何 磊,苗 放,唐姝婭,李玉霞

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,四川成都 610059;2.四川省地震局減災(zāi)救助研究所,四川成都 610041;3.電子科技大學(xué) 地表空間信息技術(shù)研究所,四川成都 610054)

0 前言

由于四川盆地多云多雨的特點(diǎn),造成衛(wèi)星圖片大部分被雨云遮蓋,無法準(zhǔn)確觀測(cè)特定地區(qū),發(fā)揮衛(wèi)星大范圍以及綜合判斷的優(yōu)勢(shì),可以在地震災(zāi)害發(fā)生的第一時(shí)間內(nèi),獲得即使調(diào)整衛(wèi)星拍攝角度也無法得到的詳細(xì)災(zāi)區(qū)情形。由于無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)具有很高的機(jī)動(dòng)性、靈活性和安全性,可獲取多角度、高分辨率影像,不受高度限制和陰云天氣影響,且系統(tǒng)成本及影像處理費(fèi)用較低。若能發(fā)揮其特有的作用,就可以為決策者提供準(zhǔn)確、詳細(xì)、及時(shí)的第一手資料,在低空領(lǐng)域、小區(qū)域具有一定的優(yōu)勢(shì)[1]。作者在本文中介紹了無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)的快速處理,三維可視化技術(shù)與方法,利用無人機(jī)航空平臺(tái)搭載多種遙感傳感器,在第一時(shí)間內(nèi)獲取大量重點(diǎn)災(zāi)區(qū)的高分辨率航空遙感影像數(shù)據(jù)。經(jīng)過圖像幾何校正、鑲嵌、三維可視化、圖像解譯等快速處理,實(shí)現(xiàn)了高危堰塞湖,重災(zāi)區(qū)受災(zāi)狀況等目標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和抗震救災(zāi)指揮專家的決策,提供了最及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)和信息支持。

1 數(shù)據(jù)信息源

在本文中使用的無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù),采用了AF-1000小型無人航攝飛機(jī)獲取。AF-1000是中短程無人機(jī),采用常規(guī)空氣動(dòng)力布局,具有重量輕,翼載荷小,起飛降落場(chǎng)地要求低等特點(diǎn)。在野外一般場(chǎng)地即可作業(yè),特別適合突發(fā)情況下快速部署,能夠在五十公里半徑范圍內(nèi)執(zhí)行短時(shí)航拍任務(wù)。無人機(jī)獲取的低空遙感數(shù)據(jù),具有極高的空間分辨率,單幅影像輻射范圍小,影像總量巨大。為了快速實(shí)現(xiàn)影像的“災(zāi)情地圖”作用,采用了自動(dòng)拼接的圖形處理方法。圖1分別是北川縣城和青川東河口堰塞湖,經(jīng)拼接后的局部影像。

2 無人機(jī)遙感圖像處理

由于汶川地震次生災(zāi)害發(fā)育在環(huán)境條件惡劣、地形地貌復(fù)雜等條件下,所以,研究任務(wù)要求沿著高山峽谷地帶飛行。因高山峽谷地帶的氣流變化莫測(cè),而且容易受高空風(fēng)力的影響,造成飛行航線漂移,使得拍攝的影像航向重疊度和旁向重疊度都不夠規(guī)則。與傳統(tǒng)的航天影像和航空影像相比,無人機(jī)低空遙感影像存在像幅較小、數(shù)量多、影像的傾角過大且傾斜方向沒有規(guī)律等問題[2]。根據(jù)上述特點(diǎn),通過分析無人機(jī)低空遙感影像的幾何變形原理,可以對(duì)無人機(jī)遙感圖像進(jìn)行圖像處理。

2.1 無人機(jī)低空遙感影像幾何變形分析

在無人機(jī)遙感中,大多使用普通相機(jī),攝影測(cè)量過程從航空攝影開始,直至獲得像片或模型坐標(biāo)的整個(gè)數(shù)據(jù)獲取過程中,都會(huì)帶來許多系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差主要有:

(1)攝影系統(tǒng)的畸變差。

(2)攝影材料的系統(tǒng)變形、軟片的壓平誤差。(3)地球曲率和大氣折光。

(4)量測(cè)儀器的準(zhǔn)系統(tǒng)誤差。

(5)觀測(cè)員的系統(tǒng)誤差。

作者在本文采用的無人機(jī)低空遙感影像,是采用面陣CCD(電子耦合器件)作為感光器件,所獲影像屬于中心投影瞬間一次成像,即一幅影像上的所有像點(diǎn)共用一個(gè)影像中心和同一個(gè)像片平面,亦即共用一組外方位元素。因此,像點(diǎn)a與物點(diǎn)A之間的空間坐標(biāo)關(guān)系,可表示為中心投影成像的共線方程式(1)如下:

