楊 娟

(重慶第二師范學(xué)院，重慶 400065)

無人機(jī)傾斜攝影在地質(zhì)災(zāi)害三維可視化中的應(yīng)用

楊 娟

(重慶第二師范學(xué)院，重慶 400065)

無人機(jī)傾斜攝影測量是攝影測量學(xué)科中的新興技術(shù)，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際工作，對無人機(jī)傾斜攝影測量在地質(zhì)災(zāi)害三維可視化模型構(gòu)建中的應(yīng)用進(jìn)行可行性研究，為快速實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害三維可視化分析、安全性評估以及災(zāi)害發(fā)展與影響模擬，建立地質(zhì)災(zāi)害模擬預(yù)警系統(tǒng)等防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)和決策支持。

無人機(jī)傾斜攝影；地質(zhì)災(zāi)害；三維可視化

0 前 言

隨著人類活動(dòng)工程的加劇，地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境問題日漸嚴(yán)重，全面快速地獲取地質(zhì)災(zāi)害信息，建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)測體系，是維護(hù)人類生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迫切需要。目前國內(nèi)的災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警還停留在比較初級的階段，大多依靠經(jīng)驗(yàn)，災(zāi)害監(jiān)測圖也都是數(shù)字、曲線，很少有實(shí)景演示，實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及人工智能等技術(shù)發(fā)展，三維可視化技術(shù)已逐步應(yīng)用到基建、環(huán)境、資源調(diào)查等領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量研究[1-2]。無人機(jī)傾斜攝影測量是攝影測量學(xué)科中的新興技術(shù)，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn),通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，傾斜模型具有直實(shí)的紋理，建立的三維模型更直實(shí)，而且速度快，成本低[3-4],目前無人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)在城市三維建模、環(huán)境資源調(diào)查和地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)用逐步深入，并積累了一定經(jīng)驗(yàn)[5-10]。本文結(jié)合實(shí)際工作，對無人機(jī)傾斜攝影測量在地質(zhì)災(zāi)害三維可視化模型構(gòu)建中的應(yīng)用進(jìn)行可行性研究，為建立地質(zhì)災(zāi)害模擬預(yù)警系統(tǒng)等防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)和決策支持。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件包括八軸碳纖折疊式旋翼機(jī)，DJI WooKong-M飛行控制器，DJI 900 Mhz電臺，IOSD MARK II，LIPO電池(6 S，30 000 mAh)，地面監(jiān)控系統(tǒng)為DJI Groud Station 4.0和Futaba 14SG，硬件系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：飛行器軸距1 045 mm，電機(jī)4 114 kV400，漿葉45.72 cm，起飛重量9.62 kg，垂直速度2 m/s，水平速度12 m/s，飛行高度150～500 m，安全航時(shí)25 min。

經(jīng)實(shí)際航攝工作驗(yàn)證該無人機(jī)系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：a成本低，結(jié)構(gòu)簡潔，模塊化強(qiáng)，便于維護(hù)；b機(jī)體輕便，可折疊，便于運(yùn)輸攜帶，比較適合小面積地質(zhì)災(zāi)害山高坡陡的地形條件；c旋翼機(jī)飛行穩(wěn)定，機(jī)體震動(dòng)小，飛行俯仰角和滾轉(zhuǎn)角小，相機(jī)外方位元素較穩(wěn)定；d旋翼機(jī)抗風(fēng)性較優(yōu)，有效避免山谷紊流影響，飛機(jī)容錯(cuò)力強(qiáng)，安全性高。不過由于電池、材料、電機(jī)等性能限制，該無人機(jī)系統(tǒng)還存在動(dòng)力有限，速度慢，續(xù)航短，單架次有效航攝區(qū)域小的缺點(diǎn)，不過普通地災(zāi)體量較小，可避免以上缺陷。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及檢校

