帥向華 劉 欽 甄 盟 馮 蔚 楊海芳

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傾斜攝影技術(shù)在云南魯?shù)榈卣瓞F(xiàn)場的應(yīng)用研究1

帥向華1）劉 欽1）甄 盟1）馮 蔚2）楊海芳2）

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045 2）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

本文首先介紹了利用六旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)和動力三角翼傾斜攝影系統(tǒng)在云南魯?shù)榈卣瓞F(xiàn)場開展傾斜攝影數(shù)據(jù)采集、三維建模的相關(guān)工作，利用建立的三維模型，分別對災(zāi)區(qū)房屋震害、滑坡、滾石、堰塞湖地震地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。相關(guān)研究表明：傾斜攝影技術(shù)可以表現(xiàn)地震災(zāi)害場景和具體災(zāi)害特征，對遙感在地震災(zāi)情精細(xì)化分析及了解災(zāi)區(qū)建筑物的布局、破壞程度和恢復(fù)重建建筑現(xiàn)狀方面具有重要的意義。該項工作是地震領(lǐng)域初次利用傾斜攝影技術(shù)開展的相關(guān)研究，對于進(jìn)一步深入研究傾斜攝影新技術(shù)在地震災(zāi)害領(lǐng)域和其他相關(guān)領(lǐng)域的工作具有很好的借鑒作用。

魯?shù)榈卣?傾斜攝影 地震災(zāi)害

引言

2014年8月3日16時30分，云南省昭通市魯?shù)榭h（27.1°N，103.3°E）發(fā)生6.5級地震，震源深度12km。據(jù)民政部門統(tǒng)計，截至8月8日15時，該地震已造成617人死亡，112人失蹤，3143人受傷。這次地震造成云南、貴州、四川3省10縣101個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受不同程度的破壞。地震極震區(qū)烈度達(dá)Ⅸ度，宏觀震中位于魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)，等震線形狀呈橢圓形，長軸走向呈北北西向。Ⅵ度區(qū)及以上總面積約10350平方千米，其中，Ⅸ度區(qū)總面積90平方千米，Ⅷ度區(qū)總面積290平方千米，Ⅶ度區(qū)總面積1580平方千米，Ⅵ度區(qū)總面積8390平方千米。簡易房屋破壞面積約1209萬平方米，毀壞面積約為466萬平方米，總計1675萬平方米；非簡易房屋中等破壞面積約68萬平方米，嚴(yán)重破壞面積約33萬平方米，毀壞約16萬平方米，總計117萬平方米。同時，地震造成大量滑坡、崩塌、滾石、堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害（帥向華等，2014）。

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像，將用戶引入符合人眼視覺的真實直觀世界。傾斜影像不僅能夠真實地反映地物情況，而且還通過采用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息，產(chǎn)生更豐富的影像信息，帶來更高級的用戶體驗。該技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)，在國內(nèi)的應(yīng)用尚處于起步階段，主要行業(yè)有國土資源管理、房產(chǎn)稅收、數(shù)字城市、環(huán)保監(jiān)測、災(zāi)害評估等（楊國東等，2016），應(yīng)用的內(nèi)容主要在城市三維建模、建筑物空間變化監(jiān)測（王琳等，2015；江明明，2017；程俊，2017）、山洪災(zāi)害調(diào)查等方面（王東甫等，2014）。云南魯?shù)榈卣饦O震區(qū)集中、震害現(xiàn)象豐富、震害特征典型，為充分搶救和利用魯?shù)榈卣鸬恼鸷Y料，2014年10月始，首次將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于地震領(lǐng)域，分別采用六旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)和動力三角翼傾斜攝影系統(tǒng)在云南魯?shù)榈卣馂?zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。期間由于當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件惡劣，直到2015年3月才完成采集。本文綜合介紹了數(shù)據(jù)采集、處理、分析及應(yīng)用等方面的內(nèi)容，詳細(xì)的數(shù)據(jù)解譯分析參見《云南魯?shù)榈卣饍A斜攝影震害圖集》（帥向華等，2017）。李瑋瑋等（2016）在魯?shù)榈卣饍A斜攝影數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過研究從三維模型中提取的紋理影像，結(jié)合面向?qū)ο笥跋穹治鎏崛』炷两Y(jié)構(gòu)外墻及其裂紋，并對所提取的外墻、裂紋進(jìn)行分析；同時基于傾斜攝影生成的DSM影像和nDSM影像提取建筑物，并分析建筑物倒塌率。張雪華（2017）通過獲取北川老縣城曲山鎮(zhèn)約1平方千米的傾斜攝影數(shù)據(jù)開展了不同倒塌建筑目視解譯的分類研究，并基于DSM影像和nDSM影像分析了建筑物倒塌率。

