陳楚，姜興鈺，張學(xué)民，王琳，吳正鵬

(1.天津市測繪院，天津 300381;2.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

1 引 言

滑坡是我國常見的地質(zhì)災(zāi)害，滑坡引起的山體垮塌以及暴雨后形成的泥石流常給國家建設(shè)和人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失［1］。目前對滑坡監(jiān)測的方法［2］主要包括自動伸縮計地表位移測量法、全站儀測量方法、GPS 變形監(jiān)測法等。以上方法存在問題如下:只能進(jìn)行單個點的孤立監(jiān)測，不能進(jìn)行面域測量從而獲得更為豐富的觀測信息;某些區(qū)域可能存在著潛在的危險而無法直接使用傳統(tǒng)的觀測手段進(jìn)行測量。

近景攝影測量是一種非接觸量測方式，具有可以實時獲取地表信息、以數(shù)字方式存儲和實時觀測等優(yōu)點，其在滑坡變形、結(jié)構(gòu)變形領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3］。Thomas Kersten［4］等人將數(shù)字近景攝影測量技術(shù)用于大壩的變形監(jiān)測，在X、Y、Z 三個方向上的中誤差分別為10.8 mm、6.7 mm、6.9 mm。Jim［5］等人為了研究河床的泥沙分布狀況，利用數(shù)字近景攝影測量技術(shù)進(jìn)行河床的三維重建和DEM 的提取工作，利用非量測數(shù)字相機在攝影距離約為2 m左右的情況下，攝影測量三維重建的精度在X、Y、Z 三個方向上分別達(dá)到了3.1 mm、4.9 mm、2.5 mm的精度，DEM 的垂直精度為12.6 mm。

本文將近景攝影測量技術(shù)應(yīng)用到滑坡變形監(jiān)測中，模擬并制定了一套完整的監(jiān)測方案，包括非量測相機標(biāo)定、控制點及檢查點的布設(shè)與量測、影像的拍攝、采用成熟的攝影測量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最紅通過對控制點和檢查點的精度進(jìn)行分析，認(rèn)為將近景攝影測量技術(shù)應(yīng)用到滑坡變形監(jiān)測是可行的。

2 近景攝影測量滑坡監(jiān)測系統(tǒng)實施方案

本文結(jié)合近景攝影測量技術(shù)，利用非量測相機，采用旋轉(zhuǎn)多基線攝影的方式對被監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行攝影，用成熟的近景攝影測量軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，其監(jiān)測技術(shù)方案流程如圖1 所示。

圖1 近景攝影測量監(jiān)測技術(shù)流程

為更好分析近景攝影測量技術(shù)的監(jiān)測精度，對被監(jiān)測的滑坡區(qū)域分別進(jìn)行了一期拍攝和二期拍攝。在這兩期拍攝過程中，使用相同位置的控制點，并布設(shè)一定數(shù)量的檢查點，其中有3 個檢查點在第二次拍攝過程中進(jìn)行人為挪動以模擬滑坡變形。此外，拍攝區(qū)域放置事先已精確量測長度的長方體物體(圖2 所示)，其長度分別為1 m和1.1 m，物體同一側(cè)兩端可作為檢查點使用。用全站儀量測控制點和檢查點坐標(biāo)，同用近景攝影測量方式得到的空三加密成果對比并加以分析。

圖2 長度為1 m 和1.1 m 的物體

3 方案實施過程

3.1 試驗區(qū)域概況

試驗區(qū)域位于天津市薊縣北部山區(qū)西礦滑坡區(qū)，地勢較為陡峭，山體高度約為100 m，圖3 所示為滑坡區(qū)域航拍圖，其紅色區(qū)域為本試驗被監(jiān)測區(qū)域，面積約50 m×30 m，攝站位置位于被測區(qū)域?qū)γ娴囊粋€山頂上，如圖3 所示黃色區(qū)域，攝影方向平均距離約50 m。

圖3 試驗區(qū)域的航拍影像圖

3.2 相機標(biāo)定

近景攝影測量可采用量測相機和非量測相機。為節(jié)約成本，本試驗用的相機為Nikon D800 非量測相機，3 630萬像素，像元大小0.004 9 mm。由于非量測數(shù)碼相機鏡頭畸變大，像主點不在CCD 幾何中心上，存在CCD 面陣內(nèi)畸變［6］等，在使用之前對D800 相機采用武漢大學(xué)開發(fā)的相機標(biāo)定軟件，按照文獻(xiàn)［7］所講述原理進(jìn)行了室內(nèi)檢定，檢定后的焦距為25.830 7 mm。

3.3 控制點及檢查點標(biāo)志的選取、布設(shè)及量測

(1)控制點及檢查點標(biāo)志的選取

經(jīng)現(xiàn)場實地踏勘，攝站點距離被拍攝區(qū)域平均約50 m。為保證控制點、檢查點標(biāo)志的成像清晰，一般要求成像后標(biāo)志大小不少于20 個像素，本試驗中選取的標(biāo)志大小為40 cm，成像后約為40 個像素，圖4 所示為標(biāo)志形狀及其成像結(jié)果。

圖4 檢查點標(biāo)志形狀及成像結(jié)果

(2)控制點及檢查點的布設(shè)

根據(jù)均勻布設(shè)原則，控制點及檢查點的現(xiàn)場布設(shè)如圖5 所示，其中9 個平高控制點(如圖6 紅色位置所示)，11 個檢查點(如圖6 綠色位置所示)。11 個檢查點中，BCH1、BCH2 為1 m長物體的兩個端點，BCB1、BCB2 為1.1 m長物體的兩個端點，LJ1、LJ2 為兩個棱鏡。LJ1、LJ2、B14 在第二次拍攝中將其進(jìn)行人為小距離挪動，其編號分別為LJ3、LJ4，B14－1。

