大坡度地質(zhì)露頭高分辨率無人機(jī)影像采集方法與建模實(shí)踐*

盛 輝 段政明 劉善偉 曾 喆 馮建偉

中國石油大學(xué)(華東)海洋與空間信息學(xué)院，山東青島 266580

1 概述

地下巖體、地層和礦床等露出地表后形成野外地質(zhì)露頭，其中蘊(yùn)含有豐富的地質(zhì)信息。對(duì)野外地質(zhì)露頭的觀察、研究能夠最直接、最有效地獲取地下地層信息，為地質(zhì)科學(xué)研究提供重要的資料(劉學(xué)鋒等，2015)。隨著三維建模技術(shù)的日漸成熟，地質(zhì)露頭三維模型因能夠真實(shí)還原地質(zhì)露頭野外場(chǎng)景而得到較快發(fā)展，是地質(zhì)考察領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

早期地質(zhì)露頭建模方法主要利用地面三維激光掃描儀采集地質(zhì)露頭的點(diǎn)云信息，并結(jié)合相機(jī)采集的照片構(gòu)建地質(zhì)露頭三維模型(劉學(xué)鋒等，2015)。但由于三維激光掃描儀價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、存在較大盲區(qū)且野外架設(shè)困難，難以得到廣泛應(yīng)用(朱凌和石若明，2008；邱亞輝等，2019)。計(jì)算機(jī)和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，使得利用影像數(shù)據(jù)構(gòu)建地質(zhì)露頭模型成為可能。目前國內(nèi)印森林等(2018)采用工業(yè)級(jí)無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)，建立了山西坪頭鄉(xiāng)局部的地表三維模型，用于地質(zhì)露頭研究。但因航高固定導(dǎo)致模型的地表空間分辨率隨地形起伏而變化較大(5～10icm)，無法分辨和識(shí)別細(xì)礫巖、砂巖、裂縫和小型紋理等地質(zhì)現(xiàn)象。萬劍華等(2019)利用多旋翼無人機(jī)和相機(jī)結(jié)合構(gòu)建新疆一間房等地露頭模型，模型分辨率較高，但是未對(duì)露頭精度進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。

本研究針對(duì)大坡度、人員無法到達(dá)區(qū)域地質(zhì)露頭的影像采集方法與高分辨率模型重建問題，使用小巧、靈活的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)依照垂向航線進(jìn)行高分辨率露頭影像采集，對(duì)構(gòu)建的露頭模型相對(duì)精度進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)踐證明利用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)對(duì)大坡度、人員無法攀爬的傾斜地質(zhì)露頭進(jìn)行毫米分辨率的模型構(gòu)建是切實(shí)可行的，完全能夠滿足地質(zhì)考察的需求。

2 方法

2.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

當(dāng)前傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在影像采集過程中多使用固定翼無人機(jī)或工業(yè)級(jí)多旋翼無人機(jī)，搭載5鏡頭傾斜相機(jī)，其特點(diǎn)是設(shè)備成本高、操作難度大且需要經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)。而消費(fèi)級(jí)無人機(jī)成本低廉、操控簡(jiǎn)便，搭配地面站軟件即可便捷獲取影像數(shù)據(jù)(萬劍華等，2019)。

傾斜攝影測(cè)量通常利用飛行平臺(tái)搭載多鏡頭傾斜相機(jī)，從多個(gè)角度采集地物影像(吳熠文等，2018)，能夠更加真實(shí)地反映地物實(shí)際情況，滿足精細(xì)化三維信息獲取的要求；計(jì)算機(jī)視覺重構(gòu)技術(shù)、并行運(yùn)算技術(shù)和硬件性能的提高，使得海量、無序、多尺度影像的視覺匹配成為可能(吳波濤等，2016)。隨著視覺匹配算法的發(fā)展和三維重建軟件的成熟，可以利用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)搭載單鏡頭相機(jī)采集的多視角影像進(jìn)行三維模型重建(圖1)，上述技術(shù)條件使得利用多視角影像進(jìn)行地質(zhì)露頭的三維模型重建成為可能(余忠迪等，2018)。

圖 1 地質(zhì)露頭模型構(gòu)建流程Fig.1 The construction process of geological outcrop model

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

針對(duì)具有較大坡度的傾斜露頭，本研究采用單鏡頭消費(fèi)級(jí)無人機(jī)Phantom 4 Pro近距離采集露頭影像，該無人機(jī)操控穩(wěn)定、安全靈活，且具有視距提示系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，能夠確定無人機(jī)到露頭距離且拍攝的照片具有POS(Position Oriental System)信息；搭載的三軸云臺(tái)能夠消除飛行中的抖動(dòng)和顛簸，有效地避免震動(dòng)產(chǎn)生的“果凍效應(yīng)”。搭載的相機(jī)視場(chǎng)角84°，有效像素2000萬，等效35imm相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)焦距，f/2.8-f/11帶自動(dòng)對(duì)焦功能。

2.3 相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)標(biāo)定是傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建三維模型過程中的重要步驟，相機(jī)標(biāo)定的精度直接影響傾斜攝影測(cè)量中多視影像聯(lián)合平差的難度與準(zhǔn)確性(王柳等，2017)。

