基于無人機(jī)攝影測量的邊坡變形監(jiān)測研究

摘要：邊坡監(jiān)測是指導(dǎo)邊坡穩(wěn)定性分析的重要手段之一。針對傳統(tǒng)航線在邊坡采集中容易造成重疊度不一致、精度較低等弊端，研究適用于規(guī)則邊坡的精細(xì)模型航線，利用該航線可以使實(shí)驗(yàn)邊坡三維模型平均地面分辨率達(dá)到毫米級，能夠清晰分辨并量測邊坡上的縫隙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，邊坡模型上可以直觀發(fā)現(xiàn)毫米級縫隙，通過在模型上幾處縫隙的測量寬度與實(shí)際測量結(jié)果對比，小于等于1mm的長度誤差占83.3％，縫隙寬度測量平均誤差為0.95mm，測量結(jié)果精度較高。DEM疊加分析可以反應(yīng)坡面整體變化情況，是傳統(tǒng)監(jiān)測方法的有利補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)攝影測量邊坡變形監(jiān)測縫隙量測

ResearchonSlopeDeformationMonitoringBasedonUAVPhotogrammetry

JIANGJiping

DongguanFirstBranch，GuangzhouSiweiChengkeInformationEngineeringCo.，Ltd.，Guangzhou，GuangdongProvince，523040China

Abstract：Slopemonitoringisoneoftheimportantmeanstoguideslopestabilityanalysis.Inresponsetothedrawbacksoftraditionalroutesinslopecollectionsuchasinconsistentoverlapandlowaccuracy，afinemodelroutesuitableforregularslopesisstudied.Bythisroute，theaveragegroundresolutionofthe3Dmodeloftheexperimentalslopecanreachthemillimeterlevel，andgapsontheslopecanbeclearlydistinguishedandmeasured.Experimentalresultsshowthatmillimeter-levelgapscanbeintuitivelyobservedontheslopemodel，andthatbycomparingthemeasuringwidthofseveralgapsonthemodelwithactualmeasurementresults，thelengtherroroflessthanorequalto1mmaccountsfor83.3%，andtheaverageerrorofgapwidthmeasurementis0.95mm，indicatinghighmeasurementaccuracy.DEMoverlayanalysiscanreflecttheoverallchangesoftheslopesurface，whichisabeneficialsupplementtotraditionalmonitoringmethods.

KeyWords：UAVphotogrammetry;Slope;Deformationmonitoring;Gapmeasurement

邊坡指的是巖石或土壤等在自然因素或人為作用下形成的具有一定傾斜度的坡面。我國因邊坡變形坍塌造成的事故時(shí)有發(fā)生，對人民群眾的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全等存在巨大威脅[1]。從大量事故中發(fā)現(xiàn)，邊坡的坍塌變形與變形監(jiān)測的不重視、不及時(shí)、不準(zhǔn)確等有著必然關(guān)系，因此對自然邊坡或人工邊坡的變形監(jiān)測至關(guān)重要。邊坡的坍塌并不是毫無征兆，在坍塌之前必定存在一個形變的過程。所以在發(fā)生事故前及時(shí)采取觀測措施，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以避免事故的發(fā)生或者將損失降到最低。目前主要的變形監(jiān)測內(nèi)容包括：沉降變形監(jiān)測、傾斜監(jiān)測、裂縫監(jiān)測、撓度監(jiān)測等。采用的監(jiān)測方法主要可以分為點(diǎn)式監(jiān)測、線式監(jiān)測、面式監(jiān)測三種。

點(diǎn)式監(jiān)測主要利用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀、全站儀和GNSS（全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)）技術(shù)等，傳統(tǒng)儀器操作簡單成本低且精度高，但外業(yè)效率低、采集量大且一些邊坡存在危險(xiǎn)。GNSS技術(shù)可以全天持續(xù)觀測且為自動采集降低用人成本，但設(shè)備成本較高且受到布設(shè)條件限制。線式監(jiān)測主要是利用分布式線狀光纖傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測且精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，但成本高維護(hù)困難[2]。面式主要有近景攝影測量、三維激光掃描、CCD（電荷耦合器件）技術(shù)以及InSAR（合成孔徑雷達(dá)）技術(shù)，近景攝影測量技術(shù)外業(yè)效率高且成本較低但是數(shù)據(jù)采集容易受到地形影響，三維激光掃描儀精度高速度快但是價(jià)格昂貴，CCD技術(shù)精度高成本低但需要較高的操作水平，InSAR技術(shù)精度高且不受天氣情況約束但是成本高、技術(shù)復(fù)雜[3]。

傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測方法與新型監(jiān)測方法均存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)。本文通過探討提高航測精度的因素，研究無人機(jī)攝影測量技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測中的可行性。

1研究區(qū)域

實(shí)驗(yàn)所在地位于廣東某濱海大道旁的邊坡，該區(qū)域緊鄰海邊，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。本次實(shí)驗(yàn)采集的邊坡范圍長約50m，寬約10m。邊坡位置及現(xiàn)場如圖1所示。

首次拍攝前在邊坡上均勻的布設(shè)29個固定標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)大小為邊長20cm的正方形。該邊坡于2010年底建設(shè)完畢，如今已度過沉降變形期，考慮到此邊坡的穩(wěn)固性，在邊坡上設(shè)置可以移動的標(biāo)志點(diǎn)以達(dá)到變形的目的，如圖2所示。

無人機(jī)采集邊坡數(shù)據(jù)時(shí)，單次外業(yè)飛行共2個架次，獲得影像450張。此次邊坡實(shí)驗(yàn)共飛行16個架次，采集影像3587張。

2航線設(shè)計(jì)

該航線設(shè)計(jì)的主要目的是生成邊坡的精細(xì)模型，將模型精度與模型分辨率提高到毫米級。針對此種較規(guī)則邊坡的航線設(shè)計(jì)無須引入其他復(fù)雜算法如蟻群算法等，只需根據(jù)坡面計(jì)算出無人機(jī)的位置，設(shè)置好每個航點(diǎn)的拍照動作與俯仰角，飛機(jī)開始執(zhí)行任務(wù)后從第一個航點(diǎn)開始拍照。其工作模式類似于使用GNSS移動站進(jìn)行點(diǎn)放樣，提前導(dǎo)入已經(jīng)計(jì)算好的坐標(biāo)，尋找目標(biāo)位置后執(zhí)行動作即可[4]。航線計(jì)算中主要有以下幾個關(guān)鍵部分：（1）根據(jù)輸入的測區(qū)邊界坐標(biāo)，將斜面投影成平面；（2）根據(jù)設(shè)置的預(yù)期模型分辨率計(jì)算出飛機(jī)與待測面的距離，根據(jù)重疊度計(jì)算航點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行邊界判斷，如果計(jì)算的航點(diǎn)未包含測區(qū)邊界，則測區(qū)邊緣重疊不夠需要外擴(kuò)航線；（3）航線內(nèi)的航點(diǎn)坐標(biāo)為地理坐標(biāo)，所以最后將計(jì)算好的平面坐標(biāo)進(jìn)行高斯反算成地理坐標(biāo)。高斯投影屬于正形投影，對于在中央子午線周圍小距離的坐標(biāo)，經(jīng)過投影后基本保持不變，針對此次實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模型分辨率為1mm，航線采用的重疊度為航向重疊80%，旁向重疊為75%，每相鄰航線之間的間距約為1.6m，實(shí)驗(yàn)共生成450個航點(diǎn)，航線軌跡如圖3所示。

3模型生成與點(diǎn)云處理

利用大疆智圖生成模型和點(diǎn)云。通過模型的質(zhì)量報(bào)告可知，利用精細(xì)邊坡航線生成的模型平均地面分辨率為1.23mm/pixel，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分辨率為1mm/pixel，考慮到海邊風(fēng)速較大可能影響無人機(jī)的姿態(tài)位置等，模型分辨率符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期[5]。生成的密集彩色點(diǎn)云正視圖和模型相似，此處放點(diǎn)云側(cè)視圖，如圖4所示。

受限于鏡頭畸變、影像質(zhì)量及匹配誤差的影響，無人機(jī)影像匹配得到的點(diǎn)云粗差噪聲較多，其中包括了一些極低或極高粗差點(diǎn)，在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前首先對點(diǎn)云去噪處理。對去噪后的點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理，點(diǎn)云濾波是將地面點(diǎn)和地物點(diǎn)進(jìn)行分類，只剩下地面點(diǎn)的過程。濾波后的點(diǎn)云進(jìn)行補(bǔ)洞，生成的DEM以高度顯示如圖5所示。

