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        無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

        2022-11-23 05:29:26肖梅萍
        河南科技 2022年20期
        關(guān)鍵詞:危巖控制點(diǎn)攝影

        肖梅萍

        (福建省地質(zhì)測繪院,福建 福州 350011)

        0 引言

        福建省位于我國東南沿海地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)。自2022年5月起,福建省遭遇多場暴雨,發(fā)生嚴(yán)重的滑坡、泥石流,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測多以人工現(xiàn)場勘察為主,而人工現(xiàn)場勘察不僅工作效率較低,還會(huì)影響預(yù)報(bào)精度[1]。為適應(yīng)福建省地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測、過程評(píng)價(jià)、災(zāi)后恢復(fù)等的需求,利用航空攝影、傾斜攝影等技術(shù)來采集地質(zhì)災(zāi)害隱患信息及周邊地域高分辨率航攝數(shù)據(jù),并制作地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域及周邊數(shù)字三維實(shí)景模型,以數(shù)字三維模型來還原現(xiàn)場景觀。本研究對(duì)傾斜攝影技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)監(jiān)測中的工藝過程及方法進(jìn)行探討,并對(duì)該技術(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        1 硬件設(shè)備及主要技術(shù)參數(shù)

        本研究以大疆M300 RTK四旋翼無人機(jī)搭載4 500萬像素的大疆P1型數(shù)碼攝影機(jī)進(jìn)行低空航拍。該無人機(jī)的最大起降速度為5 m/s,最大空載速度不超過13 m/s;常溫常壓下的負(fù)重為2.5 kg,使用壽命大約為40 min。無人機(jī)采用35 mm全幅面的Exmor R CMOS背照?qǐng)D像感應(yīng)器。通常情況下,航線的重疊率應(yīng)為60%~90%,最低不得低于53%;側(cè)向重疊度一般為15%~60%,最低不得低于8%;鏡片傾斜角度不大于12°,最大不大于15°;像片的旋轉(zhuǎn)角度不大于15°,最大不大于25°;不能同時(shí)使像片傾斜角度和像片旋轉(zhuǎn)角度最大;航向不低于兩條基準(zhǔn)線的范圍,或至少有兩個(gè)以上的交界圖像;側(cè)向覆蓋超過攝區(qū)邊界一般不低于50%,在不影響圖像設(shè)置和內(nèi)部加密的前提下,其側(cè)向覆蓋可超過攝區(qū)邊界的30%。在相同航線上,兩個(gè)相鄰影像的高度差不能超過30 m;在相同航線上,最小航程的落差不能超過50 m[2]。航拍區(qū)域的實(shí)際高度和設(shè)計(jì)的高度之差不超過50 m;對(duì)航拍執(zhí)行中發(fā)現(xiàn)的相對(duì)空隙和絕對(duì)空洞,要使用同一型號(hào)攝影機(jī)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)攝,補(bǔ)攝航跡的兩個(gè)端點(diǎn)不能超過漏洞以外的兩條基線。

        2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)流程

        傾斜攝影的測量主要包括5個(gè)方面。①對(duì)無人機(jī)傾斜的相關(guān)資料進(jìn)行高精度采集。②在空中三個(gè)絕對(duì)方向上進(jìn)行像控測量。③生成立體模型。④DSM從密集匹配中生成。⑤三維場景的建立和DOM的生成。具體工作流程見圖1。

        圖1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)流程

        2.1 數(shù)據(jù)的獲取

        目前,危巖體航空攝影技術(shù)已有很大進(jìn)步,各類操作模式和數(shù)據(jù)處理也日趨完善。四旋翼無人機(jī)是一架傾斜式攝影無人機(jī),相機(jī)焦距為35 mm,像元尺寸為4.4μm,影像的地面分辨率要求基準(zhǔn)面為0.08 m,最低點(diǎn)不低于0.1 m。

        2.2 三維建模生產(chǎn)

        本研究先將飛機(jī)的傾斜影像和地面控制點(diǎn)信息輸入到計(jì)算機(jī)的自動(dòng)建模軟件中,利用Capture 3D軟件和GPU的3D圖形運(yùn)算軟件來完成一系列的數(shù)據(jù)處理。再對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行控制和校正,從而實(shí)現(xiàn)從一個(gè)簡單的圖像到一個(gè)真正的三維圖像的轉(zhuǎn)換[3]。圖2為一個(gè)特定的3D模型生產(chǎn)過程。

        圖2 三維建模生產(chǎn)流程

        2.2.1 新建工程。在將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Capture 3D軟件前,首先要將圖像數(shù)據(jù)(圖像)、曝光點(diǎn)坐標(biāo)(粗糙POS)、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)(ControlPoints)等進(jìn)行導(dǎo)入。在Block文件的末尾,把一個(gè)區(qū)塊文件導(dǎo)入到相應(yīng)的項(xiàng)目中,然后用Checkimagefiles函數(shù)來檢查文件是否導(dǎo)入,導(dǎo)入成功后進(jìn)行下一步。否則,資料和文件會(huì)被檢查,直到被證實(shí)。

