陳元鵬，王鳳，李英成，3，劉沛，王恩泉

(1.自然資源部國土整治中心，北京 100035；2.自然資源部航空遙感技術(shù)重點實驗室，北京100039；3.北京市低空遙感數(shù)據(jù)處理工程技術(shù)研究中心，北京100039)

0 引言

在我國滑坡作為一種多發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，給人民的生命和財產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。如近兩年發(fā)生的陜西山陽滑坡、深圳光明新區(qū)滑坡、四川茂縣滑坡等，造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失慘重。有效監(jiān)測滑坡滑落趨勢、預(yù)估滑坡影響大小，需要更準(zhǔn)確的測量技術(shù)為滑坡監(jiān)測、預(yù)估提供基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)[1]。

目前滑坡監(jiān)測方法主要有大地測量法、近景攝影測量、GPS變形監(jiān)測等技術(shù)方法[2]：大地測量法一般采用水準(zhǔn)儀、全站儀、經(jīng)緯儀等高精度光學(xué)測量儀器，通過測角和測距實現(xiàn)對滑坡的監(jiān)測，該方法測量點位精度高，但受天氣和地形條件的影響，外業(yè)周期長、人力成本高，不利于連續(xù)觀測；近景攝影測量法是將數(shù)碼相機放在兩個不同位置的固定觀測點，對滑坡攝影構(gòu)成立體像對進而實現(xiàn)滑坡點三維坐標(biāo)量測，該方法操作簡單，精度較低，且由于滑坡坡面有傾斜，獲取影像分辨率不一致，影響后續(xù)分析精度；GPS變形監(jiān)測法是利用GPS衛(wèi)星信號進行后方交會測量，求出待測點的三維坐標(biāo)，然后用新值與初始坐標(biāo)之差反映待測點的運動[3]，該方法簡單、精度高，但易受地形影響。隨著無人機遙感系統(tǒng)的應(yīng)用推廣，利用無人機拍攝的照片所獲得的高程數(shù)字模型開展滑坡動態(tài)分析已成為一種新的手段[4]，然而滑坡坡度所導(dǎo)致的測圖分辨率不一致又成為影響后續(xù)數(shù)據(jù)分析的難題。為解決上述問題，本文提出了一種利用多旋翼無人機搭載平行于滑坡角度的傾斜單相機進行變高航空攝影測量獲取滑坡地理信息數(shù)據(jù)的方法。該方法是在完成傳感器改造后，集成一套無人旋翼機正視/側(cè)視航空攝影測量遙感系統(tǒng)，在四川滑坡地質(zhì)災(zāi)害點開展相關(guān)測試，按照航攝分區(qū)設(shè)計航線，在完成航空攝影后，開展數(shù)據(jù)處理與分析，形成一套完整的基于滑坡角度的無人旋翼機側(cè)視航空攝影測量解決方案。

1 側(cè)視相機安裝原理

進行滑坡地質(zhì)災(zāi)害航空攝影時，由于滑坡存在傾斜角度，會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：相同航攝高度導(dǎo)致不同航線影像分辨率不一致，且隨著滑坡坡度的提升分辨率差異增大；即使同一條航線垂直拍攝，由于一張像片覆蓋的滑坡帶有傾斜角度也會存在單張影像分辨率不均勻。為驗證該現(xiàn)象是否正確，本文從理論上進行了驗證，驗證原理如下：

在以下計算中，設(shè)H為相對航高，f為相機焦距，GSD為單個像元分辨率，α為滑坡坡面相對于地平面角度，β為視場半角，μ為像元物理尺寸，γ為任意像元與其投影到地面點的連線與該像元所在的的行或列最邊緣的點與其投影到地面點的連線之間的夾角。

1.1 正視相機安裝

(1)投影到地面時地面分辨率計算。地面分辨率不變。正視相機安裝時，如圖1所示，影像投影到地面時地面分辨率：

(1)

圖1 正視相機安裝投影到地面地面分辨率

(2)投影到坡面時地面分辨率計算。地面分辨率發(fā)生變化。正視相機安裝時，如圖2所示，影像投影到坡面時地面分辨率：

(2)

圖2 正視相機安裝投影到坡面地面分辨率

結(jié)合公式(2)可計算正視相機安裝時單張影像覆蓋的斜坡面范圍：

(3)

(4)

式中：MN為覆蓋范圍長邊；M′N′為覆蓋范圍短邊；tanβ=W×μ/2f；tanβ′=S×μ/2f；W為成像CCD的長邊；S為成像CCD的短邊。由此可見其覆蓋范圍與斜坡不同位置有關(guān)。

