王偉力，唐 偉，滕俊豪，馬伶俐，王本帥，白云波

（1.四川省地震局地殼形變觀測(cè)中心，四川 雅安 6250002；2.四川正維空間科技繪有限公司，四川 成都 610046）

四川地區(qū)跨斷層形變測(cè)量始于20 世紀(jì)70 年代，跨斷層觀測(cè)資料在年度地震危險(xiǎn)區(qū)判定和震情跟蹤實(shí)踐中發(fā)揮著重要的作用（杜方等，2010；蘇琴等，2014）。跨斷層場(chǎng)地簡(jiǎn)圖包含了基本的地形、地物等位置信息，多年來(lái)廣泛應(yīng)用于異常核實(shí)、震情會(huì)商等工作中。李菲菲等（2019）利用免費(fèi)數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)及制圖軟件，繪制了四川境內(nèi)的跨斷層形變場(chǎng)地簡(jiǎn)圖28 幅。但是基于免費(fèi)影像提取的地理信息精度較低、時(shí)效性滯后，僅能滿足展示需要。在四川耿達(dá)、溝普等多次跨斷層形變異常核實(shí)工作中，這些簡(jiǎn)圖難以定性、定量地描述異常發(fā)生前后地形、地物等重要環(huán)境變化情況。隨著無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的普及和高速發(fā)展，快速獲取高精度和高分辨率的地形地貌數(shù)據(jù)已成為一種重要的技術(shù)手段（艾明等，2018）。以大疆DJI 等為代表的民用微型無(wú)人機(jī)也逐步用于震后考察（付博等，2018）；野外地質(zhì)調(diào)查中利用DEM 和DOM（Digital Orthophot Map，數(shù)字正攝影像）提取沖擊扇面構(gòu)造發(fā)育信息（高帥坡等，2017）。與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量具有快速高效、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低等特點(diǎn)，能夠快速獲取包括高精度的場(chǎng)地地形圖、高分辨率正射影像在內(nèi)的眾多地理信息產(chǎn)品，從而定性、定量地描述施工影響、覆蓋層變化、地表徑流等環(huán)境變化，為異常核實(shí)、有限元模型構(gòu)建、智能會(huì)商系統(tǒng)搭建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。本文選取蝦拉沱跨斷層綜合觀測(cè)場(chǎng)地作為研究對(duì)象，在免除地面像控點(diǎn)的情況下，利用RTK 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量快速繪制跨斷層場(chǎng)地準(zhǔn)確地形圖，并利用跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)作為檢核評(píng)定攝影測(cè)量精度，為規(guī)?；咝ЮL制跨斷層場(chǎng)地圖提供解決方案。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影與數(shù)據(jù)處理

1.1 免像控傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體完整準(zhǔn)確信息的測(cè)繪技術(shù)。在傳統(tǒng)的航攝測(cè)量中，野外像控點(diǎn)布設(shè)需要大量的人力和物力。如果遇到山區(qū)、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等特殊狀況，工作人員則不能順利進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)像控點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致必須降低測(cè)繪精度。另外航攝精度和質(zhì)量受到飛行狀態(tài)、天氣、內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)等原因影響較大。針對(duì)這些問(wèn)題，提出了將RTK（Real-time Kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）模塊融入無(wú)人機(jī)航攝的免像控?cái)z影測(cè)量技術(shù)（范秀慶，2017）。無(wú)人機(jī)同時(shí)配備動(dòng)態(tài)差分定位和慣性測(cè)量單元，野外航攝影像自帶實(shí)時(shí)坐標(biāo)和姿態(tài)信息（POS 數(shù)據(jù)），內(nèi)業(yè)處理時(shí)根據(jù)高精度POS 數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)影像，能夠免除地面控制點(diǎn)布測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)免像控測(cè)量和低空航攝，大大提高航攝作業(yè)效率和成果質(zhì)量（趙元，2018）。

1.2 技術(shù)流程和基準(zhǔn)

采用深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司研發(fā)的大疆經(jīng)緯（M300 RTK）無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)（賽爾102S），采集跨斷層場(chǎng)地的傾斜攝影影像，能夠同時(shí)從垂直方向及前、后、左、右不同角度采集地物影像數(shù)據(jù)（劉旭，2021），無(wú)人機(jī)有效載荷為2.7 kg，航時(shí)達(dá)55 min，升限海拔為5 km，控制方式為全自動(dòng)起飛降落式，RTK 水平精度為1 cm±1 ppm，RTK 垂直精度為1.5 cm±1 ppm，像素為1.2 億，像元為3.9 μm，相機(jī)焦距為35 mm。機(jī)載網(wǎng)絡(luò)RTK 實(shí)時(shí)差分定位水平定位精度達(dá)到1 cm，5 個(gè)相機(jī)獨(dú)立采集記錄POS 數(shù)據(jù)，免除傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量時(shí)地面像控點(diǎn)布設(shè)，其技術(shù)流程見圖1。

