傾斜航空攝影測量技術(shù)在北京市高精細地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

趙 博 彭泊涵 王建楠 李 兵

(1.北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038; 2.城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

北京市位于華北平原西北邊緣,是我國的首都、全國政治中心、文化中心、國際交往中心和科技創(chuàng)新中心。北京全市面積16 410.54 km2,其中約62%的面積(10 200 km2)為山區(qū),山高坡陡、谷深溝長,發(fā)育大量的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害,災(zāi)害具有廣泛性、群發(fā)性、高隱蔽性、高突發(fā)性和時間集中性等特點。據(jù)氣象部門預(yù)測,21世紀前期氣候變化趨于活躍期,極端氣候事件增多,強降雨過程引發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫災(zāi)害將加劇,在這一自然條件下,北京市地質(zhì)災(zāi)害必將呈長期高發(fā)態(tài)勢,此外,人為工程活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害也呈不斷上升趨勢。全面快速地獲取地質(zhì)災(zāi)害信息,建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)測體系,提高對突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害事件進行快速的災(zāi)情評估和應(yīng)急能力是當(dāng)前亟待解決的重要課題。

本文在實驗中綜合利用了航空遙感、地理信息系統(tǒng)、傾斜攝影、數(shù)據(jù)庫等技術(shù),通過航空攝影對北京市的地質(zhì)災(zāi)害點及周邊基礎(chǔ)設(shè)施進行監(jiān)測,建立北京市地質(zhì)災(zāi)害點三維管理系統(tǒng),對災(zāi)害信息進行即時處理,為救災(zāi)提供確切決策分析,從而提高北京市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警能力和防治水平,最大限度減小受災(zāi)損失,保障城市的現(xiàn)代化建設(shè)和經(jīng)濟社會的全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展,實現(xiàn)人與自然和諧共處。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害具有點多面廣、成因復(fù)雜、突發(fā)性強、危害巨大等特點,對其監(jiān)測及調(diào)查是地災(zāi)防治的關(guān)鍵。無人機因具有獨特的非接觸式測量方式、精度高、靈活性強、360°全方位無死角等特點,為重大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查提供了更加科學(xué)高效的現(xiàn)場影像采集和遙感成果處理方案,能大大提高應(yīng)急處置效率、確定應(yīng)急處置方案[1]。管建軍等[2]以黃土地區(qū)趙家溝泥石流為研究對象,通過三維重建生成的實景三維模型、數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map,DOM)和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),解譯并提取了如地層巖性、不良地質(zhì)現(xiàn)象等定性信息,分析并計算了流域面積、縱坡降等泥石流易發(fā)性定量評價因子。葉偉林等[3]通過無人機航測系統(tǒng),獲取滑坡前后的高精度DEM和DOM數(shù)據(jù),得出了滑坡堆積區(qū)厚度的分布情況和對應(yīng)危害對象。鄭史芳等[4]通過無人機傾斜攝影獲取數(shù)據(jù),建立實景三維模型,為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供了有力依據(jù)。崔溦等[5]利用無人機搭載激光雷達設(shè)備獲取點云,對水利水電工程中的高陡邊坡孤立危巖體開展了初步識別研究。周明等[6]利用6旋翼無人機進行人機協(xié)同道路邊坡病害巡查,實現(xiàn)了線路邊坡病害信息的采集和處理。

Piras等[7]在意大利阿爾卑斯山西北部的羅多雷托河谷使用無人機繪制了山區(qū)精細地質(zhì)圖。Rossi等[8]使用多翼無人機獲取的影像數(shù)據(jù)進行多期對比分析,構(gòu)建了地表模型，準確地重建和繪制檢測到的滑坡。Francioni等[9]針對沿海地區(qū)邊坡采用多種遙感手段,獲取了多時相激光雷達和正射影像,結(jié)合地質(zhì)調(diào)查運用地理信息分析手段,掌控了沿海區(qū)域的不穩(wěn)定地質(zhì)因素。Gomez等[10]利用多無人機多平臺協(xié)作,針對河床演變進行了時序分析。國外學(xué)者應(yīng)用了豐富的遙感技術(shù)手段,并做了時序性的分析,更有助于對地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域開展持續(xù)性監(jiān)測調(diào)查。

