薛躍明　黃喆　張鳴之　石愛(ài)軍　馬娟

【摘 要】本文基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用，以四川省涼山彝族自治州美姑縣牛牛壩鄉(xiāng)為試驗(yàn)區(qū)，證明了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的適用性，分析了其優(yōu)點(diǎn)以及不足，并對(duì)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域中的應(yīng)用前景時(shí)行了展望。

【關(guān)鍵詞】?jī)A斜攝影 地質(zhì)災(zāi)害 無(wú)人機(jī) 遙感

傾斜攝影是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)載多角度傾斜攝影技術(shù)，它將傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)和數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)或多種傳感器同時(shí)從多個(gè)角度采集地面影像從而克服了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)只能從垂直角度進(jìn)行拍攝的局限性，能夠更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，彌補(bǔ)了正射影像的不足。

傾斜影像是指由一定傾斜角度的航攝相機(jī)所獲取的影像。傾斜攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息[1、2]。常用的影像數(shù)據(jù)主要來(lái)源于垂直角度或傾角很小的航空或衛(wèi)星影像，這些影像大多只有地物頂部的信息特征，缺乏地物側(cè)面詳細(xì)的輪廓及紋理信息，不利于全方位的模型重建和場(chǎng)景感知。

1 傾斜攝影成像原理

傾斜攝影是攝影機(jī)主光軸明顯偏離鉛垂線或水平方向并按一定傾斜角進(jìn)行的攝影[3]。傾斜攝影裝置是一種機(jī)載裝置，其特征包括：5臺(tái)高空間分辨率面陣數(shù)碼相機(jī)，以一定角度安裝在航空攝影穩(wěn)定平臺(tái)上。該高空間分辨率面陣數(shù)碼相機(jī)攝影裝置包括下視相機(jī)，前視相機(jī)，后視相機(jī)， 左視相機(jī)，右視相機(jī)。下視相機(jī)為垂直攝影，用于制作DEM，正射影像。前視相機(jī)、后視相機(jī)、左視相機(jī)和右視相機(jī)都為傾斜攝影，用于獲取地物側(cè)面紋理影像，傾斜角度在15-45°之間。相機(jī)之間通過(guò)時(shí)間同步裝置進(jìn)行成像時(shí)間精確對(duì)準(zhǔn)；由姿態(tài)測(cè)量裝置提供影像姿態(tài)和位置參數(shù)。具有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，負(fù)責(zé)對(duì)以上部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制，發(fā)送同源觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)該多臺(tái)面陣相機(jī)，實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集以及存儲(chǔ)維護(hù)。通過(guò)相應(yīng)的傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)采集到的傾斜影像進(jìn)行預(yù)處理，包括調(diào)色、糾偏、校正、鑲嵌、融合等等系列處理，形成符合應(yīng)用需求的傾斜影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

傾斜影像特點(diǎn)：

（1）反映災(zāi)害體周邊真實(shí)情況。相對(duì)于正射影像，傾斜影像能提供多角度觀察地物，更加真實(shí)的反映災(zāi)害體的實(shí)際情況，極大的彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足。

（2）傾斜影像可實(shí)現(xiàn)單張影像量測(cè)。通過(guò)影像后處理軟件應(yīng)用，可直接基于影像成果進(jìn)行包括高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度、剖面等的量測(cè)以及堆積體體積的計(jì)算，擴(kuò)展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用。

（3）數(shù)據(jù)量小易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。相較于三維GIS技術(shù)應(yīng)用龐大的三維數(shù)據(jù)，應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)獲取的影像的數(shù)據(jù)量要小得多，其影像的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用。

2 傾斜攝影在野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

2.1 相關(guān)參數(shù)

此次實(shí)驗(yàn)無(wú)人機(jī)搭載5個(gè)索尼DSC-QX100數(shù)碼相機(jī)用來(lái)獲取前、后、左、右以及垂直方向的圖像，成像架構(gòu)如圖1所示，搭載GPS/IMU設(shè)備獲取曝光時(shí)刻無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)地理位置（X、Y、Z坐標(biāo)）及無(wú)人機(jī)狀態(tài)參數(shù)。

