畢皓婷 龍京建

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114）

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、應(yīng)急救援、礦山地表管理、邊坡監(jiān)測等工作都需要進行地表變形監(jiān)測[1]。傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測基于大地測量手段完成，雖然測量方法得到的成果精度較準，但存在技術(shù)成本較高、測量時間較長；只能獲得離散點位的變形成果而無法獲得整體變形；衛(wèi)星遙感時效性差、精度較低等缺點。無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以高效便捷地采集大面積區(qū)域影像，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以建立三維模型，能夠更全面地研究地表變化[2-4]。

文章研究采用低成本消費級無人機傾斜攝影方法采集地表空間信息，嘗試通過建立數(shù)字地面模型求差快速獲取測區(qū)地表形變信息。

1 傾斜攝影測量的基本概念

不同于傳統(tǒng)的正射影像（從垂直向下角度拍攝地面），傾斜攝影技術(shù)通過垂直、傾斜等不同角度對地面采集影像，能夠高效、完整地還原地物狀況。垂直地面角度拍攝獲取的一組影像為正片，鏡頭朝向與地面成夾角拍攝獲取的影像為斜片。

傾斜攝影技術(shù)的特點包括[5]多角度觀測地物，更真實反映地物現(xiàn)實情況；傾斜攝影影像可實現(xiàn)單張影像測量；有效降低地物三維建模成本；傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)量小，便于實現(xiàn)共享應(yīng)用。

2 變形監(jiān)測試驗

2.1 試驗設(shè)計

以長沙市天心區(qū)長沙理工大學云塘校區(qū)工科三號樓及周邊建筑作為研究對象，通過兩次不同時刻的傾斜攝影，研究高程獲取精度以及地表變形監(jiān)測的可行性。

空中三角測量航線網(wǎng)模型絕對定向要求至少布置3個外業(yè)控制點，優(yōu)先基于全站儀導線測量和四等水準獲取測區(qū)內(nèi)均勻分面的3個控制點坐標，控制點坐標與高程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 控制點坐標與高程數(shù)據(jù)

基于大疆無人機的3D“井”字模式，進行兩次傾斜攝影測量，第一次飛行拍攝試驗區(qū)域；第二次在試驗區(qū)內(nèi)隨機分散放置3個具有一定高度（已知）的紙箱，模擬地表變形進行航飛拍攝。

內(nèi)業(yè)處理過程中，優(yōu)先對傾斜測量進行運算，構(gòu)建三維模型[6]。在試驗區(qū)域隨機均勻地選擇若干點，分別從兩次測量模型的相同平面位置提取高程數(shù)據(jù)，對比同名點的兩次高程，由不符值計算地表變形量的觀測中誤差，確定地表變形判斷閾值。比較放置紙箱位置兩次高程的變化與紙箱已知高度的不符值，對試驗方法在地表變形監(jiān)測方面的可靠程度作出定性分析。

2.2 傾斜攝影測量無人機外業(yè)

第一次航飛相機空中拍攝點分布如圖1所示。

圖1 第一次航飛相機空中拍攝點分布

試驗使用大疆精靈Phantom 4 RTK進行傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取外業(yè)。試驗選擇的飛行模式為攝影測量3D（井字飛行）。主要攝影參數(shù)包括飛行高度75 m，GSD（地面分辨率）2.05 cm/像素，飛行速度設(shè)置為5.9 m/s，旁向重疊率設(shè)置為80%，縱向重疊率設(shè)置為80%，傾斜任務(wù)傾角設(shè)置為-60°。共進行兩次航飛和拍攝，第一次針對測區(qū)進行飛行拍攝，測繪面積為1.9 萬m2，共430張航攝相片；第二次在試驗范圍的東側(cè)、南側(cè)以及中間區(qū)域隨機點放置具有一定高度的紙箱，模擬地表變形，測繪面積2.8 萬m2，共438張像片。

2.3 實景三維模型的生成

本試驗使用ContextCapture進行空三解算，生成實景三維模型?？罩腥菧y量計算時，納入表1中的3個地面控制點，設(shè)置縱橫比和傾斜采用平差調(diào)整，其他參數(shù)設(shè)置為默認值，空三解算完成后得到模擬草圖。在三維模型重建過程中，由于電腦硬件條件限制，建立模型時需要切塊，采用規(guī)則平面網(wǎng)格（沿XY平面）劃分為正方形的瓦片。第一次測量成果包括24個瓦片，用時8 h；第二次測量成果包括62個瓦片，用時9 h。ContextCapture模擬草圖與測區(qū)三維模型重建結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 ContextCapture模擬草圖

圖3 測區(qū)三維模型重建結(jié)果

2.4 地表變形數(shù)據(jù)獲取

使用CASS 10.1加載三維模型，可以從實景三維模型中量取空間坐標。試驗隨機選取9個點以及3個紙箱放置點，獲得選取點位對應(yīng)的兩次攝影測量重建三維模型中的坐標和高程，對照無人機測量作業(yè)精度標準《數(shù)字航空攝影測量規(guī)范》（GB/T 23236—2009）發(fā)現(xiàn)，試驗數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求。試驗中，同名點坐標及高程數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 同名點坐標及高程數(shù)據(jù) 單位：m

3 試驗結(jié)果

X1、X2、X3三個紙箱點所獲取的高程變化準確反映了紙箱高度，說明基于試驗方法可以得到較準確的地表高程變形量。

基于地表變形觀測量的真誤差可以確定進行地表變形觀測時應(yīng)當采取的地表變形判定閾值。由表2可得，所選點位兩次測量的高程值。兩次攝影期間環(huán)境沒有改變，地面隨機點的高差真值為0，2個紙箱處的高差真值可以認為是紙箱的已知高度，由此可以計算出12個點的變形值觀測真誤差。根據(jù)點位高程的真誤差，可得試驗的地表變形觀測值中誤差。同名點高程變形觀測量真誤差數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 同名點高程變形觀測量真誤差數(shù)據(jù) 單位：mm

根據(jù)9個取樣點和3個紙箱點的高程數(shù)據(jù)可得地表變形值測量的中誤差（標準差）為±16.3 mm。根據(jù)概率統(tǒng)計理論，取3倍標準差為限值，得到地表變形觀測量判定閾值約為±48.9 mm，取整為5 cm。因此，不同時期點位高程值在閾值內(nèi)的變化可視為測量誤差，否則可認為地表發(fā)生了形變。

4 結(jié)語

文章基于無人機低空傾斜攝影測量獲取地面信息，通過放置紙箱模擬地表變形，分析了基于無人機低空傾斜攝影測量進行地表形變監(jiān)測的可行性。試驗結(jié)果表明，通過建立不同時刻的三維地面模型，可以獲取同名點的空間坐標，進行地表變形監(jiān)測，該方法可以快速高效地獲取較大范圍的地表形變量，使用無人機低空傾斜攝影測量進行地表形變監(jiān)測具有一定的可行性。