運用傾斜攝影測量技術(shù)精細(xì)提取新疆皮山縣地質(zhì)構(gòu)造定量參數(shù)*

蔡小超，唐紅濤

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054)

0 引言

在地質(zhì)構(gòu)造研究工作中，特別是針對活動構(gòu)造，需要精確獲取構(gòu)造地貌的定量參數(shù)，如斷層陡坎坡度角、斷錯面貌垂直位移、活動構(gòu)造長度等信息，從而分析、揭示地質(zhì)構(gòu)造運動規(guī)律和地震發(fā)生機理(鄧起東等，2004；艾明等，2018)。在地質(zhì)構(gòu)造定量參數(shù)的獲取中，皮尺丈量、全站儀實測以及后續(xù)發(fā)展的GPSRTK等傳統(tǒng)測量手段，精度上不僅受限于觀測設(shè)備的系統(tǒng)誤差，還取決于作業(yè)外場的環(huán)境因素、丈量、人眼讀數(shù)等偶然誤差，且每一個地貌特征點全靠作業(yè)員一個個實測完成，作業(yè)效率低，大大限制了長距離、大范圍地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域測量工作的開展。而高精度數(shù)字高程模型(DEM)與高分辨率正射影像圖(DOM)能夠詳細(xì)刻畫地貌特征，日趨成為活動構(gòu)造定量參數(shù)提取與地貌解譯的重要手段，因此，高效獲取大范圍高精度DEM，已成為今后地質(zhì)構(gòu)造研究領(lǐng)域的又一重要工作內(nèi)容。無人機機載激光雷達(dá)掃描(LiDAR)技術(shù)的出現(xiàn)為快速獲取大面積、高精度地形地貌數(shù)據(jù)提供了一種前所未有的解決方案，機載LiDAR不僅解決了高效數(shù)據(jù)采集的問題，還在地表點位垂直方向上有著較高的測量精度。雖然機載LiDAR以其多次回波信號的特點可有效剔除地表植被，然而高昂的作業(yè)成本嚴(yán)重限制了該技術(shù)的推廣與應(yīng)用(劉靜等，2013；Cunningham，2006；Zielke，2010；Oskin，2012；Chen，2014；Ren，2016)。

近年來，傾斜攝影測量作為一項服務(wù)于測繪領(lǐng)域的高新技術(shù)從航空攝影測量中脫穎而出，它搭載多臺傳感器，具有傳統(tǒng)航測垂直攝影相機，能夠同時從前、后、左、右4個方向采集地物側(cè)面紋理信息，全方位、多角度提取與匹配地物特征，從具有一定重疊度的影像中恢復(fù)攝影瞬間相機的相對位置與姿態(tài)(姚方芳，2014；段宗恩，張海生，2019；張祖勛等，2003)，通過三維重建，可獲得具有高精度地理坐標(biāo)與高程的三維實景模型、數(shù)字地表模型(DSM)、正射影像圖(DOM)。與機載LiDAR技術(shù)相比，在點云密度方面二者能夠達(dá)到同級別水平，但傾斜攝影測量具有航測范圍大、操作簡便、成本低等優(yōu)勢，且具有更高的平面點位精度，三維實景模型效果更直觀。特別在植被低覆蓋地區(qū)，傾斜攝影測量能夠替代機載LiDAR技術(shù)，成為獲取高精度地形數(shù)據(jù)的首選測量方案。

自2008年以來，新疆皮山縣及其鄰區(qū)發(fā)生多次強震，造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。該地區(qū)發(fā)育多條大型走滑斷層，探討其震后構(gòu)造運動特征，有助于辨別該地區(qū)地震孕育與發(fā)生機制，為判斷該地區(qū)未來地震提供有力支撐。本文利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，借助構(gòu)建三維實景模型、高精度DSM，以新疆西昆侖山前、皮山縣西南鄰區(qū)地貌點為例，進行了地貌信息獲取與解譯，精確提取了各級斷層陡坎的垂直位移值，分析了傾斜攝影測量技術(shù)在構(gòu)造微地貌研究中的應(yīng)用前景。

