摘要：為了達(dá)到多點(diǎn)位、高精度的邊坡表面變形監(jiān)測(cè)效果，研究了利用無人機(jī)攝影技術(shù)，通過三角形交會(huì)法建立測(cè)量解析模型，形成空間坐標(biāo)關(guān)系。研究采用附屬設(shè)備精度矯正模式降低無人機(jī)攝影特殊環(huán)境下的精度損失。結(jié)果顯示，無人機(jī)監(jiān)測(cè)在X與Y方向上精度較高，在Z方向精度相對(duì)稍低，但也僅存在3個(gè)誤差超過0.010m的點(diǎn)位。與全站儀監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，無人機(jī)監(jiān)測(cè)得出的數(shù)據(jù)具有可靠性，能及時(shí)警示風(fēng)險(xiǎn)，防止誤報(bào)發(fā)生，更加穩(wěn)定高效。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；邊坡；變形；攝影測(cè)量

中圖分類號(hào)：P234.1""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.07.009

引文格式：李建，孫娟娟，荊欣，等.面向邊坡形變?yōu)暮︼L(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的無人機(jī)攝影測(cè)量效果分析［J］.山東國土資源，2024，40（7）：6166. LI Jian， SUN Juanjuan， JING Xin， et al. Analysis on Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetry Effect for Monitoring Slope Deformation Disaster Risk［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（7）：6166.

收稿日期：20240405；修訂日期：20240419；編輯：曹麗麗

作者簡介：李建（1993—），男，山東德州人，工程師，主要從事測(cè)繪工程等工作；Email：411765918@qq.com

*通訊作者：王智（1968—），男，山東濟(jì)南人，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪地理信息工作；Email：Wz168@yeah.net

0" 引言

隨著光伏電站的大規(guī)模鋪設(shè)與數(shù)字化應(yīng)用趨勢(shì)，對(duì)光伏電站的地形監(jiān)測(cè)十分必要，結(jié)合在衛(wèi)星無人機(jī)遙感領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用無人機(jī)攝影測(cè)量對(duì)邊坡表面變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，從而輔助項(xiàng)目開發(fā)決策及項(xiàng)目開展。各種外力對(duì)邊坡構(gòu)體的長期作用會(huì)使其有向下滑落的趨勢(shì)，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害［12］。攝影測(cè)量通過分析記錄在膠片或電子載件上的影像來確定被測(cè)物體的位置、大小和形狀等，而無人機(jī)攝影測(cè)量可實(shí)現(xiàn)高效測(cè)量點(diǎn)記錄，影像數(shù)據(jù)不易失真，能夠大幅提升效率，增強(qiáng)邊坡的安全性［34］。

1" 無人機(jī)攝影邊坡表面變形監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1" 無人機(jī)攝影測(cè)量解析模型建立

邊坡地質(zhì)災(zāi)害分為人工邊坡工程中的地質(zhì)災(zāi)害和天然邊坡中的地質(zhì)災(zāi)害［5］。無人機(jī)攝影測(cè)量可以迅速記錄被測(cè)物體的大量信息，減少外業(yè)測(cè)繪的工作量，記錄方法簡便靈活，得到的影像數(shù)據(jù)不容易失真，有利于圖像間的對(duì)比分析及后期檢查［67］。對(duì)邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠增強(qiáng)邊坡的安全性，減少不必要的人員及經(jīng)濟(jì)損失，為邊坡的安全和養(yǎng)護(hù)處理提供指導(dǎo)。無人機(jī)攝影測(cè)量采用三角形交會(huì)法，將攝影機(jī)放置在不同的位置和角度，對(duì)同一測(cè)量目標(biāo)體進(jìn)行拍攝得到其影像數(shù)據(jù)，并在處理后得到測(cè)量物的三維立體坐標(biāo)［810］。坐標(biāo)系oxy是平面直角坐標(biāo)系，通過確立該坐標(biāo)系可以確認(rèn)像點(diǎn)在平面空間內(nèi)幾何位置，像主點(diǎn)是攝影指向朝向與影像面之間的相交處，也即原點(diǎn)。Sxyz為像空間坐標(biāo)系，它是攝影目標(biāo)點(diǎn)在所屬空間中的幾何標(biāo)定點(diǎn)的表達(dá)，它的原點(diǎn)是投影中心S，而z軸則是攝影的主體光軸，x軸與y軸則是平面坐標(biāo)系的平行軸線，其中像點(diǎn)的空間表達(dá)坐標(biāo)為。攝影測(cè)量坐標(biāo)系oXpYpZp是為了描述點(diǎn)位在物方空間位置而建立的符合右手法則的空間直角坐標(biāo)系，其軸系分別與第一張像片的像方空間輔助坐標(biāo)系的軸系相平行［1112］。像空間輔助坐標(biāo)系SXYZ的坐標(biāo)原點(diǎn)為投影中心S，該坐標(biāo)系一般以豎直方向?yàn)閆軸，以航線方向?yàn)閄軸，有利于改正系統(tǒng)誤差。物空間坐標(biāo)系DXYZ是指被測(cè)物體所在的空間直角坐標(biāo)系，測(cè)繪中使用大地坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系為左手坐標(biāo)系，以正北方向?yàn)閄軸。坐標(biāo)系關(guān)系如圖1所示。

