無人機傾斜攝影技術在地震烈度評估中的應用
——以九寨溝7.0級地震為例

許建華 張雪華 王曉青 杜曉霞 袁小祥

1）中國地震應急搜救中心，北京市石景山區玉泉西街1號 100049

2）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

0 引言

嚴重破壞性地震的發生往往可以導致大量建（構）筑物等在瞬間發生倒塌、道路中斷，同時也會引起山體崩塌，形成滑坡，造成巨大的生命和財產損失。而震后指揮決策、生命救援、烈度圖的繪制等都依靠災情的快速獲取，因此，快速準確獲取災區實時遙感影像至關重要。

20世紀80年代以來，無人機技術的快速發展為遙感技術提供了新的平臺。無人機遙感技術主要以多旋翼、固定翼無人機以及無人直升機等作為平臺，通過底部安裝光學或多光譜相機等進行拍攝，以獲取高分辨率的遙感影像數據（崔紅霞等，2005；晏磊等，2004）。因無人機具有攜帶方便、機動靈活、飛行高度低以及可通過航線設計自行飛往預先設置好的區域等特點，彌補了衛星遙感空間分辨率較低、受天氣影響較大的缺點，在測繪、電力巡檢、建（構）筑物損毀監測、礦山監測、資源調查等諸多領域得到廣泛應用（史占軍等，2011；Keemink et al，2012；Jahanshahi et al，2013；薛永安等，2013；李德仁等，2012）。

在地震災害調查中無人機遙感也發揮了重要作用，如2013年蘆山7.0級地震，王曉青等（2015）使用高分辨率航空影像和無人機影像快速解譯并提取了災區建筑物震害信息，通過建立震害遙感定量評估模型，實現了地震烈度分布遙感評估圖的繪制；李金香等（2017）結合現場震害調查和高分辨率無人機正射影像對2015年新疆皮山地震的建筑物震害信息進行了快速解譯，為及時了解災區災害信息提供了支持。但無人機正射影像是通過無人機掛載垂直向下的相機對建（構）筑物等進行信息采集的，這種方式通常情況下只能獲取其頂部信息，難以進行全方位信息的獲取，特別是在災害檢測及評估方面容易產生錯誤分類，這就促進了能夠獲取建（構）筑物等側面信息的傾斜攝影技術的發展。2010年4月，北京天下圖數據技術有限公司首次引進了一套當時世界上最先進的傾斜攝影設備，在隨后的幾年里我國無人機傾斜攝影技術得到快速發展（田野等，2013）。傾斜攝影技術是指在同一飛行平臺上掛載多個不同角度的傳感器同時進行數據采集，并且在數據采集的同時，記錄每張照片拍攝時的位置、航高、飛行器姿態等信息，由此獲得的傾斜影像數據不僅反映了建（構）筑物等的真實情況，而且包含立面信息及照片精確位置信息，為后續的數據處理提供了極大的方便（H?hle，2008；李頎，2016）。帥向華（2017）利用傾斜攝影技術對 2014年云南魯甸地震的建筑物、滑坡、滾石、堰塞湖等震害場景進行精確表達，實現了遙感地震災情的精細化分析。無人機傾斜攝影技術的靈活性、影像多角度性和高分辨率等特點使該技術在地震應急及烈度評估等方面發揮著越來越重要的作用。

1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術通過在無人機飛行平臺上搭載多個不同角度的傳感器，同時獲取建（構）筑物等地物的頂部、側面信息，可以實現該地物空間信息的全方位表達，通過建立的三維模型還可以實現對其尺寸、體積等的量測，有效提高了觀察效果，增強了獲取數據的準確性（黃敏兒等，2014；江明明，2017）。

無人機傾斜攝影系統主要包括無人機系統、傾斜相機系統和后期影像處理軟件等3部分。無人機系統主要是指無人機飛行平臺及地面站操作系統。目前，無人機飛行平臺主要以多旋翼、固定翼無人機為主。隨著科技的發展，這2類無人機在朝著體積小、質量輕、攜帶方便等方向發展。但一般來說，多旋翼無人機在起降場地選擇方面更加靈活，而固定翼無人機的航時更長，航程更遠。地面站操作系統可實現航線規劃、無人機控制等功能，進而獲取人員視距外無法進入區域的影像。傾斜相機系統主要有3種類型：扇形布局、塊狀布局和馬耳他十字形布局，通常是由2～6個不等的鏡頭組成，每個鏡頭根據鏡頭數量的不同，其傾斜方向及角度也不同（Petrie，2009；田野等，2013）。另外，也可使用同一相機通過鏡頭不同角度的傾斜進行多次航飛拍攝。目前，常用的傾斜相機系統為5個鏡頭，如Vision Map＿A3相機系統、美國Pictometry相機系統、萊卡RCD30相機系統及中國測繪科學院的SWDC-5相機系統等（圖1）。

無人機飛行平臺以及傾斜相機等硬件技術的發展，在便于獲取高分辨率傾斜影像的同時，也促進了后期影像處理軟件的發展。常用的數據處理軟件包括美國Pictometry軟件、Multi Vision系統、法國 Street Factory軟件、萊卡LPS工作站、Street Factory系統、Smart 3D軟件及國內的DP-Modeler、Leador AMMS軟件等（楊國東等，2016）。數據后處理軟件系統整合了傾斜攝影技術采集的空間信息和應用功能，目前在地震應急、規劃建設、測繪、三維建模等領域發揮著重要作用（李瑋瑋，2016）。

