傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在積石山地震應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用

摘" 要：該文旨在探討傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在積石山地震應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用。積石山地震作為一個(gè)典型的自然災(zāi)害事件，對(duì)于快速、準(zhǔn)確的應(yīng)急測(cè)繪保障提出極高的要求。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以其獨(dú)特的高分辨率、高效率和大范圍覆蓋能力，為地震應(yīng)急測(cè)繪提供新的解決方案。該文詳細(xì)介紹傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在積石山地震中的應(yīng)用案例，分析在實(shí)際應(yīng)急測(cè)繪生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和流程，并展望該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和方向。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；積石山地震；應(yīng)急測(cè)繪保障；高分辨率；三維模型

中圖分類(lèi)號(hào)：U495" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）25-0185-04

Abstract： The purpose of this paper is to discuss the application of oblique photography in the emergency surveying and mapping of Jishishan earthquake. As a typical natural disaster event， Jishishan earthquake puts forward high requirements for rapid and accurate emergency surveying and mapping. Oblique photography provides a new solution for earthquake emergency mapping because of its unique high resolution， high efficiency and wide coverage. In this paper， the application case of oblique photography in Jishishan earthquake is introduced in detail， the key technical links and processes in the actual emergency surveying and mapping production are analyzed， and the future development trend and direction of this technology are prospected.

Keywords： oblique photography; Jishishan earthquake; emergency surveying and mapping support; high resolution; 3D model

積石山地震作為一次嚴(yán)重的自然災(zāi)害，給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大威脅。在地震應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程中，快速、準(zhǔn)確的測(cè)繪保障至關(guān)重要。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)受限于分辨率和覆蓋范圍，難以滿(mǎn)足地震應(yīng)急測(cè)繪的高效需求。近年來(lái)，隨著低空無(wú)人機(jī)及微型化傾斜航攝儀的研發(fā)和使用，以無(wú)人機(jī)、動(dòng)力三角翼、直升機(jī)等為航飛平臺(tái)，搭載輕量化、非量測(cè)型小相機(jī)開(kāi)展傾斜攝影技術(shù)逐步成熟，所應(yīng)用的后處理軟件也逐步增多。這種模式航飛靈活、成本低，可獲取超高分辨率影像，滿(mǎn)足后期高精度實(shí)景三維建模及1∶500、1∶1 000等大比例尺測(cè)圖。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展為地震災(zāi)后應(yīng)急測(cè)繪問(wèn)題提供了新的解決方案。本文將從傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的原理出發(fā)，結(jié)合積石山地震應(yīng)急測(cè)繪的實(shí)際情況，探討了該技術(shù)的應(yīng)用效果與前景。

1" 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是一種基于無(wú)人機(jī)或有人機(jī)搭載傾斜相機(jī)的攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)在空中多角度的對(duì)地表對(duì)象進(jìn)行拍攝獲取多視角影像數(shù)據(jù)[1]，并基于攝影測(cè)量影像匹配理論，得到大量的同名點(diǎn)，構(gòu)建相片之間的相對(duì)和絕對(duì)空間位置關(guān)系，最終得到地表地物的高分辨率實(shí)景三維模型。當(dāng)前常用的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，是集傾斜攝影測(cè)量與無(wú)人機(jī)遙感于一體的高新技術(shù)，是一種實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)景真三維攝影測(cè)量技術(shù)，具有真實(shí)性強(qiáng)、精度高、快速生產(chǎn)的特點(diǎn)，非常適合作為統(tǒng)一的空間載體，極大地彌補(bǔ)了基于正射影像分析應(yīng)用的不足。該技術(shù)具有高分辨率、高效率和大范圍覆蓋等優(yōu)勢(shì)，能夠快速獲取災(zāi)區(qū)的高精度地理信息，從而為地震應(yīng)急測(cè)繪提供有力支持。

