基于無人機圖像的斜坡精細地形建模及精度分析

漆首令

（廣西有色勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530031）

1 引言

世界各地的山區(qū)往往地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地形起伏大、降水集中，容易造成滑坡地質(zhì)災(zāi)害[1,2]。進入21 世紀(jì)，隨著全球氣候和環(huán)境的急劇變化，滑坡災(zāi)害發(fā)生的頻率和強度越來越高。此外，由于人口的增加和大規(guī)模經(jīng)濟活動向山區(qū)擴展，滑坡災(zāi)害造成的損失日益嚴(yán)重[3,4]。

邊坡穩(wěn)定性分析和建模是預(yù)測滑坡并降低災(zāi)害影響的有效方法，傳統(tǒng)方法以人工現(xiàn)場測量[2]為主，然而，受滑坡災(zāi)害影響現(xiàn)場通信和交通中斷，人工開展地面測量費時費力，獲得的地形數(shù)據(jù)分辨率較低，在高海拔地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性分析和建模工作中，邊坡地形往往被簡化處理。但是，邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性對于預(yù)測滑坡災(zāi)害至關(guān)重要，因此，探索一種成本低、適應(yīng)性強的快速精細建模方法具有重要的現(xiàn)實意義。

與傳統(tǒng)的人工測量方法相比，無人機航測系統(tǒng)具有圖像分辨率高、數(shù)據(jù)實時傳輸、適合高風(fēng)險區(qū)域作業(yè)、成本低、機動靈活等優(yōu)點，適應(yīng)低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)的采集。因此，無人機測量系統(tǒng)逐漸成為一種重要的空間數(shù)據(jù)采集方法，并已成功應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如森林資源清查、橋梁健康監(jiān)測和電力線檢查等。

本文主要是利用無人機獲得研究區(qū)域的數(shù)字高程模型和高密度點云，并評估其準(zhǔn)確性[5]，為地形建模提供了一種新的思路和方法。主要工作包括 ：（1）結(jié)合無人機航測圖像和地面控制點（GCP）坐標(biāo)，生成測量區(qū)域高密度點云的高精度數(shù)字表面模型（DSM）。（2）使用預(yù)設(shè)檢查點坐標(biāo)評估DSM 的精度。（3）使用地面激光掃描儀（TLS）獲得的數(shù)據(jù)評估高密度點云的精度。

2 數(shù)據(jù)采集

該研究在廣西圣堂山附近公路河谷地帶進行，海拔約1430m。早期的野外勘探發(fā)現(xiàn)該地區(qū)有一個不穩(wěn)定的斜坡，斜坡后緣出現(xiàn)的拉伸裂縫如圖1 所示。

圖1 斜坡后緣出現(xiàn)的拉伸裂縫

在研究區(qū)域共采集無人機影像、掃描點云數(shù)據(jù)和RTK 控制點坐標(biāo)等3 類數(shù)據(jù)。本次采用蜻蜓5S 多旋翼無人機，飛行時長（含最大任務(wù)載荷）為45min。搭載蜻蜓航空攝影儀，航攝儀具體參數(shù)如表1 所示。

表1 航攝儀具體參數(shù)

測區(qū)面積約1.7km2。高差約50m，地形為丘陵，無高山，無高大建筑物，飛行空域良好。本次設(shè)計相對航高457m，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，航線間距198m，航向拍照間距74m，像片地面分辨率8cm，本測區(qū)共飛行4 架次，獲取0.08m 分辨率的傾斜攝影影像1015 張。

本次像控點采用區(qū)域網(wǎng)布點方式，基本按照400m～500m間距布設(shè)1個像控點，共布置15個像控點，其中10 個像控點參與平差計算，5 個像控點用作檢查點。使用RTK系統(tǒng)（Hi-Target iRTK5）測量像控點坐標(biāo)，GCP 測量值平面精度為8mm。無人機路線如圖2 所示。

圖2 無人機（UAV）路線

使用TLS（HS500i）獲取了真實坡面上的高密度點云數(shù)據(jù)，以評估基于無人機獲取的點云。TLS 的最大射程為500 米，測距精度為5 毫米。用于獲取野外三維（3D）點云的地面激光掃描儀（TLS）如圖3 所示。

圖3 地面激光掃描儀（TLS）

3 技術(shù)流程

基于無人機的航空攝影測量有5 個步驟：飛行準(zhǔn)備、圖像采集、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)處理和輸出。獲取原始數(shù)據(jù)后，進行分析提取并匹配特征點，然后進行空中三角測量。確認(rèn)空中三角測量結(jié)果滿足精度要求后，即可輸出結(jié)果。主要步驟如圖4 所示。

圖4 生成數(shù)字表面模型（DSM）和高密度點云流程

4 精度分析

表2 列出了水平和垂直方向5 個檢查點的絕對誤差值。水平和垂直方向的平均誤差分別為0.096 和0.266m。結(jié)果表明，DSM 在水平方向比在垂直方向精確。

表2 檢查點錯誤的絕對值

用TLS 獲得的點云數(shù)據(jù)（用作實際值的近似值）評估從UAV 圖像獲得的點云精度。從兩類點云數(shù)據(jù)中選5個不同的特征點，測量每組點之間的距離（如圖5所示），計算基于無人機點云數(shù)據(jù)的絕對誤差值和誤差率。

圖5 測量特征點之間距離的方法

表3 列出兩類點云數(shù)據(jù)中5 組特征點之間的距離結(jié)果。從UAV圖像收集的點云數(shù)據(jù)與TLS幾乎沒有差異。它們之間的誤差約為分米，平均絕對誤差為0.230 米。

表3 無人機和TLS點云數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

精度分析結(jié)果表明，DSM 的平均誤差為0.266m，點云數(shù)據(jù)的平均誤差為0.230m，因此，該研究可為類似邊坡數(shù)據(jù)采集工程提供準(zhǔn)確獲取邊坡表面信息的參考方法。無人機航攝作為一種快速獲取高海拔地區(qū)邊坡數(shù)據(jù)的方法，在滑坡應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域具有較高的實際應(yīng)用價值，但模型精度還亟待提高。