楊 丁 張易辰 劉俊岳 潘彥辰 胡志勇

（1.寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001；2.寧夏公路管理中心,寧夏 銀川 750001；3.寧夏大學(xué),寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數(shù)字信息化工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750001）

我國沙漠化土地分布廣泛，主要集中在內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅、新疆、青海、西藏、陜西、山西、河北、吉林、遼寧和黑龍江等地區(qū)，約占我國國土總面積的20%。在如此范圍廣闊的沙漠環(huán)境中修建公路對各方來說都是一大挑戰(zhàn)。烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段中A9、A10標(biāo)主要位于騰格里沙漠東南緣，沿線沙丘起伏，低洼交錯(cuò)，主要為格狀沙丘，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱。受風(fēng)沙影響，沿路沙丘具有流動(dòng)性，會(huì)對行車造成危害，因此在路線兩側(cè)設(shè)置了約400 m的“六帶一體”工程防護(hù)體系，以確保行車安全。

現(xiàn)階段工程防護(hù)主要為“六帶一體”的防護(hù)體系，由于此段防護(hù)范圍廣、面積大，用人工方式去核查困難較大，加上此段公路位于騰格里沙漠腹地，野外勘測環(huán)境惡劣，進(jìn)行全面核查有一定的難度。且沙丘具有流動(dòng)性，分析和評(píng)價(jià)防護(hù)體系效果需要長期觀測，基于時(shí)間、空間維度的三維數(shù)字地形采集將為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營階段提供基礎(chǔ)信息，為公路建設(shè)及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供一種新的方法，也是大范圍沙漠公路監(jiān)測行之有效的手段之一。

早期的沙漠野外勘測由人、駱駝攜帶經(jīng)緯儀等儀器發(fā)展到如今的依靠越野車、RTK等先進(jìn)的交通工具及儀器裝備來完成，然而，受沙漠環(huán)境的制約，野外勘測依舊面臨效率低、勘測不全面的問題。本次數(shù)據(jù)采集引入無人機(jī)航測技術(shù)，建立了多角度，全方位的數(shù)字化沙漠場景。無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展，使得運(yùn)用數(shù)字化手段進(jìn)行大范圍空間監(jiān)測成為可能，利用無人機(jī)輕巧、便攜的特點(diǎn)，可以開展低空飛行用來獲取高清沙漠防護(hù)體系影像及紋理數(shù)據(jù)，建立天地一體、上下協(xié)同、動(dòng)態(tài)監(jiān)測的聯(lián)動(dòng)模式。

通過對沙漠公路兩側(cè)防護(hù)范圍進(jìn)行一年多的動(dòng)態(tài)跟蹤，建立測區(qū)內(nèi)不同時(shí)期的數(shù)字化模型，為大范圍場景分析研究提供了一種高效便捷的技術(shù)手段，使得監(jiān)測到的沙漠公路防護(hù)數(shù)據(jù)更加系統(tǒng)、全面，及時(shí)精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)對道路可能產(chǎn)生的風(fēng)沙危害，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)常態(tài)化、全過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。對全面推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)手段在沙漠公路地區(qū)野外勘測、場景應(yīng)用分析和后期的運(yùn)營監(jiān)測具有重要意義。

1 沙漠影像采集的關(guān)鍵技術(shù)

沙漠區(qū)域視野開闊，遮擋物較少，但沙漠的單一性也使得沙漠區(qū)域特征點(diǎn)較少，沙漠紋理相似度較高，在進(jìn)行空三解算時(shí)，易產(chǎn)生明顯空洞，且在日照強(qiáng)烈的正午時(shí)分因沙漠表層產(chǎn)生強(qiáng)烈反射，所得到的相片質(zhì)量不高。

1.1 空三解算

采用五鏡頭的相機(jī)進(jìn)行航測，利用五鏡頭的多角度拍攝功能，通過多視影像聯(lián)合解算，可以保障所拍攝的影像在沙漠環(huán)境下無地面控制點(diǎn)或少量控制點(diǎn)的情況下采集數(shù)據(jù)的精確性。多視影像中包含正射影像和傾斜影像，多視影像聯(lián)合平差可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)空三加密法無法處理影像之間變形與遮擋現(xiàn)象的不足。目前，一般多視影像聯(lián)合平差算法步驟：首先利用特征提取算法對影像進(jìn)行特征提取，獲取多視影像數(shù)據(jù)的同名點(diǎn)，以POS數(shù)據(jù)為影像匹配的初始參數(shù)，建立連接點(diǎn)、連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)及像方坐標(biāo)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合平差計(jì)算，得到每張相片的外方位元素及所有加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)[1]。