其中

圖1 北川縣城和青川東河口震后影像(拍攝時(shí)間:2008-5-16)Fig.1 Beichuan county and Qingchuan estuary earthquake images(taken time:2008-5-16)

式中 x、y是以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo);x＊、y＊是像點(diǎn)坐標(biāo)偏離真值的誤差;f為像片主距;XA、YA、ZA是相應(yīng)地面點(diǎn)的坐標(biāo);ai、bi、ci(i=1,2,3)是三個(gè)外方位角元素φ、ω、κ求得的方向余弦值;Xs、Ys、Zs是攝影中心的坐標(biāo)值[3]。

式(1)不僅表示了無人機(jī)遙感影像的構(gòu)像關(guān)系,同時(shí)也指明了影像幾何變形主要來源于與傳感器本身相關(guān)的內(nèi)部變形誤差,以及由傳感器以外因素引入的外部變形誤差,為影像的幾何糾正提供了理論依據(jù)。

2.2 遙感影像拼接與幾何校正

通過上述幾何變形原理的分析,結(jié)合無人機(jī)影像傾角大而無規(guī)律,圖像中必然引入了無規(guī)律的幾何變形,所以對(duì)無人機(jī)遙感圖像進(jìn)行幾何糾正是必須的。通過理論分析,作者采用多項(xiàng)式法對(duì)無人機(jī)遙感影像中外方位元素引入誤差進(jìn)行幾何糾正。該方法的基本思想是,不考慮影像成像過程中的空間幾何關(guān)系,直接對(duì)影像本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。它把影像的總體變形看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲,以及更高層次基本變形的綜合效果,因而糾正前、后影像相應(yīng)點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系,可以用一個(gè)適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)式進(jìn)行描述。這種方法對(duì)各種傳感器形成影像的糾正都是適用的,但有不同的近似程度。而且,這種方法不僅能用于影像對(duì)地面(地圖)系統(tǒng)的糾正,還可以用于不同類型影像之間的相互匹配,能滿足計(jì)算機(jī)分類,地物變化監(jiān)測(cè)等處理的需要。

假設(shè)影像坐標(biāo)為(u,v),相應(yīng)像素的地面坐標(biāo)為(x,y),則二者之間的多項(xiàng)式糾正公式可以表示為公式(2)。

多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)(即系數(shù)的個(gè)數(shù))N,與其階數(shù)n有固定的關(guān)系:

因此反求n階糾正多項(xiàng)式的系數(shù),至少需要N個(gè)控制點(diǎn),包括其在影像和地面的坐標(biāo)值。若已知的控制點(diǎn)數(shù)大于N,則可以利用最小二乘法原理,求解多項(xiàng)式的系數(shù)。

作者在本文中,以數(shù)字化地形圖的地理坐標(biāo)作為配準(zhǔn)參考,圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地形圖在公里網(wǎng)坐標(biāo)系中。利用一階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合糾正,控制點(diǎn)的選取在每幅影像中一般為4個(gè)～6個(gè),并使其盡可能地均勻分布,在地物變化復(fù)雜的地區(qū)適當(dāng)加密。

圖2為安縣茶坪河經(jīng)過幾何糾正后的圖像。2.3 遙感圖像正射精校正及三維可視化

圖2 安縣茶坪河局部幾何糾正圖Fig.2 Chaping river local geometric correction map

遙感圖像三維可視化實(shí)現(xiàn)的技術(shù)和思想,就是依據(jù)DEM建立表面模型來顯示真實(shí)地形,然后再將遙感影像或航片等數(shù)字影像進(jìn)行紋理疊加來顯示地表細(xì)節(jié),充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)圖示技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),利用遙感圖像、地理要素和文字符號(hào)標(biāo)注等多種數(shù)據(jù),生成三維地形影像[4]。將這些可視化數(shù)據(jù)集成套合成三維地形影像,必須做到不同數(shù)據(jù)間的坐標(biāo)配準(zhǔn),目的是將不同來源的同一地區(qū)的圖像、地理要素和文字符號(hào)等數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中[6]。作者在本文是以地形圖的地理坐標(biāo)作為配準(zhǔn)參考,其它數(shù)據(jù)均需轉(zhuǎn)換到地形圖所在的坐標(biāo)系中。