受成本和重量限制，無人機(jī)搭載多傾斜攝影使用非量測型數(shù)碼相機(jī)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其內(nèi)方位元素未知，物鏡畸變較大。在獲取航攝影像之前，需對非量測的數(shù)據(jù)碼相機(jī)進(jìn)行檢校，獲取相機(jī)內(nèi)方位元素，以提高傾斜攝影軟件處理速度和成果精度。目前，采用布郎畸變模型和純平LCD相機(jī)檢校法，可快速取得穩(wěn)定的檢校參數(shù)。數(shù)碼相機(jī)布朗畸變模型如下：

x=X/Z

y=Y/Z

x′=x(1+K1r2+K2r4+K3r6)+P1(r2+2x2)+

2P2xy

y′=y(1+K1r2+K2r4+K3r6)+P2(r2+2y2)+

2P1xy

u=cx+x′fx+y′skew

v=cy+y′fy

其中：r=sqrt(x2+y2)，X、Y、Z是相機(jī)坐標(biāo)，u、v是檢校轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)，f焦距，cx、cy是像主點(diǎn)坐標(biāo)，K1、K2、K3徑向畸變系數(shù)，P1、P2是切向畸變系數(shù)，skew是x和y夾角系數(shù)。LCD檢校法是大屏以幕純平的棋盤矩陣作為檢校目標(biāo)，通過相機(jī)多角度拍攝獲取足夠數(shù)量和的照片，利用軟件自動(dòng)相機(jī)檢校參數(shù)。檢校時(shí)需注意在拍攝時(shí)應(yīng)保持相機(jī)焦距與作業(yè)時(shí)保持一致并恒定不變，檢校矩陣應(yīng)覆蓋整張照片，并保證相片避免顯示器輝光及其他光源影響，防止爆光過度，使照片具有最佳的清晰度，為使檢校矩陣邊界更加明晰，可對拍攝的照片進(jìn)行必要的對比度和銳度進(jìn)行調(diào)整，便于軟件計(jì)算并取得更準(zhǔn)確的檢查成果[11]。照片拍攝效果如圖1。

圖1 檢校矩陣和相機(jī)拍攝效果

本次使用北京觀著五拼傾斜攝影相機(jī)，圖像分辨率7 140×5 360，像元尺寸0.001 4，側(cè)視鏡頭傾角40(°)。通過足夠數(shù)量和精度的照片，利用agisoft lens軟件多次檢校比較，直到獲得穩(wěn)定的參數(shù)作為相機(jī)內(nèi)方位元素，經(jīng)計(jì)算傾斜攝影測量數(shù)碼相機(jī)相關(guān)參數(shù)如下：f=7.929 3，cx=3 565.549，cy=2 802.299，K1=0.246 3，K2=-0.663 2，K3=0.533 4，P1=0.314E-6，P2=-0.141E-6。

1.3 軟件處理系統(tǒng)

Smart 3D capture是一套基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速三維場景運(yùn)算軟件，他能無需人工干預(yù)地從簡單連續(xù)影像中生成實(shí)景真三維場景模型[11]。通過攝影測量原理，可以將多種源數(shù)據(jù)、分辨率、任務(wù)數(shù)據(jù)量的照片轉(zhuǎn)化為高分辨率的、帶有圖像紋理的三維網(wǎng)絡(luò)模型。具體通過對獲得的傾斜影像進(jìn)行同名點(diǎn)選取、多視匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、自動(dòng)賦予紋理等步驟，最終得到三維模型。

2 數(shù)據(jù)采集、處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

本次開展傾斜攝影地災(zāi)體位于三峽庫區(qū)萬州區(qū)，航攝區(qū)域內(nèi)最高海拔460 m，最低海拔約250 m，相對高差210 m，航攝范圍約400 m×600 m，拍攝天氣多云，拍攝時(shí)間上午11∶00～11∶30。航線按矩形等高設(shè)計(jì)，航高與地形最高點(diǎn)相對海拔200 m，按相機(jī)內(nèi)方位元素計(jì)算，地面分辨率35～72 mm。由于高差大，地形坡度陡，為盡量獲取地表信息，采用66%旁向重疊和80%航向重疊拍攝。由航線設(shè)計(jì)軟件生成飛行計(jì)劃文件，該文件包含飛機(jī)的航線坐標(biāo)及各個(gè)相機(jī)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)位置，各個(gè)相機(jī)根據(jù)對應(yīng)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)進(jìn)行曝光拍攝。

