無人機傾斜攝影及三維建模技術在地質災害應急測繪中的應用

朱允偉，安平利，龔文俊

（北京榮創巖土工程股份有限公司，北京 100000）

基于無人機的低空攝影測量是航空攝影測量的重要補充，它具有“快速響應”的技術優勢。隨著無人機的技術進步和產品普及，它在攝影測量領域的應用日益深化和廣闊。傾斜攝影測量技術因在三維立體建模方面的優勢伴隨我國城鎮化的推進也取得了開放式發展。將無人機平臺與傾斜相機結合的三維建模技術是當前的研究熱點，它因低成本、高效快捷的生產效率在城市規劃、資源開發、環境保護、地質災害監測等方面得到廣泛應用[1-3]。本文通過無人機搭載的傾斜相機采集數據，用三維建模軟件處理數據，得到地質災害發生區域的三維信息，可為應急救災提供定量和定性數據分析服務。

1 無人機傾斜攝影測量簡介

無人機有固定翼的，也有多旋翼的；通常來說，多旋翼的比固定翼的無人機飛的慢且低，更適合精度高且面積小的任務。作為傳感器的相機，其核心是鏡頭。按鏡頭個數，常見二鏡頭、三鏡頭、五鏡頭相機。五鏡頭相機采集數據的效率最高，其笨重且尺寸大的缺點目前已得到很大改善，因此成為傾斜攝影的主流選擇。一般情況下，優先選擇光學性能強、輕巧、內存大、拷貝速度快、同步反饋功能強的相機。常用的SWDC-5相機就是五鏡頭相機，正下方一個正攝鏡頭，前后左右各一個傾斜鏡頭，傾角在40°～45°；集成了POS系統，便于確定位姿；各鏡頭可獨立拆卸，按需搭配，使用靈活且易于維修。

傾斜攝影獲取的數據信息豐富，包含側面紋理信息，經加工可得到DSG、DLG等多類數據成果；以輕巧無人機為平臺，可快速、高精度、低成本完成數據采集。傾斜攝影便于反映地物的實際外觀狀態，這是它和僅反映俯視狀態的正射影像的最大區別；傾斜攝影便于實現基于單張影像的長度、面積等要素量測；傾斜攝影能做到對地物紋理的批量提取與鑲貼，非常適合三維建模；傾斜影像的數據格式便于網絡發布及共享。

無人機低空攝影測量技術，以獲取高分辨率數字影像為應用目標，以無人駕駛飛機為飛行平臺，以高分辨率數碼相機為傳感器，通過3S技術在系統中集成應用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現勢性強的航測遙感數據。無人機低空攝影測量主要用于基礎地理數據的快速獲取和處理，為制作正射影像、地面模型或基于影像的區域測繪提供最簡捷、最可靠、最直觀的應用數據。無人機具有靈活機動的特點，受空中管制和氣候的影響較小，能夠在惡劣環境下直接獲取影像，即便是設備出現故障，也不會出現人員傷亡，具有較高的安全性。

無人機可以在云下超低空飛行，彌補了衛星光學遙感和普通航空攝影經常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷，可獲取比衛星遙感和普通航攝更高分辨率的影像。同時，低空多角度攝影獲取建筑物多面高分辨率紋理影像，彌補了衛星遙感和普通航空攝影獲取地質資料時遇到的遮擋物的問題。

盡管基于無人機平臺的傾斜攝影測量存在低成本、靈活輕便、分辨率高、快速響應能力強等優點，但是存在易受氣流影響飛行姿態不穩、影像重疊度高、像幅小、影像數量多且畸變大等問題。

傾斜攝影通過多視高重疊影像，輔以施測少量控制點，經影像匹配，獲取點云，構建三角網TIN，通過紋理映射的紋理鑲貼，可構建實景三維模型。由多鏡頭多角度獲取的多視影像得到的三維實景模型具有直觀且多方位的展示效果，在地質災害應急處理中應用潛力巨大。它可作為電子沙盤，可以量測受災范圍，可以量化受災程度，可以為災害處理提供依據。

2 三維建模流程

基于無人機傾斜攝影技術的三維建模基本流程為：將傾斜相機組裝在無人機上、根據區域設計航線、航測采集多視影像、幾何校正與影像預處理、多視影像聯合平差與密集匹配、生產DSM、TIN等數據產品、3D紋理映射、生成三維立體模型。其中關鍵技術是多視影像聯合平差與密集匹配。

3 三維建模實例應用

3.1 研究區域與思路

選取的研究區域為北京市密云區某區域，面積約3.7km2，這里經常會發生巖石崩塌、泥石流等地質災害，為此需加強災害監測及相關數據采集與技術研究。研究的思路分為三步：先用無人機搭載傾斜相機采集數據，然后利用軟件構建三維模型，最后基于三維模型進行地質災害的定量與定性分析與評估。

