面三維地形數(shù)據(jù)，可采用無(wú)人機(jī)五鏡頭傾斜攝影方法和激光探測(cè)與測(cè)量技術(shù)（Light Detection And Ranging，Lidar）。

采用無(wú)人機(jī)五鏡頭傾斜攝影方法[1-3]具有下列問(wèn)題：第一，因山區(qū)地勢(shì)陡峭，為保證飛行安全性，通常需要飛行300～400 m的相對(duì)高度，以保證高于測(cè)區(qū)最高點(diǎn)高度。在此高度飛行，獲取的影像地面分辨率最高只能達(dá)到4～5 cm，難以達(dá)到要求的測(cè)量精度。第二，在創(chuàng)面出現(xiàn)凹陷的情況下，采用無(wú)人機(jī)五鏡頭傾斜攝影方法容易發(fā)生遮擋，影像無(wú)法完全覆蓋，從而導(dǎo)致創(chuàng)面地形數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，局部區(qū)域?qū)o(wú)法量測(cè)。第三，在礦山創(chuàng)面距離無(wú)人機(jī)的相對(duì)距離不一致時(shí)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生獲取影像的地面分辨率大小不一和影像變形明顯的問(wèn)題。

采用Lidar技術(shù)[4-6]則存在如下問(wèn)題：第一，Lidar設(shè)備整合了IMU、GPS、成像裝置和激光掃描儀等設(shè)備，實(shí)施項(xiàng)目需要昂貴的硬件設(shè)備。第二，由于礦山創(chuàng)面存在遮擋，凹陷等情況，數(shù)據(jù)集中就會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有數(shù)據(jù)的部分，這部分稱為數(shù)據(jù)縫隙，導(dǎo)致部分裂縫數(shù)據(jù)采集不全現(xiàn)象。第三，位于數(shù)據(jù)縫隙的高程數(shù)據(jù)可能與實(shí)際情況存在較大的差異。

為全面獲取礦山創(chuàng)面紋理數(shù)據(jù)，本文采用旋翼無(wú)人機(jī)定點(diǎn)定高度懸停拍攝方法獲取山體創(chuàng)面的細(xì)節(jié)紋理。針對(duì)山體創(chuàng)面難以到達(dá)或接觸的特點(diǎn)，采用圖像全站儀采集山體創(chuàng)面的控制點(diǎn)坐標(biāo)，以保證模型精度及其可量測(cè)性。最后采用ContextCapture實(shí)景三維建模軟件對(duì)山體創(chuàng)面進(jìn)行三維重建。

1 山體創(chuàng)面三維模型制作實(shí)施方案

本文采用旋翼無(wú)人機(jī)定點(diǎn)定高度懸停拍攝方法（圖1）對(duì)山體創(chuàng)面進(jìn)行攝影，利用圖像全站儀獲取山體創(chuàng)面的控制點(diǎn)坐標(biāo)，最后采用ContextCapture實(shí)景三維建模軟件對(duì)山體創(chuàng)面進(jìn)行重建。具體關(guān)鍵技術(shù)包括如下：

（1）無(wú)人機(jī)航攝參數(shù)的確定。根據(jù)創(chuàng)面范圍確定攝站數(shù)量及位置；在每個(gè)攝站位置上，根據(jù)創(chuàng)面高度、攝影距離、相機(jī)參數(shù)和保證相鄰懸停高度的影像有一定重疊度情況下，確定無(wú)人機(jī)懸停的高度；在每一個(gè)攝站位置上的每一個(gè)懸停高度，調(diào)節(jié)拍攝方向，使其盡量與目標(biāo)物正對(duì)，按照一定順序每隔一定角度對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)拍攝一次。

（2）控制點(diǎn)坐標(biāo)的獲取。設(shè)置圖像全站儀測(cè)站點(diǎn)，利用圖像全站儀測(cè)量像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，并記錄所述像控點(diǎn)的數(shù)字影像；

圖1 無(wú)人機(jī)定點(diǎn)定高度懸停拍攝示意圖Fig.1 The schematic diagram of the UAV hover shooting at the fixed-point and fixed height

（3）影像數(shù)據(jù)處理。采用ContextCapture實(shí)景三維建模軟件對(duì)所述采集圖像進(jìn)行處理，生成山體創(chuàng)面三維地形數(shù)據(jù)。

