陳麗佳 李衛(wèi)海 尤永春 任衛(wèi)波

(1. 廣東地下管網(wǎng)工程勘測(cè)公司, 廣東 廣州 510080;2. 廣東省環(huán)境地質(zhì)勘查院, 廣東 廣州 510080)

0 引言

地質(zhì)遺跡是在地球歷史時(shí)期,由外力和內(nèi)力地質(zhì)作用形成[1]。它是人類認(rèn)識(shí)地質(zhì)現(xiàn)象、推測(cè)地質(zhì)演變條件的重要依據(jù)[2]。地質(zhì)遺跡具有不可再生性,人類對(duì)地質(zhì)遺跡資源的利用是通過(guò)對(duì)地質(zhì)遺跡資源的開(kāi)發(fā)和保護(hù)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。傾斜三維建模和水下空間可視化技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新興測(cè)繪技術(shù),具有高效率、高精度和高可視化等特點(diǎn)[3]。本文在介紹傾斜三維建模和水下空間可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上,以東莞市石排鎮(zhèn)紅石山燕嶺古采石場(chǎng)遺址為研究對(duì)象,將傾斜攝影測(cè)量和水下多波束測(cè)深技術(shù)應(yīng)用于紅石山燕嶺古采石場(chǎng)遺址的開(kāi)發(fā),為地質(zhì)遺跡保護(hù)、地學(xué)生態(tài)重建、地球科學(xué)科普以及地學(xué)旅游等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)[4]。

1 傾斜三維建模

無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)是以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái),以傾斜攝影相機(jī)為任務(wù)設(shè)備的航空影像獲取系統(tǒng)[5]。傳統(tǒng)航空攝影只能從垂直角度拍攝地物,傾斜攝影則通過(guò)在同一平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器,同時(shí)從垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同角度采集影像,有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影的局限[6-7]。

2 水下空間可視化

傳統(tǒng)水下空間可視化是利用回聲測(cè)深儀,以水下地形圖的形式表示[8]。無(wú)人測(cè)量船與多波束測(cè)深系統(tǒng)結(jié)合是代替?zhèn)鹘y(tǒng)水下地形測(cè)量的新技術(shù)。多波束測(cè)深技術(shù)的發(fā)展,打破了傳統(tǒng)單波束以點(diǎn)為基礎(chǔ)的離散式的作業(yè)模式,而代之以空間面為基礎(chǔ)的立體式作業(yè)模式,實(shí)現(xiàn)了立體測(cè)圖、智能處理及自動(dòng)化成圖,使水下測(cè)量技術(shù)發(fā)展到一個(gè)較高的水平[9]。

3 項(xiàng)目驗(yàn)證及精度評(píng)價(jià)

3.1 項(xiàng)目概況

燕嶺古采石場(chǎng)遺址位于東江南岸丘陵中段,長(zhǎng)約8 km,寬0.3～0.5 km,海拔高度20～50 m,組成巖石為第三紀(jì)棕紅色細(xì)砂質(zhì)粉砂巖,間夾有少量梭角狀礫石,結(jié)構(gòu)緊密,硬度大。遺址在延綿1.475 km的范圍內(nèi)均有人工開(kāi)采痕跡,以“十八房間”“補(bǔ)天石”為主要景觀遺存。地質(zhì)公園實(shí)景見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)公園實(shí)景圖

本項(xiàng)目主要任務(wù)是利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)地質(zhì)遺跡公園進(jìn)行三維掃描,建立燕嶺古采石場(chǎng)遺址三維模型,利用無(wú)人測(cè)量船搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)遺跡公園的采石坑進(jìn)行水下測(cè)繪,查明燕嶺古采石場(chǎng)遺址采石坑的空間分布、埋深及規(guī)模,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)遺跡公園水上水下空間可視化。

3.2 設(shè)備投入

設(shè)備投入包括華測(cè)D580無(wú)人機(jī)、華測(cè)HC12A五鏡頭攝影傳感器、地面站控制系統(tǒng)、華測(cè)華微6號(hào)無(wú)人船、Norbit iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)、Swift聲速剖面儀、多波束控制軟件Norbit GUI、多波束數(shù)據(jù)采集及后處理軟件QPS和GNSS接收機(jī)控制軟件測(cè)地通LandStar7。

3.3 項(xiàng)目成果

3.3.1傾斜攝影測(cè)量成果

將傾斜攝影測(cè)量成果建模,通過(guò)劃分模型格網(wǎng)同步生產(chǎn)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)[10],如圖2所示。在實(shí)景三維模型與傾斜攝影測(cè)量成果的基礎(chǔ)上,制作真正射影像[11],如圖3所示。將實(shí)景三維模型、傾斜攝影測(cè)量成果、糾正畸變差影像等數(shù)據(jù)導(dǎo)入到測(cè)圖軟件制作初級(jí)線劃圖,按照規(guī)范要求賦予點(diǎn)、線、面等圖層的屬性信息[12]。將成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CASS軟件進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)編輯,生產(chǎn)1∶500大比例尺測(cè)圖成果,如圖4所示。