遙感圖像地質(zhì)解譯三維可視化與影像動(dòng)態(tài)分析系列動(dòng)畫制作工序,主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容。

(1)遙感圖像數(shù)字處理。遙感圖像數(shù)字處理是數(shù)字區(qū)調(diào)工作中信息提取的重要環(huán)節(jié)。圖像處理的目的,是對(duì)原始遙感圖像進(jìn)行輻射校正、幾何校正和投影差改正等,最終制作出統(tǒng)一規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量遙感圖像,以提高數(shù)字區(qū)調(diào)地質(zhì)解譯應(yīng)用效果[5]。

(2)高精度DEM生成。高精度三維立體圖像需要高精度的DEM來支撐,在遙感圖像的正射處理中,各像點(diǎn)的投影差改正也需要對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高精度DEM[6]。

(3)三維飛行路線選取。根據(jù)工作區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度和工作需要,按照一定的規(guī)則進(jìn)行飛行勘察路線部署。

(4)三維可視化系列動(dòng)畫產(chǎn)品制作。首先進(jìn)行三維飛行的參數(shù)設(shè)置,如航高、時(shí)速、夸大系數(shù)、屏幕大小、視角設(shè)置及背景效果等;然后再根據(jù)布置的飛行路線完成三維動(dòng)畫制作。

(5)三維可視化產(chǎn)品輸出。根據(jù)選擇的飛行路線,逐條生成遙感圖像地質(zhì)解譯三維可視化及影像動(dòng)態(tài)分析系列動(dòng)畫,并把這些產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成了通用動(dòng)畫所支持的格式打包,如Quick Time Movie格式等,刻盤并提交給有關(guān)的工作人員使用。

(6)信息提取。地震次生災(zāi)害(滑坡、堰塞湖等)、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶地貌解譯和影像判讀等。

遙感圖像三維可視化,是在高程表面模型(DEM)上覆蓋遙感圖像、地理要素和文字符號(hào)標(biāo)注等多種數(shù)據(jù),生成的三維地形影像。不同類型數(shù)據(jù)的集成套合,是以地理坐標(biāo)為組織的,因此在套合成三維影像時(shí),必須做到不同數(shù)據(jù)間的坐標(biāo)配準(zhǔn),將同一地區(qū)不同來源的影像、地理要素和文字符號(hào)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中[7]。作者在本文中以地形圖的地理坐標(biāo)作為配準(zhǔn)參考,其它數(shù)據(jù)均需轉(zhuǎn)換到地形圖所在的坐標(biāo)系中。其中DEM由地形圖上數(shù)字化得來的等高線或高程點(diǎn)生成,因此已實(shí)現(xiàn)了與地形圖的坐標(biāo)配準(zhǔn)。無人機(jī)影像在進(jìn)行幾何糾正時(shí),已實(shí)現(xiàn)了與地形圖間的配準(zhǔn)。這樣DEM和影像都是依據(jù)地形圖內(nèi)容而進(jìn)行的特征數(shù)字化或文字符號(hào)注記,與地形圖存在于同一坐標(biāo)系中,無需進(jìn)行再次配準(zhǔn)[8]?？紤]到模擬飛行觀察效果,計(jì)算機(jī)處理能力,以及編輯操作簡便易行等因素,疊合后生成的三維影像,實(shí)現(xiàn)了三維地形影像模擬飛行的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

對(duì)安縣茶坪河圖像進(jìn)行三維可視化及實(shí)現(xiàn)飛行觀察,示例見圖3。在圖3中,河道位置清晰,堰塞湖、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害可清楚解譯。

3 地震災(zāi)害遙感信息的快速提取與分析

在地震發(fā)生后,災(zāi)區(qū)河谷地帶災(zāi)情嚴(yán)重,形成多處堰塞湖,后期隱患重大。由于災(zāi)區(qū)道路損毀情況嚴(yán)重,交通線中斷,無人機(jī)作為能深入了解災(zāi)情的有效手段,在面臨抗震救災(zāi)要求快速、及時(shí)、準(zhǔn)確反映受災(zāi)地區(qū)的真實(shí)情況時(shí),可以在較短的時(shí)間內(nèi)提供給決策層詳細(xì)的數(shù)據(jù),方便重大決策的制定[9]。

圖3 安縣茶坪河三維影像(局部區(qū)域)Fig.3 Chaping river three-dimensional image(local area)