1 傾斜攝影測量技術(shù)概述

傾斜攝影測量技術(shù)是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、多個傾斜的角度采集影像，并記錄航高、航向和旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，然后對傾斜影像進(jìn)行分析和整理。

1.1 反映地物周邊真實情況

相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實地反映地物的實際情況，極大地彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足。圖1為中心投影和傾斜投影的原理對比。

1.2 可實現(xiàn)單張影像量測

在三維技術(shù)平臺上，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對真三維模型的高度、長度、面積、角度、坡度等數(shù)據(jù)的量測，還可以根據(jù)應(yīng)用需求，進(jìn)行拓?fù)浞治觥⑻摂M挖掘、模型置換等，進(jìn)一步拓展了傾斜攝影測量技術(shù)在行業(yè)中的深度應(yīng)用。

1.3 多種數(shù)據(jù)成果產(chǎn)出

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測的數(shù)據(jù)，可以同時產(chǎn)出DSM、DOM、DLG等多種格式的數(shù)據(jù)成果。同時，利用航空攝影大規(guī)模成圖的特點，通過從傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效降低城市三維建模成本。

圖1 中心投影與傾斜投影原理對比圖

2 魯?shù)榈卣瓞F(xiàn)場航飛情況

數(shù)據(jù)采集方案的設(shè)計采用兩個層次、不同精度、覆蓋全面的原則。第一，對Ⅸ度區(qū)及Ⅸ度區(qū)邊緣的村落有重點地進(jìn)行選擇，選取的原則為災(zāi)區(qū)特征明顯、受災(zāi)嚴(yán)重、人口聚集、有建構(gòu)筑物破壞現(xiàn)象。選用微型無人機(jī)搭載我國自主產(chǎn)權(quán)的傾斜攝影平臺對魯?shù)闉?zāi)區(qū)Ⅷ—Ⅸ度區(qū)的重點村落進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)精度優(yōu)于5cm。飛行點為龍泉村、翠屏村、劉家包包、光明村、新坪村、紅山巖村、騾馬口、沙壩、八寶村、銀屏村、營盤村。拍攝時間為2014年10月。第二，對魯?shù)闉?zāi)區(qū)Ⅸ度區(qū)（東起昭通市魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)騾馬口村，西至龍頭山鎮(zhèn)翠屏村，南自昭通市巧家縣包谷垴鄉(xiāng)紅石巖村，北到魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)葫蘆橋，長軸14km，短軸7km）面積約90km2內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全覆蓋采集，選用動力三角翼搭載我國自主產(chǎn)權(quán)的傾斜攝影平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)精度為15cm。拍攝時間為2015年3月。數(shù)據(jù)采集完成后，對上述數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模方法進(jìn)行三維建模。

2.1 六旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)特點及其技術(shù)參數(shù)

六旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)的特點是動力模塊（如漿葉、電機(jī)、機(jī)臂等）可靈活更換；利用地面站規(guī)劃航線，具備自主飛行能力；提供定點曝光信號，用于控制相機(jī)定點曝光；具備電池低電壓地面報警和飛機(jī)傾角過大自動開傘保護(hù)功能；預(yù)留云臺安裝位置，可自由拆卸云臺；易折疊，方便攜帶。

無人機(jī)基本參數(shù)和云臺基本參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 無人機(jī)基本參數(shù)

表2 云臺和相機(jī)基本參數(shù)