無(wú)人機(jī)及搭載數(shù)碼相機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下：（1）飛行高度350m；（2）相機(jī)焦距10.4mm；（3）相機(jī)傳感器尺寸5472*3648像素；（4）航向與旁向重疊度均為75%。

2.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)樗拇ㄊ錾揭妥遄灾沃菝拦每h牛牛壩鄉(xiāng)一處滑坡隱患點(diǎn)，共利用四懸翼無(wú)人機(jī)飛行五架次，影像完整覆蓋該隱患點(diǎn)，通過(guò)后期數(shù)據(jù)篩選，剔除不良數(shù)據(jù)以提高數(shù)據(jù)處理效率，最后保留圖片共計(jì)2065張。

本次實(shí)驗(yàn)采用Pix4d mapper軟件進(jìn)行影像處理，Pix4d mapper是一款集快速、專業(yè)精度為一體的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件，無(wú)需太多專業(yè)知識(shí)，能自動(dòng)獲取相機(jī)參數(shù)及GPS/IMU數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成Google瓦片及帶紋理的三維模型[5]。

數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

在Pix4d中新建工程，結(jié)合pos數(shù)據(jù)對(duì)輸入圖像進(jìn)行預(yù)處理和全自動(dòng)影像匹配，根據(jù)匹配結(jié)果剔除誤差較大的影像，軟件對(duì)圖片進(jìn)行大量的特征點(diǎn)的計(jì)算提取，對(duì)獲取的特征點(diǎn)再采用多視角匹配同名點(diǎn)，然后反向解算出每張圖片的空間位置還有圖片的姿態(tài)角度，從而確定圖片間的關(guān)系，作為解算的中間結(jié)果，用戶可以查看整個(gè)航帶的飛行情況、空三點(diǎn)的位置密度（圖3）、每張圖片的相對(duì)位置還有覆蓋的范圍、方位等相關(guān)信息。

軟件通過(guò)空三加密計(jì)算不規(guī)則三角網(wǎng)，并由此生成三維模型，然后通過(guò)三維模型，選擇合適的圖片進(jìn)行紋理貼合，得到紋理相對(duì)逼真的實(shí)景三維模型，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用輸出數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）（圖5）以及包含地表紋理信息的正射影像圖（圖4）以分析引發(fā)災(zāi)害發(fā)生的成災(zāi)因子。

由Pix4d軟件處理得到的數(shù)字表面模型，通過(guò)GIS空間分析，進(jìn)而可以得到引發(fā)災(zāi)害發(fā)生的一些成災(zāi)因子的定量信息，如坡度（圖6）、坡向（圖7）等，對(duì)傾斜攝影形成的正射影像通過(guò)室內(nèi)人機(jī)交互式解譯與野外驗(yàn)證手段，可以完成對(duì)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的解譯[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的低空攝影測(cè)量技術(shù)，其在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用處于起步階段，應(yīng)用深度和廣度還有待于進(jìn)一步拓展，其高分辨率和高機(jī)動(dòng)性是其它遙感技術(shù)無(wú)法比擬的，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以廣泛用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估以及地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)處置等。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理，由于航向及旁向重疊率大，即使很小區(qū)域覆蓋也需要很大數(shù)據(jù)量，處理過(guò)程相當(dāng)耗時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件有較高的要求高，研究無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)以及災(zāi)害快速分析解譯技術(shù)，可以有效提高無(wú)人機(jī)傾斜攝影的實(shí)用性和實(shí)效性，促進(jìn)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)與地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]尹杰.基于無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的快速處理技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2011.12. 15-17.

[4]金鼎堅(jiān).面向地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的無(wú)人機(jī)遙感影像處理軟件比較.國(guó)土資源遙感[J]，2016.1（28）183-189.

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