無人機(jī)影像具有數(shù)量多、相幅小的特點(diǎn),但是由于高度和分辨率的特殊性,要適應(yīng)抗震救災(zāi)的實(shí)時(shí)性要求,必須在較短時(shí)間內(nèi)完成影像的快速拼接、糾正和解譯等相關(guān)工作。低空遙感能提供完整影像,且分辨率較高,經(jīng)過校正和災(zāi)害區(qū)域、對(duì)象增強(qiáng)處理,結(jié)合部份地理信息,能滿足對(duì)堰塞湖災(zāi)害的快速定量評(píng)估與解譯要求。

堰塞湖災(zāi)害定量信息評(píng)估與解譯包括:

(1)滑坡。根據(jù)遙感影像的比例尺和方向,判別滑坡的長度和寬度,以及滑動(dòng)方向。由于影像有30%以上的航向和旁向重疊,通過立體像對(duì),可快速提取滑坡體高度和厚度,再通過地質(zhì)圖的資料對(duì)比,可準(zhǔn)確得出滑體的主要巖性。

(2)崩塌。崩塌體長度、寬度信息的提取,與滑坡基本一樣。災(zāi)害區(qū)崩塌體的平面規(guī)模與其厚度有相關(guān)性,發(fā)生崩塌所形成的倒石堆坡度一般在37°左右,可通過崩塌體的長度推算其高度。

(3)泥石流。泥石流溝的判讀主要是通過對(duì)溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)的辨識(shí)獲得。一般通過專家知識(shí)庫及相關(guān)經(jīng)驗(yàn),判斷具備爆發(fā)泥石流所需要的地形條件(溝道比降)。震后所引發(fā)的大量滑坡和崩塌固體物,提供了形成泥石流的必備條件。

(4)堰塞湖。堰塞湖是由于河道二岸滑坡(崩塌)阻塞河道所致,堰塞壩為阻塞河道的滑坡體。確定堰塞壩體積,需判讀出堰塞壩的平面規(guī)模,結(jié)合其高度進(jìn)行。

建立震后災(zāi)區(qū)的三維動(dòng)態(tài)影像,可以根據(jù)堰塞體的回水位置,確定其高程,結(jié)合地形圖數(shù)據(jù),計(jì)算壩體位置水深。通過壩體前、后的有水和無水區(qū)位置,可以確定壩體的高度,從而計(jì)算出堰塞壩的體積。堰塞湖的流域面積可通過地形圖量算,再配合水文以及氣象資料,計(jì)算出有關(guān)匯流以及水位上漲信息。壩體的穩(wěn)定性評(píng)估,除了對(duì)堰塞體的組成物質(zhì)進(jìn)行判斷外,還需要深入到現(xiàn)場(chǎng)考察。另外,由于包含了高程信息,在圖像與震前地形不符合的地方,可以顯示出地震引起的地形變化,例如滑坡、堰塞湖,以及由此引起的河道改變等?？梢詾楹Ａ窟b感數(shù)據(jù)的快速解譯與定量分析提供依據(jù),可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害特征及感興趣目標(biāo)點(diǎn)的解譯與空間統(tǒng)計(jì)分析,提供災(zāi)后恢復(fù)與重建詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的信息支撐[10]。

4 結(jié)論與探討

作者在本文針對(duì)無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)在地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)急應(yīng)用,能較完整地處理震后無人機(jī)遙感影像,處理結(jié)果清晰、生動(dòng),并在汶川地震救災(zāi)工作中得以實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)成果為勘察工作者和決策者提供了三維的背景資料,為其它數(shù)字化成果提供了可視化載體,使遙感影像呈立體化、動(dòng)態(tài)化模擬顯示,工作人員可身臨其境,高空俯視,景觀漫游,對(duì)決策者具有十分重要的意義。無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)在“5·12”抗震救災(zāi)中,發(fā)揮了不可替代的科學(xué)作用。同時(shí),在特定災(zāi)害環(huán)境和復(fù)雜地理?xiàng)l件下,無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)在應(yīng)用中也暴露出許多技術(shù)問題,例如,數(shù)字影像內(nèi)部誤差糾正,無控制點(diǎn)糾正,快速自動(dòng)配準(zhǔn)與拼接,地震災(zāi)害信息的自動(dòng)提取等。在后續(xù)研究中,建立無人機(jī)高分辨率低空遙感數(shù)據(jù)的快速處理系統(tǒng),及災(zāi)情快速解譯和定量分析技術(shù),可以提高無人機(jī)獲取海量遙感數(shù)據(jù)的處理速度,更進(jìn)一步的提高數(shù)據(jù)成果的實(shí)時(shí)性和應(yīng)用性。

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