攝影測(cè)量過程中通過影像的內(nèi)外方位元素，確定像片在物方空間坐標(biāo)系中的幾何位置，像片的內(nèi)方位能夠恢復(fù)光束空間姿態(tài)，像片外方位元素能夠確定光束在該坐標(biāo)系中的位置和方向［1314］。像片內(nèi)方位元素表示攝影中心與像片之間的相關(guān)位置，包括主距f和像主點(diǎn)在像框坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（x0，y0）3個(gè)參數(shù)，三者構(gòu)成一個(gè)框標(biāo)坐標(biāo)系（圖2）。

外方位元素是確定攝影光束在物方的幾何關(guān)系的基本要素，其中包含（x，y，z）這一攝影點(diǎn)的三向坐標(biāo)值，以及（φ，ω，k）這一攝影光束三角方位定向值，共線方程描述物點(diǎn)、像點(diǎn)和投影中心三點(diǎn)位于一條直線的關(guān)系［15］。共線條件方程表示物點(diǎn)、像點(diǎn)和投影中心三點(diǎn)位于一條直線的數(shù)學(xué)關(guān)系，假設(shè)某像點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系Sxyz內(nèi)的坐標(biāo)為（x，y，f），推導(dǎo)像點(diǎn)a在坐標(biāo)系SXYZ內(nèi)的坐標(biāo)的過程即共線條件方程，如式（1）所示。

x=-fa1（X-Xs）+b1（Y-Ys）+c1（Z-Zs）a3（X-Xs）+b3（Y-Ys）+c3（Z-Zs）y=-fa2（X-Xs）+b2（Y-Ys）+c2（Z-Zs）a3（X-Xs）+b3（Y-Ys）+c3（Z-Zs）（1）

式（1）中：x式代表一個(gè)平面，y式代表一個(gè)平面，攝影物點(diǎn)、投影中心點(diǎn)與攝影像點(diǎn)之間的三點(diǎn)方向線能夠通過該公式求解得到。共面條件方程主要對(duì)攝影過程中的光線與基線之間的共面關(guān)系進(jìn)行表達(dá)［1617］。假設(shè)已知SXYZ坐標(biāo)系上左像片P的位置，確定右像片的位置后，需要滿足三矢量，s1m1（）和s2m2（）共面，也就是使三矢量的混合積為0，如式（2）所示。共面條件方程如圖3所示。

F=·（V1×V2）=0（2）

1.2" 無人機(jī)攝影校驗(yàn)?zāi)Ｊ浇?/p>

影響攝影精度的因素主要有成像系統(tǒng)的分辨率、攝像設(shè)備的安置誤差和成像系統(tǒng)的幾何畸變誤差三種。攝影測(cè)量中使用的物鏡成像系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物體圖像最小像素的辨別能力為成像系統(tǒng)的分辨率，攝影測(cè)量精度受其影響最大。設(shè)攝像視場(chǎng)范圍為WXH，相機(jī)的分辨率為UXV，則物面分辨率如式（3）所示。

