無人機傾斜攝影測量在堤防應急除險中的應用

高 力，徐興亞

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

古往今來，人類逐水而居，區(qū)域發(fā)展因水而興，然而洪澇災害始終威脅人民的生命財產(chǎn)安全。河道堤防是我國防洪工程體系的重要組成部分，其悠久復雜的建設歷史、持續(xù)性的生物活動、多變的水情條件等增加了堤防管理的難度，滑坡等各類險情時有發(fā)生[1]?？焖僦贫ǖ谭莱U方案的前提是迅速、全面掌握堤防險段地形、地物信息。無人機行業(yè)和攝影測量技術的飛速發(fā)展，在各行業(yè)得到了廣泛應用[2-4]。新冠戰(zhàn)疫期間，“無人機戰(zhàn)疫平臺”助力感染區(qū)域的精準立體消毒、管制區(qū)域的防疫巡查，為打贏這場疫情防控阻擊戰(zhàn)提供了有力的技術支撐[5]。國土資源管理領域，無人機遙感的高效率、可追溯、不受地形限制等特點得到充分發(fā)揮，已在地籍測量、地質(zhì)災害調(diào)查監(jiān)測等方面得到了廣泛的應用[6-7]。在地震災害救援中，無人機航攝獲取災區(qū)高分辨率影像數(shù)據(jù)，搭載簡易移動通訊基站，為災區(qū)災情信息獲取、救援路線規(guī)劃、應急通訊建立恢復等提供重要保障[8-9]?；跓o人機平臺搭載的可見光相機可獲取山洪溝、湖泊特定區(qū)域的高分辨率影像，得到山洪危險區(qū)內(nèi)居民點高程分布、分析藍藻覆蓋區(qū)域，在山洪災害調(diào)查評價、水環(huán)境監(jiān)測中有著廣泛的應用[10-11]。

無人機傾斜攝影測量技術在公共衛(wèi)生、國土、抗震救災、山洪調(diào)查、水環(huán)境監(jiān)測等領域應用研究廣泛，其可快速獲取高分辨率、高精度的數(shù)據(jù)影像，高機動性、超低空飛行等優(yōu)勢特別適用于堤防應急除險等小范圍險情調(diào)查工作，但是在此方面的研究和應用目前尚不多見。因此，本文結合堤防除險實例，探索了無人機傾斜攝影測量技術在堤防應急除險工作中應用的可行性?；谠摷夹g對堤防滑坡體進行了測量，制作了高精度的數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)，構建了三維模型，獲取了滑動體及衍生裂縫的各項特征參數(shù)，可為堤防應急除險方案的制定提供充足的數(shù)據(jù)支撐和參考。

1 無人機傾斜攝影測量技術原理

無人機傾斜攝影測量屬于無人機和攝影測量的一種交叉學科?；驹硎峭ㄟ^無人機航空攝影，嚴格建立起攝影瞬間影像與對應目標物之間的幾何關系，嚴密地從影像上導出關于目標物的信息。無人機航拍過程中，記錄定位、飛行高度、飛行角度、飛行姿態(tài)、云臺俯仰角等信息，再通過空中三角測量解算空間立體模型。通過圖像處理軟件進行三維模型重建[12-13]。

2 無人機傾斜攝影測量工作流程

無人機傾斜攝影測量的主要工作流程如圖1所示。

(1) 前期準備。定位目標區(qū)域，確認所屬空域的管控政策，辦理飛行備案/空域申請，如遇限飛區(qū)則需申請解除限制；確認風力等級、降雨強度等氣象條件，超輕型飛行器航攝環(huán)境風力應不大于5級，視降雨強度選擇無人機機型，并且盡量選擇無風、無雨、無霧的時段施測；考慮目標區(qū)域地形、地物條件，選擇堅固、平坦、與飛行空域之間遮擋物少的起降場地。

(2) 外業(yè)施測。根據(jù)任務需求，框選測量目標區(qū)域，按照飛行路線涉及的附近地物高度規(guī)劃航線高度；識別風向確定航線方位角；綜合考慮質(zhì)量、進度要求設置影像重疊率；根據(jù)現(xiàn)場光照條件設置相機ISO值；開啟RTK定位確保固定解，即可開始自動飛行作業(yè)。在此過程中，需時刻關注圖傳信號、RTK信號、電池電量等信息，及時更換電池，隨時人工干預避免發(fā)生安全事故。