2 具體實(shí)施過(guò)程

2.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)域位于天津市薊州區(qū)北部山區(qū)肘各莊崩塌體（圖2），其地形復(fù)雜，崩塌體陡峭，創(chuàng)面高度約60 m，寬約50 m，坡度約80～90°，本試驗(yàn)取其坡度θ=80°，采用的相機(jī)CCD 尺寸 23.4×15.6 mm，6 000×4 000像素，焦距f=18 mm，像元大小a=3.9 um。

2.2 無(wú)人機(jī)航攝參數(shù)的確定

圖2 肘各莊崩塌體現(xiàn)狀Fig.2 The status of the collapse in Zhougezhuang

無(wú)人機(jī)定點(diǎn)定高度懸停拍攝需要根據(jù)拍攝點(diǎn)的位置、拍攝點(diǎn)的相鄰懸停點(diǎn)的高度差、起始拍攝角度、終止拍攝角度和每次拍攝的角度差控制無(wú)人機(jī)飛行并采集圖像。下面將具體介紹如何確定各飛行參數(shù)[7-13]。

（1）根據(jù)預(yù)設(shè)分辨率和圖像采集設(shè)備參數(shù)，確定拍攝點(diǎn)與創(chuàng)面底部之間的拍攝距離。

山體創(chuàng)面的傾斜角度不同，為了保證無(wú)人機(jī)的安全，需要控制無(wú)人機(jī)與山體創(chuàng)面保持一定的距離，且在該距離采集到的山體創(chuàng)面圖像應(yīng)該滿足采集圖像的最小預(yù)設(shè)分辨率。通常，山體底部外延突出最大。因此，需要根據(jù)預(yù)設(shè)分辨率和圖像采集設(shè)備參數(shù)，計(jì)算拍攝點(diǎn)與創(chuàng)面底部之間的拍攝距離，計(jì)算方式如下：

其中，S為拍攝點(diǎn)與礦山創(chuàng)面底部的距離，即攝影距離，f為攝影鏡頭焦距，GSD為預(yù)設(shè)地面分辨率，a為像元尺寸，L為礦山創(chuàng)面高度，θ為山體創(chuàng)面坡度。

在本實(shí)驗(yàn)中，最小預(yù)設(shè)分辨率GSD=2 cm，取坡度θ=80°，則

（2）根據(jù)拍攝距離和預(yù)設(shè)旁向重疊度確定相鄰拍攝點(diǎn)之間的最大距離，并根據(jù)創(chuàng)面范圍確定攝站數(shù)量及位置。

由于山體創(chuàng)面經(jīng)常出現(xiàn)凹陷的情況，在一個(gè)固定位置采集山體創(chuàng)面圖像時(shí)會(huì)產(chǎn)生遮擋，導(dǎo)致創(chuàng)面地形數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的情況。因此，需要設(shè)定不同的拍攝點(diǎn)以滿足獲取圖像數(shù)據(jù)無(wú)丟失遺漏的要求。通常，為了方便多張地形圖像拼接，每張圖像之間都會(huì)存在重疊部分。根據(jù)公式（1）計(jì)算得到的拍攝距離和預(yù)設(shè)旁向重疊度，推導(dǎo)得到相鄰拍攝點(diǎn)之間的最大距離：

其中：D為相鄰拍攝點(diǎn)之間的最遠(yuǎn)距離，Hmid代表山體創(chuàng)面的平均高度，S為拍攝點(diǎn)與山體創(chuàng)面底部的距離，f為攝影鏡頭焦距，SensorSize代表相機(jī)成像尺寸，Py為影像的旁向重疊度，θ為山體創(chuàng)面坡度。

在本實(shí)驗(yàn)中，取Hmid=30，Py=60%，則

根據(jù)上述公式可以計(jì)算得到相鄰拍攝點(diǎn)之間的最大距離，并根據(jù)創(chuàng)面平面范圍可以確定拍攝點(diǎn)的數(shù)量和分布。如遇山體拐角或凹陷等，可適當(dāng)增加拍攝點(diǎn)位。結(jié)合公式（1）計(jì)算得到的拍攝點(diǎn)與創(chuàng)面之間的拍攝距離，即可確定每個(gè)拍攝點(diǎn)具體位置。

（3）根據(jù)所述山體創(chuàng)面的高度、拍攝點(diǎn)與創(chuàng)面之間的拍攝距離、圖像采集設(shè)備參數(shù)和預(yù)設(shè)影像重疊度確定所述拍攝點(diǎn)的相鄰懸停點(diǎn)的高度差。

