基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影快速建立泥石流溝實(shí)景三維模型

韓順利

（蒼穹數(shù)碼技術(shù)股份有限公司，北京100176）

1 項(xiàng)目概述

基于防災(zāi)減災(zāi)的新形勢(shì)和高要求，為貫徹落實(shí)《全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治“十三五”規(guī)劃》和《北京市“十三五”時(shí)期地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃》，通過(guò)開(kāi)展北京市平谷區(qū)、海淀區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、石景山區(qū)泥石流溝精細(xì)調(diào)查與評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)全方位掌握工作區(qū)溝谷發(fā)育特征，建立實(shí)景三維模型，科學(xué)評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性，為科學(xué)精準(zhǔn)防治地質(zhì)災(zāi)害，優(yōu)化預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著衛(wèi)星的升空，遙感技術(shù)隨之誕生且迅猛發(fā)展。利用遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、防控等方面進(jìn)行了深入的研究，通過(guò)攝影測(cè)量及遙感技術(shù)在泥石流等地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用，可以快速獲取泥石流溝及其工作范圍的現(xiàn)勢(shì)性影像資料，為泥石流災(zāi)害的應(yīng)急防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著無(wú)人機(jī)平臺(tái)的多元化和各類(lèi)傳感器的小型化，其低廉的價(jià)格，機(jī)動(dòng)靈活的操作，使得新型的低空遙感迅速發(fā)展。利用無(wú)人機(jī)搭載五拼傾斜相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量就是新型低空遙感的代表。

3 項(xiàng)目實(shí)施

本次傾斜攝影測(cè)量采用六旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，對(duì)指定范圍內(nèi)的每條泥石流溝進(jìn)行航拍，形成全覆蓋無(wú)漏洞的多視角影像數(shù)據(jù)一套，總技術(shù)路線(xiàn)如圖1。

3.1 測(cè)繪航空攝影

本次采用的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為X6-L 六旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，搭載五鏡頭傾斜相機(jī)，裝備差分GPS 進(jìn)行航空攝影，參數(shù)如下：

X6-L 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)： 五鏡頭傾斜相機(jī)：

最大起飛重量：15Kg 單鏡頭有效像素：2430 萬(wàn)

負(fù)載重量：0-6Kg 重量：2.7Kg

飛行時(shí)間：50min 鏡頭焦距：35mm

最大飛行速度：10m/s IOS 感光：100--6400

抗風(fēng)能力：13m/s 像元尺寸：3.9μm

3.1.1 航線(xiàn)設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)先考慮攝影測(cè)量精度，相機(jī)焦距采用35mm，保證單溝航攝基準(zhǔn)面影像分辨率優(yōu)于0.05 米，確保單溝地面影像分辨率超0.08 米的不超過(guò)10%。

（2）航攝分區(qū)方法，將任務(wù)塊區(qū)高程排序，按照規(guī)范許可高差（最大最小差不得大于1/3 相對(duì)航高），預(yù)估分區(qū)，確定基準(zhǔn)面，從而完成航攝分區(qū)。

（3）重疊度設(shè)計(jì)，本次航攝區(qū)域?yàn)樯絽^(qū)，按照航向80%旁向60%-80%（高差略大分區(qū)旁向按65%-80%設(shè)計(jì)）。

（4）航攝外擴(kuò)原則，任務(wù)區(qū)外圍邊界線(xiàn)附近考慮傾斜外擴(kuò)，山脊高處一側(cè)無(wú)需外擴(kuò)，低處外擴(kuò)一條航線(xiàn)，外擴(kuò)距離垂直航攝最外航線(xiàn)一個(gè)航高。

（5）分區(qū)航線(xiàn)飛行方向確定，原則上以矩形分區(qū)的長(zhǎng)邊方向?yàn)轱w行方向，整個(gè)任務(wù)區(qū)盡量一致。

（6）曝光點(diǎn)計(jì)算，按照DEM逐點(diǎn)變基線(xiàn)計(jì)算。統(tǒng)計(jì)分區(qū)和總計(jì)的航線(xiàn)曝光點(diǎn)數(shù)。

（7）安全高度檢查項(xiàng)：

a.距離地形最高點(diǎn)飛行高度，如果低于150 米，允許飛行高度上浮50-75 米，其他不變。

b.所有轉(zhuǎn)彎處必須考慮撞山可能性，增加轉(zhuǎn)向航路點(diǎn)調(diào)整轉(zhuǎn)彎方向。

c.起降點(diǎn)到攝區(qū)路線(xiàn)上、每架次可能的返航路徑上，必須考慮撞山可能性。

d.必須考慮DEM 上沒(méi)有顧忌到的高塔、高大樹(shù)木、高壓線(xiàn)等地面障礙物。

（8）根據(jù)飛機(jī)航時(shí)航程、相機(jī)焦距組合不同分架次，原則上最小單元為一個(gè)分區(qū)。

3.1.2 航攝飛行流程

（1）組裝好飛機(jī)，檢查飛機(jī)各項(xiàng)系統(tǒng)工作是否正常。

（2）在測(cè)區(qū)周邊地面布設(shè)差分GPS 地面站，基準(zhǔn)站接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)入靜態(tài)模式，實(shí)時(shí)保存觀測(cè)數(shù)據(jù)（偽距觀測(cè)值，相位觀測(cè)值）及已知數(shù)據(jù)。

