摘 要：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)因其效率高和操作性強(qiáng)等特點(diǎn)在地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。2023年7月，受臺(tái)風(fēng)杜蘇芮殘余環(huán)流影響，北京市出現(xiàn)災(zāi)害性特大暴雨天氣，門(mén)頭溝區(qū)短時(shí)暴雨引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害。基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，以門(mén)頭溝區(qū)小龍門(mén)村為例，構(gòu)建三維實(shí)景模型，分析暴雨前后地質(zhì)災(zāi)害的特征。實(shí)踐證明，基于構(gòu)建的三維實(shí)景模型，能夠快速了解受災(zāi)區(qū)域的實(shí)際情況，滿(mǎn)足地質(zhì)災(zāi)害快速調(diào)查工作的任務(wù)要求。根據(jù)門(mén)頭溝區(qū)小龍門(mén)村實(shí)景三維模型信息，快速掌握北京“23·7”特大暴雨前后地形地貌變化及地質(zhì)災(zāi)害情況，大大提高災(zāi)害處置效率，助力實(shí)景三維模型在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；傾斜攝影；地質(zhì)災(zāi)害；北京“23·7”暴雨

Application of UAV oblique photogrammetry in surveys of geo-hazard caused by “23·7” heavy rain in Beijing

GUI Weizhen1， LIU Yang2， XU Qiang3

（1.Beijing Polytechnic College. Beijing 100042，China;

2.Shandong "Water Conservancy Vocational College， Rizhao 276826， Shandong， China;

3.Shandong Geological Surveying and Mapping Co.， Ltd.， Jinan 250001， Shandong， China）

Abstract： The oblique photogrammetry technology of UAV （unmanned aerial vehicle） is widely used in geological hazard surveys because of its high efficiency and strong operability. A severe heavy rain hit Beijing in July 2023 under the influence of the residual circulation of Typhoon Du Suri. Geological disasters occurred in Mentougou District due to the short-term heavy rain. Based on the UAV oblique photography technology， this paper takes Xiaolongmen Village in Mentougou District as a case to build a 3D real scene model to analyze the characteristics of geological disasters before and after heavy rainfall. The results prove that the 3D reality model can quickly understand the actual situation of the disaster area and meet the task requirements of the rapid geological disaster investigation. It can quickly master the topographic and geomorphologic changes and geological disasters before and after the heavy rain in Beijing， greatly improve the efficiency of disaster reduction， and help the application of 3D model in geological disaster investigation and monitoring.

Keywords： unmanned aerial vehicle; oblique photogrammetry; geological hazard; “23·7” heavy rain in Beijing

隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)對(duì)邊坡進(jìn)行攝影并構(gòu)建三維實(shí)景模型，高效獲取邊坡真實(shí)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害快速調(diào)查及監(jiān)測(cè)具有重要應(yīng)用價(jià)值。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高還原度的地物三維建模，直觀獲取地形地貌的圖像及數(shù)據(jù)資料，相比傳統(tǒng)調(diào)查手段，具有價(jià)格低廉、非接觸式測(cè)量、普適性強(qiáng)且操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)（許強(qiáng)等，2019；王宇昊等，2023；邱錦安等，2022）。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量并構(gòu)建目標(biāo)物的三維模型，在許多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如數(shù)字城市建設(shè)（李鎮(zhèn)洲等，2012）、建筑信息管理（臧偉等，2016）和古建筑保護(hù)（陳斯亮，2017）等。Zhao等（2021）利用傾斜攝影生成含有不同壩點(diǎn)云的三維模型，比較驗(yàn)證其模型精度，并對(duì)生成的距離云圖開(kāi)展誤差評(píng)估。趙博等（2021）在開(kāi)展北京市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查過(guò)程中，利用傾斜攝影技術(shù)建立了高精細(xì)三維模型。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)能夠有效地獲取高陡邊坡中的巖體結(jié)構(gòu)面特征，以此構(gòu)建三維邊坡結(jié)構(gòu)模型，為崩塌等地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)（葉震等，2020）。此外，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的三維實(shí)景模型，結(jié)合Rockfall和CAD等軟件，可快速評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性或危巖體落石等的運(yùn)動(dòng)特性（賀鵬等，2021）。