利用無人機技術(shù)獲取光學(xué)影像輔助地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查已在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用,但對地質(zhì)調(diào)查與遙感數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用程度仍有限。本文在應(yīng)用無人機獲取光學(xué)影像數(shù)據(jù)輔助地質(zhì)調(diào)查的同時,引入了多源遙感數(shù)據(jù),以正射影像、實景三維模型、激光雷達數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)分別提供了地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的地貌、地形、地形剖面等信息,在此基礎(chǔ)上,建立地質(zhì)災(zāi)害三維管理系統(tǒng),通過地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)對多種數(shù)據(jù)成果進行深度挖掘,促進遙感技術(shù)與地質(zhì)調(diào)查技術(shù)的深度融合應(yīng)用。

2 傾斜航攝技術(shù)

在充分收集、分析和研究歷史地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)資料的前提下,初步判斷易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的隱患區(qū)域,結(jié)合歷史遙感數(shù)據(jù)進行初解譯,劃定該方法的實驗區(qū)域。利用無人機航空攝影測量技術(shù),獲取遙感影像數(shù)據(jù),并進行數(shù)據(jù)處理得到測區(qū)的正射影像圖、實景三維模型。運用精細遙感地質(zhì)解譯和野外實測相結(jié)合的方式,分析獲取實驗區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)背景、物源、受威脅對象及動力等綜合條件信息,形成專題性地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域精細調(diào)查結(jié)果,并針對調(diào)查成果類型入庫管理,提高地質(zhì)災(zāi)害管理的精細化、信息化水平。

傾斜航攝技術(shù)在本文實驗工作開展各個階段均進行質(zhì)量控制和檢查,保證實驗成果規(guī)范化、標準化?？傮w實驗技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 高精細地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)流程圖

2.1 航攝分區(qū)及航線設(shè)計

本實驗詳細總結(jié)以往航攝飛行的工作經(jīng)驗,并收集相關(guān)航空攝影案例,以及各種地形、氣象資料,以便于進行航飛分區(qū)規(guī)劃。首先優(yōu)先考慮攝影測量精度,保證每個地質(zhì)災(zāi)害點航攝基準面影像分辨率優(yōu)于0.05 m,且單個地質(zhì)災(zāi)害點地面影像分辨率超0.08 m的不超過10%。航攝分區(qū)時,通過自動聚類、人工歸并后取均值為基準面,并在少數(shù)高差過大、面積占比較小的區(qū)域增大設(shè)計重疊度,從而完成航空攝影測量分區(qū)。

分區(qū)規(guī)劃結(jié)束后,進行航線設(shè)計。因本次航攝區(qū)域為山區(qū),為保證后續(xù)三維模型制作工作順利開展,航飛重疊度按照航向80%、旁向60%～80%設(shè)計。且山區(qū)航攝航線應(yīng)考慮外擴,以滿足范圍需求。

同時,也應(yīng)盡可能提高飛行效率,原則上以矩形分區(qū)的長邊方向為飛行方向,整個任務(wù)區(qū)盡量一致。極個別無法一致的,單獨敷設(shè)安全和經(jīng)濟的方向。

航線設(shè)計階段,有一項極為重要的工作,是安全高度檢查。所有轉(zhuǎn)彎處、高度變化處、每架次的返航路線上,都應(yīng)考慮撞山可能性,所以必要時,必須上調(diào)飛行高度,確保安全航行。

2.2 野外像控測量

在像片控制點測量工作開展前應(yīng)進行相關(guān)資料整理、地質(zhì)災(zāi)害點現(xiàn)場踏勘、結(jié)合資料進行綜合分析、布標準備工作、布標人員培訓(xùn)工作、建立外業(yè)安全保障體系等。

