無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路搶通中的應(yīng)用

張秦 孟新偉 曹程

0 引言

我國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，自然災(zāi)害種類多、分布范圍廣、發(fā)生頻率高，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生改善。在處置自然災(zāi)害的過程中，順利搶通道路一方面有利于及時、有效開展各項應(yīng)急救援工作，另一方面對運輸各種救援物資、搶救生命、展開災(zāi)后重建等工作也具有重要作用。隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，通過無人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)，可以生成災(zāi)害現(xiàn)場的三維模型，通過模型能夠全面了解災(zāi)害現(xiàn)場，及時做出相應(yīng)救援方案，并對搶通過程進(jìn)行全過程控制。由此可見，深入研究并分析無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)能夠全方位了解災(zāi)害現(xiàn)場，對順利搶通災(zāi)區(qū)道路具有一定的現(xiàn)實意義。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)概述

1.1 技術(shù)特點

無人機(jī)具有方便快捷、機(jī)動靈活的特點，通過超低空傾斜攝影，可以從多個角度獲取影像數(shù)據(jù)，配合控制點或影像POS 信息，可以自動生成點云及網(wǎng)格模型、單體化三維模型、DEM 模型等，基于三維模型可對任意點線面體進(jìn)行量測或計算，快速獲取空間屬性信息，精度可以達(dá)到亞米級，同時可對影像信息的數(shù)據(jù)深度挖掘，實現(xiàn)對災(zāi)害現(xiàn)場的全方位了解[1]。

1.2 適用場景

基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)特點，在處置災(zāi)害現(xiàn)場的過程中，通?？捎糜谝韵聢鼍埃?/p>

前期現(xiàn)場勘察：快速了解現(xiàn)場環(huán)境，獲取地理信息數(shù)據(jù)及災(zāi)害相關(guān)情況，為制定道路搶通方案提供依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

中期災(zāi)害評估：結(jié)合三維模型，測量災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計受災(zāi)情況，對災(zāi)害進(jìn)行分析，評估災(zāi)害的等級。

后期災(zāi)害監(jiān)測：對重點區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測，以確保道路搶通中人員及機(jī)械的安全，同時對受損道路及時進(jìn)行修復(fù)，以保證道路的暢通。

2 基于低空攝影測量的實際應(yīng)用

2.1 前期現(xiàn)場勘察

在現(xiàn)場前期勘察中，主要任務(wù)是獲取現(xiàn)場地形、幾何尺寸、受災(zāi)情況等相關(guān)信息，以便為實施道路搶通提供依據(jù)。為驗證無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在前期勘察中的實際應(yīng)用效果，以隧道訓(xùn)練場為試驗對象，進(jìn)行了三維模型生成、尺寸測量及方量計算三方面的試驗。

2.1.1 三維模型的生成

基于軟件操作性、生成模型精度等因素的考慮，采用A 公司的photoscan 進(jìn)行三維模型的生成。生成三維模型的主要處理流程為：影像數(shù)據(jù)獲取→導(dǎo)入圖片→對齊圖片→建立密集點云→生成網(wǎng)格模型→映射紋理→導(dǎo)出DEM模型。

2.1.1.1 數(shù)據(jù)獲取及圖片導(dǎo)入

本次試驗利用十字型四軸無人機(jī)對隧道訓(xùn)練場進(jìn)行了360 °環(huán)形航拍，共采集31 張現(xiàn)場影像圖片，圖片數(shù)據(jù)格式為JPEG，大小均在4～5Mb 之間。所有圖片影像導(dǎo)入軟件后，按照地理位置在模型中進(jìn)行展示，見圖1。

圖1 導(dǎo)入圖片后的模型圖

2.1.1.2 對齊圖片

根據(jù)圖片影像坐標(biāo)、高程等信息，對導(dǎo)入的圖片進(jìn)行對齊，并按照相似度對圖片進(jìn)行排列，刪除相鄰圖片重復(fù)度少于50%的圖片，同時生成稀疏點云模型。生成過程中精度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，所調(diào)整的精度不同，顯示的效果也有所不同，精度越高，效果越好，但生成的時間也相對較長。本次試驗選擇的精度為高精度，共計用時約15 分鐘，對齊后的圖片見圖2。

圖2 對齊圖片后影像模型圖

2.1.1.3 生成點云及網(wǎng)格模型

圖片對齊完成后，即可通過內(nèi)插法建立密集點云模型，并根據(jù)點云模型生成相應(yīng)的網(wǎng)格模型；生成過程中可以根據(jù)需要選擇精度要求，本次試驗生成點云及網(wǎng)格模型選擇的精度均為中等精度，加密點云共計用時約15 分鐘，生成網(wǎng)格模型共計用時10 分鐘。生成模型的圖片見圖3、圖4。

