運用傾斜攝影測量技術精細提取新疆皮山縣地質構造定量參數*

蔡小超，唐紅濤

(1.河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450002；2.中國地震局第二監測中心，陜西 西安 710054)

0 引言

在地質構造研究工作中，特別是針對活動構造，需要精確獲取構造地貌的定量參數，如斷層陡坎坡度角、斷錯面貌垂直位移、活動構造長度等信息，從而分析、揭示地質構造運動規律和地震發生機理(鄧起東等，2004；艾明等，2018)。在地質構造定量參數的獲取中，皮尺丈量、全站儀實測以及后續發展的GPSRTK等傳統測量手段，精度上不僅受限于觀測設備的系統誤差，還取決于作業外場的環境因素、丈量、人眼讀數等偶然誤差，且每一個地貌特征點全靠作業員一個個實測完成，作業效率低，大大限制了長距離、大范圍地質構造區域測量工作的開展。而高精度數字高程模型(DEM)與高分辨率正射影像圖(DOM)能夠詳細刻畫地貌特征，日趨成為活動構造定量參數提取與地貌解譯的重要手段，因此，高效獲取大范圍高精度DEM，已成為今后地質構造研究領域的又一重要工作內容。無人機機載激光雷達掃描(LiDAR)技術的出現為快速獲取大面積、高精度地形地貌數據提供了一種前所未有的解決方案，機載LiDAR不僅解決了高效數據采集的問題，還在地表點位垂直方向上有著較高的測量精度。雖然機載LiDAR以其多次回波信號的特點可有效剔除地表植被，然而高昂的作業成本嚴重限制了該技術的推廣與應用(劉靜等，2013；Cunningham，2006；Zielke，2010；Oskin，2012；Chen，2014；Ren，2016)。

近年來，傾斜攝影測量作為一項服務于測繪領域的高新技術從航空攝影測量中脫穎而出，它搭載多臺傳感器，具有傳統航測垂直攝影相機，能夠同時從前、后、左、右4個方向采集地物側面紋理信息，全方位、多角度提取與匹配地物特征，從具有一定重疊度的影像中恢復攝影瞬間相機的相對位置與姿態(姚方芳，2014；段宗恩，張海生，2019；張祖勛等，2003)，通過三維重建，可獲得具有高精度地理坐標與高程的三維實景模型、數字地表模型(DSM)、正射影像圖(DOM)。與機載LiDAR技術相比，在點云密度方面二者能夠達到同級別水平，但傾斜攝影測量具有航測范圍大、操作簡便、成本低等優勢，且具有更高的平面點位精度，三維實景模型效果更直觀。特別在植被低覆蓋地區，傾斜攝影測量能夠替代機載LiDAR技術，成為獲取高精度地形數據的首選測量方案。

自2008年以來，新疆皮山縣及其鄰區發生多次強震，造成了巨大的人員傷亡和財產損失。該地區發育多條大型走滑斷層，探討其震后構造運動特征，有助于辨別該地區地震孕育與發生機制，為判斷該地區未來地震提供有力支撐。本文利用無人機傾斜攝影測量技術，借助構建三維實景模型、高精度DSM，以新疆西昆侖山前、皮山縣西南鄰區地貌點為例，進行了地貌信息獲取與解譯，精確提取了各級斷層陡坎的垂直位移值，分析了傾斜攝影測量技術在構造微地貌研究中的應用前景。

1 傾斜攝影測量原理

傳統航空攝影測量采用的是垂直俯視攝影數據采集，沒有地物側面立體紋理信息，不能依據人眼瀏覽現實世界的習慣、不能以任意角度實時觀察模型場景。傾斜攝影測量則掛載5個傳感器，從俯視、前視、后視、左視、右視5個方向進行數據采集，如圖1a所示。采集內容包括飛行器高度、航速、航向重疊度、旁向重疊度、POS數據等參數，傾斜相機主光軸從一定的傾斜角度進行拍攝(可獲取大量地物側面紋理信息)，俯視與傾斜影像間均有重疊部分，借助最小二乘配置法進行平差，實現室內空中三角測量，獲得加密點平面與高程位置，進而完成密集點匹配與三維模型重建，其三維實景模型具有與現實場景一致的真實感。為了確保所采集影像數據質量的可靠性，需對相機傳感器進行標定與檢校，而相機標定是從世界坐標系轉換至圖像坐標系的過程(求投影矩陣的過程)，該過程需確定相機內參數、外參數及畸變參數。本文所用相機組為DG3Pro，以其垂直攝影傳感器為例，其相機校準后的影像殘差圖如圖1b所示，利用其畸變參數可對后期所采集的影像數據進行畸變校正，確保影像質量。

