張 彤

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

北京北部地區(qū)受季風(fēng)氣候影響降雨頻繁并且地形地貌變化明顯，不同地貌類型分界明顯，區(qū)內(nèi)相對高差較大，人類活動造成地表土層厚度較薄，邊坡和深切溝谷較多，該區(qū)域?qū)儆诘刭|(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)。一旦出現(xiàn)，會對當(dāng)?shù)鼐用袢松戆踩敖?jīng)濟(jì)發(fā)展造成極大的影響，嚴(yán)重制約了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。為防患于未然，減少損失，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警識別研究尤為重要。

隨著遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過遙感衛(wèi)星及無人機(jī)傳統(tǒng)航測技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用研究，但是數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）等傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品只能從垂直角度進(jìn)行觀察，在遍布視覺死角的高山峽谷地區(qū)，研究人員極易產(chǎn)生錯判、漏判等現(xiàn)象。

與上述技術(shù)手段相比，傾斜攝影測量技術(shù)具有更高的真實性，可供研究人員全方位、多角度地進(jìn)行觀察研究，可以有效地減少錯判、漏判等現(xiàn)象，節(jié)約人工成本。該文以研究區(qū)內(nèi)道路邊坡崩塌災(zāi)害為例，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開展三維建模與分析方法研究，包括三維重建原理、無人機(jī)硬件平臺配置、航飛拍攝和災(zāi)害識別等環(huán)節(jié)，取得了良好的效果。

1 傾斜攝影三維重建原理

1.1 空中三角測量

SIFT 算法是計算機(jī)視覺中的一種算法，用來檢測和描述影像中的局部性特征。利用尺度不變特征（Scale Invariant Feature Transform，SIFT）算子可以從影像中提取大量尺度和旋轉(zhuǎn)不變的特征點[2]，從而進(jìn)行影像匹配。由于SIFT 算子能夠找到位置，比例和旋轉(zhuǎn)不變的獨特特征點，同時對仿射變換以及照明變化的穩(wěn)健性，這種算子可用于物體識別。

在提取特征點并完成這些特征點的配對后，在內(nèi)部作業(yè)工作中，需要解算像片的外方位元素，即物方空間坐標(biāo)系中X、Y、Z和3 個角元素以及建立像方坐標(biāo)系和物方空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。光束法是將相對定向-絕對定向解法中的分步步驟整合成為一個整體步驟，具體來說就是將每張影像里的全部待測點和控制點都按照共線方程式（1），在影像序列中聯(lián)合進(jìn)行計算，同時求解影像序列的外方位元素以及待測點的物方坐標(biāo)。

式中：x，y為像點的像平面坐標(biāo)；x0，y0為像主點坐標(biāo)；f為相機(jī)焦距；Xs，Ys，Zs為投影中心的地面坐標(biāo)；XA，YA，ZA為對應(yīng)地面點的三維空間坐標(biāo)；ai，bi，ci（i=1，2，3）為影像3 個角元素組成的9 個方向的余弦值。

1.2 密集匹配

只采用一種匹配方法就想用得到的稀疏同名點進(jìn)行三維重建是很困難的，這樣重建的三維模型精度也不高。Y.Furukaw 提出一種基于面元的多視立體匹配（patchbasedmulti-viewstereomatching，PMVS）算法[3]，該算法利用擴(kuò)散策略和一致性約束等方法，通過稀疏點云獲得密集點云，從而獲得較高的精度，有較好的重建效果。

1.3 表面模型構(gòu)建

表面模型構(gòu)建主要包括三角網(wǎng)構(gòu)建和紋理映射。不規(guī)則三角網(wǎng)是一種數(shù)字高程模型的表示方法，包括大量數(shù)據(jù)點，能充分利用地貌的特征點、線，更精確合理地表達(dá)地表特征，1984 年由Boissonnat 提出了基于Delaunay 三角網(wǎng)的構(gòu)建算法[4]，2006 年由Kazhdan 提出了基于泊松方程的表面構(gòu)建算法（Poissonsurfacereconstruction）。上述算法均具有良好的效果。

不規(guī)則三角網(wǎng)如圖1 所示，可根據(jù)不同地形，選取合適的采樣點數(shù)，根據(jù)地形的復(fù)雜程度改變采樣點的密度和位置，因此可以有效地避免數(shù)據(jù)冗余，而且能突出山谷、山脊、地形變化區(qū)域等精度要求較高區(qū)域的特征，進(jìn)行地形分析和繪制立體圖也很方便，效果較好。不規(guī)則三角網(wǎng)模型在連接時應(yīng)盡量保證連接成的三角形為銳角三角形或三條邊長度接近的三角形，避免出現(xiàn)過大的鈍角以及過小的銳角。

圖1 三角網(wǎng)模型示例

紋理映射的原理是采用某種方法建立二維影像中的像點到三維模型的表面空間點之間的映射關(guān)系。紋理映射的最終目標(biāo)是為了減少像點坐標(biāo)到三維模型的空間坐標(biāo)之間映射關(guān)系的誤差，準(zhǔn)確地建立2 種坐標(biāo)系之間的聯(lián)系。

2 試驗與分析

傾斜攝影測量技術(shù)是一種從豎直和傾斜5 個視角同時進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)獲取、處理和應(yīng)用的技術(shù)。由于其具備較高精度的下視垂直影像和多角度的斜視傾斜影像，能夠良好地結(jié)合地物頂面及側(cè)面的紋理信息。該文總體技術(shù)路線如圖2 所示，包括外業(yè)數(shù)據(jù)獲取、三維重建、模型修補(bǔ)和災(zāi)害識別等。選擇Bently 公司的ContextCaptureCenter 軟件進(jìn)行影像后處理工作，實現(xiàn)山區(qū)道路的三維重建工作。