2.2 數(shù)據(jù)處理

航攝完成后在現(xiàn)場應(yīng)將航攝獲取的傾斜攝影原始照片數(shù)據(jù)按不同方位的相機(jī)分別整理，檢查照片質(zhì)量、數(shù)量，如出現(xiàn)漏拍應(yīng)及時(shí)補(bǔ)拍。通過IOSD數(shù)據(jù)下載和讀取，獲取各拍攝時(shí)點(diǎn)無人機(jī)姿態(tài)參數(shù)，包括飛行坐標(biāo)X、Y、Z、omega、phi、kappa，通過傾斜攝影相機(jī)與IOSD固件參考關(guān)系，可計(jì)算得到各照片拍攝時(shí)點(diǎn)初始姿態(tài)信息。

按Smart 3D capture軟件格式要求將數(shù)據(jù)整理好后，首先創(chuàng)建一個(gè)工程，將存放在不同目錄中各方位相機(jī)照片導(dǎo)入工程，在導(dǎo)入的照片組中，需要輸入拍此相片相機(jī)的內(nèi)文位元素，包括傳感器尺寸、鏡頭焦距、像主點(diǎn)、畸變參數(shù)等，所有照片組信息應(yīng)按規(guī)定格工填寫在BLOCKSEXCHANGE.XML文件中。

設(shè)置好導(dǎo)入信息后，默認(rèn)情況下系統(tǒng)重建使用ENU坐標(biāo)系統(tǒng)，即在模型中心設(shè)置原點(diǎn)，重建坐標(biāo)系統(tǒng)用來設(shè)定模型區(qū)域和切瓦片依據(jù)，而生產(chǎn)項(xiàng)目最終輸出的三維模型坐標(biāo)系由另外的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行定義。要獲得模型地理空間定位信息可以有兩種方式：a使用照片位置屬性，各照片所帶方位屬性決定；b參照控制點(diǎn)精確配準(zhǔn)，由于無人機(jī)攜帶POS精度不高，初始空中姿態(tài)并不十分準(zhǔn)確，因此要獲得高精度的傾斜三維模型。建議引入實(shí)測控制點(diǎn)，人機(jī)交互輸入后再進(jìn)行空三加密。

軟件在執(zhí)行空三過程中，可以有不借助輸入初值計(jì)算、利用初值計(jì)算、容差范圍內(nèi)調(diào)整初值計(jì)算和保持使用初始值但不參與計(jì)算幾種模式，一般來講針對位置和姿態(tài)在公差范圍內(nèi)保持和調(diào)整針對無人機(jī)數(shù)據(jù)精度提高具有重大的作用，但運(yùn)算較為復(fù)雜，耗時(shí)也較長。當(dāng)輸入照片重疊度不足，或信息不準(zhǔn)確時(shí)，照片會(huì)發(fā)生丟失的情況，可以在修改相關(guān)屬性后，重新提交空三計(jì)算，或?qū)?dāng)前空三成果作為中間成果，在此基礎(chǔ)上計(jì)算新的空三運(yùn)算，在必要的情況下，需要人工增加新的地面控制點(diǎn)作為空間參考進(jìn)行空三運(yùn)算。

當(dāng)空三執(zhí)行完畢，經(jīng)檢查質(zhì)量符合要求后，可將成果導(dǎo)出來XML或KML文件，或?qū)隤HOTOMESH軟件中進(jìn)行三維重建。具體流程如圖2。

利用Smart 3D capture空三運(yùn)算成果，可輸出DSM、真正射影像、密集點(diǎn)云、三角網(wǎng)、真實(shí)紋理的三維數(shù)據(jù)成果。