圖1 技術(shù)流程圖

傾斜攝影測(cè)量基準(zhǔn)：（1）航攝地面分辨率取2 cm，影像成果數(shù)據(jù)滿足高精度建模和大比例尺地形圖要求。（2）投影方式采用高斯-克呂格3°帶投影，中央子午線為102°E；平面坐標(biāo)采用CGCS2000 坐標(biāo)系。（3）高程基準(zhǔn)采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。外業(yè)施測(cè)和精度要求嚴(yán)格按照GB／T 15967—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》及GB／T 14912—2005《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 外業(yè)數(shù)字測(cè)圖技術(shù)規(guī)程》要求。

1.3 航線規(guī)劃和航攝

航攝區(qū)位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域，無(wú)人機(jī)飛行高度小于1 000 m，屬于開放空域，附近沒(méi)有軍事區(qū)域，不在機(jī)場(chǎng)空域或民航航路上，飛行空域情況良好。由相似三角形關(guān)系得出相對(duì)航高H 計(jì)算公式（王佩軍等，2010）：

式中：a為配備的五鏡頭傾斜攝影相機(jī)像元大小，f為鏡頭焦距，G為地面分辨率，表示屏幕上一個(gè)像素所代表的實(shí)際地面距離。根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算出相對(duì)航高應(yīng)小于180 m。航攝核心區(qū)域西南方向地形起伏較大，根據(jù)研究區(qū)地形條件、航區(qū)影像用途，在遵循節(jié)約時(shí)間、控制成本、提高效率的原則下（李軍等，2020），共規(guī)劃3個(gè)作業(yè)區(qū)采用仿地飛行模式航攝，核心區(qū)設(shè)置相對(duì)航高為50 m，西南山地區(qū)域飛行條件復(fù)雜，設(shè)置相對(duì)航高為150 m。航線規(guī)劃主要步驟：制作航飛區(qū)域范圍KML文件導(dǎo)入飛行控制器，無(wú)人機(jī)根據(jù)劃定的范圍生成任務(wù)航線，再設(shè)置航攝參數(shù)、調(diào)整區(qū)域范圍。

依據(jù)規(guī)范要求航向重疊（60%～80%，最小53%）、旁向重疊（15%～60%，最小8%）。為保證圖像精度和質(zhì)量，設(shè)置旁向重疊度為 70%，航向重疊度為 80%。分別以場(chǎng)地東北大面積草地、西南半山平臺(tái)地為起降場(chǎng)地，全程航飛8 架次，飛行時(shí)間約150 min，獲取影像4 212×5 張。檢查影像質(zhì)量較好，航攝區(qū)域完整，無(wú)漏測(cè)情況，無(wú)需補(bǔ)測(cè)。

1.4 空中三角測(cè)量

內(nèi)業(yè)處理采用大疆智圖DJI terra 軟件一體化產(chǎn)出二維正射影像，自動(dòng)重建三維數(shù)字地表模型（Digital Surface Model，DSM）。傾斜攝影空中三角測(cè)量采用POS 數(shù)據(jù)輔助空三解算，POS 數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)條件，用來(lái)約束空三平差。通常情況下，大疆智圖進(jìn)行空三處理時(shí)，推薦開啟影像POS 約束。空三解算時(shí)將有RTK 固定解的照片當(dāng)作控制約束來(lái)使用?？杖K經(jīng)過(guò)提取特征點(diǎn)、提取同名像對(duì)、相對(duì)定向、匹配連接點(diǎn)、光束法區(qū)域網(wǎng)平差等步驟的運(yùn)算處理（何敏等，2021），為提高空中三角測(cè)量成果的精度，可以使用軟件對(duì)攝區(qū)進(jìn)行二次空三運(yùn)算，最終得到更精確的空三成果，獲得蝦拉沱場(chǎng)地正射影像，見圖2。根據(jù)空三密集匹配生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，軟件會(huì)自動(dòng)匹配出密集的三角網(wǎng)，并對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)紋理貼圖，建立DSM 模型。相較傳統(tǒng)測(cè)繪手段，利用無(wú)人機(jī)能快速采集包括地形、地物在內(nèi)的地理信息以及地表紋理信息（蔡嘉倫等，2022）。