北京市地質(zhì)災(zāi)害主要集中在遠(yuǎn)郊山區(qū)。北京山區(qū)面積占比超過(guò)六成，受地質(zhì)條件復(fù)雜、斷裂構(gòu)造發(fā)育、降水時(shí)空分布不均以及人類(lèi)工程活動(dòng)頻繁等影響，地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育，具有規(guī)模小、點(diǎn)位廣、危害大等特點(diǎn)（齊干等，2019；南赟等，2020；葉澤宇等，2023；李巖等，2023；郭英，2023）。2023年7月，受臺(tái)風(fēng)杜蘇芮殘余環(huán)流影響，北京市出現(xiàn)災(zāi)害性特大暴雨天氣，門(mén)頭溝區(qū)短時(shí)暴雨引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害（李曉瑋等，2024；趙丹凝等，2024）。本研究采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，以門(mén)頭溝區(qū)小龍門(mén)村為例，基于災(zāi)害發(fā)生前后采集監(jiān)測(cè)的三維數(shù)據(jù)，分析暴雨前后地質(zhì)災(zāi)害的影響特征，助力實(shí)景三維模型在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 "研究方法

1.1 "無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是利用無(wú)人機(jī)搭載攝影傳感器，從垂直、傾斜的不同方向和角度對(duì)地表物體同步開(kāi)展影像數(shù)據(jù)采集，根據(jù)獲取的二維影像數(shù)據(jù)重構(gòu)獲取空間區(qū)域的三維模型，以實(shí)現(xiàn)地表物體的坐標(biāo)、尺寸以及外觀等屬性的表達(dá)。在無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中，設(shè)定與測(cè)量區(qū)域的固定飛行高度，使得測(cè)量傳感器與目標(biāo)保持恒定高差，根據(jù)測(cè)區(qū)地形自動(dòng)生成變高航線(xiàn)，保持地面分辨率一致從而獲取更好的數(shù)據(jù)效果。

1.2 "無(wú)人機(jī)平臺(tái)介紹

本研究采用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)為經(jīng)緯 M300RTK，采用“下置旋翼”技術(shù)，機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)，平臺(tái)機(jī)身6個(gè)面同時(shí)引入雙目視覺(jué)和紅外傳感器，真正實(shí)現(xiàn)全向感知和避障。無(wú)人機(jī)最大續(xù)航時(shí)間55 min，可承受最大風(fēng)速12 m·s-1，可在-20 ℃～50 ℃溫度環(huán)境下工作。平臺(tái)搭載Zenmuse P1單鏡頭（圖1右）進(jìn)行災(zāi)前攝影，配備4 500萬(wàn)像素全畫(huà)幅傳感器，最短連續(xù)拍照間隔0.7 s，單架次作業(yè)面積可達(dá)3 km2，航測(cè)時(shí)通過(guò)三軸云臺(tái)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)多角度拍攝。平臺(tái)搭載PSDK102S V3五鏡頭（圖1左）進(jìn)行災(zāi)后攝影，賽爾自研的S-OPG測(cè)繪影像控制系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)成像、參數(shù)設(shè)置和位置計(jì)算等多功能于一體，5個(gè)測(cè)繪影像傳感器超過(guò)1.2億有效像素像。PSDK102S V3正射視角最小對(duì)焦距離可達(dá)10 m，在對(duì)焦范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)2 mm分辨率超高精度三維數(shù)據(jù)采集。

）

1.3 "工作流程

采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取災(zāi)前災(zāi)后地物景觀三維空間數(shù)據(jù)，主要分為無(wú)人機(jī)外業(yè)飛行和數(shù)據(jù)處理兩大部分。外業(yè)飛行主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、航線(xiàn)設(shè)計(jì)、基站布設(shè)和飛行攝影等。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和實(shí)景三維模型構(gòu)建等。工作流程如圖2所示。

為提高圖像量測(cè)和三維模型的精度，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中，對(duì)傾斜影像進(jìn)行勻色處理，在單張航片不偏色的前提下，保證整個(gè)測(cè)區(qū)整體色調(diào)的一致性，并且采用航攝儀器技術(shù)參數(shù)鑒定報(bào)告中的畸變差參數(shù)對(duì)影像進(jìn)行畸變差校正（圖3）。

傾斜攝影數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量使用多視角聯(lián)合平差，聯(lián)合平差需要充分考慮影像之間的幾何變形和遮擋關(guān)系，將垂直下視影像和傾斜影像進(jìn)行混合平差?；贑ontext Capture軟件，可以模擬包括傾斜影像在內(nèi)的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。

數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，實(shí)景三維模型構(gòu)建數(shù)據(jù)處理流程（圖4）如下：

1）根據(jù)作業(yè)區(qū)實(shí)際范圍，劃定建模區(qū)域，以作業(yè)區(qū)域中心點(diǎn)為原點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)行分塊；2）對(duì)分塊內(nèi)包含的所有立體像對(duì)進(jìn)行點(diǎn)云匹配計(jì)算，生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)；3）處理高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）；4）根據(jù)TIN網(wǎng)中每個(gè)三角形的空間位置從影像中獲取與模型相對(duì)應(yīng)的紋理，進(jìn)行模型核查與修改，直至構(gòu)建完整的三維模型。

