陳楚，姜興鈺，張學(xué)民，王琳，吳正鵬

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381;2.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

1 引 言

滑坡是我國(guó)常見的地質(zhì)災(zāi)害，滑坡引起的山體垮塌以及暴雨后形成的泥石流常給國(guó)家建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失［1］。目前對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)的方法［2］主要包括自動(dòng)伸縮計(jì)地表位移測(cè)量法、全站儀測(cè)量方法、GPS 變形監(jiān)測(cè)法等。以上方法存在問題如下:只能進(jìn)行單個(gè)點(diǎn)的孤立監(jiān)測(cè)，不能進(jìn)行面域測(cè)量從而獲得更為豐富的觀測(cè)信息;某些區(qū)域可能存在著潛在的危險(xiǎn)而無法直接使用傳統(tǒng)的觀測(cè)手段進(jìn)行測(cè)量。

近景攝影測(cè)量是一種非接觸量測(cè)方式，具有可以實(shí)時(shí)獲取地表信息、以數(shù)字方式存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，其在滑坡變形、結(jié)構(gòu)變形領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3］。Thomas Kersten［4］等人將數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)用于大壩的變形監(jiān)測(cè)，在X、Y、Z 三個(gè)方向上的中誤差分別為10.8 mm、6.7 mm、6.9 mm。Jim［5］等人為了研究河床的泥沙分布狀況，利用數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行河床的三維重建和DEM 的提取工作，利用非量測(cè)數(shù)字相機(jī)在攝影距離約為2 m左右的情況下，攝影測(cè)量三維重建的精度在X、Y、Z 三個(gè)方向上分別達(dá)到了3.1 mm、4.9 mm、2.5 mm的精度，DEM 的垂直精度為12.6 mm。

本文將近景攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到滑坡變形監(jiān)測(cè)中，模擬并制定了一套完整的監(jiān)測(cè)方案，包括非量測(cè)相機(jī)標(biāo)定、控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的布設(shè)與量測(cè)、影像的拍攝、采用成熟的攝影測(cè)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最紅通過對(duì)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度進(jìn)行分析，認(rèn)為將近景攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到滑坡變形監(jiān)測(cè)是可行的。

2 近景攝影測(cè)量滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施方案

本文結(jié)合近景攝影測(cè)量技術(shù)，利用非量測(cè)相機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)多基線攝影的方式對(duì)被監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行攝影，用成熟的近景攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，其監(jiān)測(cè)技術(shù)方案流程如圖1 所示。

圖1 近景攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

為更好分析近景攝影測(cè)量技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度，對(duì)被監(jiān)測(cè)的滑坡區(qū)域分別進(jìn)行了一期拍攝和二期拍攝。在這兩期拍攝過程中，使用相同位置的控制點(diǎn)，并布設(shè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，其中有3 個(gè)檢查點(diǎn)在第二次拍攝過程中進(jìn)行人為挪動(dòng)以模擬滑坡變形。此外，拍攝區(qū)域放置事先已精確量測(cè)長(zhǎng)度的長(zhǎng)方體物體(圖2 所示)，其長(zhǎng)度分別為1 m和1.1 m，物體同一側(cè)兩端可作為檢查點(diǎn)使用。用全站儀量測(cè)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)坐標(biāo)，同用近景攝影測(cè)量方式得到的空三加密成果對(duì)比并加以分析。

圖2 長(zhǎng)度為1 m 和1.1 m 的物體

3 方案實(shí)施過程

3.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)域位于天津市薊縣北部山區(qū)西礦滑坡區(qū)，地勢(shì)較為陡峭，山體高度約為100 m，圖3 所示為滑坡區(qū)域航拍圖，其紅色區(qū)域?yàn)楸驹囼?yàn)被監(jiān)測(cè)區(qū)域，面積約50 m×30 m，攝站位置位于被測(cè)區(qū)域?qū)γ娴囊粋€(gè)山頂上，如圖3 所示黃色區(qū)域，攝影方向平均距離約50 m。

圖3 試驗(yàn)區(qū)域的航拍影像圖

3.2 相機(jī)標(biāo)定

近景攝影測(cè)量可采用量測(cè)相機(jī)和非量測(cè)相機(jī)。為節(jié)約成本，本試驗(yàn)用的相機(jī)為Nikon D800 非量測(cè)相機(jī)，3 630萬像素，像元大小0.004 9 mm。由于非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)鏡頭畸變大，像主點(diǎn)不在CCD 幾何中心上，存在CCD 面陣內(nèi)畸變［6］等，在使用之前對(duì)D800 相機(jī)采用武漢大學(xué)開發(fā)的相機(jī)標(biāo)定軟件，按照文獻(xiàn)［7］所講述原理進(jìn)行了室內(nèi)檢定，檢定后的焦距為25.830 7 mm。

