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        無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市化建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別應(yīng)用

        2020-01-10 05:22:38唐曉玲潘國(guó)耀
        四川地質(zhì)學(xué)報(bào) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:錦城城市化攝影

        吳 森,陳 超,鄧 晶,薛 廉,唐曉玲,潘國(guó)耀

        (四川省地質(zhì)工程勘察院,成都 610032)

        作為我國(guó)西部地區(qū)重要的中心城市,成都市目前正在實(shí)施“東進(jìn)、南拓、西控、北改、中優(yōu)”的城市空間發(fā)展戰(zhàn)略,構(gòu)建“雙核聯(lián)動(dòng)、多中心支撐”網(wǎng)絡(luò)化功能體系,加快建設(shè)全面體現(xiàn)新發(fā)展理念的國(guó)家中心城市[1]。在城市化建設(shè)過(guò)程中,成都市面臨著富水松散砂礫卵石土、膨脹性粘土、軟土地基和基坑邊坡的穩(wěn)定性、含膏鹽(鈣芒硝)泥巖溶蝕性和腐蝕性、崩塌、滑坡等諸多地質(zhì)問題。如2014年7月9日,武侯區(qū)棕樹南街停車場(chǎng)發(fā)生塌陷;2015年7月9日,二環(huán)路北三段一小區(qū)發(fā)生塌陷等等,如何實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的早期識(shí)別,早期處理成為當(dāng)前城市化建設(shè)面臨的一大難題。

        目前,部分學(xué)者在地災(zāi)早期識(shí)別應(yīng)用方面做了大量的研究工作,并取得了一定的成果。巨袁臻[2]基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù),利用差分模型,通過(guò)多期數(shù)據(jù)處理對(duì)比,實(shí)現(xiàn)對(duì)黑方臺(tái)黃土滑坡的早期識(shí)別;褚宏亮[3]利用三維激光掃描技術(shù),對(duì)重慶南川金佛山顫子巖危巖體、撫順西露天礦南邦滑坡等災(zāi)害進(jìn)行了研究,總結(jié)一套基于三維激光掃描技術(shù)的地災(zāi)調(diào)查、監(jiān)測(cè)、早期識(shí)別方法;何朝陽(yáng)等[4]利用InSAR技術(shù)對(duì)雜谷腦河左岸3處地災(zāi)點(diǎn)進(jìn)行了識(shí)別,并通過(guò)地表位移監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了識(shí)別結(jié)果;李勛等[5]基于DEM和遙感影像,應(yīng)用定量地貌學(xué)原理及方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)天水市周邊黃土滑坡的識(shí)別。但針對(duì)城市化建設(shè)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別方法,卻少有應(yīng)用案例,本文以成都市錦城廣場(chǎng)及周邊為例,介紹了一種基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的地災(zāi)早期識(shí)別技術(shù)與方法。

        1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

        無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是通過(guò)在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載一臺(tái)或多臺(tái)帶傳感器的相機(jī)設(shè)備,構(gòu)成傾斜數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng),從垂直、側(cè)視和前后視等不同角度采集場(chǎng)景區(qū)域的多視角數(shù)字影像技術(shù)[6]。

        傾斜攝影自動(dòng)化建模由于是在航拍影像和控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)構(gòu)建的,不會(huì)存在人工建模時(shí)人為的選擇性構(gòu)建和修飾過(guò)程,可以還原真實(shí)場(chǎng)景的完整面貌,實(shí)現(xiàn)全要素覆蓋,具備高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本“三高一低”優(yōu)勢(shì),該技術(shù)在城市化建設(shè)過(guò)程中的地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別上,有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

        圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)組成

        1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)組成

        無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)一般由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、任務(wù)載荷及其控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成[2、7](圖1)。

        1)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)即是搭載測(cè)量任務(wù)傳感器的載體,常用的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)有固定翼平臺(tái)、多旋翼平臺(tái)、直升機(jī)、無(wú)人飛艇等。

        2)任務(wù)載荷及其控制系統(tǒng)主要用于獲取目標(biāo)區(qū)域多視角數(shù)字影像數(shù)據(jù),由任務(wù)設(shè)備、穩(wěn)定平臺(tái)、任務(wù)設(shè)備控制系統(tǒng)組成。

        3)飛行控制系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行控制和任務(wù)荷載管理,包括機(jī)載飛行控制系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。

        4)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將獲取的無(wú)人機(jī)姿態(tài)信息(POS數(shù)據(jù))解算轉(zhuǎn)換至城市建設(shè)采用的坐標(biāo)、高程系統(tǒng),并與影像一一對(duì)應(yīng),按照后處理軟件規(guī)定的格式進(jìn)行預(yù)處理,保證數(shù)據(jù)格式正確和資料完整再提供給專業(yè)軟件進(jìn)行空三計(jì)算、點(diǎn)云密集匹配,以便生成正射影像圖、數(shù)字線劃圖、應(yīng)急專題圖等不同類型的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)信息提取后,為地質(zhì)災(zāi)害早期提供數(shù)據(jù)支撐。

        1.2 傾斜攝影技術(shù)處理流程

        無(wú)人機(jī)傾斜攝影自動(dòng)化建模技術(shù)主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分工作,建模流程參見圖2。

        圖2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)處理流程

        2 地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別技術(shù)

        在城市化建設(shè)過(guò)程中,可以通過(guò)傾斜攝影大區(qū)域視角對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行早期識(shí)別,可結(jié)合InSAR 形變解譯,輔助對(duì)比分析,整體識(shí)別流程(圖3)主要包括以下幾個(gè)方面:

        1)通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù),構(gòu)建識(shí)別區(qū)三維立體實(shí)景模型、高分辨率正射影像;

        2)影像監(jiān)督分類劃定:工程建設(shè)區(qū)、非工程建設(shè)區(qū);

        3)通過(guò)三維立體實(shí)景模型、高分辨率正射影像、航拍源影像綜合解譯識(shí)別形變區(qū),同時(shí),可結(jié)合InSAR 形變解譯進(jìn)行對(duì)比分析;

        4)通過(guò)地面調(diào)查,現(xiàn)場(chǎng)核查、驗(yàn)證形變區(qū);

        5)綜合識(shí)別與核查成果,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),劃定威脅區(qū)范圍。

        圖3 地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別技術(shù)流程

        3 人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市化建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別

        本次選取地下空間利用強(qiáng)度高、目前周邊城市化建設(shè)頻繁的錦城廣場(chǎng)作為此次地災(zāi)早期識(shí)別的研究區(qū)。錦城廣場(chǎng)研究區(qū)范圍內(nèi)擁有多種不同類型的地面設(shè)施,北部錦悅路以北為居民集中居住區(qū),建筑密度較大;中心為環(huán)球中心,是全球最大的單體建筑;繞城高速?gòu)奈鞯綎|貫穿全區(qū),地鐵1號(hào)線從南到北穿過(guò)區(qū)內(nèi),附近城市化建設(shè)頻發(fā),施工工地多,不管是從不同的用地類型,還是道路交通、建筑體量、地下空間開發(fā)深度看,錦城廣場(chǎng)研究區(qū)具有復(fù)雜的城市結(jié)構(gòu),對(duì)他的研究具有十分典型的意義。

        3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取與處理

        本次研究采用了CW-30 油電混合無(wú)人機(jī)機(jī)搭載5 鏡頭相機(jī)進(jìn)行了航飛。CW-30為雙尾撐布局、后推式油動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī),具備垂直起降,全自主起飛,RTK 定點(diǎn)起降、精準(zhǔn)導(dǎo)航等優(yōu)異功能外,其最大載荷能力達(dá)6kg,負(fù)載續(xù)航達(dá)6小時(shí)。

        1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

        本次CW-30無(wú)人機(jī)的飛行高度為280m,地面平均分辨率優(yōu)于3cm。飛行的航向重疊率為80%旁向重疊率為70%[8],飛行航線見圖4。

        地面控制點(diǎn)主要有兩種類型,一類是地形特征點(diǎn),包括明顯的道路轉(zhuǎn)角和明顯的地物標(biāo)識(shí);一類是專門為航拍所做的人工標(biāo)識(shí)[9]。此次共布設(shè)控制點(diǎn)50個(gè),直接利用RTK 采用CORS系統(tǒng)獲取控制點(diǎn)國(guó)家2000 坐標(biāo)數(shù)據(jù),高程數(shù)據(jù)采用水準(zhǔn)精化模型轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換為1985 國(guó)家基準(zhǔn)高程。此次航攝共飛行兩個(gè)架次,獲取照片24135 張,經(jīng)檢查,POS數(shù)據(jù)解算合格,影像質(zhì)量較好,冬季有薄霧,云量為0。

        2)內(nèi)業(yè)處理

        本次選用了Context Capture軟件全自動(dòng)處理軟件作為數(shù)據(jù)處理軟件。Context Capture 將數(shù)據(jù)處理過(guò)程分為以下六個(gè)步驟:工作集群構(gòu)建——空中三角測(cè)量——密集點(diǎn)云的生成——基于點(diǎn)云的TIN模型構(gòu)建——紋理切片自動(dòng)映射——完成場(chǎng)景構(gòu)建(圖5)。

        圖4 無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃

        圖5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

        3.2 地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別

        完成的傾斜攝影成果還原了研究區(qū)的真實(shí)三維實(shí)景場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)全要素覆蓋,此次地質(zhì)災(zāi)害形變的識(shí)別采用正射影像DOM(精度3cm)與傾斜攝影真實(shí)三維實(shí)景場(chǎng)景相結(jié)合,進(jìn)行綜合分析。

        本次研究范圍內(nèi)形變區(qū)及建設(shè)施工區(qū)的識(shí)別,主要通過(guò)對(duì)正射影像DOM 進(jìn)行監(jiān)督分類與人工部分干預(yù)相結(jié)合的方法進(jìn)行,再結(jié)合傾斜攝影真實(shí)三維實(shí)景場(chǎng)景分析區(qū)內(nèi)形變[10],分析結(jié)果參見圖6。

        解譯形變區(qū)核查、驗(yàn)證表

        3.3 地面核查、驗(yàn)證、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

        依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害形變分析結(jié)果,通過(guò)地面調(diào)查對(duì)解譯形變區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核、驗(yàn)證、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),復(fù)核驗(yàn)證、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果參見附表:解譯形變區(qū)核查、驗(yàn)證表。

        4 結(jié)論

        1)為了解決城市化建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別問題,本文提出了一種基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別技術(shù)與方法

        2)以錦城廣場(chǎng)為例,介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市化建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別中的應(yīng)用流程,本次共解譯、識(shí)別出地面塌陷點(diǎn)3處,地裂縫2處,其中2處風(fēng)險(xiǎn)中等、2處風(fēng)險(xiǎn)較低、1處風(fēng)險(xiǎn)低。

        3)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、投入少、精度高的優(yōu)勢(shì),可以方便技術(shù)人員快速解譯、分析、識(shí)別城市化建設(shè)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害問題,具有較好的推廣前景。

        圖6 地質(zhì)災(zāi)害形變識(shí)別

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