圖1 傾斜攝影測量原理(a)與相機校準影像殘差圖(b)Fig.1 Principle of oblique photogrammetry(a) and residual of camera calibration(b)

2 研究區構造環境

皮山縣及其鄰區位于新疆塔里木盆地西南緣、青藏高原西北段、西昆侖山前，是新疆地區地震多發地，也是國內外諸多地震、地質學家研究青藏高原隆升(地殼厚度約70 km)的重點地區(Negredo，2007；Tseng，2009)。該地區地震頻發(圖2)，沿塔里木盆地西南緣展布多條走滑活動斷裂，如西昆侖山前斷裂帶、康西瓦斷裂帶、喀喇昆侖斷裂。

圖2 本文航測區域與地質構造分布Fig.2 Aerial survey area and geological structures

西昆侖山前斷裂位于塔里木盆地與西昆侖的過渡區，屬于逆沖轉換帶，但在不同區段又呈現出不同的地表構造特征。葉城以北的喀什—葉城轉換帶走向為SSE，山前新生代以來的構造變形以掀斜為主(李向東，王克卓，2006；張瑋等，2010；Qu，2005)；葉城以東的葉城—和田逆斷裂-褶皺系走向近EW向，其受南側向北擠壓推覆形成薄皮褶皺帶，覆蓋于塔里木盆地之上，形成一系列以背斜為主的山前構造帶，而在地表則表現為高出戈壁平原100～300 m 的丘陵地貌(潘家偉等，2007)；近EW走向的康西瓦斷裂帶長約700 km，屬于阿爾金斷裂的延伸部分(Tapponnier，Molnar，1977；Peltzer，1989；付碧宏等，2006)，是一條大型的左旋逆沖斷裂帶；南部的喀喇昆侖斷裂屬右旋走滑斷裂，長約510 km，走向S45°E，該斷裂在長期歷史構造活動過程中控制著青藏高原西北端的運動方向，使得帕米爾向北移動了近300 km(Hamburger，1992)。

3 數據采集與結果分析

3.1 數據采集

航測區域位于皮山縣西南方向約15 km處，面積為20.08 km。本次航測采用六旋翼無人機M600Pro(圖3a)，搭配五鏡頭相機DG3Pro(圖3b)，正攝鏡頭焦距28 mm，傾斜鏡頭焦距40 mm，45°傾角(表1)。為確保航測安全與質量，該無人機配備3套GPS定位模塊。由于測區范圍較大，航測工作采用分塊采集，將整體區域劃分為4個區塊(圖3d)，相鄰兩個區塊均有重疊部分，且要保證重疊區域覆蓋公共地面控制點。雖然無人機配備差分GPS裝置，為每張影像提供拍攝瞬間POS數據，但其只是相對空間位置，若成果需滿足高精度點位坐標，則仍需在地表布設像控點，提供絕對點位約束。因此，本文在測區布設152個地表控制點(圖4a，采用CGCS2000坐標系，高斯投影3°帶，中央子午線78°)，點位間距平均約200 m，每個像控點采用差分GPSRTK進行實測，其平面精度達±(8+1×10×)mm，高程精度±(15+1×10×)mm，控制點均勻布設于整個測區，有效控制了成果在水平與高程上的變形。

(a)M600pro無人機

(b)五鏡頭相機

(c)RTK接收機

(d)航線規劃圖3 傾斜攝影數據采集設備(a、b、c)與航線規劃圖(d)Fig.3 Data-acquisition equipments for tilt photography(a，b，c)and route planning map(d)