        2.2.2 自動(dòng)化空三加密和多視影像聯(lián)合平差。在Acute3D Capture軟件的自動(dòng)化模型中,通過Block文件將圖像和控制點(diǎn)導(dǎo)入到測區(qū),然后用人工的方式將二者進(jìn)行關(guān)聯(lián),利用光束技術(shù)來實(shí)現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的一體化[4]。以一幅圖像構(gòu)成的光束為平差單元,基于中心投影的共線方程,利用光束在空間上的轉(zhuǎn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)最佳的相交。在控制點(diǎn)坐標(biāo)系中引入全局域,用于恢復(fù)物體間的空間位置關(guān)系。同時(shí),系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)需要,自動(dòng)生成相應(yīng)的無人機(jī)資料。在同一測區(qū),為確保各相位能準(zhǔn)確到達(dá)控制點(diǎn),必須保證4個(gè)以上的測點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行絕對(duì)方位測量。在人工插入測點(diǎn)后,選擇控制點(diǎn)標(biāo)識(shí),實(shí)現(xiàn)3次自動(dòng)加密。在平差結(jié)束后,在EditControlPoints中將檢查點(diǎn)和控制點(diǎn)用不同色彩進(jìn)行標(biāo)注,然后輸出總校正報(bào)告(ATReport.Html),該報(bào)告會(huì)顯示控制點(diǎn)和所有的空三平差之間的前后偏差。修改完成后,可在EditControlPoints接口上看到所有的控制點(diǎn)錯(cuò)誤,偏差低于3個(gè)像素即空三精度合格;若偏差超過3個(gè)像素,應(yīng)對(duì)全部檢查點(diǎn)及控制點(diǎn)進(jìn)行檢查,修正完畢后才能進(jìn)行改正。基于修改后的結(jié)果,決定是否繼續(xù)下一步。

        2.2.3 影像密集匹配。利用SIFT特征密度匹配技術(shù)對(duì)傾斜圖像進(jìn)行密集匹配,具有以下5個(gè)特點(diǎn):①構(gòu)造高斯卷積核與圖像金字塔;②檢測標(biāo)度空間極限,將DOG尺度空間本層及其相鄰的26個(gè)區(qū)域中的最大或最小化,消除對(duì)比度較低的臨界點(diǎn)和非穩(wěn)定邊界反應(yīng)點(diǎn);③對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行主方向的計(jì)算;④產(chǎn)生128個(gè)維度的關(guān)鍵點(diǎn)描述;⑤SIFT匹配,利用歐氏距離法進(jìn)行特征點(diǎn)的匹配,該算法能實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中名字相似點(diǎn)的匹配,并進(jìn)一步提取特征點(diǎn),從而產(chǎn)生更多的點(diǎn)云,能更準(zhǔn)確地展示出更多的細(xì)節(jié)[5]。

        2.2.4 紋理映射。通過無人機(jī)外業(yè)來采集特征點(diǎn),使用軟件圖像自動(dòng)化的密集比對(duì),優(yōu)化處理后形成最接近實(shí)際的影像圖件,實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的初始模型和多角度多幅影像的紋理映射。

        2.3 三維成果輸出

        2.3.1 DSM/DEM生成。數(shù)字曲面模型是指將平面坐標(biāo)(X、Y)和高度(Z)分別用規(guī)則格網(wǎng)或不規(guī)則三角形網(wǎng)格(TIN)進(jìn)行離散,并以微縮的方式覆蓋在地表外的地形高度,見圖3(a),可找到微小的中空斑點(diǎn)。這是因邊坡上的圖像不夠充分,無法與對(duì)應(yīng)的重物點(diǎn)匹配,可采用插值法進(jìn)行重建。DEM的精度由取樣的方式和網(wǎng)孔的大小來決定,而DEM所提供的地形復(fù)雜度描述也會(huì)變得越來越粗糙,且會(huì)造成更多的細(xì)節(jié)丟失。利用1:50 000 DEM(分辨率為25 m×25 m)的基準(zhǔn)資料對(duì)壽寧縣滑坡進(jìn)行截?cái)?,然后利用相關(guān)插值算法對(duì)高程進(jìn)行加密,雖能得到更高的格網(wǎng)DEM,但如果對(duì)分辨率較低的網(wǎng)格進(jìn)行插值,則會(huì)導(dǎo)致DEM的準(zhǔn)確性降低,不能很好地反映壽寧縣滑坡的實(shí)際地形,也不利于后期的分析和應(yīng)用。采用傾斜攝影法得到的DSM(分辨率為0.14 m×0.14 m),經(jīng)濾波、自然鄰域插值算法和三次卷積再取樣,得到的DEM(分辨率為0.5 m×0.5 m)如圖3(b)所示。