（1）影像特征提取與像控點(diǎn)布設(shè)。沙漠環(huán)境中特征點(diǎn)較少，需要人為進(jìn)行地標(biāo)補(bǔ)充，以保證多張影像在匹配計(jì)算時(shí)需要的重疊度能夠滿足后期特征點(diǎn)提取計(jì)算的要求。本次影像數(shù)據(jù)采集主要采用低空攝影測量，旁向重疊率為60%，航向重疊率為70%，在保證效率與成圖精確性的基礎(chǔ)上，設(shè)定了航測高度100 m左右，能夠滿足航測影像特征的匹配。由于在沙漠風(fēng)沙環(huán)境影響下無法進(jìn)行傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)，在開展測設(shè)前期，在沙漠中將一種快速像控點(diǎn)布設(shè)裝置均勻布置在航測區(qū)域內(nèi)，確保后期空三能夠順利通過。

圖1 影像空三計(jì)算

（2）光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的基本原理：攝影中心、像點(diǎn)、物點(diǎn)所組成的光束線為平差的基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，建立全區(qū)域的統(tǒng)一誤差方程式和法方程式。該方法按照最小二乘原理進(jìn)行平差，求解區(qū)域內(nèi)每張影像的六個(gè)外方位元素及稀疏三維點(diǎn)云所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)[2-3]。

圖2 光束區(qū)域網(wǎng)平差示意圖

1.2 點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型

經(jīng)過影像處理及聯(lián)合平差后，通過ContextCapture生成三維高密度點(diǎn)云文件，并以此生成TIN網(wǎng)構(gòu)建沙漠地形模型。TIN模型將區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行相連生成不規(guī)則三角網(wǎng)，精度優(yōu)于傳統(tǒng)的等高線，具備測繪級(jí)精度，又能按沙漠地形特征提取沙丘、沙脊等數(shù)字高程信息。

1.3 紋理映射

紋理是物體的表面細(xì)節(jié)，通常分為顏色紋理和幾何形狀紋理。顏色紋理表現(xiàn)為物體表面非立體的色彩或明暗度；幾何形狀紋理表現(xiàn)為物體表面不規(guī)則細(xì)部凹凸的微觀幾何形狀?？梢杂秒x散法、函數(shù)法或參數(shù)法定義紋理[4]。

紋理映射（Texture Mapping）是將二維紋理圖像中的像素映射到三維模型表面的過程，又稱紋理貼圖。其本質(zhì)就是將三維模型二維參數(shù)化，求取一種關(guān)系實(shí)現(xiàn)二維紋理點(diǎn)與三維場景中的三維點(diǎn)的一一對應(yīng)[5]，減少二維紋理空間與三維模型空間映射時(shí)產(chǎn)生的幾何差異和紋理失真[6]，具體如圖3所示。

圖3 二三維紋理對應(yīng)圖

基于構(gòu)網(wǎng)后的地形模型，通過紋理映射，生成高分辨率傾斜攝影三維數(shù)字模型，使其呈現(xiàn)沙漠真實(shí)色彩環(huán)境下的三維模型。

圖4 沙漠公路紋理映射圖

2 沙漠公路數(shù)字化場景應(yīng)用分析

根據(jù)沙漠公路廊道多源信息采集構(gòu)建的三維數(shù)字地形成果，對時(shí)間、空間、地理信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度應(yīng)用場景分析。應(yīng)用場景分析主要位于烏瑪高速公路A9標(biāo)段、A10標(biāo)段，其中A9標(biāo)段K165+200-K166+000段試驗(yàn)段左右兩側(cè)未布設(shè)“六帶一體”工程防護(hù)體系，觀測其在自然環(huán)境下沙丘形態(tài)演化和風(fēng)沙沉積分布區(qū)域，同時(shí)對比A10標(biāo)段K171+600-K172+600段左右兩側(cè)布設(shè)“六帶一體”工程防護(hù)體系下防沙、固沙效果，通過多組時(shí)間跨度的三維數(shù)字地形分析沙丘形態(tài)、沙丘變化、風(fēng)沙流向及流動(dòng)特征，用數(shù)字化技術(shù)支撐防護(hù)體系研究內(nèi)容。分析在順應(yīng)自然規(guī)律的沙丘形態(tài)下是否能固沙，不同防護(hù)體系下道路是否有阻沙現(xiàn)象，并根據(jù)數(shù)字分析結(jié)果提出合理的研究方案。

2.1 利用無人機(jī)對烏瑪高速沙漠段進(jìn)行監(jiān)測

選定兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)施監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為1年，利用無人機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，并對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理，疊加各時(shí)段影像圖并對圖斑進(jìn)行影像解譯，利用影像的變化情況，進(jìn)行沙丘移動(dòng)的監(jiān)測，觀測點(diǎn)范圍如表1所示。