1 傾斜攝影測量原理

傳統(tǒng)航空攝影測量采用的是垂直俯視攝影數(shù)據(jù)采集，沒有地物側(cè)面立體紋理信息，不能依據(jù)人眼瀏覽現(xiàn)實世界的習(xí)慣、不能以任意角度實時觀察模型場景。傾斜攝影測量則掛載5個傳感器，從俯視、前視、后視、左視、右視5個方向進行數(shù)據(jù)采集，如圖1a所示。采集內(nèi)容包括飛行器高度、航速、航向重疊度、旁向重疊度、POS數(shù)據(jù)等參數(shù)，傾斜相機主光軸從一定的傾斜角度進行拍攝(可獲取大量地物側(cè)面紋理信息)，俯視與傾斜影像間均有重疊部分，借助最小二乘配置法進行平差，實現(xiàn)室內(nèi)空中三角測量，獲得加密點平面與高程位置，進而完成密集點匹配與三維模型重建，其三維實景模型具有與現(xiàn)實場景一致的真實感。為了確保所采集影像數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性，需對相機傳感器進行標(biāo)定與檢校，而相機標(biāo)定是從世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至圖像坐標(biāo)系的過程(求投影矩陣的過程)，該過程需確定相機內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)及畸變參數(shù)。本文所用相機組為DG3Pro，以其垂直攝影傳感器為例，其相機校準(zhǔn)后的影像殘差圖如圖1b所示，利用其畸變參數(shù)可對后期所采集的影像數(shù)據(jù)進行畸變校正，確保影像質(zhì)量。

圖1 傾斜攝影測量原理(a)與相機校準(zhǔn)影像殘差圖(b)Fig.1 Principle of oblique photogrammetry(a) and residual of camera calibration(b)

2 研究區(qū)構(gòu)造環(huán)境

皮山縣及其鄰區(qū)位于新疆塔里木盆地西南緣、青藏高原西北段、西昆侖山前，是新疆地區(qū)地震多發(fā)地，也是國內(nèi)外諸多地震、地質(zhì)學(xué)家研究青藏高原隆升(地殼厚度約70 km)的重點地區(qū)(Negredo，2007；Tseng，2009)。該地區(qū)地震頻發(fā)(圖2)，沿塔里木盆地西南緣展布多條走滑活動斷裂，如西昆侖山前斷裂帶、康西瓦斷裂帶、喀喇昆侖斷裂。

圖2 本文航測區(qū)域與地質(zhì)構(gòu)造分布Fig.2 Aerial survey area and geological structures

西昆侖山前斷裂位于塔里木盆地與西昆侖的過渡區(qū)，屬于逆沖轉(zhuǎn)換帶，但在不同區(qū)段又呈現(xiàn)出不同的地表構(gòu)造特征。葉城以北的喀什—葉城轉(zhuǎn)換帶走向為SSE，山前新生代以來的構(gòu)造變形以掀斜為主(李向東，王克卓，2006；張瑋等，2010；Qu，2005)；葉城以東的葉城—和田逆斷裂-褶皺系走向近EW向，其受南側(cè)向北擠壓推覆形成薄皮褶皺帶，覆蓋于塔里木盆地之上，形成一系列以背斜為主的山前構(gòu)造帶，而在地表則表現(xiàn)為高出戈壁平原100～300 m 的丘陵地貌(潘家偉等，2007)；近EW走向的康西瓦斷裂帶長約700 km，屬于阿爾金斷裂的延伸部分(Tapponnier，Molnar，1977；Peltzer，1989；付碧宏等，2006)，是一條大型的左旋逆沖斷裂帶；南部的喀喇昆侖斷裂屬右旋走滑斷裂，長約510 km，走向S45°E，該斷裂在長期歷史構(gòu)造活動過程中控制著青藏高原西北端的運動方向，使得帕米爾向北移動了近300 km(Hamburger，1992)。