由于任務(wù)區(qū)域為山區(qū),無特征地物區(qū)域面積較大,在無特征區(qū)域的地勢平坦、視野開闊處可采用布設(shè)標志方法。本文實驗采用區(qū)域網(wǎng)的布點方案,平高控制點按周邊6點法布設(shè);高程控制點則采用網(wǎng)狀布點。此外每個加密分區(qū)視情況布3～4個檢查點,最終根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)實施方案。除此以外,區(qū)域網(wǎng)的劃分和像控點的布設(shè)應(yīng)當(dāng)滿足空中三角測量的精度要求。本次像片控制測量采用北京連續(xù)運行參考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)和實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(Real Time Kinematic,RTK),在CORS信號無法覆蓋地區(qū)采用單基站網(wǎng)絡(luò)差分模式進行觀測,對于CORS信號以及網(wǎng)絡(luò)信號均無法覆蓋的地區(qū)采用精密單點定位的方式進行測量。像控點測量時同時進行質(zhì)量控制,每次作業(yè)過程中,有第二人進行實地檢查,保證像控點的選點位置、測量方法和精度滿足相關(guān)要求。

2.3 航攝數(shù)據(jù)獲取

航攝數(shù)據(jù)獲取總體流程主要分為航攝準備、航空攝影、質(zhì)量檢查和數(shù)據(jù)整理與解算4個階段,具體航攝流程如圖2所示。

圖2 無人機傾斜航空攝影測量技術(shù)流程圖

為了保證實驗順利進行,在進行無人機傾斜航攝數(shù)據(jù)獲取之前,首先需要進行一系列的安全檢查操作,包括飛機設(shè)施檢查、相機及相關(guān)設(shè)備安裝、開機測試等。在執(zhí)行航飛工作時,每架次航攝任務(wù)起飛后,都有專人負責(zé)實施監(jiān)控地面站、確保飛行平臺各項指標正常,出現(xiàn)特殊情況,可機動靈活地執(zhí)行返航或迫降操作。每次航飛結(jié)束后,填寫飛行記錄等必要信息、現(xiàn)場下載航飛各項數(shù)據(jù),便于本實驗后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作順利實施。

2.4 航攝成果質(zhì)量檢查

航飛工作結(jié)束后,應(yīng)對每個架次飛行成果都進行質(zhì)量檢查。確保所有航飛數(shù)據(jù)重疊度滿足要求,且航跡平直,航高保持良好,攝區(qū)覆蓋完整，成果影像色彩逼真,反差適中,分辨率能滿足實驗要求。對于不滿足要求的像片,及時進行補飛工作。

2.5 數(shù)據(jù)整理與解算

在航飛數(shù)據(jù)質(zhì)量無問題的情況下,需對航飛成果進行整理,例如規(guī)范像片、定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System,POS)文件命名、完善飛行記錄、備份飛行成果、備份飛行航線、飛行回放等,以提高后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的作業(yè)效率,并利用基站數(shù)據(jù)或星歷,對航飛成果進行解算。

2.6 傾斜三維建模

首先按照一定規(guī)則,對航攝分區(qū)進行區(qū)域分塊,確保每一區(qū)塊內(nèi)像片數(shù)量在一定范圍內(nèi),且區(qū)塊形狀規(guī)則,區(qū)塊之間有一定重疊。一個或多個分塊可根據(jù)服務(wù)器資源同時進行空三加密。具體步驟有:全自動匹配連接點、粗差剔除、控制點量測、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)輔助絕對定向等。其中,影像控制點量測為空三的重點步驟,需人工進行作業(yè),確保每個點盡量在不同鏡頭上進行人工關(guān)聯(lián),每個點保證不同朝向的相機刺3～5張非同一航線照片。最終得到精確的航攝分區(qū)空三結(jié)果,并生成傾斜航空攝影空中三角測量成果報告。對平差解算結(jié)果進行嚴格的檢查,確保滿足三維建模制作要求。

本文采用的是Context Capture軟件進行實景三維建模,軟件按照密集匹配、三維(three-dimensional,3D)不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network,TIN)構(gòu)建、紋理映射以及模型導(dǎo)出的流程。軟件主要是通過先進高效的影像匹配算法,自動匹配出所有影像中的同名點,并從影像中抽取更多的特征點構(gòu)成密集點云,從而更精確地表達地物的細節(jié)。然后,由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成TIN,再由TIN構(gòu)成白模,從影像中計算對應(yīng)的紋理,并自動將紋理映射到對應(yīng)的白模上,最終形成傾斜三維模型。

