肖梅萍

（福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福建 福州 350011）

0 引言

福建省位于我國(guó)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(chǎng)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(cè)多以人工現(xiàn)場(chǎng)勘察為主，而人工現(xiàn)場(chǎng)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(cè)、過(guò)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(lái)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(lái)還原現(xiàn)場(chǎng)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(cè)中的工藝過(guò)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(wú)人機(jī)搭載4 500萬(wàn)像素的大疆P1型數(shù)碼攝影機(jī)進(jìn)行低空航拍。該無(wú)人機(jī)的最大起降速度為5 m/s，最大空載速度不超過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)30 m；在相同航線上，最小航程的落差不能超過(guò)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(guò)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(guò)漏洞以外的兩條基線。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程

傾斜攝影的測(cè)量主要包括5個(gè)方面。①對(duì)無(wú)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(cè)量。③生成立體模型。④DSM從密集匹配中生成。⑤三維場(chǎng)景的建立和DOM的生成。具體工作流程見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)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(wú)人機(jī)是一架傾斜式攝影無(wú)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(lái)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(jiǎn)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(guò)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(lái)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(guò)Block文件將圖像和控制點(diǎn)導(dǎo)入到測(cè)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(lái)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(wú)人機(jī)資料。在同一測(cè)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(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行絕對(duì)方位測(cè)量。在人工插入測(cè)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(guò)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(cè)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(guò)無(wú)人機(jī)外業(yè)來(lái)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(jiàn)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(wú)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(lái)決定，而DEM所提供的地形復(fù)雜度描述也會(huì)變得越來(lái)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(guò)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(cè)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(shì)，為地災(zāi)點(diǎn)監(jiān)測(cè)提供了直觀真實(shí)的三維模型，見(jiàn)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(cè)危巖。為了獲得清晰的側(cè)面紋理，先通過(guò)拍攝對(duì)象來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)度和面積對(duì)三類危巖的堆填量、長(zhǎng)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(jiàn)表1。

表1 危巖體量測(cè)數(shù)據(jù)表

3.2 傾斜攝影在危巖地貌測(cè)量的應(yīng)用

30 min內(nèi)無(wú)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(wú)須現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(guò)對(duì)危險(xiǎn)巖體的地貌進(jìn)行三維測(cè)量，能快速探測(cè)出危巖的三維地貌。在危巖治理方面，可為施工現(xiàn)場(chǎng)的土石方提供參考，用來(lái)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(chǎng)，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(yǔ)

傾斜攝影技術(shù)作為一種新興的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(guó)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(cè)、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(zhǎng)，尤其是橫向交叉率高。如果超過(guò)80%，則要用更多的時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)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。