3 數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

航測區(qū)域位于皮山縣西南方向約15 km處，面積為20.08 km。本次航測采用六旋翼無人機M600Pro(圖3a)，搭配五鏡頭相機DG3Pro(圖3b)，正攝鏡頭焦距28 mm，傾斜鏡頭焦距40 mm，45°傾角(表1)。為確保航測安全與質(zhì)量，該無人機配備3套GPS定位模塊。由于測區(qū)范圍較大，航測工作采用分塊采集，將整體區(qū)域劃分為4個區(qū)塊(圖3d)，相鄰兩個區(qū)塊均有重疊部分，且要保證重疊區(qū)域覆蓋公共地面控制點。雖然無人機配備差分GPS裝置，為每張影像提供拍攝瞬間POS數(shù)據(jù)，但其只是相對空間位置，若成果需滿足高精度點位坐標(biāo)，則仍需在地表布設(shè)像控點，提供絕對點位約束。因此，本文在測區(qū)布設(shè)152個地表控制點(圖4a，采用CGCS2000坐標(biāo)系，高斯投影3°帶，中央子午線78°)，點位間距平均約200 m，每個像控點采用差分GPSRTK進行實測，其平面精度達(dá)±(8+1×10×)mm，高程精度±(15+1×10×)mm，控制點均勻布設(shè)于整個測區(qū)，有效控制了成果在水平與高程上的變形。

(a)M600pro無人機

(b)五鏡頭相機

(c)RTK接收機

(d)航線規(guī)劃圖3 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集設(shè)備(a、b、c)與航線規(guī)劃圖(d)Fig.3 Data-acquisition equipments for tilt photography(a，b，c)and route planning map(d)

考慮到測區(qū)屬于戈壁、沙漠等弱紋理地表，后期在特征點匹配中難度較大，為了確保空三環(huán)節(jié)的通過性，在航測階段航線的設(shè)置上，參數(shù)取航高約240 m，航向重疊度80%，旁向重疊度75%，影像分辨率為3 cm。整體外場數(shù)據(jù)采集共飛16架次，采集影像43 650張，POS數(shù)據(jù)43 650條。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，處理器采用高性能GPU集群服務(wù)器(10臺節(jié)點機，詳細(xì)配置性能見表1)，處理過程中綜合使用了ContextCapture、Smart3D、Pix4Dmapper等影像處理平臺，運算時間18 h，最終獲取了9 cm三維實景模型、3.39 cm DOM與DSM等具有空間地理坐標(biāo)的高分辨率數(shù)字模型數(shù)據(jù)。

表1 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集與處理參數(shù)Tab.1 Parameters of data acquisition and processing of tilt photography

3.2 精度評定

經(jīng)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)空中三角測量與模型構(gòu)建，獲取了高分辨率DOM、DSM及三維實景模型(圖4、5)。圖4b顯示了測區(qū)數(shù)據(jù)的特征點匹配結(jié)果，圖中表明了該測區(qū)戈壁、沙漠弱紋理的地貌特征，灰白色區(qū)域較大，可匹配的特征點較少，但由于前期外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用了航高、重疊率等一系列航線規(guī)劃措施，所以內(nèi)業(yè)空三解算一次通過，取得了較好的成果。圖5則是基于傾斜攝影測量構(gòu)建的三維實景模型，分別是模型白模、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN結(jié)構(gòu)模型以及賦予精細(xì)紋理的三維實景模型，圖5c清晰、直觀地展現(xiàn)了斷層陡坎，即兩級地貌面的過渡地形。

(a)航測區(qū)域地表像控點分布

(b)影像特征點匹配圖

(c)正射影像圖(DOM)

(d)數(shù)字地表模型(DSM)圖4 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理與結(jié)果Fig.4 Data processing and results of tilt photography

(a)白模

(b)不規(guī)則三角網(wǎng)TIN結(jié)構(gòu)

(c)三維模型紋理構(gòu)建圖5 傾斜攝影測量三維實景建模Fig.5 3D real scene modeling of oblique Photogrammetry

為了驗證傾斜攝影測量所獲取的數(shù)字成果的精度，本文對所布設(shè)的152個地面控制點進行了點位精度評定，包括點位平面中誤差與高程中誤差，計算公式見式(1)(2)，詳細(xì)統(tǒng)計見表2。根據(jù)外場實測點位三維坐標(biāo)與模型相應(yīng)點位坐標(biāo)做一階差分，取得每個控制點在平面橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)以及高程3個方向上的差值，從而計算得到整個測區(qū)152個控制點的綜合點位平面中誤差為1.7 cm，高程中誤差為5.3 cm。同時，在測區(qū)均勻布測了8個檢查點，檢查點平面中誤差為2.3 cm，高程中誤差為11.8 cm，該精度完全滿足測繪1∶500大比例尺航空攝影測量的精度要求。同樣，DOM、DEM及三維實景模型等數(shù)字成果可為該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的定量參數(shù)提取提供強有力的支撐。