2" 應(yīng)用案例

在積石山地震應(yīng)急測(cè)繪保障中，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)揮了重要作用。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行了拍攝，獲取了高精度、高分辨率的數(shù)碼影像，生產(chǎn)的三維模型為大比例尺地形圖生產(chǎn)、災(zāi)區(qū)評(píng)估、救援路線(xiàn)規(guī)劃、災(zāi)后重建等工作提供了有力支持。同時(shí)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)還快速更新了災(zāi)區(qū)地理信息，為應(yīng)急指揮決策提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。其總體技術(shù)流程如圖1所示。

2.1" 無(wú)人機(jī)類(lèi)型選擇

隨著無(wú)人機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣功能各異的無(wú)人機(jī)，針對(duì)不同的項(xiàng)目要求可擇優(yōu)采取最適用的機(jī)型。固定翼無(wú)人機(jī)航速相對(duì)較高，所采用傳感器鏡頭焦距較長(zhǎng)，無(wú)線(xiàn)通信距離較遠(yuǎn)，適合長(zhǎng)距離、高空大面積航攝，效率較高；多軸型無(wú)人機(jī)航速較低，鏡頭焦距相對(duì)較短，通信距離相對(duì)有限，可定點(diǎn)、定角度航拍或繞拍，適合低空拍攝，必要時(shí)可進(jìn)行貼近攝影，對(duì)復(fù)雜建筑物局部細(xì)節(jié)進(jìn)行超高分辨率拍攝，為后期處理提供更清晰的紋理和細(xì)節(jié)信息。

就本項(xiàng)目而言，主要對(duì)災(zāi)區(qū)房屋、道路、橋梁等相關(guān)設(shè)施進(jìn)行傾斜攝影，復(fù)雜地物相對(duì)較少，因此，采用了縱橫CW-15垂直起降型固定翼無(wú)人機(jī)完成了大部分區(qū)域的傾斜攝影，個(gè)別區(qū)域采用了大疆DJI-M300無(wú)人機(jī)進(jìn)行了補(bǔ)充拍攝。

2.2" 起降場(chǎng)地選擇

充分收集當(dāng)?shù)馗鞣N地圖及衛(wèi)星影像資料并進(jìn)行分析，對(duì)預(yù)航攝建筑物周邊區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘，了解測(cè)區(qū)典型的地形及地物特征，尤其關(guān)注測(cè)區(qū)周邊是否存在機(jī)場(chǎng)或航線(xiàn)，區(qū)域內(nèi)是否存在高大建筑物或架空高壓線(xiàn)及線(xiàn)塔等。根據(jù)無(wú)人機(jī)的起降方式，尋找并選取適合的起降場(chǎng)地，場(chǎng)地一般要求相對(duì)開(kāi)闊，附近沒(méi)有密集人口和各種信號(hào)干擾源等。

以本項(xiàng)目中的安集鎮(zhèn)測(cè)區(qū)為例，起降場(chǎng)地選擇在測(cè)區(qū)西部山梁空地處，可較好地避開(kāi)區(qū)域內(nèi)的電力線(xiàn)塔等高大構(gòu)筑物，且通視、通信良好。

2.3" 航線(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)

航線(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)主要包括航高確定、攝區(qū)范圍覆蓋及航線(xiàn)重疊度設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)飛行的相對(duì)高度和續(xù)航時(shí)間是飛機(jī)的重要安全考慮因素。設(shè)計(jì)飛行高度應(yīng)高于攝區(qū)和航路上最高點(diǎn)100 m以上；設(shè)計(jì)航線(xiàn)總航程應(yīng)小于無(wú)人機(jī)能到達(dá)的最遠(yuǎn)航程。無(wú)人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線(xiàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能[2]。設(shè)計(jì)攝區(qū)范圍覆蓋時(shí)，一般要求進(jìn)行必要的外擴(kuò)，以保證測(cè)區(qū)均在有效航攝范圍內(nèi)，避免測(cè)區(qū)邊緣出現(xiàn)漏攝。

