無人機傾斜攝影技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

肖梅萍

（福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州 350011）

0 引言

福建省位于我國東南沿海地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)。自2022年5月起，福建省遭遇多場暴雨，發(fā)生嚴重的滑坡、泥石流，造成嚴重的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測多以人工現(xiàn)場勘察為主，而人工現(xiàn)場勘察不僅工作效率較低，還會影響預(yù)報精度［1］。為適應(yīng)福建省地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測、過程評價、災(zāi)后恢復(fù)等的需求，利用航空攝影、傾斜攝影等技術(shù)來采集地質(zhì)災(zāi)害隱患信息及周邊地域高分辨率航攝數(shù)據(jù)，并制作地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域及周邊數(shù)字三維實景模型，以數(shù)字三維模型來還原現(xiàn)場景觀。本研究對傾斜攝影技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險點監(jiān)測中的工藝過程及方法進行探討，并對該技術(shù)的準確性進行評價。

1 硬件設(shè)備及主要技術(shù)參數(shù)

本研究以大疆M300 RTK四旋翼無人機搭載4 500萬像素的大疆P1型數(shù)碼攝影機進行低空航拍。該無人機的最大起降速度為5 m/s，最大空載速度不超過13 m/s；常溫常壓下的負重為2.5 kg，使用壽命大約為40 min。無人機采用35 mm全幅面的Exmor R CMOS背照圖像感應(yīng)器。通常情況下，航線的重疊率應(yīng)為60%～90%，最低不得低于53%；側(cè)向重疊度一般為15%～60%，最低不得低于8%；鏡片傾斜角度不大于12°，最大不大于15°；像片的旋轉(zhuǎn)角度不大于15°，最大不大于25°；不能同時使像片傾斜角度和像片旋轉(zhuǎn)角度最大；航向不低于兩條基準線的范圍，或至少有兩個以上的交界圖像；側(cè)向覆蓋超過攝區(qū)邊界一般不低于50%，在不影響圖像設(shè)置和內(nèi)部加密的前提下，其側(cè)向覆蓋可超過攝區(qū)邊界的30%。在相同航線上，兩個相鄰影像的高度差不能超過30 m；在相同航線上，最小航程的落差不能超過50 m［2］。航拍區(qū)域的實際高度和設(shè)計的高度之差不超過50 m；對航拍執(zhí)行中發(fā)現(xiàn)的相對空隙和絕對空洞，要使用同一型號攝影機及時進行補攝，補攝航跡的兩個端點不能超過漏洞以外的兩條基線。

2 無人機傾斜攝影測量技術(shù)流程

傾斜攝影的測量主要包括5個方面。①對無人機傾斜的相關(guān)資料進行高精度采集。②在空中三個絕對方向上進行像控測量。③生成立體模型。④DSM從密集匹配中生成。⑤三維場景的建立和DOM的生成。具體工作流程見圖1。

圖1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)流程

2.1 數(shù)據(jù)的獲取

目前，危巖體航空攝影技術(shù)已有很大進步，各類操作模式和數(shù)據(jù)處理也日趨完善。四旋翼無人機是一架傾斜式攝影無人機，相機焦距為35 mm，像元尺寸為4.4μm，影像的地面分辨率要求基準面為0.08 m，最低點不低于0.1 m。

2.2 三維建模生產(chǎn)

本研究先將飛機的傾斜影像和地面控制點信息輸入到計算機的自動建模軟件中，利用Capture 3D軟件和GPU的3D圖形運算軟件來完成一系列的數(shù)據(jù)處理。再對圖像質(zhì)量進行控制和校正，從而實現(xiàn)從一個簡單的圖像到一個真正的三維圖像的轉(zhuǎn)換［3］。圖2為一個特定的3D模型生產(chǎn)過程。

圖2 三維建模生產(chǎn)流程

2.2.1 新建工程。在將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Capture 3D軟件前，首先要將圖像數(shù)據(jù)（圖像）、曝光點坐標(biāo)（粗糙POS）、控制點數(shù)據(jù)（ControlPoints）等進行導(dǎo)入。在Block文件的末尾，把一個區(qū)塊文件導(dǎo)入到相應(yīng)的項目中，然后用Checkimagefiles函數(shù)來檢查文件是否導(dǎo)入，導(dǎo)入成功后進行下一步。否則，資料和文件會被檢查，直到被證實。