表2 地面控制點平面與高程中誤差精度檢驗(單位：m)Tab.2 Accuracy check of the mean-square error of the plane and the elevation of ground control points(unit：m)

(1)

(2)

式中：代表平面點位中誤差；代表平面點位中誤差；Δ為各點模型坐標(biāo)與實測坐標(biāo)差值；Δ為各點位模型高程與實測高程差值。

4 地貌解譯與定量參數(shù)的提取

本文研究的測區(qū)地表完全裸露，無植被覆蓋，適用于數(shù)字影像數(shù)據(jù)進行地貌解譯，因此利用無人機傾斜攝影測量及其DSM等數(shù)字模型成果，對于地貌解譯與活動構(gòu)造定量參數(shù)的提取是一種較為理想的手段。

4.1 地貌初步解譯

如圖6a所示，通過傾斜攝影三維實景模型，能夠清楚判別地形地貌。測區(qū)西側(cè)分布著一系列陡坎地貌，這些陡坎存在于較高的不同地貌面上。從圖6b消隱紋理的立體模型中，同樣可以判定斷層陡坎的分界與走向。因此，借助三維立體模型，對研究區(qū)西側(cè)的高地貌面進行了初步解譯，劃定了七級斷層陡坎。

(a)斷層陡坎初步解譯位置圖

(b)三維DEM下的斷層陡坎側(cè)視圖圖6 基于傾斜攝影三維模型的地貌特征初步解譯圖Fig.6 Preliminary interpretation of geomorphic features based on 3D model of oblique photography

4.2 DSM衍生數(shù)據(jù)處理

借助高分辨率DSM模型，能夠衍生出等高線、坡度圖等數(shù)字專題圖，運用這些衍生數(shù)據(jù)，為地形地貌解譯工作提供更為有力的支撐。圖7為測區(qū)西側(cè)高分辨率DSM、等高距為5 m的等高線圖及坡度圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，通過等高線圖能夠清晰地辨別測區(qū)南部高差較大的斷層陡坎，且測區(qū)西側(cè)地形特征十分顯著，坡度圖則展示了0°～90°不同坡度角的陡坎或斜坡，特別是11.93°～47.02°的坡度線痕跡清晰可辨，為地貌解譯工作提供了幫助。

4.3 地貌精細(xì)解譯

對研究區(qū)地貌的精細(xì)解譯，需借助高分辨率DSM及其衍生成果數(shù)據(jù)來完成。如圖7所示，DSM可查詢?nèi)我馕恢玫母叱虜?shù)據(jù)(南高北低)，亦可依據(jù)高程值直觀顯示地形地貌。等高線密集地表示地形起伏較大的陡坎特征線，等高線稀疏地則為平坦區(qū)。坡度圖是判別構(gòu)造陡坎的另一種具有價值的專題衍生數(shù)據(jù)，圖7c中綠色區(qū)域表示較小坡度的地形地貌(0°～4.21°)，而由構(gòu)造運動引起高差較大的斷層陡坎在該圖中則構(gòu)成為深紅色的地貌標(biāo)志線，但往往亦具備有淺紅與黃色等緩坡過渡帶特征。經(jīng)對比DSM與其衍生數(shù)據(jù)，可以判斷該研究區(qū)由于受到自南向北的構(gòu)造推覆作用，造就了不同斷層陡坎的垂直斷錯與變形。

(a)DSM (b)5 m等高線 (c)坡度圖圖7 重點區(qū)塊DSM及其衍生圖Fig.7 DSM and its derivative map of key blocks

為了精確解譯地貌，除了對比分析DSM、等高線圖、坡度圖等數(shù)據(jù)，本文還依據(jù)DSM在NNE方向提取了3條地形剖面線(圖7a中虛線)及與其對應(yīng)的坡度剖面線，將地形剖面線與坡度數(shù)據(jù)加以疊加(圖8)，剔除了對地貌解譯的一些干擾因素，并對該疊加圖進行了分析，獲取了地貌面的精細(xì)解譯結(jié)果。從圖8可見，該測區(qū)共劃分了七級斷層陡坎，高差相對最大的是F與F，與最高的坡度峰值相對應(yīng)，且在F局部出現(xiàn)了由于地表受到侵蝕作用的起伏現(xiàn)象，同樣對應(yīng)顯著的坡度峰值。其它斷層陡坎內(nèi)部地形整體平緩，斷層陡坎分界線與坡度峰值對應(yīng)較好。通過對研究區(qū)斷層陡坎地形剖面線、坡度圖與相關(guān)定量信息的綜合分析，利用高分辨率DOM給出了精細(xì)地貌解譯結(jié)果(圖9b)。