4邊坡變形數(shù)據(jù)觀測精度分析

影像處理結(jié)束后進(jìn)行變形分析，主要通過：（1）坐標(biāo)對比，以第一次拍攝的模型為基礎(chǔ)提取固定標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)并假定為真值，從后七次模型上提取相應(yīng)的坐標(biāo)與之對比；（2）人為改變可移動標(biāo)志角點(diǎn)位置，通過模型提取變化后坐標(biāo)計(jì)算的距離與改變實(shí)際距離作對比；（3）通過點(diǎn)云濾波生成DEM，對各期DEM進(jìn)行疊加分析；（4）通過模型可以清楚發(fā)現(xiàn)邊坡的一些縫隙，對模型縫隙量測與外業(yè)量測寬度進(jìn)行對比[6]。

4.1固定和移動標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)對比

第一次的模型共提取坐標(biāo)29個，并以此為基礎(chǔ)假定是真值。在第一次模型上采集的坐標(biāo)選擇合理分布的7個點(diǎn)作為后面幾次影像數(shù)據(jù)空三時(shí)的控制點(diǎn)，另22個作為檢查點(diǎn)進(jìn)行對比。利用第一次模型上采集的坐標(biāo)為控制點(diǎn)，避免了利用全站儀或RTK引入的像控點(diǎn)精度誤差。變形監(jiān)測重點(diǎn)為相對精度，故不采用其他定位儀器采集坐標(biāo)。

中誤差是衡量觀測精度的一種標(biāo)準(zhǔn)，也叫做均方根誤差。計(jì)算出不同檢查點(diǎn)多次測量的X方向、Y方向、Z方向與點(diǎn)位中誤差，中誤差如表1所示。

由表1可知，檢查點(diǎn)平均中誤差，mx=9.0mm，my=6.1mm，mz=17.3mm，平均點(diǎn)位中誤差mxy=10.8mm。其中在X方向上中誤差最小的為2.6mm，最大的為18.8mm；在Y方向上中誤差最小的為2.0mm，最大的為11.9mm；Z方向上中誤差最小的為3.9mm，最大的為35.7mm。由邊坡監(jiān)測精度等級，四等邊坡監(jiān)測點(diǎn)位中誤差小于12mm，高程中誤差小于2mm，此次實(shí)驗(yàn)平面中誤差符合四等邊坡監(jiān)測精度要求。

通過計(jì)算第6期模型平均移動距離誤差為8.2mm，第7期計(jì)算的平均移動距離誤差為6.4mm，第8期計(jì)算的平均移動距離誤差為5.9mm，3次計(jì)算的平均距離誤差為6.8mm。

4.2邊坡DEM疊加分析

將濾波后的點(diǎn)云進(jìn)行插值補(bǔ)洞生成DEM，每次以第一期DEM做參考，下一期DEM作為比較對照，通過DEM疊加分析使兩期DEM法線相匹配，得到每兩期邊坡整體DEM差值直方圖。

對不同期DEM進(jìn)行疊加差值分析，可以比較全面的反應(yīng)出坡面變化情況，結(jié)果與坐標(biāo)對比結(jié)果一致，計(jì)算出不同期變化范圍主要集中在0～15mm之間，結(jié)果具有一定可靠性。

4.3邊坡縫隙量測寬度對比

邊坡模型上可以直觀發(fā)現(xiàn)毫米級縫隙，通過在模型上幾處縫隙的測量寬度與實(shí)際測量結(jié)果對比，小于等于1mm的長度誤差占83.3％，縫隙寬度測量平均誤差為0.95mm，測量結(jié)果精度較高。

5結(jié)語

本文通過不同模型上固定標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)比較、縫隙量測寬度比較、改變可移動標(biāo)志點(diǎn)模擬變形情況、對不同期邊坡DEM疊加差值四方面進(jìn)行分析。提取多期模型的固定標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算中誤差，點(diǎn)位中誤差為10.8mm，高程中誤差為17.3mm；縫隙量測寬度進(jìn)行計(jì)算，平均誤差為0.95mm；對可移動標(biāo)志點(diǎn)改變距離進(jìn)行計(jì)算，平均誤差為6.8mm；對不同期DEM進(jìn)行疊加差值，計(jì)算出不同期DEM變化范圍主要集中在0～15mm之間。邊坡模型上可以直觀發(fā)現(xiàn)毫米級縫隙，通過在模型上幾處縫隙的測量寬度與實(shí)際測量結(jié)果對比，小于等于1mm的長度誤差占83.3％，縫隙寬度測量平均誤差為0.95mm，測量結(jié)果精度較高。

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