表1 觀測點(diǎn)范圍

為保證監(jiān)測部分區(qū)域的精確性和時(shí)效性，需要在前期確定監(jiān)測范圍并保持前后一致性，在確定范圍后，生成對應(yīng)區(qū)域kml文件導(dǎo)入無人機(jī)的手簿中，在飛行前進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查及坐標(biāo)校正，利用無人機(jī)進(jìn)行沙漠區(qū)域影像數(shù)據(jù)采集。主要觀測指標(biāo)如表2所示。

表2 監(jiān)測內(nèi)容與指標(biāo)

2.2 影像數(shù)據(jù)處理

根據(jù)航測相關(guān)要求，對采集的沙漠影像數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理，范圍為2個(gè)觀測區(qū)域約2 km2。其中原始數(shù)據(jù)分辨率優(yōu)于2.0 m，嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)要求執(zhí)行，成果影像的時(shí)相、云量、對比度均較好，影像沒有壞行、缺帶、噪點(diǎn)和耀斑，鑲嵌影像接邊處過渡自然，無明顯鋸齒狀，整體色差適中，質(zhì)量符合要求。

圖5 航測影像數(shù)據(jù)

開展的工作主要包括基礎(chǔ)資料收集和處理、數(shù)字正射影像生產(chǎn)、三維地形模型建立、傾斜模型生成、數(shù)據(jù)整理等工作及數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及提交，主要技術(shù)要求如表3所示。

表3 主要技術(shù)要求

影像處理主要包括：影像校正、影像融合、影像輸出、影像裁剪。

（1）影像校正。影像校正是通過在相片選取之前所設(shè)置的控制點(diǎn)，通過刺點(diǎn)將影像進(jìn)行變形校正和投影改正，將影像進(jìn)行重采樣校正。

（2）幾何精校正。經(jīng)過幾何校正后，結(jié)合影像POS坐標(biāo)系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，進(jìn)行聯(lián)合平差，剔除影像中的異常數(shù)據(jù)，構(gòu)建TIN模型。

（3）影像融合。通過紋理映射關(guān)系，將獲取的圖像進(jìn)行融合生成具有高分辨率真彩色圖像輸出，有效提高沙漠特征的識(shí)別性。

（4）影像裁剪。拼接后的影像，根據(jù)邊界范圍進(jìn)行裁剪，生成最終成果。

2.3 工程防護(hù)對沙丘影響

借助ArcGIS軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)解譯，在解譯結(jié)果的基礎(chǔ)上，將采集到的觀測范圍內(nèi)的影像圖矢量化，通過解譯結(jié)果和空間疊加分析初步判斷沙丘移動(dòng)及防護(hù)在防沙中所起的作用，并給出相應(yīng)措施。

文章主要從沙丘的移動(dòng)方向和移動(dòng)速率兩個(gè)方面對工程防護(hù)效果評(píng)價(jià)，初步擬定兩種方式進(jìn)行影像圖解譯，一種是采用將影像轉(zhuǎn)灰度圖，通過圖像運(yùn)算，提取沙脊線，但此方法提取的沙脊線較零碎未形成一條完整的線性，不利于整體評(píng)價(jià)，故采用目視解譯在ArcGISs中進(jìn)行沙丘脊線的繪制。

（1）移動(dòng)方向。沙丘的移動(dòng)方向按照沙脊線基線的垂直方向進(jìn)行判定，格狀沙丘是新月形沙丘在次主風(fēng)和第三次主風(fēng)作用下的一種變形，因國內(nèi)外對格狀沙丘研究較少，對于沙丘的移動(dòng)方向和速率公式的確定，借鑒新月形沙丘速度的計(jì)算方法，即五點(diǎn)平均法，利用新月形沙丘上五個(gè)特征點(diǎn)移動(dòng)的平均值代替整個(gè)沙丘的移動(dòng)[7]。新月形沙丘的五個(gè)特征點(diǎn)分別為迎風(fēng)坡底(a)、背風(fēng)坡底(b)、沙丘頂點(diǎn)(c)、左翼角(d)和右翼角(e)，但由于風(fēng)向的改變，使得原先新月形沙丘的一翼進(jìn)行調(diào)整，在次主風(fēng)的持續(xù)作用下，格狀沙丘的副梁形成，主梁則由原先新月形沙丘的另一翼構(gòu)成，發(fā)育與形成情況如圖6所示；由于迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡坡角較新月形沙丘更小，坡底界線不明顯，因此可選取主副梁交點(diǎn)、主梁翼角和副梁翼角三個(gè)特征點(diǎn)作為速率與方向的控制點(diǎn)，進(jìn)行移動(dòng)計(jì)算，即將五點(diǎn)平均法簡化為三點(diǎn)平均法，新月形沙丘平均移動(dòng)方向?yàn)椋?/p>