3.2 選擇無人機和相機

按需求，選擇了一款多旋翼無人機。根據產品的要求精度及測區實際情況，確定相機、鏡頭，設計合適的影像重疊度。制作相機支架來連接相機與無人機。采用可獨立拆卸的五鏡頭相機，一臺正攝，焦距調為25mm；四臺調為傾斜45°，前后左右各懸掛一個[4]。

3.3 航線設計

航線設計使用航線設計軟件，軟件可按指令生成飛行計劃文件。航線設計的目的是選擇最佳路徑，要考慮外界環境條件和無人機的性能，要考慮相機參數、重疊度等因素。照準正下方的相機的參數是航高設計的依據。因此，要先確定出相機焦距，再計算航高。因測區地形起伏較大，為提高精度，將其分為2部分分別航測。第一部分為較平坦的區域，基準面的高程是197m，絕對航高是525m，航帶長45km；第二部分為丘陵區域，基準面的高程是315m，絕對航高是643，航帶長34km。傾斜攝影需要較高的影像重疊度，設計為航向重疊80%，旁向重疊70%[5]。

3.4 采集多視影像

在明確了需要進行的航飛任務后，需要進行現場勘查和設備檢查，并進行空域飛行申請，使具備資質要求的人員實施無人機航測，采集多視影像。由于地質災害發生后需要盡快實施應急測繪，具體天氣情況不由人為選擇，對施測人員來說，只能被動的根據當時的具體的天氣狀態來調整曝光參數。本次項目采用的八旋翼無人機，飛行速度慢，需多次飛行才能完成全區域覆蓋。設置好每個相機對應的曝光點坐標，各相機就可以在無人機按航線飛行過程中自動拍攝。通過航測，獲得了5個相機采集的5個方位的影像。采集影像時，同時記錄航高、重疊度、坐標等信息。影像采集后，還需結合實地對照檢查，舍棄不合質量要求的影像，該補測的地方就補測。并對合格的多視影像進行處理，使其勻光勻色。

3.5 多視影像聯合平差與匹配

因為存在傾斜影像的緣故，必須采用多幅影像進行聯合平差；平差中要注意各影像間的遮擋關系與幾何變形，結合各影像的外方位元素，結合金字塔式多級匹配策略。無人機獲取的多視影像的分辨較高、影像數量多，如何快速識別同名點，實現影像密集匹配是關鍵，目前多采用基于機器視覺的多基元匹配。影像匹配后，可進一步得到DSM、TIN模型等產品。

3.6 三維建模

人工三維建模效率低下，難以滿足應急測繪的急迫需求，因此需借助自動建模軟件。我們使用了Smart 3D軟件，能自動建模，將經過處理的影像數據導入到該軟件里，就可快速高效構建地形的三維的立體模型。具體的步驟為：新建一個工程；導入數據；控制點影像關聯；打開引擎端，提交空三任務；提交重建任務；提交成果產品。

4 地質災害分析

基于三維地形模型，可進行模擬分析，選取一定區域，進行數據量測，評估災害程度。

4.1 量算受災面積

在Smart 3D viewer中，我們可以直觀的看清地形情況，選取有可能發生地質災害的區域。在這里，我們將可能發生山體滑坡等災害的裸土區域及少植被區域沿邊界圈出范圍。進而可以量算出區域面積。

4.2 計算受災土方量

在選定的區域內，可看到高低起伏情況，三維模型帶有明確的高程信息。選取一個較低點作為基準面，可計算出可能發生滑坡的土方量。

4.3 評估受災程度

量算受災面積、計算受災土方量是定量分析；評估受災程度是定性分析。定量分析是定性分析的基礎。對受災程度進行評估，首先要熟悉受災區的情況，可通過三維模型直觀了解。再通過定量分析計算出的數據確定影響范圍和程度，進而確定危險等級，科學指導救災。

5 小結

用基于無人機平臺的傾斜相機多視影像來建立三維模型已是三維建模的重要方式，在地質災害應急測繪中的應用越來越大，是發展趨勢。在本次模擬試驗分析中，可以明顯看到三維實景模型的優勢，以及無人機平臺在數據采集上的輕巧與高效。無人機可以將傳感器相機搭載到人不便到達的受災區，結合多視相機鏡頭多角度大重疊度采集目標區地面影響，甚至在惡劣天氣狀態下依然可以完成任務，具有很強快速反應力，適合應急測繪。三維實景模型直觀且具有一覽性，便于量測、分析與評估，可作為電子沙盤用于指導救災，是非常實用的地質災害應急救援輔助工具。