Rh=WU，Rv=HV（3）

式（3）中：Rh和Rv分別表示圖像物面在水平和垂直方向的分辨率，同一像幅內(nèi)存在關(guān)系，Rh=Rv。像片的物面分辨率實(shí)際上就是指像片中的一個(gè)像素所占用的范圍大小，該范圍的大小與成像精度成反比。因此在進(jìn)行攝影測(cè)量時(shí)，需要盡量提高直接或間接分辨率來提高測(cè)量結(jié)果的精度。對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于受到現(xiàn)場(chǎng)拍攝環(huán)境和角度等影響，影像的清晰度較低，使像片在后期處理過程中的特征點(diǎn)和特征線匹配的精度受到影響。為了便于滿足其他需求或者計(jì)算機(jī)運(yùn)算需求，需要對(duì)圖像的清晰水平進(jìn)行大幅提升［18］。相機(jī)鏡頭由于制作工藝的不完美，在最邊緣處會(huì)存在較大偏差，因此在拍攝過程中要盡量將被測(cè)物體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)置于像片的中間處［1920］。由于使用的內(nèi)方位元素有誤差會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，故對(duì)內(nèi)方位元素及鏡頭畸變進(jìn)行校驗(yàn)。像點(diǎn)a在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（x，y，f），在像空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（X，Y，Z）。

公式（4）表現(xiàn)了（mx0，my0）、f、mf，即像主點(diǎn)的坐標(biāo)中誤差、主距、主距的中誤差與物方空間的坐標(biāo)中誤差之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

mx0x=mx0Zf

my0y=my0Zf

mff=mfZf（4）

當(dāng)被測(cè)物體有景深時(shí)，深度差為h，內(nèi)方位元素的測(cè)定精度要求估算，如式（5）所示。

mx0=my0

mf=fhmh（5）

式（5）中：mh為深度差中誤差。當(dāng)考慮的誤差源不止內(nèi)方位元素時(shí)，假設(shè)有n個(gè)誤差源，則內(nèi)方位元素的測(cè)定精度要求估算，如式（6）所示。

mx0，y0=fnhmx，ymf=fnhmh（6）

式（6）中：mx，y為像點(diǎn)a在像空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)中誤差。表現(xiàn)受到測(cè)量的物體的測(cè)量精準(zhǔn)度出現(xiàn)提升，進(jìn)而推動(dòng)內(nèi)方位要素的測(cè)量精準(zhǔn)度出現(xiàn)提升的數(shù)理關(guān)系，同時(shí)被測(cè)物體深度h隨主距f增大而減小，兩者皆滿足時(shí)，內(nèi)方位元素的精度要求越低。影像數(shù)據(jù)測(cè)量分為平行攝影和旋轉(zhuǎn)攝影兩種方式，研究對(duì)邊坡表面變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此選擇旋轉(zhuǎn)攝影。在進(jìn)行影像采集時(shí)，至少設(shè)置3個(gè)攝站個(gè)數(shù)，攝影對(duì)象在整體像幅中占據(jù)至少2/3的面積，對(duì)攝影對(duì)象進(jìn)行拍攝時(shí)，采用從左至右的拍攝角度。拍攝角度不超過45°。如果被攝物體有轉(zhuǎn)角，應(yīng)分2個(gè)工程，保證相鄰測(cè)量區(qū)域之間的重疊度超過30%，并且在轉(zhuǎn)角處設(shè)置幾個(gè)控制點(diǎn)。

1.3" 無人機(jī)攝影邊坡表面變形監(jiān)測(cè)技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

無人機(jī)攝影邊坡表面變形監(jiān)測(cè)技術(shù)難點(diǎn)有五點(diǎn)，分別是精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、環(huán)境因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響、數(shù)據(jù)集成與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析以及安全性。對(duì)于數(shù)據(jù)采集，無人機(jī)在進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)時(shí)，需要高精度的傳感器和穩(wěn)定的飛行控制系統(tǒng)來保證數(shù)據(jù)采集的精確性。高精度的GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合實(shí)時(shí)差分GPS等定位技術(shù)，使得無人機(jī)在飛行過程中能夠準(zhǔn)確控制航線，提高數(shù)據(jù)采集的精度和準(zhǔn)確性。對(duì)于數(shù)據(jù)處理與分析，利用計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，開發(fā)智能算法，自動(dòng)識(shí)別和提取影像中的地形特征，如裂縫、滑坡等，并進(jìn)行變形分析和監(jiān)測(cè)。天氣、光照等環(huán)境因素也會(huì)影響無人機(jī)飛行和影像采集的質(zhì)量，通過利用多光譜和高光譜攝影技術(shù)，減少對(duì)光照和天氣的依賴性，提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和一致性。對(duì)于無人機(jī)的安全性，通過建立嚴(yán)格的安全管理制度和飛行規(guī)范，確保無人機(jī)的操作不會(huì)對(duì)人員或設(shè)備造成傷害，同時(shí)防止無人機(jī)的損壞或丟失。

