無人機傾斜攝影技術在地質災害調查監測中的應用

薛躍明　黃喆　張鳴之　石愛軍　馬娟

【摘 要】本文基于無人機傾斜攝影測量技術的特點，介紹了無人機傾斜攝影測量技術在地質災害調查中的應用，以四川省涼山彝族自治州美姑縣牛牛壩鄉為試驗區，證明了無人機傾斜攝影測量技術在地質災害調查中的適用性，分析了其優點以及不足，并對在地質災害調查領域中的應用前景時行了展望。

【關鍵詞】傾斜攝影 地質災害 無人機 遙感

傾斜攝影是近年來發展起來的一種機載多角度傾斜攝影技術，它將傳統航空攝影技術和數字地面采集技術結合起來，通過在同一飛行平臺上搭載多臺或多種傳感器同時從多個角度采集地面影像從而克服了傳統航空攝影技術只能從垂直角度進行拍攝的局限性，能夠更加真實地反映地物的實際情況，彌補了正射影像的不足。

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

1 傾斜攝影成像原理

傾斜攝影是攝影機主光軸明顯偏離鉛垂線或水平方向并按一定傾斜角進行的攝影[3]。傾斜攝影裝置是一種機載裝置，其特征包括：5臺高空間分辨率面陣數碼相機，以一定角度安裝在航空攝影穩定平臺上。該高空間分辨率面陣數碼相機攝影裝置包括下視相機，前視相機，后視相機， 左視相機，右視相機。下視相機為垂直攝影，用于制作DEM，正射影像。前視相機、后視相機、左視相機和右視相機都為傾斜攝影，用于獲取地物側面紋理影像，傾斜角度在15-45°之間。相機之間通過時間同步裝置進行成像時間精確對準；由姿態測量裝置提供影像姿態和位置參數。具有計算機控制系統和數據存儲裝置，負責對以上部件進行數據采集控制，發送同源觸發信號啟動該多臺面陣相機，實現同步數據采集以及存儲維護。通過相應的傾斜影像數據處理軟件，對采集到的傾斜影像進行預處理，包括調色、糾偏、校正、鑲嵌、融合等等系列處理，形成符合應用需求的傾斜影像數據產品。

傾斜影像特點：

（1）反映災害體周邊真實情況。相對于正射影像，傾斜影像能提供多角度觀察地物，更加真實的反映災害體的實際情況，極大的彌補了基于正射影像應用的不足。

（2）傾斜影像可實現單張影像量測。通過影像后處理軟件應用，可直接基于影像成果進行包括高度、長度、面積、角度、坡度、剖面等的量測以及堆積體體積的計算，擴展了傾斜攝影技術在行業中的應用。

（3）數據量小易于網絡發布。相較于三維GIS技術應用龐大的三維數據，應用傾斜攝影技術獲取的影像的數據量要小得多，其影像的數據格式可采用成熟的技術快速進行網絡發布，實現共享應用。

2 傾斜攝影在野外地質災害調查中的應用

2.1 相關參數

此次實驗無人機搭載5個索尼DSC-QX100數碼相機用來獲取前、后、左、右以及垂直方向的圖像，成像架構如圖1所示，搭載GPS/IMU設備獲取曝光時刻無人機實時地理位置（X、Y、Z坐標）及無人機狀態參數。

無人機及搭載數碼相機的相關參數如下：（1）飛行高度350m；（2）相機焦距10.4mm；（3）相機傳感器尺寸5472*3648像素；（4）航向與旁向重疊度均為75%。

2.2 傾斜攝影數據處理

本次實驗區域為四川省涼山彝族自治州美姑縣牛牛壩鄉一處滑坡隱患點，共利用四懸翼無人機飛行五架次，影像完整覆蓋該隱患點，通過后期數據篩選，剔除不良數據以提高數據處理效率，最后保留圖片共計2065張。

本次實驗采用Pix4d mapper軟件進行影像處理，Pix4d mapper是一款集快速、專業精度為一體的無人機數據和航空影像處理軟件，無需太多專業知識，能自動獲取相機參數及GPS/IMU數據，自動生成Google瓦片及帶紋理的三維模型[5]。

數據處理流程如圖2所示。

在Pix4d中新建工程，結合pos數據對輸入圖像進行預處理和全自動影像匹配，根據匹配結果剔除誤差較大的影像，軟件對圖片進行大量的特征點的計算提取，對獲取的特征點再采用多視角匹配同名點，然后反向解算出每張圖片的空間位置還有圖片的姿態角度，從而確定圖片間的關系，作為解算的中間結果，用戶可以查看整個航帶的飛行情況、空三點的位置密度（圖3）、每張圖片的相對位置還有覆蓋的范圍、方位等相關信息。

軟件通過空三加密計算不規則三角網，并由此生成三維模型，然后通過三維模型，選擇合適的圖片進行紋理貼合，得到紋理相對逼真的實景三維模型，對于地質災害應用輸出數字表面模型（Digital Surface Model，DSM）（圖5）以及包含地表紋理信息的正射影像圖（圖4）以分析引發災害發生的成災因子。

由Pix4d軟件處理得到的數字表面模型，通過GIS空間分析，進而可以得到引發災害發生的一些成災因子的定量信息，如坡度（圖6）、坡向（圖7）等，對傾斜攝影形成的正射影像通過室內人機交互式解譯與野外驗證手段，可以完成對區域內地質災害的解譯[6]。

3 結語

無人機傾斜攝影技術是近幾年發展起來的低空攝影測量技術，其在地質災害調查和監測領域應用處于起步階段，應用深度和廣度還有待于進一步拓展，其高分辨率和高機動性是其它遙感技術無法比擬的，無人機傾斜攝影技術可以廣泛用于地質災害調查、監測、預警、評估以及地質災害應急現場處置等。無人機傾斜攝影測量技術雖然實現數據自動化處理，由于航向及旁向重疊率大，即使很小區域覆蓋也需要很大數據量，處理過程相當耗時，對計算機軟硬件有較高的要求高，研究無人機數據快速處理系統以及災害快速分析解譯技術，可以有效提高無人機傾斜攝影的實用性和實效性，促進無人機遙感技術在地質災害調查監測與地質災害應急領域的廣泛應用。

參考文獻：

[1]吳振宇.無人機遙感技術在地質災害調查中的應用[J].寧夏工程技術，2012.11（2）.133-136.

[2]李定松.無人機技術在地質災害監測中的應用[J].北京測繪，2015.4.76-78.

[3]尹杰.基于無人機低空遙感系統的快速處理技術研究[J].測繪通報，2011.12. 15-17.

[4]金鼎堅.面向地質災害調查的無人機遙感影像處理軟件比較.國土資源遙感[J]，2016.1（28）183-189.

[5]張學之.利用LiDAR/傾斜后影技術實現三維城市快速建模的方法研究[J].測繪與空間地理信息.2015.3（38）.47-49.

[6]胡文藝.岷江流域無人機遙感影像拼接及災害信息提取.物化探計算技術[J].2012.3（34）340-343.