圖2 總體技術(shù)路線

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處北京北部中山地，地形高低不平，山勢陡峭，表層土層較薄，出露地層以碳酸鹽巖類、元古界的陸源碎屑和太古界變質(zhì)巖為主。

2.2 無人機(jī)航攝外業(yè)

無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取總體流程如圖3 所示，包括攝影準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)檢查和解算等步驟。在作業(yè)時須同步進(jìn)行影像質(zhì)量檢查，如存在曝光過高、虛焦等情況須進(jìn)行重飛或補(bǔ)飛操作。

圖3 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取總體流程

2.2.1 無人機(jī)硬件平臺配置

針對測區(qū)具有地質(zhì)破碎、地形起伏大等特點，通過CW-10 電動垂直起降固定翼無人機(jī)獲取傾斜航空攝影數(shù)據(jù)。像片航向重疊度設(shè)計為80%，旁向重疊度設(shè)計為70%。實際的航高和設(shè)計的高度之差不超過50 m，在相同航線上，相鄰影像的高度差異不能超過30 m，最大飛行高度和最小飛行高度之差不超過50m。CW-10 垂直起降固定翼無人機(jī)搭載JR503 相機(jī)模塊進(jìn)行航攝，獲取比例尺不低于1 ∶1000 的傾斜攝影數(shù)據(jù)。

2.2.2 像控測量

由于研究區(qū)域?qū)偕降氐匦?，無特征地物區(qū)域面積較大，利用區(qū)域網(wǎng)的布點方式，按“4+1”法布設(shè)平高控制點，按網(wǎng)狀布設(shè)高程控制點，同時各加密分區(qū)視情況布4~5 個檢查點，從而滿足空中三角測量的精度要求。例如遇布控危險的密林，陡峭區(qū)域，保證作業(yè)人員安全的情況下，可少量布設(shè)像控點。

像控測量具體流程如圖4 所示，每個點位須制作點之記，并注意坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致。

圖4 像控測量流程示意圖

2.3 航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

基于ContextCapture Center軟件，可通過半交互方式完成影像的立體重建工作。該軟件通過高精度的影像匹配算法，自動匹配相鄰影像中的同名點，同時提取大量特征點構(gòu)成密集點云，使地物細(xì)節(jié)表達(dá)得更加細(xì)致準(zhǔn)確。

在立體重建的過程中，初始影像質(zhì)量和空三測量精度會直接影響地質(zhì)災(zāi)害體模型的幾何精度和細(xì)部表達(dá)。如果出現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)錯誤、地表高度反光造成的拍攝盲區(qū)、影像同名點匹配錯誤等情況，構(gòu)建的地質(zhì)災(zāi)害模型會在構(gòu)筑物、水面等場景以及模型的邊緣區(qū)域出現(xiàn)三角網(wǎng)缺失，從而形成模型空洞。此時，可通過第三方軟件進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)前后如圖5所示。

圖5 水面空洞修補(bǔ)前后示意圖

除此之外，由于高陡山體邊坡的頂部往往難以通過人力抵達(dá)，因此如何進(jìn)行高位災(zāi)害體的判識及評估是研究的難點問題[5]。通過傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建三維模型，可以清晰地獲得地質(zhì)災(zāi)害體的頂面、側(cè)面細(xì)節(jié)，例如紋理信息和細(xì)部輪廓等，其現(xiàn)勢性更可以反應(yīng)災(zāi)害體周邊環(huán)境信息。該特點利于調(diào)查研究人員進(jìn)行多角度、多尺度的觀察研究，對輔助調(diào)查坡頂變形體、陡坡危巖體等災(zāi)害提供了方面，與正射影像辨識相比大幅度提升工作效率。研究區(qū)模型災(zāi)害隱患點如圖6 所示。

3 結(jié)語

該文基于傾斜攝影技術(shù)提出一種針對山區(qū)公路典型地質(zhì)災(zāi)害的三維建模和判識方法。系統(tǒng)地論述其三維立體重建及災(zāi)害分析的流程和方法。除此之外，通過建立災(zāi)害隱患區(qū)域不同時期的模型，還可以獲得其“時間——形變”情況，推測其變化趨勢。災(zāi)害體實景三維模型與GIS 平臺相結(jié)合，可以輔助調(diào)查研究人員更快、更直接地判定地質(zhì)災(zāi)害體的類型、規(guī)模、所處環(huán)境的地形地貌等，從而更好地辨識致災(zāi)因子，減少人員野外作業(yè)的風(fēng)險。同時，對進(jìn)一步開展數(shù)據(jù)管理、空間分析以及信息展示發(fā)布等方面提供原始數(shù)據(jù)支撐。

使用該方法對研究區(qū)沿線道路崩塌災(zāi)害開展的工作，為地質(zhì)研究人員定性分析、定量解譯等工作提供了極大的便利，減少人員野外作業(yè)風(fēng)險，取得了良好的效果。隨著遙感、BIM 等技術(shù)的普及與發(fā)展，基于傾斜攝影技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害決策分析、趨勢研判以及應(yīng)急處置等方面的研究，將貢獻(xiàn)更大的研究價值。