        圖3 滑坡DSM和DEM模型

        2.3.2 DOM及三維模型生成。DOM既包含圖像的幾何信息,又包含圖像的特點(diǎn)。通過圖像的拼接,可獲得壽寧縣滑坡的完整DOM。在多視點(diǎn)密集匹配中,利用三維網(wǎng)格技術(shù)來生成不規(guī)則的三角形網(wǎng)格,然后利用紋理映射生成點(diǎn)云的三維立體模型(見圖4)。

        圖4 滑坡實(shí)景三維模型

        2.4 DOM數(shù)據(jù)微分糾正

        采用高密度DSM算法,可實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜圖像的偏移校正,得到真實(shí)的投影圖像(見圖5)。對(duì)分幅后的TDOM資料進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)不符合DOM精度的資料進(jìn)行人工修正,直至達(dá)到DOM成果要求。

        圖5 單幅TDOM數(shù)據(jù)示意圖

        3 三維數(shù)據(jù)在地災(zāi)監(jiān)測的應(yīng)用

        3.1 三維模型對(duì)比分析

        在制作完成三維數(shù)據(jù)后,與傳統(tǒng)的正向圖像疊加DEM法建立的偽三維模型相比,其具有很大的優(yōu)勢,為地災(zāi)點(diǎn)監(jiān)測提供了直觀真實(shí)的三維模型,見圖6、圖7。

        圖6 傾斜攝影模型

        圖7 正射影像+DEM模型

        在橫向上,垂直角透鏡為正射,與傳統(tǒng)的正射攝影一致,能直觀地反映出水平面的地形。在垂直方向上,由于相機(jī)存在前后和左角度的角度,傾斜攝影技術(shù)所建立的三維模型能真實(shí)地反映巖體的側(cè)面信息,也能多角度觀測危巖。為了獲得清晰的側(cè)面紋理,先通過拍攝對(duì)象來獲取對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征和紋理特征,然后進(jìn)行貼圖。這不僅會(huì)導(dǎo)致建模時(shí)間增長和費(fèi)用增高,還會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)和畸變紋理。利用點(diǎn)坐標(biāo)、長度和面積對(duì)三類危巖的堆填量、長度、高度進(jìn)行分析,得出三類危巖的點(diǎn)坐標(biāo)。地區(qū)數(shù)據(jù)見表1。

        表1 危巖體量測數(shù)據(jù)表

        3.2 傾斜攝影在危巖地貌測量的應(yīng)用

        30 min內(nèi)無人機(jī)拍攝到8.89 G的原始圖像,1個(gè)便攜式工作站在2 d內(nèi)完成207 MB的數(shù)據(jù)采集。該方法無須現(xiàn)場測量、攝影,以及后期貼圖等,節(jié)省了大量時(shí)間。例如,8 km2的立體模型,用傳統(tǒng)的人工方法,要20個(gè)工人工作60 d。而采用傾斜攝影技術(shù),則只需要2個(gè)工人工作1 d[6]。

        使用傾斜攝影技術(shù)所建立的三維模型能真實(shí)地反映出危巖的總體狀況,并能直觀地反映出危巖的位置、大小、范圍及周邊環(huán)境,以及危巖的實(shí)際狀況,從而實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控。

        通過對(duì)危險(xiǎn)巖體的地貌進(jìn)行三維測量,能快速探測出危巖的三維地貌。在危巖治理方面,可為施工現(xiàn)場的土石方提供參考,用來評(píng)估和展示災(zāi)害的影響范圍、強(qiáng)度等。另外,在災(zāi)害現(xiàn)場,特別是危巖區(qū),可利用三維模型技術(shù)對(duì)地形進(jìn)行仿真,能有效阻止事故的發(fā)生,極大提高工作效率。

        4 結(jié)語

        傾斜攝影技術(shù)作為一種新興的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù),因其優(yōu)越性,在地質(zhì)災(zāi)害信息采集中有著舉足輕重的地位。隨著國土資源普查的精細(xì)化、高效化、標(biāo)準(zhǔn)化,地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、災(zāi)害評(píng)價(jià)等工作已有很大的進(jìn)展。例如,由于地面物體的干擾,尤其是影子的阻擋,使圖像表面的紋理產(chǎn)生空洞,要用軟件進(jìn)行貼圖、補(bǔ)孔等,這就導(dǎo)致工作量增加。與常規(guī)的正射圖像航飛比較,傾斜攝影技術(shù)一次曝光需要5個(gè)不同角度,飛行時(shí)間長,尤其是橫向交叉率高。如果超過80%,則要用更多的時(shí)間。現(xiàn)場測試結(jié)果顯示,該工程的整體模型精度在0.5 m以上,而平面在0.2 m以上。目前,采用傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的三維模型多為地震顯示,對(duì)今后的應(yīng)用不甚了解,有待深入研究。

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