圖2 蝦拉沱場(chǎng)地正射影像

2 跨斷層場(chǎng)地圖繪制與精度評(píng)價(jià)

2.1 跨斷層場(chǎng)地概況

選擇鮮水河斷裂帶北段的蝦拉沱跨斷層綜合觀測(cè)場(chǎng)地為研究對(duì)象，無(wú)人機(jī)傾斜攝影范圍覆蓋整個(gè)場(chǎng)地，并外擴(kuò)500 m 左右。蝦拉沱場(chǎng)地布設(shè)于1973 年2 月，最初設(shè)A、B、C 三點(diǎn)開展跨斷層定點(diǎn)水準(zhǔn)、基線監(jiān)測(cè)。于1976、1983、2015 年進(jìn)行了優(yōu)化改造，形成了由D、E、F、G 四點(diǎn)組成的跨斷層形變觀測(cè)系統(tǒng)，包含4 條水準(zhǔn)測(cè)段和1 個(gè)測(cè)距網(wǎng)。2020 年經(jīng)論證后改為每月1 期流動(dòng)觀測(cè)。蝦拉沱場(chǎng)地位于川西高原地區(qū)，海拔高度約3 100 m，吉絨溝和G317 線穿過(guò)場(chǎng)地核心區(qū)，周邊分布有民居、爐霍地震遺址、加油站等低層建筑，西南為山地,落差較大，東面為大面積開闊地。鮮水河斷裂呈NW 走向展布于山前蝦拉沱盆地邊緣，斷層形跡較清晰，地震遺址內(nèi)的紀(jì)念碑中心位置即為地表破裂通過(guò)的地方。

2.2 跨斷層場(chǎng)地圖繪制

爐霍地震后，在蝦拉沱修建了跨越斷裂帶上下盤的爐霍地震紀(jì)念碑亭，因此結(jié)合碑亭影像解譯斷裂走向，獲取該處精確的鮮水河斷裂帶走向坐標(biāo)。在Global Mapper 軟件中進(jìn)行三維裸眼刺圖采集場(chǎng)地上重要的地形、地物要素，獲得跨斷層場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)及重要地物坐標(biāo)，見表1。地物類別采用2 個(gè)英文首字母縮寫加點(diǎn)號(hào)進(jìn)行編碼，各類地物、地貌要素的標(biāo)識(shí)和取舍符合圖示要求。

表1 跨斷層場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)及地物坐標(biāo)表

受地表植被覆蓋影響，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的高程存在粗差，尤其對(duì)地貌繪制影響較大。剔除植被對(duì)高程影響的具體步驟如下：①獲取真實(shí)地表點(diǎn)云在GM 軟件中打開數(shù)字地表模型，導(dǎo)出圖形到新文件，轉(zhuǎn)為“Lidar LAS File”雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；②將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地面點(diǎn)自動(dòng)分類，設(shè)置分類間距為0.3 m；③導(dǎo)入正射影像，檢查房屋、植被等自動(dòng)分類情況，對(duì)未能自動(dòng)分類的點(diǎn)云進(jìn)行手動(dòng)分類；④使用“地形繪制”自動(dòng)修補(bǔ)地面；⑤按10 倍抽稀點(diǎn)云后，保存為高程點(diǎn)，生成準(zhǔn)確的地形等高線。在CASS 9.1 系統(tǒng)中成圖，獲得蝦拉沱場(chǎng)地1∶1 000 地圖（圖3）。與此前繪制的場(chǎng)地簡(jiǎn)圖比較，該圖地形表達(dá)更清晰，地物繪制更全面。此前簡(jiǎn)圖漏繪的水準(zhǔn)過(guò)渡點(diǎn)、準(zhǔn)直陣墩、電力線、加油站等重要地物全部上圖。

圖3 1∶1 000 蝦拉沱跨斷層場(chǎng)地地形圖

2.3 精度評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)攝影測(cè)量精度是航攝項(xiàng)目的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通常采用傳統(tǒng)的測(cè)繪手段實(shí)地采集地形、地物點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行檢核，以此評(píng)定攝影測(cè)量精度。該方法檢核精度較高，但需要投入大量的人力物力，適用于大規(guī)模的航攝項(xiàng)目。蝦拉沱跨斷層場(chǎng)地是水準(zhǔn)、測(cè)距綜合觀測(cè)場(chǎng)地，具有毫米級(jí)的多期高精度跨斷層觀測(cè)資料，將其中跨斷層測(cè)距邊長(zhǎng)成果、墩面高差成果作為檢核條件評(píng)定本次傾斜攝影測(cè)量精度。