航飛高度和外擴(kuò)距離按下面公式計(jì)算

航飛高度（m）=相機(jī)鏡頭焦距（mm）×地面分辨率（m）/像元尺寸大?。╩m）；

外擴(kuò)距離（m）=航飛高度（m）×tan（鏡頭傾斜角）+基準(zhǔn)面高（m）－低點(diǎn)高（m）+半個(gè)像幅的水平投影距離（m）。

設(shè)計(jì)重疊度時(shí)需要考慮所攝對(duì)象由于地物遮擋或拍攝角度等造成地物模型結(jié)構(gòu)的空洞等問(wèn)題。一定程度提高航攝影像的重疊度，如75%～85%的重疊度設(shè)置，一般能較好地確保模型效果。當(dāng)建筑物存在較復(fù)雜部分時(shí)可針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充航飛，通過(guò)增加影像拍攝的重疊度或更多角度、多航高飛行來(lái)獲取更多的原始影像的方法進(jìn)行解決，必要時(shí)利用大疆小型多軸型無(wú)人機(jī)進(jìn)行定點(diǎn)定向拍攝，獲取盡可能多的影像紋理數(shù)據(jù)，為后期建模處理提供數(shù)據(jù)源。

2.4" 像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

傾斜攝影是利用航攝像片與所攝目標(biāo)之間的空間幾何關(guān)系，根據(jù)少量像片平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)，計(jì)算待求點(diǎn)的平面位置、高程和相片外方位元素的測(cè)量方法[3]。像控點(diǎn)是航空攝影測(cè)量解析空三加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)，是為了保證空三的精度、確定地物目標(biāo)在空間中的絕對(duì)位置，其位置的選擇、平面位置和高程的測(cè)定直接影響到內(nèi)業(yè)成圖的精度[4]。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)攝影技術(shù)在影像重疊度上要求更高，傳統(tǒng)的航測(cè)規(guī)范關(guān)于像控點(diǎn)布設(shè)要求不適合應(yīng)用于高分辨率無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。無(wú)人機(jī)通常采用 GPS 定位模式，自身帶有POS數(shù)據(jù)，對(duì)確定影像間的相對(duì)位置作用明顯，可以提高空三計(jì)算的準(zhǔn)確度[5]。

為了保證像控點(diǎn)測(cè)量精度，使像控點(diǎn)點(diǎn)位在影像上成像盡可能清晰，保證內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)精度，在施測(cè)前需先在測(cè)區(qū)內(nèi)噴繪地標(biāo)，形狀如圖2所示，大小一般為50～80 cm，可通過(guò)試拍影像以確保能準(zhǔn)確識(shí)別，并做好點(diǎn)之記及點(diǎn)位分布略圖以方便內(nèi)業(yè)使用。像控點(diǎn)測(cè)量采用RTK圖根點(diǎn)測(cè)量方式，施測(cè)時(shí)須檢測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)所有已知點(diǎn)。對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)觀測(cè)歷元數(shù)不少于10次，初始化觀測(cè)不低于2次，多次觀測(cè)值差值要求符合規(guī)范并取平均值，否則進(jìn)行重測(cè)。

2.5" 空三計(jì)算及三維建模

在空三平差前，需完成影像數(shù)據(jù)的整理及預(yù)處理，對(duì)不同架次、不同航攝時(shí)間的影像色調(diào)、色彩、明暗度和對(duì)比度等進(jìn)行一致性處理，對(duì)有云霧、臟點(diǎn)、污點(diǎn)影像進(jìn)行挑選。