圖2 項(xiàng)目區(qū)域?qū)嵕叭S模型成果

圖3 項(xiàng)目區(qū)域真正射影像圖

圖4 1∶500大比例尺測(cè)圖成果

3.3.2水下可視化成果

水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集包括GPS數(shù)據(jù)采集、水深數(shù)據(jù)采集。使用多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)深時(shí),不僅要采集回波數(shù)據(jù),還要測(cè)定完整的姿態(tài)信息、聲速信息，以便對(duì)測(cè)深及定位數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合改正。多波束采用自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備對(duì)測(cè)線定位、水深數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合采集與記錄,能較好地反映水深地貌。采集作業(yè)前,需要對(duì)多波束測(cè)深儀進(jìn)行姿態(tài)校正,直至姿態(tài)精度符合既定要求[13]。根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況設(shè)置參數(shù),使船按照計(jì)劃線路航行,并根據(jù)掃寬實(shí)時(shí)修正航線。

運(yùn)用Qimera軟件對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。選擇需要進(jìn)行處理的界面,依次進(jìn)行一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)編輯,從點(diǎn)、線、面,逐一刪除多波束邊緣雜波產(chǎn)生的噪點(diǎn)、飛點(diǎn)。將所處理的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行壓縮處理,通常選擇.xyz格式,可以轉(zhuǎn)化為.dat格式,用于CASS等軟件。使用Qimera軟件自帶的三維建模模塊或其他第三方軟件將后處理所得數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模展示,如圖5所示。

圖5 多波束水下點(diǎn)云成果圖

3.4 精度分析

3.4.1無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量精度分析

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)大比例尺測(cè)圖成果的精度分析主要有兩方面：一是根據(jù)已有的大比例尺地形圖檢測(cè)成果的相對(duì)精度;二是在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)大比例尺測(cè)圖成果中隨機(jī)選取一處區(qū)域,將區(qū)域內(nèi)實(shí)地點(diǎn)位采集測(cè)的要素與測(cè)圖成果比較,計(jì)算點(diǎn)位中誤差,得出絕對(duì)精度[14-15]。本項(xiàng)目經(jīng)檢測(cè)X方向平均誤差為0.006 2 m,Y方向平均誤差為0.003 8 m,符合項(xiàng)目精度要求。

3.4.2水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度分析

統(tǒng)計(jì)主測(cè)線點(diǎn)與檢測(cè)檢測(cè)線測(cè)點(diǎn)重合點(diǎn)(圖上0.5 mm范圍內(nèi))的高程比較結(jié)果,高程中誤差為±11.0 cm,測(cè)深統(tǒng)計(jì)情況如表1、表2所示。經(jīng)檢測(cè)128個(gè)點(diǎn)滿足主測(cè)點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)圖上距離小于1 mm(實(shí)地2 m),主測(cè)點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)水深差值≤0.4 m為128個(gè)點(diǎn),占總比對(duì)點(diǎn)100%,高程中誤差為±11.0 cm,該水深測(cè)量精度符合要求。

表1 水深測(cè)量檢測(cè)結(jié)果(水深比差)

表2 檢測(cè)點(diǎn)偏離主測(cè)點(diǎn)水深

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和無(wú)人船搭載多波速測(cè)深系統(tǒng),獲取了東莞市石排鎮(zhèn)紅石山燕嶺古采石場(chǎng)遺址公園水上水下實(shí)景三維模型,通過(guò)對(duì)模型數(shù)據(jù)的處理分析,得出遺址公園舊采石坑規(guī)模較大,主要分布在遺址公園中心區(qū)域。階梯式古采石場(chǎng)位于遺址公園南部片區(qū),四周被住宅區(qū)、山體、假山水景區(qū)等包圍,中間為兩個(gè)淺湖。結(jié)合場(chǎng)地內(nèi)地質(zhì)調(diào)查情況分析,公園內(nèi)所見(jiàn)的古采石場(chǎng)采石方式為露天明采(以房式、階梯式為主),未見(jiàn)有隆洞開(kāi)采遺跡,終采邊坡直立或近于直立,開(kāi)采范圍現(xiàn)場(chǎng)被水域覆蓋。公園內(nèi)采石坑最深水深17.54 m,最淺水深1.57 m,每個(gè)坑的淤泥厚度在0.12～0.76 m,采石坑水底比較光滑,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)空洞和溶洞,水下沒(méi)有較大支流。通過(guò)對(duì)地質(zhì)公園后期開(kāi)發(fā)的預(yù)判,為地質(zhì)公園的可持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)地質(zhì)遺跡保護(hù)和開(kāi)發(fā)具有工程意義。