2" 無人機(jī)攝影邊坡表面變形監(jiān)測(cè)效果分析

研究在進(jìn)行無人機(jī)攝影邊坡表面變形監(jiān)測(cè)效果分析時(shí)，針對(duì)無人機(jī)設(shè)定多點(diǎn)位監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，選取8個(gè)邊坡點(diǎn)位，并且對(duì)不同點(diǎn)位的偏移量和誤差量進(jìn)行檢測(cè)。研究選用的試驗(yàn)區(qū)區(qū)的邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于江西省銀山礦位，地處中生代火山盆地?cái)嗔褞浴Ｔ囼?yàn)區(qū)邊坡上坡坡度區(qū)間為41.5°～53.9°，該地段處于低山與丘陵的多度地區(qū)，常見由強(qiáng)抗風(fēng)化低山形成的小陡坡。試驗(yàn)區(qū)地表徑流段，不易形成滑坡與坍塌，同時(shí)整體地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定，地震發(fā)生少且烈度不高。當(dāng)?shù)仉m多潮濕多雨天氣，但是地表排泄效果好，不易產(chǎn)生水文地質(zhì)災(zāi)害。研究主要采用像素不低于1200萬像素的普通無人機(jī)數(shù)碼鏡頭，同時(shí)在校驗(yàn)過程中采用室內(nèi)網(wǎng)格影像技術(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，無人機(jī)在進(jìn)行檢測(cè)前可以在空中完成三角測(cè)量，無需試驗(yàn)人員的重復(fù)操作。則主要采用朗視多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，研究在試驗(yàn)區(qū)東北邊坡中選取8個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，分別為一號(hào)點(diǎn)（217m平臺(tái)）、二號(hào)點(diǎn)（204m平臺(tái)）、三號(hào)點(diǎn)、四號(hào)點(diǎn)、五號(hào)點(diǎn)、六號(hào)點(diǎn)（均為169m平臺(tái)）、七號(hào)點(diǎn)、八號(hào)點(diǎn)（均為168m平臺(tái)）。8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以較好地對(duì)試驗(yàn)區(qū)東北邊坡進(jìn)行覆蓋，其中一號(hào)點(diǎn)、二號(hào)點(diǎn)、七號(hào)點(diǎn)、八號(hào)點(diǎn)為邊坡四角，而三號(hào)點(diǎn)、四號(hào)點(diǎn)、五號(hào)點(diǎn)、六號(hào)點(diǎn)均等覆蓋邊坡。研究利用地表水泥柱的形式在點(diǎn)位上設(shè)置人工標(biāo)志物，與此同時(shí)保證邊坡和標(biāo)志物的穩(wěn)定性不受影響。在環(huán)境良好的情況下，無人機(jī)主要采用自動(dòng)曝光模式，在攝影目標(biāo)遠(yuǎn)近景差距較大時(shí)，無人機(jī)拍攝以短焦拍攝為主，以延長曝光的方式來保證遠(yuǎn)近景景深。在諸如陽光強(qiáng)烈等特殊影響下則采用UV濾光鏡進(jìn)行拍攝。無人機(jī)在拍攝過程中維持從左至右的多基線攝影方式，攝影目標(biāo)需時(shí)刻占據(jù)相片面積2/3以上，同時(shí)為保證攝影質(zhì)量，無人機(jī)應(yīng)時(shí)刻以不超過45°的仰角進(jìn)行拍攝，當(dāng)攝影目標(biāo)高度增加時(shí)，無人機(jī)將采用拉遠(yuǎn)距離的方式擴(kuò)大視角。試驗(yàn)具體檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

在X、Y、Z三個(gè)方向上，試驗(yàn)涉及的8個(gè)點(diǎn)位中六號(hào)點(diǎn)的誤差值都是最大值，分別為0.00976m、0.01621m、0.02370m，同時(shí)X方向誤差超過0.010m的點(diǎn)位僅有1個(gè)，Y方向誤差超過0.010m的點(diǎn)位僅有1個(gè)，Z方向誤差超過0.010m的點(diǎn)位僅有3個(gè)，整體檢測(cè)效果較佳。針對(duì)誤差值最大的六號(hào)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析（圖4）。