空三平差根據(jù)輸入的相片初始外方位元素，計(jì)算包括傾斜影像在內(nèi)的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到同名點(diǎn)匹配結(jié)果；同時(shí)，通過(guò)連接點(diǎn)和控制點(diǎn)坐標(biāo)并結(jié)合POS信息，實(shí)現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計(jì)算，通過(guò)多次反復(fù)聯(lián)合解算，最終得到符合精度要求的空三成果[6]。在平差迭代計(jì)算過(guò)程中，必要時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，檢查連接點(diǎn)分布情況和連接強(qiáng)度，利用軟件內(nèi)部提供的工具進(jìn)行人工連接點(diǎn)修改，確保誤差不超限。空三完成后，質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括： 檢查點(diǎn)、像控點(diǎn)、連接點(diǎn)誤差是否在限差以?xún)?nèi)；是否存在相片漏網(wǎng)情況；自動(dòng)匹配的連接點(diǎn)分布是否合理或錯(cuò)誤，密集點(diǎn)云是否存在空洞、分層或飛點(diǎn)等情況。

Smart3D 中構(gòu)建三維模型時(shí)，根據(jù)空三計(jì)算的相片外方位元素和具備定位信息的TIN模型進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，生成具備高精度定位的實(shí)景三維模型成果，并提供給后續(xù)工序使用。

2.6" 地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)

本項(xiàng)目中采用傾斜攝影裸眼3D與套合正射影像采集要素相結(jié)合的作業(yè)模式進(jìn)行內(nèi)業(yè)采集。采用南方idata平臺(tái)進(jìn)行裸眼3D立體測(cè)圖，采集依比例及用符號(hào)表示的地物時(shí)，應(yīng)以測(cè)標(biāo)中心切準(zhǔn)輪廓線(xiàn)或拐點(diǎn)連接，采集不依比例尺表示地物時(shí)，就以測(cè)標(biāo)中心切準(zhǔn)基點(diǎn)、 結(jié)點(diǎn)、 定位線(xiàn)，對(duì)模型不清楚，無(wú)法準(zhǔn)確定位時(shí)，務(wù)必在相應(yīng)位置做標(biāo)記，以便外業(yè)補(bǔ)測(cè)[7]。裸眼3D立體測(cè)圖如圖3所示。

本部分將結(jié)合積石山地震應(yīng)急測(cè)繪保障中的實(shí)際案例，詳細(xì)分析傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用效果。通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在應(yīng)急測(cè)繪中的表現(xiàn)，進(jìn)一步凸顯傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

3" 案例效果分析

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在積石山地震中的應(yīng)用取得了顯著成效，不僅大幅縮短了數(shù)據(jù)生產(chǎn)的時(shí)間，還提高了測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度和可靠性，為災(zāi)區(qū)評(píng)估、救援路線(xiàn)規(guī)劃和災(zāi)后重建等工作提供了有力支持。相比傳統(tǒng)的測(cè)量方式和數(shù)據(jù)獲取手段，基于傾斜實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)采集的高精度地形地物要素，不受時(shí)間和空間的約束，可大幅減少外業(yè)實(shí)地調(diào)查的工作量，提高生產(chǎn)作業(yè)效率，更大程度地保障人員安全，為應(yīng)急測(cè)繪保障提供數(shù)據(jù)資料。

4" 技術(shù)展望

傾斜攝影技術(shù)具備的高分辨率、高效率和大范圍覆蓋等優(yōu)勢(shì)，能夠快速獲取災(zāi)區(qū)的高精度地理信息，為應(yīng)急指揮決策提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，三維模型的直觀展示，使得救援指揮能夠更加精準(zhǔn)地部署救援資源，有效提升了救援效率。

采用該技術(shù)采集的二、三維一體的地理空間信息成果，成果形式多樣，可廣泛應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)調(diào)查、土地變更調(diào)查、行政執(zhí)法、征地拆遷、地質(zhì)災(zāi)害防治，以及公安、消防、醫(yī)院、疾控、城建、規(guī)劃和緊急救援等領(lǐng)域，社會(huì)效益明顯[8]。該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣，不僅僅使得空間信息從二維延伸到三維，更重要的是會(huì)給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)革新，所構(gòu)建的三維模型及三維空間信息服務(wù)平臺(tái)將成為行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)空間信息支撐，也必將催生行業(yè)應(yīng)用的極大變革。

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