3.3 控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)標(biāo)志的選取、布設(shè)及量測(cè)

(1)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)標(biāo)志的選取

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，攝站點(diǎn)距離被拍攝區(qū)域平均約50 m。為保證控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)標(biāo)志的成像清晰，一般要求成像后標(biāo)志大小不少于20 個(gè)像素，本試驗(yàn)中選取的標(biāo)志大小為40 cm，成像后約為40 個(gè)像素，圖4 所示為標(biāo)志形狀及其成像結(jié)果。

圖4 檢查點(diǎn)標(biāo)志形狀及成像結(jié)果

(2)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的布設(shè)

根據(jù)均勻布設(shè)原則，控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)如圖5 所示，其中9 個(gè)平高控制點(diǎn)(如圖6 紅色位置所示)，11 個(gè)檢查點(diǎn)(如圖6 綠色位置所示)。11 個(gè)檢查點(diǎn)中，BCH1、BCH2 為1 m長(zhǎng)物體的兩個(gè)端點(diǎn)，BCB1、BCB2 為1.1 m長(zhǎng)物體的兩個(gè)端點(diǎn)，LJ1、LJ2 為兩個(gè)棱鏡。LJ1、LJ2、B14 在第二次拍攝中將其進(jìn)行人為小距離挪動(dòng)，其編號(hào)分別為L(zhǎng)J3、LJ4，B14－1。

圖5 控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)圖

圖6 控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)布設(shè)圖

(3)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的量測(cè)

使用0.5″全站儀，相對(duì)坐標(biāo)系方式量測(cè)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的坐標(biāo)。在不變形的山體上布設(shè)兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，因?yàn)檫@次試驗(yàn)是要觀測(cè)相對(duì)變形，所以這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)是假設(shè)的坐標(biāo)。在攝站點(diǎn)附近(即圖3 黃色區(qū)域)又設(shè)立了一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在這個(gè)位置上可以觀測(cè)到試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的所有點(diǎn)，這樣通過一站觀測(cè)將可以獲得場(chǎng)地內(nèi)所有控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的坐標(biāo)。

3.4 影像拍攝

影像數(shù)據(jù)采集包括兩種不同的攝影方式，分別是平行攝影和旋轉(zhuǎn)攝影。平行攝影主要針對(duì)距離較近、表面較平坦、無遮擋的攝影對(duì)象，如古建筑、古遺址等。旋轉(zhuǎn)攝影主要針對(duì)距離較遠(yuǎn)、起伏較大、有部分遮擋、遠(yuǎn)景近景變化較大的攝影對(duì)象，如地形測(cè)量、選址測(cè)量［8，9］等，其攝影方式如圖7 所示。為保證相鄰影像同名點(diǎn)匹配，一般要求同一條帶內(nèi)的相鄰影像具有90%以上的重疊，相鄰條帶具有60%以上的重疊。本次試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)多基線攝影方式，將物方劃分為相互重疊的6 部分，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇了7 個(gè)具備一定交會(huì)角的攝站，然后在每個(gè)攝站分別對(duì)準(zhǔn)物方6 部分拍攝6幅影像，總共42 幅影像。

圖7 旋轉(zhuǎn)多基線攝影方式

3.5 影像數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用武漢大學(xué)開發(fā)的近景/低空攝影測(cè)量軟件DPMatrix3D，把影像數(shù)據(jù)、相機(jī)檢校參數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入到該軟件，得到每張像片的外方位元素，完成絕對(duì)定向。

4 精度分析

精度分析包括第一期拍攝的控制點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)分析、檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)分析、1 m長(zhǎng)和1.1 m長(zhǎng)物體長(zhǎng)度與空三加密成果的對(duì)比分析、兩期拍攝過程中3 個(gè)檢查點(diǎn)用全站儀量測(cè)的移動(dòng)距離和空三加密量測(cè)的移動(dòng)距離對(duì)比分析。

(1)控制點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)