（3）飛機(jī)和地面站接通電源，檢查自駕儀參數(shù)是否設(shè)置正確，上傳設(shè)計(jì)好的航線(xiàn)和曝光點(diǎn)，根據(jù)太陽(yáng)光的強(qiáng)弱調(diào)試好相機(jī)的拍照參數(shù)并試拍相機(jī)是否正常工作，測(cè)試機(jī)載雙頻GPS 是否正常工作。

（4）無(wú)人機(jī)起飛后，待飛機(jī)爬高到作業(yè)高度后，觀察飛機(jī)是否在云下飛行，一切正常后地面站給飛機(jī)指令，指示飛機(jī)飛往作業(yè)區(qū)。

（5）飛機(jī)在飛行過(guò)程中，地面站要實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)的飛行狀態(tài)，保證飛機(jī)安全平穩(wěn)的飛完設(shè)計(jì)的航線(xiàn)，并返航降落。

（6）飛機(jī)降落后，要通過(guò)地面站下載POS 數(shù)據(jù)和雙頻GPS數(shù)據(jù)到電腦，檢查獲取的照片把其拷貝至存儲(chǔ)設(shè)備備份。

3.1.3 航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

（1）影像初步檢查：包括影像數(shù)、航帶數(shù)、影像質(zhì)量是否有云、霧、雪，是否發(fā)虛，是否能夠打開(kāi)，影像命名是否正確。

（2）檢查資料是否完整：檢查飛行記錄表、曝光點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、雙頻GPS 數(shù)據(jù)等是否存在，填寫(xiě)是否完整、規(guī)范。

（3）展繪曝光點(diǎn)坐標(biāo)：查看曝光點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際飛行情況是否一致。

（4）質(zhì)量檢查：進(jìn)行航攝質(zhì)量檢查，輸出檢查記錄，不合格影像做好相應(yīng)記錄。

（5）判斷是否需補(bǔ)飛或重飛：根據(jù)分析質(zhì)量檢查結(jié)果，若航攝過(guò)程中出現(xiàn)絕對(duì)漏洞、相對(duì)漏洞及其它嚴(yán)重缺陷必須及時(shí)補(bǔ)攝。

3.2 像控點(diǎn)的布測(cè)

本次航攝工作區(qū)域特征地物少，故在技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮在航拍前布設(shè)地面標(biāo)志，同時(shí)要求無(wú)人機(jī)裝備差分GPS 設(shè)備以提高成果精度。

每個(gè)攝影分區(qū)均采用4+1 布點(diǎn)方案（即四個(gè)角以及中心位置布點(diǎn)）進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，對(duì)于高程落差較大地區(qū)則需要多加像控點(diǎn)，盡量布設(shè)檢查點(diǎn)。本次像控點(diǎn)采用北京CORS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)GNSS RTK 測(cè)定像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)，對(duì)于CORS 信號(hào)無(wú)法覆蓋的區(qū)域使用單基站網(wǎng)絡(luò)差分模式進(jìn)行測(cè)量。正常高采用北京市似大地水準(zhǔn)精化模型插值計(jì)算。

平面控制點(diǎn)和平高控制點(diǎn)相對(duì)臨近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)超過(guò)地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5，高程控制點(diǎn)和平高控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)超過(guò)基本等高距的1/10。

像控點(diǎn)編號(hào)原則為：泥石流溝號(hào)+像控點(diǎn)序號(hào)，如：58101：581 表示泥石流溝號(hào)，后兩位編號(hào)01 為581 泥石流溝的第一個(gè)像控點(diǎn)。檢查點(diǎn)編號(hào)原則為：泥石流溝號(hào)+像控點(diǎn)序號(hào)+J，如：58101J：581 表示泥石流溝號(hào)，后兩位編號(hào)01 為581 泥石流溝的第一個(gè)像控點(diǎn)，帶J 表示該點(diǎn)為檢查點(diǎn)。

3.3 三維模型生產(chǎn)

該項(xiàng)目的三維模型構(gòu)建是基于Acute3D 公司的Smart3DCapture 軟件。操作流程主要包括：像片數(shù)據(jù)預(yù)處理（格式轉(zhuǎn)換、畸變差改正、勻光勻色等）、新建工程、空三加密、像控點(diǎn)量測(cè)、多視影像密集匹配、3D TIN 構(gòu)建、紋理映射及模型導(dǎo)出。