2 "門(mén)頭溝“23·7”暴雨前后應(yīng)用實(shí)例

2.1 "研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市門(mén)頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)小龍門(mén)村，海拔約860 m，面積約17.2 km2。該區(qū)地處?kù)`山東南側(cè)谷地，山高谷深，植被繁茂，在“23·7”降雨過(guò)程中，村落地表景觀受到不同程度破壞。

2.2 "無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取

小龍門(mén)村是在山谷中建村，呈狹長(zhǎng)條帶狀，兩側(cè)山地高低起伏較大，在確定航測(cè)范圍后進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃（圖5），選擇仿地飛行的方法，航線(xiàn)長(zhǎng)邊與測(cè)區(qū)一致，減少轉(zhuǎn)彎次數(shù)，保證無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。兩次飛行的時(shí)間分別是2023年4月和2023年11月。在保證地面分辨率的情況下，飛行高度140 m，地面平均分辨率（GSD）約為2.2 cm·pixel-1，飛行速度12 m·s-1，主航線(xiàn)角度為335°，重疊率設(shè)計(jì)為航向重疊率80%，旁向重疊率70%。

2.3 "數(shù)據(jù)生成及三維建模

基于無(wú)人機(jī)外業(yè)飛行獲得的數(shù)據(jù)，借助Context Capture三維建模軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、空三加密、模型構(gòu)建、三維模型修改、檢查及整理提交、上傳至應(yīng)用平臺(tái)。模型構(gòu)建采用分塊計(jì)算，自動(dòng)選擇不同視角上的最佳像對(duì)模型，生成三維尺度的密集點(diǎn)云。點(diǎn)云自動(dòng)轉(zhuǎn)換為不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型，基于內(nèi)在幾何關(guān)系，將TIN模型進(jìn)行平滑和優(yōu)化。根據(jù)三維TIN的空間位置信息，獲取最佳視角影像紋理，自動(dòng)賦予模型紋理，輸出obj格式三維模型成果（圖6）。

2.4 "地質(zhì)災(zāi)害特征分析

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建三維實(shí)景模型，可以直觀地獲取研究區(qū)域的地形地貌和植被覆蓋等信息，清晰地反映災(zāi)害發(fā)生前后的形態(tài)、環(huán)境及地理信息要素的變化特征。通過(guò)構(gòu)建的三維模型，根據(jù)地貌結(jié)構(gòu)、形態(tài)、顏色等信息，獲得地物影像資料，提取出地物狀況的平面影像，全面地反映出暴雨前后地物的差異特征。如圖7所示，在無(wú)人機(jī)三維實(shí)景模型上可以清晰發(fā)現(xiàn)暴雨前后地物景觀的破壞情況，主要表現(xiàn)為公路邊坡的垮塌（圖7 a）、護(hù)岸的損毀以及植被的傾倒現(xiàn)象（圖7 b），暴雨過(guò)后，泄洪道岸坡?lián)p壞并伴有大量泥沙淤積（圖7 c）。地形較陡處局部發(fā)生滑塌、坍塌現(xiàn)象，降雨沖刷導(dǎo)致邊坡形成沖溝（圖7 d），沖溝兩側(cè)存在明顯的堆積體，植被的固土作用十分明顯，茂密的植被覆蓋區(qū)減緩了邊坡巖土體的滑塌。

3 "結(jié)論

本研究運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，快速掌握地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)域真實(shí)狀況，并以“23·7”北京特大暴雨前后門(mén)頭溝區(qū)小龍門(mén)村為例，構(gòu)建三維實(shí)景模型，分析了暴雨前后地形地貌變化特點(diǎn)及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)結(jié)果。研究表明：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及監(jiān)測(cè)方面具有重要應(yīng)用價(jià)值?；跇?gòu)建的三維實(shí)景模型，能夠快速了解受災(zāi)區(qū)域的實(shí)際情況，提高工作效率，可以很好滿(mǎn)足地質(zhì)災(zāi)害快速調(diào)查工作的任務(wù)要求。根據(jù)門(mén)頭溝區(qū)小龍門(mén)村實(shí)景三維模型信息，快速掌握北京“23·7”特大暴雨前后地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生及破壞情況，分析了植被覆蓋對(duì)災(zāi)害發(fā)育的影響，同時(shí)為高效開(kāi)展災(zāi)后重建奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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收稿日期：2024-03-10；修回日期：2024-09-29

基金項(xiàng)目：北京市教委科技計(jì)劃項(xiàng)目（KM202210853001）資助

第一作者簡(jiǎn)介：桂維振（1986- ），男，碩士，副教授，主要從事無(wú)人機(jī)測(cè)繪及應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：guiweizhen1029@126.com

引用格式：桂維振，劉陽(yáng)，徐強(qiáng)，2024.無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在北京“23·7”暴雨地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用［J］.城市地質(zhì)，19（4）：448-453