設(shè)備采用Phantom 4 Pro作為圖像采集平臺(tái)，由于該無人機(jī)搭載的相機(jī)為非量測(cè)型相機(jī)，其內(nèi)參不確定，所以需對(duì)其相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

張正友標(biāo)定法使用的標(biāo)定模板制作容易、成本低、使用方便、魯棒性好且準(zhǔn)確率高，只需要相機(jī)從不同方位(至少2個(gè))來觀測(cè)標(biāo)定模板，并且通過標(biāo)定板上每個(gè)特征點(diǎn)和其像平面的像點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出所需參數(shù)、即每幅圖像的單應(yīng)矩陣來進(jìn)行相機(jī)的標(biāo)定(Zhang，1999)。通過此方法可快速、方便、準(zhǔn)確地得到相機(jī)的各內(nèi)外參數(shù)和畸變參數(shù)。得到Phantom 4 Pro相機(jī)標(biāo)定參數(shù)見表 1。

2.4 采集方案規(guī)劃

實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)大坡度露頭的坡度調(diào)整相機(jī)鏡頭角度，根據(jù)所需的分辨率確定無人機(jī)搭載的相機(jī)與露頭之間的距離，距離與分辨率的關(guān)系式為：

L=(GSD×f)/d

(1)

式中，L為無人機(jī)與巖壁的距離(單位m)，GSD為地面分辨率(單位mm)，f為相機(jī)焦距(單位mm)，d為相機(jī)傳感器像元大小(單位μm)(楊潤書等，2013)；

無人機(jī)垂向飛行速度為：

v=(1.92×L)/(t×f)

(2)

式中，t為采集時(shí)間間隔(單位s)；

無人機(jī)在每條垂向航帶間橫向移動(dòng)距離w計(jì)算式為：

w=(3.84×L)/f

(3)

在大坡度露頭影像采集時(shí)，設(shè)計(jì)航向重疊75%～85%，旁向重疊65%～75%；無人機(jī)從大坡度露頭一側(cè)底部開始，保持無人機(jī)與巖壁的距離為L，調(diào)整鏡頭角度，采用垂向航線以速度v采集影像(圖 2)，每條航帶間的距離為w，依次完成整個(gè)露頭的影像采集工作。

圖 2 垂向飛行航線作業(yè)圖Fig.2 Vertical flight path

2.5 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)采集到的高分辨率的露頭影像數(shù)據(jù)首先基于影像和定位定姿信息(Position and Orientation System，POS)并結(jié)合光束法平差進(jìn)行多視角影像的聯(lián)合平差，獲取影像的外方位元素；然后根據(jù)多視角影像的內(nèi)、外方位元素提取多視角影像的同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行多視角影像的密集匹配，從而生成地質(zhì)露頭的密集點(diǎn)云(Furukawa and Ponce，2010)；下一步結(jié)合生成的密集點(diǎn)云構(gòu)建三維不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)(Labatutetal.，2007)；最后對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行紋理映射，得到高分辨率露頭三維模型(圖 3)。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的地質(zhì)露頭位于某城區(qū)中的山地公園內(nèi)，海拔高度約70im，高約5im，寬約8im，坡度約85°。露頭坡度較大，表面光潔且無草木遮擋，周圍樹木等障礙物較多。

3.2 影像采集與數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)使用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)Phantom 4 Pro按照垂向航線采集方案進(jìn)行采集，共采集到312張高分辨率露頭影像，然后經(jīng)過影像預(yù)處理、多視影像聯(lián)合平差、生成密集點(diǎn)云、構(gòu)建TIN和紋理映射最終得到高分辨率的露頭三維模型(圖 4-A)。

A—多視影像聯(lián)合平差；B—不規(guī)則三角網(wǎng)；C—紋理映射；D—三維模型圖 3 模型構(gòu)建示例圖Fig.3 Example of the model construction

A—三維模型及標(biāo)靶分布；B—標(biāo)靶板設(shè)計(jì)圖 4 重建模型及標(biāo)靶Fig.4 Reconstruction of model and target board

表2 標(biāo)靶板4個(gè)方向量測(cè)結(jié)果Table 2 Measurement results in four directions of target boards 單位： cm

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在露頭區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)9塊標(biāo)靶板(圖 4-B)，采用模型測(cè)量值與實(shí)景真值對(duì)比的方法評(píng)估模型精度，包含左上—右下、垂直、右上—左下和水平4個(gè)方向的精度對(duì)比。使用最小刻度1/2imm的鋼尺對(duì)標(biāo)靶板4個(gè)方向進(jìn)行實(shí)測(cè)，取10次平均值作為實(shí)景真值，同時(shí)在模型上對(duì)9塊標(biāo)靶板分別量測(cè)4個(gè)方向共36個(gè)量測(cè)值。實(shí)驗(yàn)中以標(biāo)靶板實(shí)測(cè)值為真值，與模型上量測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以局部精度評(píng)估整體質(zhì)量，確定模型精度，如表 2。

(4)

均方根誤差則為：

(5)