1.2 側(cè)視相機安裝

(1)投影到地面時地面分辨率計算。地面分辨率變化。側(cè)視相機安裝時，如圖3所示，影像投影到地面時地面分辨率：

(5)

圖3 側(cè)視相機安裝投影到地面地面分辨率計算

(2)投影到坡面時地面分辨率計算。地面分辨率不變。側(cè)視相機安裝時，如圖4所示，地面分辨率：

(6)

圖4 側(cè)視相機安裝投影到坡面地面分辨率計算

由于焦距、像元尺寸以及航高為定值，因此地面分辨率不變。

側(cè)視相機安裝時單張影像覆蓋的斜坡面范圍：

(7)

(8)

式中：AB為斜坡面覆蓋范圍長邊；A′B′為斜坡面短邊；W為成像CCD的長邊；S為成像CCD的短邊。

通過以上原理分析可知，安裝側(cè)視相機時飛行投影到坡面的地面分辨率以及單張影像覆蓋的地面(坡面)均不變。

2 旋翼無人機航攝遙感系統(tǒng)集成

無人旋翼機航攝遙感系統(tǒng)主要有搭載平臺、傳感器以及飛行控制系統(tǒng)3個部分[5]，根據(jù)攝區(qū)概況、航攝目標(biāo)以及航攝要求選取六旋翼無人機作為搭載平臺，該平臺拆裝方便，對起降場地?zé)o特殊要求，且相對載荷大、重量輕、續(xù)航時間比較長。

由于測區(qū)環(huán)境惡劣，儀器設(shè)備回收困難，因此傳感器選用價格相對低廉、測繪效果相對較好的索尼A7R相機。為減少飛行架次，對比分析正視/側(cè)視相機安裝對滑坡災(zāi)害體的數(shù)據(jù)獲取效果以及解譯情況，將兩臺相機固定在一起安裝于無人旋翼機遙感系統(tǒng)。在選定設(shè)備后首先進行相機的檢校，而后根據(jù)航攝區(qū)域范圍以及測區(qū)滑坡的實際斜坡角度進行傳感器的集成與改造，改造時為減輕重量采用鋁合金做成支架將兩臺相機(正視/側(cè)視)固定在一起，其中正視相機垂直安裝，傾斜相機按照滑坡角度進行安裝，安裝后效果如圖5所示。

圖5 索尼A7R雙拼傳感器系統(tǒng)

3 試驗與分析

3.1 測區(qū)概況

飛行測試區(qū)域位于四川省成都市龍泉山脈。該區(qū)域以山區(qū)為主，西端地勢高，海拔從510 m至700 m，高差約190 m，航攝面積約1.6 km2，滑坡角度大致為20°。試驗區(qū)域四角點經(jīng)緯度坐標(biāo)依次為D1(30.553，104.271)、D2(30.552，104.287)、D3(30.539，104.287)、D4(30.540，104.270)。

3.2 控制點布測與質(zhì)檢

在布設(shè)地面控制點時應(yīng)考慮地形類別、成圖方法和成圖精度要求，此外還要考慮航攝比例尺對成像質(zhì)量的影響、測區(qū)地形地貌條件、儀器設(shè)備和技術(shù)條件以及內(nèi)外業(yè)任務(wù)的平衡情況等[6]。本次試驗根據(jù)航攝區(qū)域情況以及航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[7-8]要求，攝區(qū)共布設(shè)控制點23個?？刂泣c選取遵循分布均勻，點位清晰，特征明顯，GPS信號充分的原則，在內(nèi)業(yè)完成選點后，交給外業(yè)人員，若實地信號不明顯或存在點位不清晰情況時，可以根據(jù)實地情況實時調(diào)整點位情況。詳細點位布設(shè)以及實測點位情況詳見圖6、圖7、圖8。

圖6 控制點布設(shè)情況

圖7 刺點片

圖8 實地照片

在完成控制點野外GPS數(shù)據(jù)采集后，利用GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件“TEQC”后，證明數(shù)據(jù)利用率為99%，利用率較高，多路徑誤差(L1、L2)分別為0.19和0.18，誤差比較小，觀測數(shù)據(jù)與周跳比為58 169，反映出周跳修復(fù)能力比較強，證明該套數(shù)據(jù)可靠，而后利用商用軟件GAMIT完成GPS數(shù)據(jù)解算得到所有控制點的坐標(biāo)。

3.3 航線設(shè)計、數(shù)據(jù)獲取與質(zhì)量檢查

實驗利用第3節(jié)集成的旋翼無人機航攝遙感系統(tǒng)，設(shè)計飛行一個架次同時獲取兩類不同數(shù)據(jù)(正視/側(cè)視)，本次設(shè)計六條航線，采取變高飛行方式，在第一條航線飛行完成后，爬高到預(yù)定高度從而進行第二條航線飛行，飛行示意圖如圖9所示。