通過(guò)上述多個(gè)拍攝點(diǎn)進(jìn)行山體創(chuàng)面圖像采集時(shí)，雖然能夠減少由于地形產(chǎn)生遮擋導(dǎo)致的圖像信息不完整的問(wèn)題，但仍然可能會(huì)產(chǎn)生少量信息的不完整，或產(chǎn)生分辨率較低的問(wèn)題。因此，在本試驗(yàn)中，在每個(gè)拍攝點(diǎn)內(nèi)部設(shè)定多個(gè)懸停點(diǎn)，無(wú)人機(jī)可在每個(gè)懸停點(diǎn)懸停，并在懸停點(diǎn)位拍攝山體創(chuàng)面圖像。懸停點(diǎn)的最高高度可根據(jù)山體創(chuàng)面高度確定。懸停點(diǎn)的數(shù)量和高度差可以根據(jù)山體創(chuàng)面高度和預(yù)設(shè)影像重疊度確定。相鄰懸停點(diǎn)的高度差可由下式計(jì)算得到：

其中，△H為相鄰懸停點(diǎn)的高度差，H為當(dāng)前懸停點(diǎn)的飛行高度，S為拍攝點(diǎn)與礦山創(chuàng)面底部的距離，f為攝影鏡頭焦距，SensorSize代表相機(jī)成像尺寸，Py為影像的旁向重疊度，θ為山體創(chuàng)面坡度。

本試驗(yàn)中，在每個(gè)攝站位置上，為保證相鄰懸停高度的影像重疊度不低于70%，根據(jù)創(chuàng)面高度、攝影距離、相機(jī)參數(shù)，確定無(wú)人機(jī)懸停的最高高度為70 m，最低高度為20 m，依據(jù)公式（3）確定每相鄰懸停點(diǎn)的高度差為10 m。具體計(jì)算過(guò)程如下：

Py=70%，SensorSize=15.6。

高度H=70 m時(shí)，ΔH≤11.9 取ΔH=10；

高度H=60 m時(shí)，ΔH≤11.7 取ΔH=10；

高度H=50 m時(shí)，ΔH≤11.5 取ΔH=10；

高度H=40 m時(shí)，ΔH≤11.3 取ΔH=10；

高度H=30 m時(shí)，ΔH≤11 取ΔH=10。

（4）根據(jù)預(yù)設(shè)的影像重疊度確定所述拍攝點(diǎn)的起始拍攝角度、終止拍攝角度和每次拍攝的旋轉(zhuǎn)角度差。

在本試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)在一個(gè)攝站位置有多個(gè)懸停點(diǎn)，并在每個(gè)懸停點(diǎn)按照旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拍攝。通常起始拍攝角度和終止拍攝角度可以為0°和180°。其旋轉(zhuǎn)角度差，可以通過(guò)如下方式計(jì)算：

其中，α為旋轉(zhuǎn)角度，即每次拍攝的角度差，f為攝影鏡頭焦距，SensorSize為相機(jī)成像尺寸，Px為影像的航向重疊度。

在本試驗(yàn)中，取Px=70%，依據(jù)公式（4）確定旋轉(zhuǎn)拍攝的角度差為15度。具體計(jì)算方法如下：

2.3 控制點(diǎn)坐標(biāo)的獲取

肘各莊崩塌體地形復(fù)雜，崩塌體陡峭，采用常規(guī)接觸性的控制點(diǎn)布設(shè)方式較為困難。為保證模型精度及其可量測(cè)性，本試驗(yàn)采用圖像全站儀[14，15]獲取礦山創(chuàng)面的像控點(diǎn)三維坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)附近的數(shù)字影像（圖3），實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸測(cè)量。根據(jù)成圖精度要求、所拍攝相片的空間分布情況和近景攝影測(cè)量對(duì)像控點(diǎn)的要求[16-19]，選擇距離創(chuàng)面20 m的地方設(shè)置圖像全站儀測(cè)站點(diǎn)，并布設(shè)6個(gè)像控點(diǎn)。

圖3 圖像全站儀獲取的控制點(diǎn)圖像成果Fig.3 Image results of control points obtained by the Image Total Station System

2.4 影像數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用ContextCapture實(shí)景三維建模軟件[20，21]，將無(wú)人機(jī)航攝影像和控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入軟件，對(duì)采集圖像進(jìn)行處理，生成山體創(chuàng)面三維地形數(shù)據(jù)。