圖 5 標(biāo)靶板4個(gè)方向距離量測(cè)值與真值的差值Fig.5 The difference between the distance measurement valuesand true values in four directions of target boards

根據(jù) 表 2 數(shù)據(jù)繪制圖 5，并結(jié)合式(4)和(5)統(tǒng)計(jì)4個(gè)方向精度結(jié)果(表 3)；圖 5為9塊標(biāo)靶板4個(gè)方向上距離量測(cè)值與真值的差值折線圖，

表3 評(píng)估結(jié)果統(tǒng)計(jì) Table 3 Statistics of evaluation results 單位： cm

4個(gè)方向中左上—右下方向差值最大(最大差值為0.72icm)，水平方向差值最小(最小差值為0.2icm)且均方根誤差也是最小(0.387icm)；其中水平方向在3、7號(hào)標(biāo)靶處存在較大異變，分析原因?yàn)?、7號(hào)標(biāo)靶安放位置為露頭右上和左下2處最邊緣位置，該處影像少且解算難度大，增大了其誤差變形的可能，模型4個(gè)方向的距離量測(cè)值與真值的差值大小總體具有較好一致性，差異不大(表3)。所構(gòu)建大坡度地質(zhì)露頭模型的分辨率精度可達(dá)到毫米，各方向誤差變化較均勻且精度較高。

4 地質(zhì)露頭建模案例

4.1 露頭區(qū)域概況

灤平盆地位于河北省承德市境內(nèi)，構(gòu)造位置位于燕山構(gòu)造帶的尚義—平泉斷裂和豐寧—隆化斷裂之間，盆地呈NE-SW走向，整個(gè)盆地面積約800ikm2，長約40ikm，寬約20ikm(武法東等，2004)。使用本研究方法對(duì)河北灤平地區(qū)一處地質(zhì)沉積露頭(位于東經(jīng)117.411841°，北緯40.9940514°)進(jìn)行實(shí)際建模應(yīng)用。經(jīng)過踏勘發(fā)現(xiàn)該露頭范圍大、坡度陡、落差高，坡度約82°，高約20im，長約70im，離地高度約25im，人員無法攀爬，無法對(duì)整個(gè)露頭進(jìn)行有效的近距離考察分析。

4.2 模型應(yīng)用

實(shí)際對(duì)野外地質(zhì)露頭進(jìn)行影像采集，構(gòu)建毫米分辨率露頭模型。得到的露頭模型紋理清晰，各類斷裂特征明顯，地質(zhì)人員可以在合理的角度對(duì)整個(gè)沉積巖層進(jìn)行剖面解譯、分析和高精度量測(cè)，真實(shí)可靠且形象直觀，為野外地質(zhì)考察提供了極大的便捷。

灤平扇三角洲為晚侏羅世—白堊紀(jì)形成的小型斷陷湖泊內(nèi)的陡坡近源三角洲沉積體，當(dāng)時(shí)的氣候多為半干旱型(劉策等，2017)，通過該沉積露頭的高分辨率三維模型可以初步觀察到，構(gòu)造上的巖性為砂泥巖互層，砂巖中含有大量的中細(xì)礫巖及礫石，圖中黃色虛線為沉積巖層，紅色虛線為2處明顯產(chǎn)生位移的斷層，露頭傾向約為264°，傾角約22°，巖層厚度最大處約1.19im(圖6)。

A—模型剖面解譯；B—模型高分辨率細(xì)節(jié)；C—巖層厚度量測(cè)圖 6 野外露頭案例應(yīng)用Fig.6 Case application of field outcrop

5 結(jié)語

本研究對(duì)基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的大坡度、人員無法到達(dá)的重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)露頭高分辨率影像采集方法及毫米分辨率、高量測(cè)精度三維模型重建方法進(jìn)行研究，并通過實(shí)驗(yàn)證明消費(fèi)級(jí)無人機(jī)與傾斜攝影測(cè)量結(jié)合構(gòu)建的大坡度地質(zhì)露頭模型距離量測(cè)能夠達(dá)到毫米級(jí)量測(cè)精度，完全能夠滿足地質(zhì)領(lǐng)域?qū)τ诘刭|(zhì)露頭的研究需要。同時(shí)針對(duì)目前野外露頭工作中存在的無法將露頭區(qū)域多個(gè)不規(guī)則(走向不一致，海拔不一致，出露層位不完全相同)的剖面聯(lián)系起來研究等問題，后續(xù)將會(huì)繼續(xù)探討實(shí)驗(yàn)，繼而實(shí)現(xiàn)整體大范圍區(qū)域的厘米級(jí)露頭模型與局部小范圍區(qū)域毫米級(jí)露頭模型的融合建模，實(shí)現(xiàn)整體局部結(jié)合、粗細(xì)結(jié)合、高低結(jié)合的露頭模型構(gòu)建，減少地質(zhì)研究的不確定性?？深A(yù)見高分辨率數(shù)字地質(zhì)露頭模型構(gòu)建將會(huì)是地質(zhì)考察工作的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)露頭從野外到室內(nèi)的真實(shí)復(fù)現(xiàn)，為地質(zhì)露頭的考察、研究和教學(xué)等工作提供了有利的支撐。