2.7 模型修補

相機在高空以一定的傾角拍攝地面目標時,由于地面目標的高密集分布特征、橋梁存在架空結(jié)構(gòu)、目標截面很小(如廣告牌)等，使得原數(shù)據(jù)存在遮擋、地物特征難區(qū)分辨別等現(xiàn)象,導(dǎo)致生成的模型存在破面、飛點、紋理錯誤、小漏洞、模型變形等情形,需要對模型進行編輯,包括幾何結(jié)構(gòu)的編輯和紋理的編輯。

2.8 三維管理平臺搭建

管理平臺由北京市DOM及DEM生成的大場景數(shù)據(jù)為底板,在地質(zhì)災(zāi)害重點調(diào)查區(qū)引入無人機傾斜攝影獲取的三維實景模型,將地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)從原始的文本、表格形式轉(zhuǎn)化成了二維矢量數(shù)據(jù),通過不同的渲染效果展示在三維實景模型數(shù)據(jù)場景內(nèi),用可視化的三維場景成果取代了傳統(tǒng)繁復(fù)的地質(zhì)調(diào)查圖集。在平臺中可以運用索引界面通過行政區(qū)快速定位感興趣的地質(zhì)災(zāi)害點,通過浮動的圖層窗口可以調(diào)用分類顯示地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù),開啟屬性查詢功能，點擊鼠標可在左側(cè)瀏覽地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)詳細信息,同時可以任意視角查看經(jīng)地調(diào)數(shù)據(jù)分類渲染后的模型數(shù)據(jù),真正做到了直觀可視化。平臺設(shè)計了六大功能模塊，如圖3所示,可實現(xiàn)面向地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的地理信息分析。

圖3 北京市地質(zhì)災(zāi)害點三維管理平臺功能模塊

3 實驗

3.1 實驗區(qū)介紹

本文實驗選取北京市延慶區(qū)千家店鎮(zhèn)平臺子村南灣道豁子泥石流溝和延慶區(qū)珍珠泉鄉(xiāng)八畝地村陽坡泥石流溝2個隱患點作為實驗區(qū)域。根據(jù)查閱歷史資料及地質(zhì)調(diào)查成果,平臺子村南灣道豁子隱患點流域面積為5.8 km2,水動力類型為暴雨,主要物源成分為常見的碎石土、粉土,且在該區(qū)域內(nèi)有24戶民房受威脅;八畝地村陽坡隱患點流域面積為1.5 km2,水動力類型為暴雨,主要物源成分為壩階地堆積物和粉土堆積,該區(qū)域有24戶民房受威脅。兩隱患點屬于典型的泥石流災(zāi)害點,在北京具有代表意義。

3.2 任務(wù)實施

本次實驗采用了ZC-3C型電動固定翼無人機,搭載TopDC-5UC傾斜相機系統(tǒng)。本無人機采用翼式氣動布局,結(jié)構(gòu)簡單、機身牢固輕巧,機動、靈活性強,采用橡筋彈射起飛、傘降,可適應(yīng)各種復(fù)雜的起降條件,并可在短時間內(nèi)快速組裝執(zhí)行航攝任務(wù)。其搭載的五鏡頭傾斜攝影測量系統(tǒng)總像素達1.8 億,正攝鏡頭焦距為28 mm、傾斜鏡頭焦距為35 mm,采用GPS定點同步曝光,單次飛行可獲取5 000 張以上的影像成果。

實驗飛行航線規(guī)劃指標滿足高精度實景三維建模需求,具體指標分別是:航向重疊度80%,旁向重疊度65%,地面分辨率0.05 m。

根據(jù)上述指標,作者結(jié)合無人機飛行性能,對兩個實驗隱患區(qū)域最終飛行5 架次,航線62 條,獲取影像共1 萬余張,控制點15 個,檢查點3 個,在上述航攝成果基礎(chǔ)上進行了該區(qū)域的實景三維建模及地質(zhì)災(zāi)害解譯。

3.3 實驗成果

結(jié)合無人機獲取的影像成果,制作的數(shù)字正射影像及實景三維模型,可用于山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患遙感解譯分析。遙感解譯結(jié)合地面調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害隱患分析方法,與傳統(tǒng)野外地面調(diào)查的方式相比,有著綜合性強、規(guī)模大、效率高等優(yōu)點。通過遙感解譯,可以判讀松散堆積物特征、地形地貌、植被、河流或溝谷特征、受威脅對象及人類工程活動特征,獲取泥石流溝主要溝道走勢、物源分布、受威脅對象及其相對位置等關(guān)鍵信息。