圖6 格狀沙丘的發(fā)育與形成

式中：θi表示i點(diǎn)的移動(dòng)方向。

（2）移動(dòng)速率。沙丘的移動(dòng)速率參照移動(dòng)方向，通過三點(diǎn)平均法進(jìn)行計(jì)算，即在沙丘上選擇三個(gè)特征控制點(diǎn)，分別計(jì)算其移動(dòng)距離，然后對5個(gè)點(diǎn)的距離求平均，進(jìn)而計(jì)算單個(gè)沙丘的移動(dòng)距離；若沙丘為典型的新月形沙丘，則可以通過沙丘的移動(dòng)速率等于其背風(fēng)坡坡腳線的移動(dòng)速率進(jìn)行計(jì)算[8]，如下式：

式中：Di表示 i 點(diǎn)的移動(dòng)距離；t表示兩期影像的時(shí)間間隔，單位為年。

圖7 格狀沙丘的移動(dòng)影像對比

（3）觀測結(jié)果。根據(jù)沙丘脊線采樣區(qū)與廊道的相對位置和研究區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向，將廊道西北側(cè)沙丘稱為迎風(fēng)側(cè)沙丘、東南側(cè)稱為背風(fēng)側(cè)沙丘，共兩個(gè)沙脊線采集樣區(qū)。采樣區(qū)范圍包括防護(hù)體系內(nèi)（路基至路基邊緣200 m）與防護(hù)體系外（與路基邊緣距離＞200 m）兩部分沙丘。文章首先對迎風(fēng)側(cè)沙丘進(jìn)行分析，探究沙丘距離公路主體不同遠(yuǎn)近對沙丘移動(dòng)速率的影響程度；其次選取與公路主體距離固定的沙丘區(qū)域，對此區(qū)域迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)沙丘的移動(dòng)方向與移動(dòng)速率進(jìn)行分析。

圖8 影像處理分析圖

沙丘移動(dòng)速率匯總?cè)绫?所示，背風(fēng)側(cè)有防護(hù)和迎風(fēng)側(cè)有防護(hù)沙丘移動(dòng)速率的方差相對于背風(fēng)側(cè)無防護(hù)和迎風(fēng)側(cè)無防護(hù)的沙丘移動(dòng)速率的方差較小，方差越低說明同區(qū)域不同沙丘之間速率的差異越小，防護(hù)效果越穩(wěn)定；對于無防護(hù)體系的迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)沙丘，其移動(dòng)速率的方差較大，雖然在廊道修建中其速率的降幅防護(hù)體系的沙丘，但均有略微降低，說明公路主體對沿線沙丘的移動(dòng)速率有一定的減緩作用，若在公路廊道的修建過程中，對道路兩側(cè)設(shè)置合理的風(fēng)沙防護(hù)體系，對迎風(fēng)側(cè)采取更全面的防護(hù)措施，那么將會(huì)對沙丘的移動(dòng)減緩與阻隔效果更加明顯，使得沙丘在工程建設(shè)中的移動(dòng)速率進(jìn)一步降低。

表4 沙丘移動(dòng)速率匯總表

通過對沙漠公路兩側(cè)防護(hù)體系的觀測研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)置防護(hù)的區(qū)域能夠有效降低沙丘移動(dòng)速率，防止風(fēng)沙上路掩埋路基，另外結(jié)合觀測的結(jié)果提醒道路養(yǎng)護(hù)部門及時(shí)關(guān)注重點(diǎn)區(qū)域的積沙清理，避免風(fēng)沙的堆積掩埋。

3 結(jié)語

（1）依靠本次的航測數(shù)據(jù)構(gòu)建沙漠公路數(shù)字場景，為沙漠區(qū)域的防護(hù)評(píng)價(jià)及觀測沙丘移動(dòng)提供了一種新的技術(shù)手段，降低人工觀測難度。

（2）通過影像對比分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有防護(hù)體系能夠有效減緩沙丘移動(dòng)，避免路基被沙埋。本次主要對設(shè)置防護(hù)和不設(shè)置防護(hù)段進(jìn)行了分析，在后續(xù)的觀測中應(yīng)加入其他影響因素，構(gòu)建一個(gè)相對全面的防沙評(píng)價(jià)體系。

（3）基于沙漠?dāng)?shù)字化場景還可以進(jìn)行沙漠水文分析，由于常規(guī)的模擬僅是一個(gè)簡單的水平面位移及匯流的過程，未考慮沙漠的滲透、植被、沙漠特性等影響因素，所以在數(shù)字化場景應(yīng)用中還應(yīng)充分考慮以上因素。

（4）此次在影像處理過程中由于提取的沙脊線未形成一個(gè)理想的線條狀圖形，且未能有效剔除零碎線段的干擾，在今后需尋找一種新的方式去進(jìn)行影像處理，實(shí)現(xiàn)影像自動(dòng)化提取分析。