圖9 航線示意圖

若像元大小μ、傳感器焦距f、設(shè)計地面分辨率GSD、航向重疊度m、計算出相對航高H、基線長度S1、曝光點間隔T(相機航向像元x個、旁向像元y個)，則相對航高以及基線長度滿足公式(9)：

(9)

在圖10中,S為航線間隔，L1表示第一條航線，L2表示第二條航線，H表示側(cè)視安裝相機相對于傾斜面的相對航高，S2表示航線沿垂直飛行方向向上移動的距離，Δh表示L1航線與L2航線相對水平面高差，α表示滑坡傾角,則航線移動距離S2以及爬升高度Δh分別計算如下：

S2=S×cosα,Δh=S×sinα

(10)

圖10 側(cè)視安裝相機飛行參數(shù)計算

通過本次飛行設(shè)計正視/側(cè)視安裝相機分別獲取影像189張，圖11、圖12為兩張影像在飛機飛行到同一位置時刻的曝光影像。

圖11 正視安裝相機獲取影像

圖12 側(cè)視安裝相機獲取影像

通過檢查獲取的無人機遙感原始影像，發(fā)現(xiàn)影像航向、旁向重疊度以及影像質(zhì)量能夠滿足成圖要求。

3.4 數(shù)據(jù)處理

1)控制點數(shù)據(jù)處理。由于獲取的外業(yè)控制點均為WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其基準(zhǔn)面為參考橢球面[9]，在進行正視安裝相機DOM生產(chǎn)時，不需要進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，若進行側(cè)視安裝相機投影到滑坡投影面DOM生產(chǎn)時，必須進行控制點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)選擇的滑坡投影面(定義一個局部坐標(biāo)系)將所有的控制點(如有)坐標(biāo)投影到滑坡面上，同時將輔助用的所有GPS點坐標(biāo)投影到滑坡面上。轉(zhuǎn)換方式如下：

首先根據(jù)設(shè)計的航線即曝光點位置確定轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)系的原點為1號曝光點，因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換共需要3步：首先將原始坐標(biāo)系原點移動至1號曝光點位置；其次將移動后的坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)belta角(該角度計算方法為航線的飛行方向即根據(jù)每條航線飛行的角度計算)，最后將旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)alpha角(該角度計算方法為相機相對于正視相機的安裝角度)。

若點A在WGS-84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)，該點A在轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X’，Y’，Z’)，因此二者之間轉(zhuǎn)換如圖13、圖14、圖15所示。

圖13 坐標(biāo)原點移動

圖14 繞Z軸旋轉(zhuǎn)belta角度

圖15 繞X軸旋轉(zhuǎn)alpha角度

根據(jù)以上移動旋轉(zhuǎn)關(guān)系得出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下公式求解[10]：

(11)

通過上述轉(zhuǎn)換關(guān)系編程實現(xiàn)所有控制點數(shù)據(jù)的投影變換。

2)影像數(shù)據(jù)處理。將正視安裝相機導(dǎo)出的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及測量控制點坐標(biāo)導(dǎo)入軟件進行處理，最終生成DOM。將側(cè)視安裝相機導(dǎo)出的影像數(shù)據(jù)投影變換過的POS數(shù)據(jù)以及投影變換的控制點導(dǎo)入軟件進行處理，最后生成投影到滑坡面上的DOM。參見圖16、圖17。

圖16 正視處理效果圖

圖17 側(cè)視處理效果圖

3.5 試驗結(jié)果與分析

1)正視成圖數(shù)據(jù)精度分析。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，正視飛行時成圖面積1.6 km2，常規(guī)成圖如圖18所示。

圖18 正視情況下DOM、DEM暈渲圖

正視情況下成圖精度點位誤差表格如表1、表2所示。

表1 常規(guī)情況下控制點點位誤差統(tǒng)計表

表2 檢查點點位誤差統(tǒng)計表

從以上2個表格可以看出，正視常規(guī)成圖情況，控制點平面最大誤差為0.613 3 m，高程最大中誤差為0.593 3 m。符合低空空三規(guī)范[11]中1∶1 000山地定向點平面/高程限差不大于0.8/0.6 m的要求。檢查點最大平面誤差為0.382 m，高程中誤差為-0.431 5 m，符合低空空三規(guī)范中1∶1 000山地檢查點平面/高程限差不大于1.4/1.0 m的要求。

2)側(cè)視成圖數(shù)據(jù)精度分析。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，側(cè)視飛行時成圖面積1.9 km2，大于正視成圖。成圖如圖19所示。