云臺性能技術(shù)參數(shù) POS記錄定點曝光POS信息 影像分辨率2—10cm 定位精度1m

2.2 動力三角翼與云臺參數(shù)

動力三角翼飛機(jī)的特點是造價低、結(jié)構(gòu)簡單、可快速拆裝折疊、方便運(yùn)輸；超低空飛行性能好；起降距離短，操作簡單；草地、簡易機(jī)場、公路均可起降；適用于200—1500m高度層的航空攝影任務(wù)；可應(yīng)用于100km2以內(nèi)的大比例尺航空攝影和傾斜攝影。

動力三角翼基本參數(shù)和云臺基本參數(shù)分別如表3和表4所示。

表3 動力三角翼基本參數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)建模方法

三維建模過程主要包括原始影像的亮度、飽和度等數(shù)據(jù)優(yōu)化預(yù)處理，分類垂直、傾斜影像；根據(jù)相機(jī)參數(shù)、GPS/IMU提供的POS數(shù)據(jù)確定精確的外方位元素，進(jìn)行空中三角形加密；多視角影像密集匹配生成高密度點云；基于點云構(gòu)建三維不規(guī)則三角網(wǎng)，生成白模；基于紋理自動貼面技術(shù)，最后生成高精度三維模型（牛鵬濤，2014；李安福等，2014；孫宏偉，2014）。傾斜攝影數(shù)據(jù)建模流程如圖2所示。

圖2 傾斜攝影建模技術(shù)流程

3 震害分析

在云南魯?shù)?.5級地震現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)災(zāi)害主要表現(xiàn)為建（構(gòu)）筑物震害，大量滑坡、滾石和大小不一的堰塞湖。本文將對這3類震害在傾斜攝影影像中的表現(xiàn)進(jìn)行初步分析。其中，建筑物震害通過六旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模后分析；滑坡和滾石則在對六旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)和動力三角翼傾斜攝影系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模后分析；堰塞湖通過對動力三角翼傾斜攝影系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模后分析。

3.1 建筑物震害分析

以龍泉村一磚混結(jié)構(gòu)（圖3）為例，現(xiàn)場調(diào)查該結(jié)構(gòu)為嚴(yán)重破壞。通過傾斜影像目視判斷結(jié)果為：從正攝影像上目視判讀屋頂基本完好，從房屋的正面?zhèn)纫曈跋裆夏恳暸凶x其為兩層結(jié)構(gòu)，從房屋的側(cè)面、背面?zhèn)纫曈跋裆夏恳暸凶x其為4層磚混結(jié)構(gòu)，外墻出現(xiàn)多處較大的裂縫，房屋嚴(yán)重毀壞。

可以看出，由于傳統(tǒng)的正射影像僅僅獲取建筑物的屋頂數(shù)據(jù)，在屋頂未遭受破壞時，難以對這些震害進(jìn)行準(zhǔn)確識別；而傾斜影像獲取的是建筑物的真實外觀信息，對于屋頂未遭受破壞，但墻體出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象可以準(zhǔn)確地識別。而且，對于這種依地勢而修建的房屋，其在不同角度的樓層數(shù)和外觀表現(xiàn)也不一，傾斜影像則可以很好地反映這一現(xiàn)象。

《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級劃分（GB/T24335—2009）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2009）將建筑物的破壞等級劃分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞5個等級。實際上，傳統(tǒng)的遙感影像震害識別無法識別砌體結(jié)構(gòu)的5種破壞狀態(tài)，尤其是基本完好、輕微破壞、中等破壞這3種狀態(tài)的識別基本無法和地面調(diào)查的分類要求一致。丁軍等（1996）將砌體房屋分為倒塌、嚴(yán)重破壞、破壞和基本完好；竇愛霞等（2012）根據(jù)高分影像將玉樹地震中的建筑物分為倒塌、局部倒塌和未倒塌3類。傾斜影像通過對砌體房屋的屋頂、墻體的破壞特征的識別，在識別結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)的準(zhǔn)確性和精細(xì)化方面都有很大的優(yōu)勢。