(3) 內(nèi)業(yè)處理。運用Context Capture、Pixel4D、大疆智圖等數(shù)據(jù)處理軟件，導入航攝照片，選擇平面坐標系統(tǒng)以及高程系統(tǒng)，生成數(shù)字正射影像，重建傾斜攝影模型；根據(jù)任務成果格式要求(空三、點云、模型等)導出成果，交付使用。

3 實例應用

3.1 險段概況

險情發(fā)生堤段位于長江中下游區(qū)域，地處平原河網(wǎng)地區(qū)，地形地貌相對簡單(見圖2)。區(qū)域地形相對高差在10 m以內(nèi)，屬低緯度低海拔區(qū)。

圖2 險段區(qū)域衛(wèi)星影像Fig.2 Image of the dangerous embankment

堤段植被覆蓋較少，堤坡上基本為草皮護坡，草皮厚度小于5cm。該段堤防迎水側堤坡發(fā)生滑動，滑動體沿堤防軸線方向長度約150 m，河道內(nèi)水位較低。

3.2 影像獲取

民用無人機市場發(fā)展迅速，市面上便于攜帶的輕小型無人機種類繁多?？紤]到險情調(diào)查測量任務有懸停拍攝的需要，航攝設備選取多旋翼無人機。大疆出品的精靈4 RTK是一款輕型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用。因此，在此次堤防險情滑坡體測量中，選用精靈4RTK無人機進行低空航拍以獲取高精度的遙感影像數(shù)據(jù)。飛行器、GNSS、云臺以及相機的主要技術參數(shù)分別如表1～4所列。

表1 飛行器參數(shù)Tab.1 UAV parameters

表2 GNSS主要技術參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of GNSS

表3 云臺參數(shù)Tab.3 Gimbal parameters

表4 相機技術參數(shù)Tab.4 Technical parameters of camera

險情發(fā)生堤段長度約150 m，待測區(qū)域面積約0.04 km2。航線規(guī)劃及相機設置如下：飛行高度60 m，地面分辨率1.64 cm/pixel。規(guī)劃飛行航線長8 040 m，飛行時長40 min，總時長60 min。采用千尋網(wǎng)絡RTK定位，無需單獨建站。照片比例4∶3，白平衡陰天，云臺俯仰角-60°。旁向重疊率70%，航向重疊率80%。

設置完成后，無人機控制軟件自動規(guī)劃出5組航線：1組正射航線和4組不同朝向的傾斜航線?？偣诧w行2個架次，獲取險情區(qū)域傾斜攝影照片543張。

3.3 影像及模型重建

二維影像和三維模型重建采用大疆智圖軟件，其高度自動化設計，可通過簡單的操作高效率地構建高精度的數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)以及三維模型。

3.3.1二維影像重建

步驟：新建“建圖航拍”任務—選擇重建—導入照片—選擇重建類型、建圖場景、清晰度—選擇輸出坐標系—點擊開始重建。

本次測量處理正射照片102張，處理時長1.6 min。成果包括：數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)，數(shù)據(jù)格式均為TIFF格式。目標區(qū)域DOM與周邊公開衛(wèi)星影像的嵌合情況如圖3所示。由圖3可以看出：以河道為界，左岸險情發(fā)生堤段的堤頂?shù)缆芳氨乘畟鹊姆课?、鄉(xiāng)村道路疊加效果較好。但是因拍攝時間和精度的不同，河道內(nèi)的水邊線存在明顯差異，充分體現(xiàn)了無人機航攝影像的及時性和有效性。

圖3 正射影像與周邊衛(wèi)星影像的嵌合情況Fig.3 Image superposition of DOM and satellite imagery

3.3.2三維模型重建

步驟：新建“傾斜攝影”任務—選擇重建—導入照片—選擇建圖場景、清晰度—選擇輸出坐標系—選擇重建結果格式—點擊開始重建。

本次測量處理傾斜照片543張，處理時長77 min。成果包括空三、點云、模型等，數(shù)據(jù)格式如表5所列。目標區(qū)域三維模型軸測圖如圖4所示。

圖4 三維模型軸側圖Fig.4 Axonometric drawing of 3D model

表5 傾斜攝影成果格式Tab.5 Data formats of 3D model

3.4 險情信息提取

在大疆智圖軟件中，三維模型重建完成后，可直接量測滑動體各特征點和伴生裂縫起止點的平面坐標和高程值，量測任意兩點的水平、豎直以及直線距離，量測滑坡體影響區(qū)域面積，粗估滑動體體積，結果均可保存并導出。