側(cè)視情況下DOM、DEM暈渲圖如圖20所示，側(cè)視成圖精度點位誤差表格如表3、表4所示，側(cè)視成圖如圖21所示。

圖19 正視情況下常規(guī)成圖控制點/檢查點精度分析圖

圖20 側(cè)視情況下DOM、DEM暈渲圖

序號X誤差/mY誤差/mZ誤差/mError/m平面/m2-0.123 1-0.005 8-0.016 70.124 40.123 24-0.057 60.094 5-0.020 20.112 50.110 66-0.150 0-0.081 80.052 90.178 90.170 980.313 0-0.369 1-0.141 70.504 30.484 010-0.222 10.001 20.121 10.253 00.222 1120.016 40.024 6-0.022 80.037 30.029 513-0.156 0-0.124 3-0.005 90.199 50.199 416-0.207 6-0.095 50.006 60.228 70.228 617-0.187 2-0.035 1-0.032 90.193 30.190 5180.013 80.067 60.197 20.208 90.069 019-0.105 20.111 2-0.008 10.153 30.153 1200.000 00.100 8-0.040 20.108 50.100 821-0.011 10.319 9-0.057 30.325 20.320 1220.547 00.174 1-0.040 00.575 50.574 1230.111 10.530 60.325 60.632 30.542 1標(biāo)準(zhǔn)偏差0.208 90.204 50.114 80.178 10.170 8標(biāo)準(zhǔn)誤差0.053 90.052 80.029 60.046 00.044 1平均值 -0.014 60.047 50.021 20.255 70.234 5

表4 側(cè)視情況下檢查點點位誤差統(tǒng)計表

圖21 側(cè)視情況下成圖控制點/檢查點精度分析圖

從以上2個表格可以看出，側(cè)視常規(guī)成圖情況，控制點平面最大誤差為0.574 1 m，高程最大中誤差為0.325 6 m。符合低空空三規(guī)范中1∶1 000山地定向點平面/高程限差不大于0.8/0.6 m的要求。檢查點最大平面誤差為1.275 1 m，高程中誤差為-0.906 8 m，符合低空空三規(guī)范中1∶1 000山地檢查點平面/高程限差不大于1.4/1.0 m的要求。

3)正視/側(cè)視影像目標(biāo)體解譯。在圖22中，左面為正視成圖，右面為傾斜成圖，從以下截圖能夠明顯看出，傾斜成圖對目標(biāo)體而言成像更為清晰，更有助于目視解譯。

在完成四川省成都市的滑坡災(zāi)害體試驗后，為進一步驗證本文的方法，在新疆新源縣展開了1 km2測區(qū)左右的滑坡正視/側(cè)視數(shù)據(jù)分析與試驗，其解譯結(jié)果如圖23所示。

圖22 正視/側(cè)視成圖目標(biāo)體解譯對比分析圖

圖23 側(cè)視/正視成圖滑坡體解譯對比分析圖

4 結(jié)束語

本文在對存在傾斜角度的滑坡體正視/側(cè)視航空攝影對地面分辨率影響深入分析的基礎(chǔ)上，為減少飛行架次以及其他影響對比分析結(jié)果的因素，順利完成對比試驗，采用鋁合金結(jié)構(gòu)對兩臺相同傳感器進行集成安裝為雙拼傳感器系統(tǒng)，集成的該雙拼傳感器系統(tǒng)在一個傳感器正視攝影情況下另一個平行于滑坡角度，而后將該雙拼傳感器系統(tǒng)安裝與六旋翼無人機遙感系統(tǒng)。在完成裝備集成的情況下，利用該裝備在四川滑坡地質(zhì)災(zāi)害點開展相關(guān)試驗。

試驗證明，按照滑坡角度安裝相機、并且按照航線分區(qū)開展針對滑坡體的航空攝影測量，數(shù)據(jù)處理時將側(cè)視飛行獲取的影像投影到坡面生成DOM，更有利于分辨率一致，同時針對傾斜測量目標(biāo)能夠減小正視航攝影像信息量少，細節(jié)損失嚴(yán)重的現(xiàn)象；另外本次試驗正視成圖覆蓋面積1.6 km2，側(cè)視成圖覆蓋面積1.9 km2，結(jié)果表明對于滑坡地災(zāi)點，傾平行于滑坡角度成圖在同等架次同等航線情況下覆蓋面積更大。

本文通過原理分析與試驗驗證了旋翼機按航線分區(qū)、平行于被攝目標(biāo)傾斜角度開展航空攝影對于滑坡災(zāi)情分析的可行性與有效性，但由于時間以及數(shù)據(jù)量問題，未能分析滑坡體量，下一步將開展多次試驗，同時分析滑坡體量用于進一步驗證該方法與理論的正確性。