圖3 生成點云模型圖

圖4 生成網(wǎng)格模型圖

2.1.1.4 映射紋理及生成DEM 模型

生成網(wǎng)格模型后可進(jìn)行紋理的映射和DEM 模型的生成，映射過程中需設(shè)置映射模式、混合模式及紋理大小三個參數(shù)。本次試驗選擇的是正射影像，混合模式選擇的是“鑲嵌（默認(rèn)）”，紋理大小選擇“4096（默認(rèn)）”共計用時約5 分鐘。生成DEM 模型過程中，需設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)及相關(guān)尺寸等。本次試驗采取的是WGS84 坐標(biāo)系統(tǒng)，總尺寸采用的是2084*2203 像素，生成后的模型見圖5、圖6。

圖5 映射紋理模型圖

圖6 DEM 模型圖

此次生成三維模型共用時約45 分鐘，經(jīng)對比現(xiàn)場照片，模型中有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的地形與現(xiàn)場一致，見圖7，有效還原了現(xiàn)場的地形，通過模型能夠全面了解現(xiàn)場情況，為下一步搶通道路提供支持。

圖7 模型和現(xiàn)場對比圖

2.1.2 尺寸測量

尺寸測量的試驗以隧道訓(xùn)練場中模擬隧道為對象進(jìn)行比較；經(jīng)對模型中相關(guān)尺寸進(jìn)行測量，洞門寬6.11m，混凝土墻身寬0.509m，墻身高2.85m；現(xiàn)場實際尺寸為洞門寬6.4m、墻身寬0.4m、墻身高3m，實際誤差均在0.3m 范圍內(nèi)，能夠滿足完成大型任務(wù)的要求。模型測量圖片見圖8。

圖8 生成模型尺寸測量圖

2.1.3 土方方量計算

土方方量計算是無人機(jī)應(yīng)用中常見課題，主要有兩種方法：一是斷面法，常用于較為規(guī)則的土堆；通常利用公式進(jìn)行計算，具體步驟為首先根據(jù)各個點的坐標(biāo)計算出上下底面的面積（或利用cad 測量出面積），而后用公式V=（S 頂+S 底+S 頂*S 底）*H/3 計算土堆的體積。二是建模法，常用于滑塌體等不規(guī)則土體；主要利用前后兩次DEM 模型體積差進(jìn)行計算，災(zāi)情發(fā)生前的模型可根據(jù)衛(wèi)星圖數(shù)據(jù)生成，災(zāi)情發(fā)生后的模型可由三維建模軟件根據(jù)測量影像生成（本文采用的是A 公司的photoscan），見圖9。

圖9 導(dǎo)出后的三角網(wǎng)模型

在本次試驗中，以隧道訓(xùn)練場中土堆為對象進(jìn)行土方方量比較，采取斷面法進(jìn)行計算。經(jīng)對模型進(jìn)行測量，底面積為767.88m2，頂面積為50.7m2，平均高度為7.1m，套用公式后體積為2404.2m3；經(jīng)對現(xiàn)場土方采用全站儀進(jìn)行測量，方量約為2360m3，考慮土方測量誤差因素，模型中測量的方量較為準(zhǔn)確，可以作為參考數(shù)據(jù)使用。

2.2 災(zāi)害評估及監(jiān)測

發(fā)生自然災(zāi)害掩埋道路后，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建的災(zāi)害現(xiàn)場三維模型，不僅可以獲取空間屬性、建筑物受損情況、道路掩埋情況等信息，還可以利用模型計算出滑坡的影響范圍，預(yù)測泥石流的發(fā)展方向；同時結(jié)合影像數(shù)據(jù)可以綜合分析建筑物損壞情況、災(zāi)區(qū)道路受損情況和通達(dá)情況，預(yù)測發(fā)生災(zāi)害后建筑物大致位置，以便快速、安全的進(jìn)行道路搶通，從而達(dá)到快速營救被困人員的目的[2]。

為驗證無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在災(zāi)害評估和監(jiān)測中的實際應(yīng)用效果，以訓(xùn)練場滑坡體為試驗對象，進(jìn)行了三維模型生成、空間屬性信息及邊坡穩(wěn)定性分析三方面的研究，見圖10。

圖10 現(xiàn)場滑坡體三維模型

2.2.1 獲取空間屬性信息

無人機(jī)對現(xiàn)場兩處滑坡體共拍攝了18 張照片影像，利用軟件（photoscan）生成了現(xiàn)場的三維模型。通過對三維模型進(jìn)行尺寸量測及邊坡計算，滑坡體總的長度為34.6m（其中大的滑坡體長度為18.9m，小的滑坡體長度為15.7m），大滑坡體寬度為29.8m，小滑坡體寬度為14.4m，大滑坡體高度為7.1m，小滑坡體高度為3.6m，大滑坡體臨路一側(cè)邊坡坡度為1∶1.46，小滑坡體臨路一側(cè)邊坡坡度為1∶1.3；通過對三維模型進(jìn)行面積量測和方量計算，大滑坡體占地面積為581.04m2，方量為2249m3，小滑坡體占地面積為226.08m2，方量為450.14m3。