（1）邊長(zhǎng)精度評(píng)定

場(chǎng)地測(cè)距邊長(zhǎng)均不足1 km，因此地球曲率和投影變形的影響可忽略不計(jì)。設(shè)兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)為A（x1，y1）、B（x2，y2），A、B 兩點(diǎn)之間的平距則為：

根據(jù)真誤差計(jì)算中誤差公式：

式中：m為中誤差，Δ為邊長(zhǎng)或高差的不符值，n為測(cè)邊數(shù)。由式（2）計(jì)算航攝成果中監(jiān)測(cè)墩點(diǎn)的基線長(zhǎng)度，利用跨斷層觀測(cè)的基線邊成果檢核，由式（3）計(jì)算測(cè)邊中誤差評(píng)定航攝成果質(zhì)量，見表2。

表2 傾斜攝影測(cè)量邊長(zhǎng)成果精度評(píng)定表

可見，D-G、G-E 測(cè)邊傾斜攝影測(cè)量結(jié)果與精確測(cè)距結(jié)果偏差較大，最大達(dá)-0.0647 9 m，其它測(cè)邊結(jié)果偏差較小。6 條測(cè)距邊攝影測(cè)量的邊長(zhǎng)中誤差為±0.037 m，達(dá)到大比例尺數(shù)字化測(cè)圖相關(guān)規(guī)范中地物點(diǎn)間距中誤差的要求，規(guī)范要求城市地區(qū)為±0.12 m。傾斜攝影測(cè)量獲取邊長(zhǎng)成果達(dá)到厘米級(jí)精度。

（2）垂直（高差）精度評(píng)定

根據(jù)已有的墩面高差數(shù)據(jù)評(píng)定各測(cè)距點(diǎn)（墩）間的高差精度。由各點(diǎn)高程值計(jì)算各段高差與墩面高差進(jìn)行比較，由式（3）計(jì)算中誤差，評(píng)定成果質(zhì)量，結(jié)果見表3。

表3 傾斜攝影測(cè)量垂直成果精度評(píng)定表

可見，傾斜攝影測(cè)量獲取高差與精確墩面高差比較，最大為G-D 測(cè)段，達(dá)0.069 48 m。由真誤差計(jì)算中誤差公式計(jì)算的高差中誤差為±0.047 m。傾斜攝影測(cè)量獲取點(diǎn)位高差成果達(dá)到厘米級(jí)精度。

3 結(jié)論

為研究無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量快速繪制精確的跨斷層場(chǎng)地圖的可行性，選擇大疆RTK 無(wú)人接進(jìn)行野外免像控的傾斜攝影，使用內(nèi)業(yè)測(cè)繪軟件快速獲取蝦拉沱場(chǎng)地正射影像和準(zhǔn)確的地形圖，以及測(cè)點(diǎn)等重要地物的精確地理坐標(biāo)信息。在精度評(píng)定上，利用蝦拉沱跨斷層場(chǎng)地傾斜攝影測(cè)量成果計(jì)算了測(cè)距邊長(zhǎng)和測(cè)段高差，與精確測(cè)距結(jié)果比較，6 條測(cè)距邊最大偏差達(dá)6.48 cm；與墩面高差結(jié)果比較，4 段高差成果最大偏差為6.95 cm，由真誤差計(jì)算中誤差公式計(jì)算的邊長(zhǎng)和高差中誤差均達(dá)到厘米級(jí)，符合繪制大比例尺地形圖的規(guī)范要求。本項(xiàng)目減少了傳統(tǒng)野外像控點(diǎn)施測(cè)作業(yè)，飛行時(shí)長(zhǎng)150 min 完成約0.3 km2傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，與傳統(tǒng)航攝項(xiàng)目相比，減少了像控作業(yè)時(shí)間和人員投入，提高了工作效率，可為快速繪制其它跨斷層場(chǎng)地圖提供技術(shù)參考。隨著無(wú)人機(jī)及攝影測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，快速獲取跨斷層場(chǎng)地的精細(xì)二維、三維模型將在異常核實(shí)、震情會(huì)商中發(fā)揮更大的作用。