2.3 精度分析

由于地形限制，暫無條件在危巖體上布設(shè)控制點(diǎn)并開展精度檢驗(yàn)測量，因此選擇了一片地勢相對平緩的新開發(fā)地塊開展無人機(jī)傾斜攝影建模精度分析。航攝區(qū)域約500 m×600 m，根據(jù)地形條件布設(shè)20個(gè)控制點(diǎn)并采用RTK測量獲得三維坐標(biāo)，其中選取8個(gè)作為建模精確控制點(diǎn)，其余12個(gè)作為驗(yàn)證點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，控制點(diǎn)與模型量測點(diǎn)坐標(biāo)誤差如表1。

圖2 建模流程

表1 控制點(diǎn)與模型量測點(diǎn)坐標(biāo)誤差

從表1可以得到，無人機(jī)傾斜攝影開展三維建模成果能夠滿足1∶500～1∶1 000比例尺測繪精度要求，可為地質(zhì)災(zāi)害可視化監(jiān)測和測量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

利用傾斜攝影技術(shù)生成高分辨率紋理的三維模型，在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體真實(shí)場景再現(xiàn)，可為地質(zhì)災(zāi)害的管理工作帶來革命性的改進(jìn)。

1) 建立地質(zhì)災(zāi)害三維模型，使得地災(zāi)信息表達(dá)、傳遞、溝通更加真實(shí)直觀，降低了專業(yè)門檻，有利于領(lǐng)導(dǎo)和各行業(yè)專家發(fā)揮多方智慧共同會(huì)商決策。

2) 通過與GIS軟件相結(jié)合，將原來以點(diǎn)、線、表格存儲(chǔ)的地質(zhì)災(zāi)害信息，可以用三維模型為基礎(chǔ)建立地質(zhì)災(zāi)害三維空間數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)鉆孔、防護(hù)整治設(shè)施、治理工程三維建模，并根據(jù)鉆孔巖芯、部面地屋和地質(zhì)測量資料，模擬生成三維數(shù)字地質(zhì)災(zāi)害體構(gòu)造地層格架，對地災(zāi)體內(nèi)部進(jìn)行全方位分析。

3) 在構(gòu)建三維數(shù)字地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害體感興趣區(qū)域的信息查詢，任意切割制作地質(zhì)剖面圖、平面圖等，并對地質(zhì)災(zāi)害體局部或全面的面積和體積(容量)計(jì)算，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、演變提供決策和技術(shù)依據(jù)。

4) 通過三維模型中各部位分析與巖體力學(xué)結(jié)構(gòu)、抗滑系數(shù)、動(dòng)力學(xué)模型等相結(jié)合進(jìn)行可視化表達(dá)和計(jì)算解析，建立地災(zāi)仿真預(yù)警系統(tǒng)，對各類地質(zhì)災(zāi)害體及災(zāi)體內(nèi)各部位進(jìn)行數(shù)學(xué)和力學(xué)仿真分析，快速實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害三維可視化分析、安全性評估以及災(zāi)害發(fā)展與影響模擬。

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An Application of Oblique Photography in 3D Visualization of Geological Hazards

YANG Juan

(ChongqingUniversityofEducation,Chongqing400065,China)

Oblique photogrammetry of UAV is a new technology in photogrammetry. It is a hot spot of research at home and abroad. Combined with practical work, this paper makes a feasibility study on the application of obliquePhotogrammetry in the construction of 3D model of geological hazard. In order to realize the 3D visualization analysis, including safety assessment, disaster development and impact simulation, we try to provide technical and decision support for disaster prevention and mitigation.

UAV tilt photography；Geologic hazard；3D visualization

2017-01-15

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ14011408)；重慶第二師范學(xué)院科研項(xiàng)目(KY201336B)

楊娟(1978-)，女，福建政和人，副教授，研究方向：災(zāi)害與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，手機(jī)：13637905606，E-mail：516407107@qq.com.

P694；P23

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.044