2.2.2 自動化空三加密和多視影像聯(lián)合平差。在Acute3D Capture軟件的自動化模型中，通過Block文件將圖像和控制點導(dǎo)入到測區(qū)，然后用人工的方式將二者進行關(guān)聯(lián)，利用光束技術(shù)來實現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的一體化［4］。以一幅圖像構(gòu)成的光束為平差單元，基于中心投影的共線方程，利用光束在空間上的轉(zhuǎn)動與運動，從而實現(xiàn)最佳的相交。在控制點坐標(biāo)系中引入全局域，用于恢復(fù)物體間的空間位置關(guān)系。同時，系統(tǒng)也會根據(jù)需要，自動生成相應(yīng)的無人機資料。在同一測區(qū)，為確保各相位能準確到達控制點，必須保證4個以上的測點同時進行絕對方位測量。在人工插入測點后，選擇控制點標(biāo)識，實現(xiàn)3次自動加密。在平差結(jié)束后，在EditControlPoints中將檢查點和控制點用不同色彩進行標(biāo)注，然后輸出總校正報告（ATReport.Html），該報告會顯示控制點和所有的空三平差之間的前后偏差。修改完成后，可在EditControlPoints接口上看到所有的控制點錯誤，偏差低于3個像素即空三精度合格；若偏差超過3個像素，應(yīng)對全部檢查點及控制點進行檢查，修正完畢后才能進行改正?；谛薷暮蟮慕Y(jié)果，決定是否繼續(xù)下一步。

2.2.3 影像密集匹配。利用SIFT特征密度匹配技術(shù)對傾斜圖像進行密集匹配，具有以下5個特點：①構(gòu)造高斯卷積核與圖像金字塔；②檢測標(biāo)度空間極限，將DOG尺度空間本層及其相鄰的26個區(qū)域中的最大或最小化，消除對比度較低的臨界點和非穩(wěn)定邊界反應(yīng)點；③對關(guān)鍵點進行主方向的計算；④產(chǎn)生128個維度的關(guān)鍵點描述；⑤SIFT匹配，利用歐氏距離法進行特征點的匹配，該算法能實現(xiàn)對圖像中名字相似點的匹配，并進一步提取特征點，從而產(chǎn)生更多的點云，能更準確地展示出更多的細節(jié)［5］。

2.2.4 紋理映射。通過無人機外業(yè)來采集特征點，使用軟件圖像自動化的密集比對，優(yōu)化處理后形成最接近實際的影像圖件，實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的初始模型和多角度多幅影像的紋理映射。

2.3 三維成果輸出

2.3.1 DSM/DEM生成。數(shù)字曲面模型是指將平面坐標(biāo)（X、Y）和高度（Z）分別用規(guī)則格網(wǎng)或不規(guī)則三角形網(wǎng)格（TIN）進行離散，并以微縮的方式覆蓋在地表外的地形高度，見圖3（a），可找到微小的中空斑點。這是因邊坡上的圖像不夠充分，無法與對應(yīng)的重物點匹配，可采用插值法進行重建。DEM的精度由取樣的方式和網(wǎng)孔的大小來決定，而DEM所提供的地形復(fù)雜度描述也會變得越來越粗糙，且會造成更多的細節(jié)丟失。利用1：50 000 DEM（分辨率為25 m×25 m）的基準資料對壽寧縣滑坡進行截斷，然后利用相關(guān)插值算法對高程進行加密，雖能得到更高的格網(wǎng)DEM，但如果對分辨率較低的網(wǎng)格進行插值，則會導(dǎo)致DEM的準確性降低，不能很好地反映壽寧縣滑坡的實際地形，也不利于后期的分析和應(yīng)用。采用傾斜攝影法得到的DSM（分辨率為0.14 m×0.14 m），經(jīng)濾波、自然鄰域插值算法和三次卷積再取樣，得到的DEM（分辨率為0.5 m×0.5 m）如圖3（b）所示。