3.2 滑坡、滾石分析

通過對六旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模后，分析其中的滑坡滾石災(zāi)害。如龍泉村道路旁陡坡存在多處滑坡，大量滾石從山坡滾下，圖4中滾石最大直徑約5.4m，圖5為圖4中框體內(nèi)放大圖，圖6是圖4的另外一個側(cè)面，圖7為局部放大圖。圖4—圖7可以清晰地反映出滑坡造成多處房屋掩埋，滾石擊中房屋造成嚴(yán)重破壞，而且，該滑坡是由多次滑坡形成，依然不穩(wěn)定。

圖3 龍泉村磚混結(jié)構(gòu)示例 Fig. 3 The masonry-concrete structure in Longquan village

圖4 滑坡、滾石（正面）

圖5 圖4框體內(nèi)的局部影像圖

圖6 從另一角度展示滾石擊中房屋，滑坡土方掩埋房屋

圖7 滑坡掩埋房屋、滾石擊中房屋（放大）

通過對動力三角翼傾斜攝影系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模后，分析其中的滑坡滾石災(zāi)害。如圖8，此處位于八寶村南1.2km，地震后大面積滑坡阻斷道路，滑坡坡面面積72750m2，最大滾石直徑約10m。圖9為圖8的框體內(nèi)局部影像圖，圖10為現(xiàn)場考察拍攝圖。

圖8 位于八寶村南1.2km處滑坡

圖9 圖8框體內(nèi)局部影像

圖10 圖8滑坡的現(xiàn)場考察照片

由此分析得出，傾斜攝影可以從不同角度觀察滑坡，分析滑坡的各個參數(shù)和再次產(chǎn)生災(zāi)害的可能性以及災(zāi)害的位置、規(guī)模等。通過六旋翼無人機(jī)獲取的高分辨率數(shù)據(jù)有助于近距離觀察和分析滑坡，而通過動力三角翼獲取的數(shù)據(jù)則能從較高的角度和全局觀察滑坡，尤其對于大型滑坡的分析非常有效。

3.3 紅石巖堰塞湖

2015年3月，采用動力三角翼對牛欄江紅石巖堰塞湖及其周邊區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影，對在此次地震中遭受嚴(yán)重破壞的紅石巖水電站、周邊村莊以及地震造成的堰塞體滑坡、堰塞湖近況都進(jìn)行了重點拍攝。

紅石巖水電站位于牛欄江堰塞體下游處，受地震影響已嚴(yán)重破壞。距離周圍最近村莊腰棚子村僅有約0.3km。截至2015年3月動力三角翼傾斜攝影時，紅石巖水電站處堰塞湖水位高1094m，最長處336m，最寬處43m，距離紅石巖村約0.72km，距離滑坡堰塞體約0.88km。圖11為動力三角翼傾斜攝影的紅石巖堰塞湖及其周邊影像。

圖11 動力三角翼傾斜攝影的紅石巖堰塞湖及其周邊影像

通過動力三角翼傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)能夠從各個角度觀察和分析云南魯?shù)榈卣鹱畲蟮难呷?，包括滑坡形成的堰塞體、堰塞湖、周邊居民地的分析、紅石巖水電站的破壞情況等，對于震后如何開展應(yīng)急救援和疏導(dǎo)堰塞湖等具有非常重要的作用。

4 結(jié)語

本項目第一次將傾斜攝影技術(shù)引入到地震領(lǐng)域，用于收集及分析地震災(zāi)害場景和具體災(zāi)害特征。通過分析傾斜攝影建立的三維模型嘗試對災(zāi)區(qū)的建筑物布局、破壞程度、恢復(fù)重建建筑現(xiàn)狀及災(zāi)區(qū)的滑坡、堰塞湖等地震地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了解譯和分析。該項研究結(jié)果對地震災(zāi)害場景的大規(guī)模精確表達(dá)與災(zāi)情獲取，以及遙感在地震災(zāi)情精細(xì)化分析應(yīng)用方面具有開創(chuàng)性的作用，同時，也在一定程度上搶救了魯?shù)榈卣瓞F(xiàn)場的部分資料，對后續(xù)的科學(xué)研究具有重要的意義。實際上，傾斜攝影作為遙感領(lǐng)域的一項新技術(shù)，在各個行業(yè)和領(lǐng)域正在發(fā)揮更為重要的作用，通過不斷的研究和探索，該項技術(shù)也必將在地震領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢，除了本文研究方向外，還有不同結(jié)構(gòu)的建筑物或構(gòu)筑物的單體及群體破壞模型構(gòu)建、建筑物結(jié)構(gòu)的快速判定等相關(guān)研究方向。

