無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用研究

辛成章

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪勘查院，甘肅 蘭州 730060）

在調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害的過程中，有必要對該地區(qū)的水文、氣象和巖層數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的測量和分析，以確定地質(zhì)特征的穩(wěn)定性和發(fā)展，評估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)并提供預(yù)防未來地質(zhì)災(zāi)害的參考依據(jù)。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，通過將傳統(tǒng)航空攝影與三維地面攝影相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全向和多角度成像效果，從而避免了傳統(tǒng)正射存在的不足，對真實(shí)地理情況進(jìn)行全面反映。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以從不同的角度獲取飛行信息數(shù)據(jù)，并且還可以區(qū)分正面圖像和側(cè)面圖像。通過完全交叉使用不同的攝影鏡頭，可以從不同角度收集數(shù)據(jù)。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用具有較大的優(yōu)勢，比如成本低、效益高、操作靈活性強(qiáng)、測量精度高且不容易受到干擾。借助無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，可以獲得更清晰的圖像數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以構(gòu)建更為精準(zhǔn)的三維模型，改變傳統(tǒng)攝影成像和制圖技術(shù)的存在的不足，且由于體積較少可以廣泛的應(yīng)用于各種場景中。近年來，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于文物和建筑保護(hù)、園林綠化、智能城市等領(lǐng)域[1]。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的主要作用

2.1 實(shí)時(shí)采集圖像

發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，調(diào)查人員通常無法聯(lián)系到受害者或者直接到災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行調(diào)查。此時(shí)，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以將無人機(jī)引導(dǎo)到災(zāi)區(qū)，并將實(shí)時(shí)圖像傳輸回后方指揮中心，以便災(zāi)難專家可以根據(jù)圖像及時(shí)了解地質(zhì)情況，并在圖像分析的基礎(chǔ)上制定地質(zhì)災(zāi)害防治措施。

2.2 正射影像

監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害通常要覆蓋大面積，傳統(tǒng)的調(diào)查工作需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，且容易出現(xiàn)監(jiān)測不全面的問題。正射影像是覆蓋整個(gè)調(diào)查區(qū)域的真實(shí)，客觀的全場圖像，并且測量圖像經(jīng)過校正和處理后精度非常高，不僅包含細(xì)節(jié)，還反映了整個(gè)情況。

2.3 三維模型

與正射影像相比，在三維模型中使用傾斜攝影以不同角度（例如垂直和傾斜）捕獲圖像數(shù)據(jù)，使信息更加完整和準(zhǔn)確。還可以更直觀地從各個(gè)角度觀察災(zāi)難，并放大各個(gè)區(qū)域的測量長度、高度差、坡度、面積、坐標(biāo)等。豐富了地質(zhì)災(zāi)害研究的內(nèi)容并擴(kuò)大了范圍。三維模型在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用可以使外行更直觀、更容易掌握地質(zhì)災(zāi)難情況，為決策和部署提供了保證。

2.4 線性地形圖

線性地形圖是調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的地形圖測繪中通常具有地形困難和地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)交通不便的特點(diǎn)。不僅操作復(fù)雜、投資大、周期長，而且只能設(shè)置一種測繪比例尺。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測根據(jù)需要，將正射影像和三維模型可以基于比例線快速創(chuàng)建各種地形圖，以更好地滿足調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害時(shí)的地圖需求[2-4]。

3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在常見地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用流程

地質(zhì)災(zāi)害是災(zāi)難性的表現(xiàn)，由于各種原因影響人們的生產(chǎn)和生活。泥石流、山體滑坡、地震和其他自然災(zāi)害等都屬于地質(zhì)災(zāi)害的范疇，會極大的威脅人們的生產(chǎn)生活以及生命安全。因此需要對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行針對性的監(jiān)測并進(jìn)行治理，以保證人民的生命安裝與正常生活。針對各種不同的自然災(zāi)害，應(yīng)針對性的采取合理的對策，以確保正常生產(chǎn)生活活動的進(jìn)程。日常生活中，較為常見的地質(zhì)災(zāi)害是洪水和山體滑坡，洪水大部分情況下是由于暴雨引起，如果控制不當(dāng)將造成極大的危害。洪水災(zāi)害不僅會毀壞基礎(chǔ)設(shè)施等，而且可靠導(dǎo)致土地被淹等嚴(yán)重后果?；乱捕嗍怯捎诒┯暌鸬?，造成山體沿著山坡傾斜活動，并造成極大的危害。此外，其他的地質(zhì)災(zāi)害諸如地震之類的也會造成巨大的損失和危害，因此地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測非常重要。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在常見地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中主要的應(yīng)用流程如下：

（1）在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)立即調(diào)查災(zāi)區(qū)的具體位置，充分了解災(zāi)區(qū)各種信息和數(shù)據(jù)的反饋，然后對災(zāi)區(qū)進(jìn)行有關(guān)無人機(jī)飛行環(huán)境的分析，保證飛行條件的信息準(zhǔn)確，尤其是氣候情況，比如惡劣天氣，例如風(fēng)、云、雨和雪多等，以確保所有基本信息準(zhǔn)確無誤并確保無人機(jī)安全飛行。