圖3 滑坡DSM和DEM模型

2.3.2 DOM及三維模型生成。DOM既包含圖像的幾何信息，又包含圖像的特點。通過圖像的拼接，可獲得壽寧縣滑坡的完整DOM。在多視點密集匹配中，利用三維網(wǎng)格技術(shù)來生成不規(guī)則的三角形網(wǎng)格，然后利用紋理映射生成點云的三維立體模型（見圖4）。

圖4 滑坡實景三維模型

2.4 DOM數(shù)據(jù)微分糾正

采用高密度DSM算法，可實現(xiàn)對傾斜圖像的偏移校正，得到真實的投影圖像（見圖5）。對分幅后的TDOM資料進行檢驗，對不符合DOM精度的資料進行人工修正，直至達到DOM成果要求。

圖5 單幅TDOM數(shù)據(jù)示意圖

3 三維數(shù)據(jù)在地災(zāi)監(jiān)測的應(yīng)用

3.1 三維模型對比分析

在制作完成三維數(shù)據(jù)后，與傳統(tǒng)的正向圖像疊加DEM法建立的偽三維模型相比，其具有很大的優(yōu)勢，為地災(zāi)點監(jiān)測提供了直觀真實的三維模型，見圖6、圖7。

圖6 傾斜攝影模型

圖7 正射影像+DEM模型

在橫向上，垂直角透鏡為正射，與傳統(tǒng)的正射攝影一致，能直觀地反映出水平面的地形。在垂直方向上，由于相機存在前后和左角度的角度，傾斜攝影技術(shù)所建立的三維模型能真實地反映巖體的側(cè)面信息，也能多角度觀測危巖。為了獲得清晰的側(cè)面紋理，先通過拍攝對象來獲取對象的結(jié)構(gòu)特征和紋理特征，然后進行貼圖。這不僅會導(dǎo)致建模時間增長和費用增高，還會產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)和畸變紋理。利用點坐標(biāo)、長度和面積對三類危巖的堆填量、長度、高度進行分析，得出三類危巖的點坐標(biāo)。地區(qū)數(shù)據(jù)見表1。

表1 危巖體量測數(shù)據(jù)表

3.2 傾斜攝影在危巖地貌測量的應(yīng)用

30 min內(nèi)無人機拍攝到8.89 G的原始圖像，1個便攜式工作站在2 d內(nèi)完成207 MB的數(shù)據(jù)采集。該方法無須現(xiàn)場測量、攝影，以及后期貼圖等，節(jié)省了大量時間。例如，8 km2的立體模型，用傳統(tǒng)的人工方法，要20個工人工作60 d。而采用傾斜攝影技術(shù)，則只需要2個工人工作1 d［6］。

使用傾斜攝影技術(shù)所建立的三維模型能真實地反映出危巖的總體狀況，并能直觀地反映出危巖的位置、大小、范圍及周邊環(huán)境，以及危巖的實際狀況，從而實現(xiàn)全面監(jiān)控。

通過對危險巖體的地貌進行三維測量，能快速探測出危巖的三維地貌。在危巖治理方面，可為施工現(xiàn)場的土石方提供參考，用來評估和展示災(zāi)害的影響范圍、強度等。另外，在災(zāi)害現(xiàn)場，特別是危巖區(qū)，可利用三維模型技術(shù)對地形進行仿真，能有效阻止事故的發(fā)生，極大提高工作效率。

4 結(jié)語

傾斜攝影技術(shù)作為一種新興的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)，因其優(yōu)越性，在地質(zhì)災(zāi)害信息采集中有著舉足輕重的地位。隨著國土資源普查的精細化、高效化、標(biāo)準化，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、搶險救災(zāi)、災(zāi)害評價等工作已有很大的進展。例如，由于地面物體的干擾，尤其是影子的阻擋，使圖像表面的紋理產(chǎn)生空洞，要用軟件進行貼圖、補孔等，這就導(dǎo)致工作量增加。與常規(guī)的正射圖像航飛比較，傾斜攝影技術(shù)一次曝光需要5個不同角度，飛行時間長，尤其是橫向交叉率高。如果超過80%，則要用更多的時間。現(xiàn)場測試結(jié)果顯示，該工程的整體模型精度在0.5 m以上，而平面在0.2 m以上。目前，采用傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的三維模型多為地震顯示，對今后的應(yīng)用不甚了解，有待深入研究。