2.5 模型質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

經(jīng)影像采集及數(shù)據(jù)處理，最終得到的肘各莊山體創(chuàng)面三維模型效果如圖4所示。其模型細(xì)節(jié)紋理展示效果如圖5所示。

從上圖可以看到，肘各莊山體創(chuàng)面?zhèn)让婕?xì)節(jié)紋理得到良好展示，紋理清晰，影像變形小，拉花扭曲現(xiàn)象不明顯，無(wú)漏洞無(wú)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，山體創(chuàng)面的側(cè)面模型實(shí)現(xiàn)全覆蓋。由于缺乏垂直攝影數(shù)據(jù)，山體創(chuàng)面周邊環(huán)境影像數(shù)據(jù)及山體頂部數(shù)據(jù)存在漏洞或丟失現(xiàn)象，造成模型整體形象不夠美觀。

圖4 肘各莊山體創(chuàng)面三維模型Fig.4 The 3D model of the mountain wound in Zhougezhuang

圖5 肘各莊山體創(chuàng)面三維模型細(xì)節(jié)紋理展示Fig.5 The detailed texture of the mountain wound 3D model in Zhougezhuang

與采用五鏡頭傾斜攝影方法相比，本文采用方法有如下優(yōu)勢(shì)：（1）模型分辨率高。采用本文方法其分辨率可以達(dá)到2 cm，而采用五鏡頭傾斜攝影方法為保證飛行安全性，其分辨率通常最高只能達(dá)到5 cm。（2）影像變形小，拉花扭曲現(xiàn)象不明顯。山體創(chuàng)面經(jīng)常會(huì)有凹陷情況，采用無(wú)人機(jī)五鏡頭傾斜攝影方法容易發(fā)生遮擋，造成創(chuàng)面模型出現(xiàn)空洞或拉花扭曲現(xiàn)象，如圖6所示。本文采用多角度、多方位拍攝方法，能有效避免由于凹陷出現(xiàn)的空洞或拉花扭曲現(xiàn)象。

圖6 模型拉花扭曲現(xiàn)象Fig.6 The model distortion

2.6 模型精度分析

本次試驗(yàn)按照均勻分布原則共布設(shè)量測(cè)了6個(gè)控制點(diǎn)。為了驗(yàn)證控制的有效性及模型精度，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)放置了長(zhǎng)度分別為1.00 m 和1.10 m 的標(biāo)尺，如圖7所示。標(biāo)尺實(shí)際長(zhǎng)度與模型量測(cè)長(zhǎng)度對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。通過(guò)三維模型量測(cè)1.00 m標(biāo)尺和1.10 m標(biāo)尺，其誤差分別為1.31 cm和1.44 cm，模型精度可達(dá)到厘米級(jí)。本文方法保證了模型的精度及其可量測(cè)性，在山體創(chuàng)面三維模型中可根據(jù)需要量測(cè)任意兩點(diǎn)之間的空間距離和局部區(qū)域的面積等參數(shù)。

3 結(jié)論與展望

圖7 長(zhǎng)度為1.00 m和1.10 m的標(biāo)尺Fig.7 Scales with lengths of 1.00 m and 1.10 m respectively

表1 標(biāo)尺實(shí)際長(zhǎng)度與模型量測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of actual length of scale and model measurement results

本文提供了一種山體創(chuàng)面三維地形數(shù)據(jù)的獲取方法，包括：采集山體創(chuàng)面影像數(shù)據(jù)，通過(guò)確定拍攝距離，確定相鄰拍攝點(diǎn)之間的最大距離，確定相鄰懸停點(diǎn)的高度差，確定所述拍攝點(diǎn)的起始拍攝角度、終止拍攝角度和每次拍攝的角度差，調(diào)整無(wú)人機(jī)成像姿態(tài)使采集影像能覆蓋山體創(chuàng)面?zhèn)让婕y理，確保山體創(chuàng)面?zhèn)让婕y理細(xì)節(jié)不丟失；采集控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；根據(jù)近景攝影測(cè)量原理對(duì)所述采集圖像進(jìn)行處理，生成山體創(chuàng)面三維地形數(shù)據(jù)。本文提供方法有效提升了所獲取山體創(chuàng)面三維地形數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。在后續(xù)試驗(yàn)工作中，可通過(guò)加入垂直攝影影像聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，保證山體創(chuàng)面及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的完整性和美觀性，并可將該工作在山體崩塌監(jiān)測(cè)中做進(jìn)一步的研究應(yīng)用。