實驗區(qū)地質(zhì)調(diào)查成果與數(shù)字正射影像疊加展示隱患調(diào)查圖效果，如圖4所示。

圖4 延慶區(qū)千家店鎮(zhèn)平臺子村南灣道豁子泥石流隱患調(diào)查圖

無人機傾斜攝影生成的實景三維模型成果,不僅能用于地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯,也能結(jié)合矢量調(diào)查成果進行三維展示。將實景三維模型成果疊加到大范圍DOM與DEM搭建的三維場景系統(tǒng)中,可以從宏觀的角度觀察地質(zhì)災(zāi)害的地理位置,利用細膩的模型成果作為地質(zhì)調(diào)查矢量成果底圖,可以將二維的調(diào)查成果與三維模型成果相結(jié)合,構(gòu)建數(shù)據(jù)庫調(diào)用展示矢量屬性信息,再在系統(tǒng)中面向地質(zhì)調(diào)查開發(fā)相應(yīng)的三維分析管理模塊,達到了從傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查圖紙到三維信息化地質(zhì)調(diào)查管理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。

實驗區(qū)三維平臺內(nèi)大場景結(jié)合實景模型高精細地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果展示效果如圖5所示。

圖5 延慶區(qū)千家店鎮(zhèn)平臺子村南灣道豁子泥石流隱患平臺展示效果圖

本文中的實驗不僅綜合了傾斜航空攝影測量技術(shù)及地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)成果,搭建了三維地理信息管理數(shù)據(jù)庫,而且為北京搭建全市地質(zhì)災(zāi)害點三維管理平臺提供了樣例基礎(chǔ)。實驗成果及路線在地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域有著較為廣闊的推廣價值,可依據(jù)該種綜合分析得出的地質(zhì)災(zāi)害隱患狀況,提出群專結(jié)合、工程治理、避險轉(zhuǎn)移及搬遷避讓等防治措施?？衫每臻g數(shù)據(jù)的位置關(guān)系判定災(zāi)害所屬行政位置,可結(jié)合空間分析功能模塊預(yù)演地質(zhì)災(zāi)害治理效果,可利用影像及模型數(shù)據(jù)規(guī)劃避讓、搬遷等設(shè)施建設(shè),做到科學(xué)管理、合理管控,使得各類防治措施有理可依、有據(jù)可循。

4 結(jié)束語

本文實驗基于傾斜航空攝影測量技術(shù),開展了地質(zhì)災(zāi)害隱患點的實景三維建模,結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、解譯、分析,構(gòu)建了地質(zhì)災(zāi)害三維管理平臺。與傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查臺賬、圖冊成果相比,本文實驗實現(xiàn)了地災(zāi)調(diào)查手段從“實地勘測到空地一體”、地災(zāi)調(diào)查高度從“地面到低空”、地災(zāi)成果從“二維到三維”、成果管理應(yīng)用從“圖紙到全面信息化”的轉(zhuǎn)變,構(gòu)建了基于三維數(shù)據(jù)和地質(zhì)調(diào)查的“獲取—處理—展示—分析”一體化的技術(shù)體系,從而有效提升了調(diào)查成果的管理、應(yīng)用及數(shù)據(jù)共享水平,為我國地質(zhì)災(zāi)害精細化調(diào)查工程的大面積開展提供技術(shù)積累和寶貴經(jīng)驗。

合理應(yīng)用三維模型成果不僅能夯實北京市地質(zhì)災(zāi)害防治基礎(chǔ),規(guī)劃有效避開地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū),也能支撐城市建設(shè)管理,判斷測區(qū)內(nèi)人文活動情況、自然地貌和人工地貌等情況以及生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀等信息。數(shù)據(jù)信息提供給相應(yīng)的政府部門,為國土空間規(guī)劃、道路選線、生態(tài)修復(fù)等多方面提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。管理平臺也實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害信息展示、管理、分析、預(yù)報、決策等一體化管理,有效提高地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報能力,可為防災(zāi)減災(zāi)提供實時信息服務(wù),為職能部門提供決策支持服務(wù)。