控制點(diǎn)(總共9 個(gè))的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出，在平面方向(x，y)其殘差中誤差可以達(dá)到毫米級(jí)，在深度方向(即攝影方向，z 方向)B1、B3、B4、B5 殘差較大，達(dá)到厘米級(jí)，深度方向中誤差為1.73 cm。如圖3 所示，由于被測(cè)區(qū)域位于山區(qū)，拍攝相對(duì)較為困難，所有攝站安置在被測(cè)區(qū)域的左半部分，造成右側(cè)邊緣區(qū)域交會(huì)角相對(duì)較小，影響了其深度方向的精度［10］。因此，位于被測(cè)區(qū)域右側(cè)邊緣的B1、B3、B4、B5 深度方向殘差較大。

控制點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì) 表1

(2)檢查點(diǎn)(總共11 個(gè))誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。從表2 中誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，平面方向(x，y)和深度方向(z)中誤差均能達(dá)到毫米級(jí)。

檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì) 表2

(3)1 m 長(zhǎng)和1.1 m 長(zhǎng)物體長(zhǎng)度與空三加密成果的對(duì)比結(jié)果分別如表3 和表4 所示。通過空三加密成果量測(cè)1 m和1.1 m長(zhǎng)的物體，其誤差分別為8.6 mm和7.4 mm，精度在1 cm之內(nèi)。

1 m 長(zhǎng)物體長(zhǎng)度與空三加密成果對(duì)比 表3

1．1 m 長(zhǎng)物體長(zhǎng)度與空三加密成果對(duì)比 表4

(4)兩期拍攝過程中3 個(gè)檢查點(diǎn)用全站儀量測(cè)的移動(dòng)距離和空三加密量測(cè)的移動(dòng)距離對(duì)比分析如表5所示。以全站儀測(cè)量結(jié)果為真值，空三加密量測(cè)的B14 移動(dòng)距離誤差為8.6 mm，LJ1 移動(dòng)距離誤差為0.7 mm，LJ2 移動(dòng)距離誤差為11.2 mm，精度在1 cm左右。

移動(dòng)距離的對(duì)比分析 表5

從表1～表5 可以看出，通過近景攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)滑坡變形監(jiān)測(cè)精度能夠達(dá)到厘米級(jí)，滿足《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測(cè)規(guī)范》(DZ/T 0221－2006)的相關(guān)要求，因此認(rèn)為將近景攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到滑坡變形監(jiān)測(cè)是可行的。

5 結(jié)論與展望

本文模擬并制定了一套完整的監(jiān)測(cè)方案，通過控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)等精度分析，在攝影距離約50 m的情況下，得到近景攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)滑坡變形的監(jiān)測(cè)精度能夠達(dá)到厘米級(jí)精度要求結(jié)論，認(rèn)為將近景攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到滑坡變形監(jiān)測(cè)是可行的。由于試驗(yàn)區(qū)域地勢(shì)復(fù)雜，不容易選取到理想的攝站位置，因此像片交會(huì)角相對(duì)較小。在下一步工作中，可借助外部條件選取理想的攝站位置，具備足夠交會(huì)角，以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)精度。

［1］李彩林，張劍清，郭寶云．利用近景攝影測(cè)量技術(shù)的滑坡監(jiān)測(cè)新方法［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47(3):6～8．

［2］霍志濤，張業(yè)明，金維群等．三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)中的新技術(shù)和新方法［J］．華南地質(zhì)與礦產(chǎn)，2006(4):69～74．

［3］楊化超，鄧喀中，張書華等．?dāng)?shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)在礦山地表沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］．中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2008，13(3):519～524．

［4］Thomas Kersten，Hans－Gerd Maas．Photogrammetric 3－D Point Determination for Dam Monitoring［J］．Optical 3－D Measurement Techniques Ⅲ．1995(10):161～168．

［5］Jim H．Chandler，Tom Buffin－Belanger et al．The Accuracy of a River Bed Moulding/Casting System and the Effectiveness of a Low－cost Digital Camera for Recording River Bed Fabric［J］．Photogrammetry Record，18(103)，2003(9):209～223．

［6］李天子，郭輝．非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的影像糾正［J］．測(cè)繪通報(bào)，2006:59～61．

［7］詹總謙．基于純平液晶顯示器的相機(jī)標(biāo)定方法與應(yīng)用研［D］．武漢:武漢大學(xué)，2006．

［8］柯濤，張祖勛．旋轉(zhuǎn)多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2009，34(1):44～51．

［9］柯濤．旋轉(zhuǎn)多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量［D］．武漢:武漢大學(xué)，2008．

［10］張劍清，胡安文．多基線攝影測(cè)量前方交會(huì)方法及精度分析［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2007，32(1):847～851．