通過軟件測量，此次堤防險情的滑動體沿堤防軸線方向長度、垂直堤防軸線方向?qū)挾?、下錯高度，邊緣裂縫與堤防的相對位置關系如表6所列。

表6 滑動體特征參數(shù)統(tǒng)計Tab.6 Characteristic parameter statistics of the landslide

為驗證三維模型精度，以地面RTK測量成果進行對比分析，對比情況如表7所列。由表7可以看出：兩種測量方法得到的成果平面差值不超過3 cm，相對高程的差值不超過5 cm。因此，傾斜攝影模型能夠為除險范圍定界、堤防抗滑穩(wěn)定復核、除險工程措施選取提供數(shù)據(jù)支撐。

表7 測量精度對比Tab.7 Comparison of measurement accuracy m

另外，將三維重建的模型結果文件導入第三方平臺進行后期編輯，可生成地形曲面。后期可根據(jù)堤防穩(wěn)定復核的需要，在任意指定斷面切取滑動體的橫斷面。此次滑動體及周邊的地形曲面如圖5所示。在滑動體最大下錯高度處，用堤頂中心線的法向平面與地形曲面相交，提取相交曲線，即為滑動體在該處的地形橫斷面(見圖6)。

圖5 滑動體地形曲面Fig.5 The terrain surface of the landslide

圖6 滑動體橫斷面示意Fig.6 Cross sectional view of the landslide

3.5 優(yōu)勢分析

目前，堤防工程測量主要依靠測量人員現(xiàn)場跑點，需要完成建立控制點、測繪地形圖、繪制堤防縱斷面和橫斷面等，存在工序復雜、人力資源投入多、作業(yè)時間長等特點。在應對堤防滑坡除險工作時，測量任務的緊迫性、測量環(huán)境的復雜性都給傳統(tǒng)測量技術手段的應用帶來了難度。在險情面前，傳統(tǒng)的測量手段響應速度略顯不足，其成果雖能反映險段的大體情況，但除險方案制定所需的大量細節(jié)會增加很多工作量，造成工作周期相應延長。而無人機具有攜帶輕便、單人可操作、無視地形條件限制等優(yōu)勢，加上傾斜攝影測量全面、精確、直觀的成果，使其能夠很好地解決險情測量工作中的癥結。

在此次實踐運用過程中，抵達險情現(xiàn)場后，航攝飛行用時1 h，正射影像生成用時1 min，三維模型重建用時77 min。僅靠1名人員操作，花費了不足2.5 h就將險情堤段的地形、地物的信息全部數(shù)據(jù)化，其低成本、高效率的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。

4 結語及展望

實踐表明：在堤防應急除險工作中，無人機傾斜攝影測量技術的獨特優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮，不僅極大地提升了險情調(diào)查的效率，為后續(xù)工作的開展爭取了大量的時間，而且還通過實景三維模型全面精細地反映了目標區(qū)域的地形、地物特征。通過量測滑動體及裂縫的特征參數(shù)，為堤防抗滑穩(wěn)定分析計算和除險方案的制定提供了充足、準確、詳實的基礎地形資料。

隨著無人機傾斜攝影測量自動化程度的加深，測量人員通過簡單的培訓，即可掌握無人機的飛行技術和數(shù)據(jù)收集與處理能力，為該技術在堤防應急除險工作中的普及應用提供了條件。

對于水利工程來說，水下地形、水下斷面測量有著廣泛的需求。但受限于攝影測量技術的工作原理，無人機傾斜攝影測量技術有其局限性，對于水下地形的獲取還需要依靠其他技術。今后如果能夠結合無人機和無人船測量技術實現(xiàn)水陸一體化測量，相信將會在水利工程的自動、快速測量領域擁有更為廣闊的前景。