程俊，2017．基于直升機(jī)平臺的大連市城區(qū)傾斜攝影．地理空間信息，15（3）：23—25．

丁軍，王丹，1996．遙感圖像上城市震害信息的獲取及其應(yīng)用．災(zāi)害學(xué)，（1）：82—86．

竇愛霞，王曉青，丁香等，2012．遙感震害快速定量評估方法及其在玉樹地震中的應(yīng)用．災(zāi)害學(xué)，27（3）：75—80．

江明明，2017．基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模．測繪與空間地理信息，40（3）：189—190．

李安福，曾政祥，吳曉明，2014．淺析國內(nèi)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展．測繪與空間地理信息，37（9）：57—59．

李瑋瑋，2016．基于傾斜攝影三維影像的建筑物震害提取研究．北京：中國地震局地震預(yù)測研究所．

李瑋瑋，帥向華，劉欽，2016．基于傾斜攝影三維影像的建筑物震害特征分析．自然災(zāi)害學(xué)報，25（2）：152—158．

牛鵬濤，2014．基于傾斜攝影測量技術(shù)的城市三維建模方法研究．價值工程，（26）：224—225．

孫宏偉，2014．基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模．現(xiàn)代測繪，37（1）：18—21．

帥向華，姜立新，侯建盛等，2014．云南魯?shù)?.5級地震災(zāi)害特點淺析．震災(zāi)防御技術(shù)，9（3）：340—358．

帥向華，劉欽，馮蔚等，2017．云南魯?shù)?.5級地震傾斜攝影震害圖集．北京：地震出版社．

王東甫，劉正坤，2016．傾斜攝影測量在山洪災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用．南方能源建設(shè)，3（S1）：154—157．

王琳，吳正鵬，姜興鈺等，2015．無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在三維城市建模中的應(yīng)用．測繪與空間地理信息，38（12）：30—32．

楊國東，王民水，2016．傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及展望．測繪與空間地理信息，39（1）：13—15，18．

張雪華，2017．基于無人機(jī)影像的面向?qū)ο蠼ㄖ镎鸷μ崛⊙芯浚本褐袊卣鹁值卣痤A(yù)測研究所．

Application of the UVA Oblique Photograghy Technique in the Field of Ludian Earthquake, Yunnan

Shuai Xianghua1), Liu Qin1), Zhen Meng1), Feng Wei2)and Yang Haifang2)

1) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China 2) Institute of Earthquake Forecasting, CEA, Beijing 100036, China

In this paper we describe the use of six rotor UVA oblique photography system and power of delta wing oblique photography system, and carry out related work oblique photography data acquisition, 3D modeling of the Ludian earthquake in Yunnan. Based on the 3D model, earthquake disaster housing and seismic geological disasters of landslides, rockfall and earthquake-induced lake are analyzed. Our study has a good reference for further research of new technology in earthquake disaster tilt photography and other related works.

Yunnan Ludian earthquake; Oblique photography; Earthquake disaster

帥向華，劉欽，甄盟，馮蔚，楊海芳，2018．傾斜攝影技術(shù)在云南魯?shù)榈卣瓞F(xiàn)場的應(yīng)用研究．震災(zāi)防御技術(shù)，13（1）：158—167．

10.11899/zzfy20180114

國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0803107）

2017-09-04

帥向華，女，生于1973年。碩士，研究員，碩士研究生導(dǎo)師。主要從事震害預(yù)測、地震災(zāi)害應(yīng)急、GIS應(yīng)用和遙感應(yīng)用研究。E-mail：shuaixhua@sina.com