圖5 控制點及檢查點的現(xiàn)場布設(shè)圖

圖6 控制點及檢查點布設(shè)圖

(3)控制點及檢查點的量測

使用0.5″全站儀，相對坐標(biāo)系方式量測控制點及檢查點的坐標(biāo)。在不變形的山體上布設(shè)兩個基準(zhǔn)點，因為這次試驗是要觀測相對變形，所以這兩個基準(zhǔn)點的坐標(biāo)是假設(shè)的坐標(biāo)。在攝站點附近(即圖3 黃色區(qū)域)又設(shè)立了一個觀測點，在這個位置上可以觀測到試驗場內(nèi)的所有點，這樣通過一站觀測將可以獲得場地內(nèi)所有控制點和檢查點的坐標(biāo)。

3.4 影像拍攝

影像數(shù)據(jù)采集包括兩種不同的攝影方式，分別是平行攝影和旋轉(zhuǎn)攝影。平行攝影主要針對距離較近、表面較平坦、無遮擋的攝影對象，如古建筑、古遺址等。旋轉(zhuǎn)攝影主要針對距離較遠(yuǎn)、起伏較大、有部分遮擋、遠(yuǎn)景近景變化較大的攝影對象，如地形測量、選址測量［8，9］等，其攝影方式如圖7 所示。為保證相鄰影像同名點匹配，一般要求同一條帶內(nèi)的相鄰影像具有90%以上的重疊，相鄰條帶具有60%以上的重疊。本次試驗采用旋轉(zhuǎn)多基線攝影方式，將物方劃分為相互重疊的6 部分，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選擇了7 個具備一定交會角的攝站，然后在每個攝站分別對準(zhǔn)物方6 部分拍攝6幅影像，總共42 幅影像。

圖7 旋轉(zhuǎn)多基線攝影方式

3.5 影像數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用武漢大學(xué)開發(fā)的近景/低空攝影測量軟件DPMatrix3D，把影像數(shù)據(jù)、相機檢校參數(shù)和控制點數(shù)據(jù)輸入到該軟件，得到每張像片的外方位元素，完成絕對定向。

4 精度分析

精度分析包括第一期拍攝的控制點誤差統(tǒng)計分析、檢查點誤差統(tǒng)計分析、1 m長和1.1 m長物體長度與空三加密成果的對比分析、兩期拍攝過程中3 個檢查點用全站儀量測的移動距離和空三加密量測的移動距離對比分析。

(1)控制點誤差統(tǒng)計

控制點(總共9 個)的誤差統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出，在平面方向(x，y)其殘差中誤差可以達(dá)到毫米級，在深度方向(即攝影方向，z 方向)B1、B3、B4、B5 殘差較大，達(dá)到厘米級，深度方向中誤差為1.73 cm。如圖3 所示，由于被測區(qū)域位于山區(qū)，拍攝相對較為困難，所有攝站安置在被測區(qū)域的左半部分，造成右側(cè)邊緣區(qū)域交會角相對較小，影響了其深度方向的精度［10］。因此，位于被測區(qū)域右側(cè)邊緣的B1、B3、B4、B5 深度方向殘差較大。

控制點誤差統(tǒng)計 表1

(2)檢查點(總共11 個)誤差統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。從表2 中誤差統(tǒng)計結(jié)果看，平面方向(x，y)和深度方向(z)中誤差均能達(dá)到毫米級。

檢查點誤差統(tǒng)計 表2

(3)1 m 長和1.1 m 長物體長度與空三加密成果的對比結(jié)果分別如表3 和表4 所示。通過空三加密成果量測1 m和1.1 m長的物體，其誤差分別為8.6 mm和7.4 mm，精度在1 cm之內(nèi)。

1 m 長物體長度與空三加密成果對比 表3

1．1 m 長物體長度與空三加密成果對比 表4

(4)兩期拍攝過程中3 個檢查點用全站儀量測的移動距離和空三加密量測的移動距離對比分析如表5所示。以全站儀測量結(jié)果為真值，空三加密量測的B14 移動距離誤差為8.6 mm，LJ1 移動距離誤差為0.7 mm，LJ2 移動距離誤差為11.2 mm，精度在1 cm左右。

移動距離的對比分析 表5

從表1～表5 可以看出，通過近景攝影測量監(jiān)測滑坡變形監(jiān)測精度能夠達(dá)到厘米級，滿足《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測規(guī)范》(DZ/T 0221－2006)的相關(guān)要求，因此認(rèn)為將近景攝影測量技術(shù)應(yīng)用到滑坡變形監(jiān)測是可行的。

5 結(jié)論與展望

本文模擬并制定了一套完整的監(jiān)測方案，通過控制點、檢查點等精度分析，在攝影距離約50 m的情況下，得到近景攝影測量監(jiān)測滑坡變形的監(jiān)測精度能夠達(dá)到厘米級精度要求結(jié)論，認(rèn)為將近景攝影測量技術(shù)應(yīng)用到滑坡變形監(jiān)測是可行的。由于試驗區(qū)域地勢復(fù)雜，不容易選取到理想的攝站位置，因此像片交會角相對較小。在下一步工作中，可借助外部條件選取理想的攝站位置，具備足夠交會角，以進(jìn)一步提高監(jiān)測精度。

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