六期不同時(shí)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果中，全站儀與無人機(jī)兩種方法針對(duì)邊坡位移的監(jiān)測(cè)在X、Y、Z三個(gè)方向上的數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，但說明無人機(jī)監(jiān)測(cè)具有可行性。同時(shí)相較全站儀，無人機(jī)監(jiān)測(cè)的位移波動(dòng)更小，整體數(shù)據(jù)趨勢(shì)更加緊縮，可見監(jiān)測(cè)結(jié)果更加穩(wěn)定，可以減小誤判風(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)效果更好。從監(jiān)測(cè)結(jié)果也可以看出，第四期時(shí)點(diǎn)是邊坡出現(xiàn)災(zāi)害的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。兩種方法的具體數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。無人機(jī)監(jiān)測(cè)整體的監(jiān)測(cè)誤差在X與Y方向上的體現(xiàn)更小，而在Z方向上的體現(xiàn)更大，可見無人機(jī)監(jiān)測(cè)在X和Y方向上相對(duì)精度更高，這是由于Z方向與邊坡面接近垂直，因此無人機(jī)在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)容易產(chǎn)生相較其他方向稍大的誤差，這部分誤差是可以理解的?？傮w來看，無人機(jī)監(jiān)測(cè)方法能有效監(jiān)測(cè)邊坡風(fēng)險(xiǎn)，并在檢測(cè)中達(dá)到多點(diǎn)位監(jiān)測(cè)，高精度監(jiān)測(cè)的效果［2122］。

3" 結(jié)語

研究將無人機(jī)攝影應(yīng)用到邊坡變形檢測(cè)中，通過三角形交會(huì)法建立空間坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)機(jī)制，并針對(duì)無人機(jī)監(jiān)測(cè)的特殊環(huán)境建立附屬設(shè)備精度矯正模式。研究結(jié)果顯示無人機(jī)監(jiān)測(cè)X方向誤差超過0.010m的點(diǎn)位僅有1個(gè)，Y方向誤差超過0.010m的點(diǎn)位僅有1個(gè)，Z方向誤差超過0.010m的點(diǎn)位僅有3個(gè)，整體檢測(cè)精度較佳。同時(shí)在與全站儀結(jié)果的對(duì)比占用可以看出，無人機(jī)監(jiān)測(cè)得出的數(shù)據(jù)具有可靠性，能及時(shí)警示風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)防止誤報(bào)發(fā)生，更加穩(wěn)定，其在X與Y方向上監(jiān)測(cè)精度也更佳，能夠達(dá)到多點(diǎn)位監(jiān)測(cè)、高精度監(jiān)測(cè)的效果。此次研究仍然存在不足，所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)次數(shù)較少，并不能精確地表示方法的效果，后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)多次進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性及誤差的減小。

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Analysis on Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetry Effect for Monitoring Slope Deformation Disaster Risk

LI Jian1， SUN Juanjuan1， JING Xin1， WANG Zhi2， HUANG Xun1， TIAN Qing'an1， MAN Xueting1， ZHANG Wenjun1

（1.No.2 Hydrogeological and Engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources （Lubei Geoengineering Exploration Institute）， Shandong Dezhou 253000， China; 2. Shandong Institute of Geological Surveying and Mapping， Shandomg Ji'nan 250002， China）

Abstract：In order to achieve multipoint and highprecision monitoring of slope surface deformation， the use of unmanned aerial vehicle photography technology has been studied， and a measurement analysis model has been established through triangle intersection method to form spatial coordinate relationships. At the same time， by using accessory equipment accuracy correction mode， accuracy loss in drone photography in special environments has been reduced. It is showed that the" monitoring of unmanned aerial vehicle shows high accuracy in the X and Y directions， while with relatively low accuracy in the Z direction. But only three points with an error will exceed 0.010m. Comparing with the monitoring results of the total stations， the data obtained from the monitoring of unmanned aerial vehicle is reliable. It can timely alert risks and prevent 1 alarms. It is more stable and efficient.

Key words：Unmanned aerial vehicle; slope; deformation; photogrammetry