圖1 五鏡頭傾斜攝影原理圖（據李瑋瑋（2016））

2 全自動快速構建三維模型技術

圖2為全自動快速構建三維模型技術路線圖。在數據獲取階段，本文采用大疆Mavic單鏡頭無人機進行多次同航線飛行，每個航拍點飛行5次，鏡頭分別朝向正下、前傾、后傾、左傾、右傾，4個方向的傾斜角度為40°（Petrie，2009），進而模擬 Pictometry五鏡頭傾斜攝影系統；在數據處理階段，由于Smart 3D Capture三維建模技術可實現基于圖形運算單元的快速運算，同時具有簡單、全自動的特點（孫宏偉，2014），可在調查行進中處理，在一定程度上滿足地震烈度調查的應用，故本文采用Smart 3D Capture進行空中三角測量、多視影像密集匹配、構建TIN模型、自動紋理映射等步驟。

圖2 全自動快速構建三維模型技術路線

3 傾斜攝影技術在九寨溝地震烈度評估中的應用

在九寨溝7.0級地震烈度評估工作中，共對漳扎鎮九道拐附近公路處、紅巖林場管理處附近單體建筑物、如意壩附近的山體滑坡、海子口村附近S301道路進行了低空傾斜航拍，航拍區域涉及烈度Ⅸ、Ⅷ度區，航拍類型包括建筑物、道路、滑坡。數據獲取后第一時間進行處理，于當天抗震救災現場指揮部召開會議前提交，為烈度圖繪制等提供了及時有力的信息。

本文依據《建（構）筑物地震破壞等級劃分》（GB/T 24335－2009）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2009）、《中國地震烈度表》（GB/T 17742－2008）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2008）及《地震現場工作：調查規范》（GB/T 18208.3-2011）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2011）中的相關規定對調查點區域進行了烈度評估，下面分別進行詳細描述。

表1 九寨溝7.0級地震傾斜攝影航拍情況

3.1 建筑物破壞

由于汶川8.0級地震后，該地區建筑物設防等級較高，墻體出現裂縫及填充墻倒塌的建筑物較多。建筑物裂縫會降低結構承載力，使居民居住存在安全隱患，同時承重墻、柱等構件是否出現裂縫以及裂縫大小，也是烈度評定的重要指標。因此，無人機傾斜攝影技術的快速、多角度的災害調查優勢就凸顯出來。此次九寨溝地震應急中，建筑物的傾斜航拍點包括漳扎鎮九道拐公路處、紅巖林場管理處附近建筑物。

由九道拐公路處的三維模型（圖3（a））可見，該處共有3棟建筑，其中，1棟建筑已經完全毀壞，門墻發生倒塌，另外2棟建筑屋脊有梭瓦現象，從側視角度還可見窗戶下墻體均出現裂縫（圖3（b）），故判定該區域屬于Ⅷ度區。

圖3 漳扎鎮九道拐公路處三維模型

圖4（a）～4（c）分別為紅巖林場附近單體建筑不同角度的三維展示圖。由圖4可見，該建筑物頂部形狀完整，無裂縫等破壞，從側面可以觀察到該建筑墻體出現斜向和“X”形剪切破裂，屬毀壞級別。從正射影像上此類建筑極易判讀為未倒塌或基本完好，進而造成震害評估不準確。圖4（d）為裂縫寬度測量，從測量結果來看，該裂縫寬度約為3.8cm，已無修復可能，故判定該區域屬于Ⅷ度區。

圖4 紅巖林場附近單體建筑三維模型

3.2 道路破壞

道路破壞也是烈度評定的一項重要指標，使用傾斜攝影技術可以實現道路塌陷、垂直錯動和水平破裂等距離的量算。通過測量的破壞距離值可對該地區的道路破壞程度有定量的了解，這對于烈度評估具有重大的參考價值。

圖5為S301省道海子口附近道路破壞量算圖。由圖5可見，該段道路最大垂直塌陷約為1.5m，最大水平破裂長度約為15m，通行能力受到嚴重影響。依據林均岐等（2013）對路基破壞等級的劃分標準，判定該道路屬于嚴重破壞。結合該區其他震害判斷，該區屬于Ⅸ度區。

3.3 滑坡災害

滑坡災害不僅對自然生態造成嚴重破壞，同時還會對道路造成堵塞、破壞，對行車、建筑及生命財產等造成重大威脅。九寨溝7.0級地震引發的滑坡災害總數較多，其中，最大的滑坡體位于如意壩附近，通過傾斜航拍建立的三維模型進行量算，該滑坡體落石體積約為250000m3，滑坡面積約為27000m2，通過量測數值可知，該滑坡體屬于大型滑坡，對判定該區屬于Ⅸ度區提供了幫助。

圖5 S301省道海子口附近道路破壞量算圖

圖6 如意壩附近山體滑坡三維模型

4 結論與討論

本文通過闡述無人機傾斜攝影技術的組成及全自動快速建模流程，說明了該技術可多角度獲取災害信息的優勢，同時處理生成三維模型，實現了對建筑物及地質災害的真實場景再現，使得災害信息的表達、傳遞更加直觀。另外，通過軟件量測工具可得到建筑物破壞、道路破壞、滑坡等的長度、寬度及體積等信息，在九寨溝地震中提升了烈度評估、災害調查等工作的效率及準確性，對于地震應急工作具有重大應用意義。

使用無人機傾斜攝影技術雖然實現了快速、大范圍、多角度的建筑物、道路、滑坡等災情信息的獲取，但是在災區的特殊環境下，對于大面積的傾斜攝影影像數據的實時處理依然是一個難題。另外，基于傾斜攝影三維建模技術生成的研究區三維模型對于建筑物內部的結構破壞難以觀察，影響了對部分建筑物震害的提取，難以達到地面調查的精度，今后應發展獲取建筑物內部影像的新方法。