（2）在確定災(zāi)難發(fā)生的確切區(qū)域之后，開始擬定詳細(xì)的計(jì)劃飛行路線，特別注意計(jì)算飛行高度和無人機(jī)的軌跡，傳輸模型建立在地面信息塔上。通常，無人機(jī)的飛行高度為60m～1000m，速度為80km/h～150km/h。

（3）設(shè)置飛行路徑后，將飛行路徑信息輸入中控臺，然后將指令信號發(fā)送至無人機(jī)。無人機(jī)收到信號后，可以通過短距離飛行，人工投射等方式起飛；無人機(jī)可以根據(jù)給定的軌跡飛行。

（4）數(shù)據(jù)收集與處理是無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用的核心流程。主要如下：研究人員首先在受地質(zhì)災(zāi)害影響的地區(qū)進(jìn)行了實(shí)地研究?？刂泣c(diǎn)位于調(diào)查區(qū)域的四個(gè)角，使用GNSSRTK系統(tǒng)獲取控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)，并使用精化的水準(zhǔn)面模型獲取控制點(diǎn)的高程基準(zhǔn)。一般發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，能見度很差，存在很多塌陷區(qū)，并且隨時(shí)都有危險(xiǎn)，這使現(xiàn)場研究嚴(yán)重復(fù)雜化。在難以手動獲取第一手信息的復(fù)雜情況下，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以幫助解決問題。

（5）獲取數(shù)據(jù)后要進(jìn)行空三加密，一般由ContextCapture軟件自動完成。首先，ContextCapture軟件使用正射圖像和傾斜圖像的POS信息對控制點(diǎn)數(shù)據(jù)執(zhí)行空三融合處理。在對區(qū)域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行總體調(diào)整之后，可以將來自多個(gè)視點(diǎn)的圖像密集匹配，以生成超高密度數(shù)字點(diǎn)云。通過創(chuàng)建密集點(diǎn)云，建立三維TIN模型和自動處理紋理這三個(gè)階段的結(jié)果，創(chuàng)建測量區(qū)域場景的三維真實(shí)模型。整個(gè)過程僅需一名測繪人員和計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作，工作效率和以達(dá)到每天處理0.06平方公里的三維模型。而且如果要進(jìn)行大范圍的測繪，可以并行使用多個(gè)節(jié)點(diǎn)以加快模擬速度。結(jié)果輸出的速度取決于計(jì)算機(jī)處理節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，測量區(qū)域的大小和攝影圖像的大小。

（6）對模型進(jìn)行后處理時(shí)，由于獲得了密集的三維點(diǎn)云，因此可以生成數(shù)字高程模型DEM，然后將其下視圖像組合以創(chuàng)建正射DOM。另外，可以使用DP-Modeler模型后處理程序進(jìn)一步處理模型。DP-Modeler是由精確的單體建模和網(wǎng)格修改軟件。通過獨(dú)特的攝影測量算法，支持航空攝影、地面圖像、激光點(diǎn)云等多個(gè)數(shù)據(jù)源的集成，并且可以實(shí)現(xiàn)空地集成操作。預(yù)處理三維航拍數(shù)據(jù)并自動創(chuàng)建三維模型后，后處理地形圖，航測輸出的DEM、DOM以確定路線規(guī)劃時(shí)，導(dǎo)入DP-Modeler軟件，可以直接使用其模型上的測圖模塊以數(shù)字方式收集完整的地形特征。計(jì)算機(jī)自動收集有關(guān)模型表面高度的信息，并最終通過手動修改獲得比例尺地形圖。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以構(gòu)建出災(zāi)害區(qū)域真實(shí)的三維場景實(shí)現(xiàn)，了災(zāi)害區(qū)域場景的360度顯示，方便從不同角度觀察和分析自然災(zāi)害的特征，并解釋有地質(zhì)災(zāi)害的大小、分布、威脅范圍和其他信息。借助軟件的測量功能，將大大提高測量效率和準(zhǔn)確性。

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

發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害后，可以使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)分析地質(zhì)災(zāi)害的成因，并通過遙感，地面勘測等方法獲取地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的內(nèi)容，以弄清該地區(qū)的水文、氣象、巖石等相關(guān)數(shù)據(jù)。分析地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，對災(zāi)害進(jìn)行分類，提供適當(dāng)?shù)姆罏?zāi)技術(shù)，并觀察地質(zhì)災(zāi)害的動態(tài)或異常的地質(zhì)變化。無人機(jī)沿著固定的路線飛行并從不同角度獲取圖像，因此它可以觀察更清晰的高分辨率圖像類型，定位災(zāi)難現(xiàn)場并生成真實(shí)的三維模型。