3.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）格式轉(zhuǎn)換。根據(jù)后處理需要，對(duì)原始JPG 數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為T(mén)IFF 格式，且不得損失幾何信息和輻射信息。

圖1 總技術(shù)路線(xiàn)圖

（2）相機(jī)畸變差改正。因采用的數(shù)碼相機(jī)像幅小、影像覆蓋面小，可以不考慮地球曲率引起的誤差。

（3）勻光勻色。對(duì)影像進(jìn)行色彩、亮度和對(duì)比度的調(diào)整和勻色處理，以縮小影像間的色調(diào)差異，使其色調(diào)均勻，反差適中，層次分明。

（4）創(chuàng)建photos.csv 文件。根據(jù)解算后POS 數(shù)據(jù)創(chuàng)建csv 格式的Photo 文件。Photo 文件的第一行內(nèi)容如下：name；Directury；Extension；Camld；Easting；Nothing；Height；Omega；Phi；Kappa。

（5）創(chuàng)建cameras.csv 文件。cameras.csv 文件記錄每個(gè)相機(jī)的像素、像幅、焦距、主點(diǎn)和相機(jī)方向參數(shù)等信息，該文件主要用于創(chuàng)建空三工程時(shí)設(shè)置相機(jī)參數(shù)。

3.3.2 建立工程

按照軟件操作步驟建立好工程后著重需要檢查影像與相機(jī)設(shè)置是否有誤，如有問(wèn)題需要進(jìn)行調(diào)整，直至正確，否則將會(huì)影響后期空三等步驟的處理。

3.3.3 空三加密

Smart3DCapture 軟件的AT 模塊采用光束法局域網(wǎng)平差空中三角測(cè)量，支持垂直影像和傾斜影像同時(shí)導(dǎo)入?yún)⑴c空三計(jì)算。

利用數(shù)碼航攝儀，獲取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的原始像片，結(jié)合地面像控測(cè)量成果，通過(guò)處理軟件進(jìn)行空三加密，得到每張像片的外方位元素，形成立體像對(duì)，為后面密集匹配和構(gòu)建3D TIN 做準(zhǔn)備。

3.3.4 多視影像密集匹配

傾斜影像和下視影像共同關(guān)聯(lián)，進(jìn)行連接點(diǎn)自動(dòng)匹配。

3.3.5 3D TIN 構(gòu)建

構(gòu)建真三維三角網(wǎng)模型，自動(dòng)完成泥石流溝的建模。

3.3.6 紋理映射

完成泥石流溝航空影像和三維矢量數(shù)據(jù)的獲取后，利用下視影像獲得泥石流溝的頂面紋理，傾斜影像獲得泥石流溝的立面紋理。

通過(guò)上述三大步驟，即可完整輸出單條泥石流溝的實(shí)景三維模型，整個(gè)流程涉及的步驟少，作業(yè)周期短，人工干預(yù)少，模型與實(shí)景一致，模型可以保持很好的現(xiàn)勢(shì)性。最后提交的成果為OSGB 格式。

利用傾斜攝影手段，快速生成北京市每條泥石流溝的單體模型，經(jīng)過(guò)質(zhì)檢后，將合格的模型和每條溝的地質(zhì)屬性統(tǒng)一納入到北京市地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)三維管理系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和管理，科學(xué)地評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性，為北京市科學(xué)精準(zhǔn)防治地質(zhì)災(zāi)害，優(yōu)化預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的三維模型建立常采用測(cè)量建模的方法，主要利用已有數(shù)據(jù)、三角高程測(cè)量或推算得到模型高度，依據(jù)大比例尺地形圖和DOM建立模型結(jié)構(gòu)，基于3D Max 軟件建立白膜。后期可通過(guò)現(xiàn)有DOM獲取模型頂層紋理，利用人工拍照獲取建筑物側(cè)面紋理，通過(guò)處理將經(jīng)過(guò)糾正的紋理貼于白膜之上，便可得到建筑物的單體模型。其成本高、工作強(qiáng)度大，美化過(guò)度，無(wú)法反映真實(shí)的世界。

傾斜攝影測(cè)量擁有如下優(yōu)勢(shì)：首先，新穎的測(cè)量方式更適合于地物，并且更為客觀。經(jīng)過(guò)攝影測(cè)量，獲取了可識(shí)別的三維信息，增添了真實(shí)感。其次，傾斜攝影測(cè)量提升了性?xún)r(jià)比。經(jīng)過(guò)攝影測(cè)量，獲取了可測(cè)的空間信息，在這之后即可輸出數(shù)據(jù)。在同一時(shí)段，獲取全方位的更多數(shù)據(jù)。傾斜影像還可粘貼紋理并且批量提取，減低了建模耗費(fèi)的總成本。