圖8 地形剖面線與坡度疊加分析圖Fig.8 Map of analysis of overlaid terrain profile and slope

圖9 研究區(qū)正射影像圖(a)與斷層陡坎解譯圖(b)Fig.9 Map of the orthophoto(a)and the terrace interpretation(b)of the study block

4.4 垂直位移量的參數(shù)確定

為了精確確定各斷層陡坎垂直位移量，將DSM與等高線進行了套合，如圖10a所示，并結(jié)合精細(xì)解譯結(jié)果，選取了6條陡坎剖面線，對各斷層陡坎間進行了定量分析，斷層陡坎垂直位移量的計算方案圖解如圖10b所示。分別對陡坎兩側(cè)一定距離內(nèi)地形垂直方向上的剖面數(shù)據(jù)做最小二乘擬合處理(圖10c中給出了各趨勢線的擬合公式)，擬合線分別記為、，通過圖中公式即可獲得斷層陡坎的最終垂直位移量(俞晶星，2013)。運用該方法，分別對F～F斷層陡坎計算了垂直位移量：F為(3.71±0.62)m、F為(3.54±0.04)m、F為(6.06±0.22)m、F為(7.43±0.56)m、F為(5.52±0.18)m、F為(13.05±0.33)m。

圖10 斷層陡坎垂直位移量確定示意圖解Fig.10 Schematic diagram of determination of vertical fault of terrace

5 結(jié)論

本文探討了傾斜攝影測量技術(shù)及其應(yīng)用原理，運用無人機對新疆皮山縣附近20.08 km的研究區(qū)進行了傾斜攝影測量與數(shù)據(jù)處理。通過控制點實測坐標(biāo)與模型對應(yīng)坐標(biāo)計算，分析了本次航測建模的點位平面中誤差與高程中誤差。同時，基于高分辨率模型數(shù)據(jù)，對研究區(qū)斷層陡坎進行精確解譯，主要獲得如下認(rèn)識：

(1)傳統(tǒng)基于低分辨率的衛(wèi)星影像、SRTM與ASTERd等DEM(90 m/30 m分辨率)數(shù)字模型，僅能夠在高空俯視角下識別較大地質(zhì)體走向及地貌概況，無法對細(xì)微地形給出精細(xì)解譯或?qū)顒訕?gòu)造提取定量參數(shù)信息。本文使用無人機傾斜攝影測量，獲得了9 cm三維實景模型、3.39 cm DOM、DSM等具有空間地理坐標(biāo)的高分辨率數(shù)字模型數(shù)據(jù)，精度可達(dá)cm級，完全能夠滿足地質(zhì)活動構(gòu)造的微地貌解譯與定量參數(shù)的計算。檢查點平面中誤差為1.7 cm，高程中誤差為5.3 cm，該精度完全滿足大比例尺測圖精度的要求。

(2)基于DSM衍生了等高線圖與坡度圖，借助高分辨率模型數(shù)據(jù)，對研究區(qū)斷層陡坎實現(xiàn)了微地貌解譯，提取了F～F斷層陡坎的垂直位置量分別為(3.71±0.62)、(3.54±0.04)、(6.06±0.22)、(7.43±0.56)、(5.52±0.18)、(13.05±0.33)m，達(dá)到了較好的量測、解譯效果。表明借助三維實景模型，在室內(nèi)可重現(xiàn)現(xiàn)實世界對高空峭壁、低洼深溝等人員無法到達(dá)的地方以任意角度、視距進行查看與量測，為地質(zhì)相關(guān)工作提供了強有力的技術(shù)支持。

(3)相比全站儀、RTK、衛(wèi)星影像、機載LiDAR等傳統(tǒng)測量手段而言，低空傾斜攝影測量是一種集成果三維直觀性強、數(shù)據(jù)獲取效率高、采集范圍廣、成果精度高、運行成本低等優(yōu)勢于一身的測繪技術(shù)手段，在地質(zhì)活動構(gòu)造定量研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。