4.1 實(shí)施快速調(diào)查和制圖

與傳統(tǒng)的測量和制圖形式相比，使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行測量和制圖可以使其更靈活、更易操作。無人機(jī)飛行時(shí)，速度很高且周期較短，可以快速拍攝所需的照片并在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)拍攝。這種監(jiān)測方法可以極大提高監(jiān)測效率并動態(tài)跟蹤災(zāi)害的實(shí)時(shí)情況，最大程度地減少災(zāi)害帶來的的影響。例如，帶有六旋翼的無人機(jī)可以達(dá)到每秒71次的拍攝速度，其精度可以達(dá)到40mm。此外，無人機(jī)（UAV）效率很高，操作人員只需接受簡短培訓(xùn)即可有效執(zhí)行測量和制圖任務(wù)。就測繪效率而言，如果飛行時(shí)間為7min，則可以獲得100000m2的測繪面積，在拍攝和制圖精度方面，精度可以達(dá)到40mm，且可以直接觀察圖像以了解拍攝和制圖情況。另外，通過執(zhí)行分析和綜合數(shù)據(jù)等操作，可以使用計(jì)算機(jī)從上方和下方觀察災(zāi)區(qū)，然后從不同角度了解災(zāi)區(qū)的情況，從而為災(zāi)后救援工作開展和制定應(yīng)對計(jì)劃提供可靠的依據(jù)。

4.2 在監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

在監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，無人機(jī)傾斜攝影測量圖像可以顯示各種地質(zhì)災(zāi)害的各種因素，例如形狀、顏色等，并且可以清楚地看出這些因素與地質(zhì)災(zāi)害周圍環(huán)境的特征不同。遙感影像圖中呈現(xiàn)的某些地質(zhì)災(zāi)害的異常情況可以提供對地質(zhì)災(zāi)害的初步監(jiān)測，從而有助于通過對災(zāi)區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的災(zāi)難現(xiàn)場調(diào)查來進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測。比如，以滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例分析使用無人機(jī)的傾斜攝影測量圖像對此類地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測。

當(dāng)監(jiān)測與滑坡有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，傾斜攝影測量圖像可以通過遙感圖像中的滑坡的質(zhì)地、形狀和顏色來解釋災(zāi)害，以獲得諸如位置之類的物理特征以及災(zāi)難的規(guī)模。假設(shè)當(dāng)監(jiān)測與黃土高原區(qū)域滑坡有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，使用無人機(jī)傾斜攝影測量圖技術(shù)可以從遙感數(shù)據(jù)中解釋滑坡體的形狀和特征。對于黃土高原，可以清楚地看到滑坡具有特征，很容易確定災(zāi)害邊界。此外，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)還可以顯示由山體滑坡形成的陡峭的山脊、地形和變色線，從而為與山體滑坡有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測和救援提供數(shù)據(jù)支持。

4.3 在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測調(diào)查和評估中的應(yīng)用

在監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害中，使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以獲取目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，然后通過提取目標(biāo)地質(zhì)狀態(tài)的平面和三維圖像，可以充分反映地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的地貌。當(dāng)使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)估算地質(zhì)災(zāi)害的嚴(yán)重程度時(shí)，這些圖像可以用作相關(guān)數(shù)據(jù)的主要來源。然后，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)的植被破壞程度和其他地質(zhì)條件，結(jié)合GIS技術(shù)，可以有效生成專題圖，從而使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的空間分析能力可以準(zhǔn)確評估當(dāng)前水平。然后充分確定地質(zhì)災(zāi)害區(qū)可能發(fā)生的災(zāi)害的類型和規(guī)模。可以看出，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)評估地質(zhì)災(zāi)害的嚴(yán)重程度，可以作為預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害，開展搶險(xiǎn)和資源分配活動的基準(zhǔn)。

5 發(fā)展前景

在監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，由于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的靈活性和高精度，大大提高了測繪的效率和準(zhǔn)確性。從硬件的角度來看，無人機(jī)在飛行過程中非常穩(wěn)定，對不良影響具有很強(qiáng)的抵抗力，可以增加拍攝頻率，并且可以為圖像采集提供硬件支持，尤其是在分辨率和耐惡劣天氣方面，得到了很大的改善。另外，通過改善硬件的可以在降低噪聲的同時(shí)提高圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而節(jié)省圖像處理的成本和時(shí)間。此外，軟件開發(fā)應(yīng)著重于提高抗干擾能力和數(shù)據(jù)加密能力[5]。

6 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在監(jiān)測中的應(yīng)用還處于起步階段，具體應(yīng)用的發(fā)展還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)會自動處理數(shù)據(jù)，并保持其高機(jī)動性和高分辨率，但同時(shí)又容易出現(xiàn)偏離和定位錯誤，因此每次都會導(dǎo)致相對不完整的效果。為了獲得有效的信息和數(shù)據(jù)，需要從不同角度拍攝以獲得最佳效果。無人機(jī)體積小，重量輕，飛行過程中穩(wěn)定性差，因此，有要對其硬件和軟件進(jìn)行改進(jìn)，提高其實(shí)用性。