2.2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)對三維模型數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖片進(jìn)行分析，現(xiàn)場模擬道路由南向北依次有兩處滑坡體，邊坡高度由南向北逐漸升高，均為1 級邊坡且中間無平臺，坡面角為30 °～50 °，坡體主要由松散土石及堆積土組成，土質(zhì)為黃土?，F(xiàn)場所在地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明、冬干春旱，春季氣溫回升稍快，秋季降溫迅速，每年降水分布不均勻，主要集中在5～10月，降水量約占全年的70%～80%。

滑坡體土質(zhì)均為黃土，局部夾雜風(fēng)化巖石，黃土質(zhì)地粘重，遇水后土質(zhì)松軟呈黃泥狀，無雨水時干燥較快，局部會出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；邊坡坡頂較平整，遇水后水流易通過松散表面下滲，從而導(dǎo)致滑坡體內(nèi)部含水量較大，邊坡表面土質(zhì)較為松散，遇水后邊坡可能發(fā)生滑塌；但滑坡體四周的邊坡坡度均較緩，下部體積較大頂部體積較小，下部能夠較好的起到支撐作用，從而滑坡體總體較為穩(wěn)定。

2.2.3 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測

雖然邊坡總體較為穩(wěn)定，但為確保道路搶通的順利實施，應(yīng)做好邊坡的監(jiān)測工作，邊坡監(jiān)測的重點在于坡頂和坡腳的變化，因此對邊坡的坡頂和坡腳均布置了控制點，定期利用無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，并對滑坡體尺寸進(jìn)行記錄，以監(jiān)測邊坡變化情況，見圖11。

圖11 設(shè)置控制點后的滑坡體三維模型

3 應(yīng)用效果分析

首先，本次試驗以隧道訓(xùn)練場為對象進(jìn)行拍攝，拍攝高度約在10m 左右，采取了360 °環(huán)形拍攝，共拍攝31 張圖片，平均每個面將近8 張圖片，生成的模型較為清晰，效果較好。試驗中為保證模型效果，拍攝照片較多，經(jīng)對圖片生成的模型進(jìn)行比較，在實際應(yīng)用中，對單個對象平均每個面拍攝4～5 張圖片即可保證模型生成的效果。

其次，發(fā)生的災(zāi)害不同，災(zāi)害區(qū)域的環(huán)境及地物也有所不同，隨著災(zāi)害區(qū)域地物的增多，對無人機(jī)拍攝角度及高度就有了更高的要求。所要拍攝的地物越多，無人機(jī)的高度就越高，拍攝的范圍越廣，配合多角度的圖片影像，生成的模型才會與現(xiàn)場實際更為接近，利用模型進(jìn)行分析的效果才會更好。

第三，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建立的三維模型，能夠真實反映災(zāi)害現(xiàn)場實景，從不同的視角進(jìn)行觀察，從而對災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行綜合判斷。在道路搶通過程中，可以利用模型選擇最佳行動路線，并對災(zāi)害發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行預(yù)測；在道路保通過程中，可以利用模型對重點路段進(jìn)行監(jiān)測，以確保道路的暢通。

4 應(yīng)用局限

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)能夠為道路搶通全程提供高效的地理服務(wù)，但在應(yīng)用的過程中仍存在一些局限性，主要包括以下方面：

一是無人機(jī)的飛行對天氣條件有一定要求，天氣惡劣的情況下通常不能飛行，但自然災(zāi)害現(xiàn)場，天氣狀況普遍較差，因此給無人機(jī)的作業(yè)提出了較高要求。

二是構(gòu)建三維模型時，所需圖片影像較多，且對圖片質(zhì)量要求較高，圖片尺寸相對較大，處理速度相對較慢，對計算機(jī)硬件要求較高。

三是在無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影時，由于拍攝角度的局限性，生成的模型細(xì)部環(huán)境表達(dá)不夠準(zhǔn)確；例如在本次試驗中，生成的三維模型中就出現(xiàn)了鋼拱架錯位、肢解等問題，因此在對現(xiàn)場進(jìn)行決策分析時需結(jié)合現(xiàn)場圖片進(jìn)行。

同時，在獲取數(shù)據(jù)、生成三維模型中，還存在以下問題有待改進(jìn)：1）利用無人機(jī)采集數(shù)據(jù)的過程中，受天氣因素影響較大。2）生成災(zāi)害現(xiàn)場模型所需照片影像較多，用時較長。3）三維模型的局部細(xì)節(jié)存在錯位、肢解、空洞等現(xiàn)象，需結(jié)合現(xiàn)場照片進(jìn)行分析。

5 結(jié)語

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)能夠快速生成災(zāi)害現(xiàn)場三維模型，并提供準(zhǔn)確的空間屬性信息，以便對災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行綜合判斷，快速制定道路搶通方案，并對搶通道路實現(xiàn)全過程控制，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取、任務(wù)分析、任務(wù)處置的全方位指揮。