考慮到測區屬于戈壁、沙漠等弱紋理地表，后期在特征點匹配中難度較大，為了確保空三環節的通過性，在航測階段航線的設置上，參數取航高約240 m，航向重疊度80%，旁向重疊度75%，影像分辨率為3 cm。整體外場數據采集共飛16架次，采集影像43 650張，POS數據43 650條。內業數據處理中，處理器采用高性能GPU集群服務器(10臺節點機，詳細配置性能見表1)，處理過程中綜合使用了ContextCapture、Smart3D、Pix4Dmapper等影像處理平臺，運算時間18 h，最終獲取了9 cm三維實景模型、3.39 cm DOM與DSM等具有空間地理坐標的高分辨率數字模型數據。

表1 傾斜攝影數據采集與處理參數Tab.1 Parameters of data acquisition and processing of tilt photography

3.2 精度評定

經傾斜攝影測量數據采集與內業空中三角測量與模型構建，獲取了高分辨率DOM、DSM及三維實景模型(圖4、5)。圖4b顯示了測區數據的特征點匹配結果，圖中表明了該測區戈壁、沙漠弱紋理的地貌特征，灰白色區域較大，可匹配的特征點較少，但由于前期外業數據采集采用了航高、重疊率等一系列航線規劃措施，所以內業空三解算一次通過，取得了較好的成果。圖5則是基于傾斜攝影測量構建的三維實景模型，分別是模型白模、不規則三角網TIN結構模型以及賦予精細紋理的三維實景模型，圖5c清晰、直觀地展現了斷層陡坎，即兩級地貌面的過渡地形。

(a)航測區域地表像控點分布

(b)影像特征點匹配圖

(c)正射影像圖(DOM)

(d)數字地表模型(DSM)圖4 傾斜攝影數據處理與結果Fig.4 Data processing and results of tilt photography

(a)白模

(b)不規則三角網TIN結構

(c)三維模型紋理構建圖5 傾斜攝影測量三維實景建模Fig.5 3D real scene modeling of oblique Photogrammetry

為了驗證傾斜攝影測量所獲取的數字成果的精度，本文對所布設的152個地面控制點進行了點位精度評定，包括點位平面中誤差與高程中誤差，計算公式見式(1)(2)，詳細統計見表2。根據外場實測點位三維坐標與模型相應點位坐標做一階差分，取得每個控制點在平面橫坐標、縱坐標以及高程3個方向上的差值，從而計算得到整個測區152個控制點的綜合點位平面中誤差為1.7 cm，高程中誤差為5.3 cm。同時，在測區均勻布測了8個檢查點，檢查點平面中誤差為2.3 cm，高程中誤差為11.8 cm，該精度完全滿足測繪1∶500大比例尺航空攝影測量的精度要求。同樣，DOM、DEM及三維實景模型等數字成果可為該地區地質構造的定量參數提取提供強有力的支撐。

表2 地面控制點平面與高程中誤差精度檢驗(單位：m)Tab.2 Accuracy check of the mean-square error of the plane and the elevation of ground control points(unit：m)

(1)

(2)

式中：代表平面點位中誤差；代表平面點位中誤差；Δ為各點模型坐標與實測坐標差值；Δ為各點位模型高程與實測高程差值。

4 地貌解譯與定量參數的提取

本文研究的測區地表完全裸露，無植被覆蓋，適用于數字影像數據進行地貌解譯，因此利用無人機傾斜攝影測量及其DSM等數字模型成果，對于地貌解譯與活動構造定量參數的提取是一種較為理想的手段。

4.1 地貌初步解譯

如圖6a所示，通過傾斜攝影三維實景模型，能夠清楚判別地形地貌。測區西側分布著一系列陡坎地貌，這些陡坎存在于較高的不同地貌面上。從圖6b消隱紋理的立體模型中，同樣可以判定斷層陡坎的分界與走向。因此，借助三維立體模型，對研究區西側的高地貌面進行了初步解譯，劃定了七級斷層陡坎。

(a)斷層陡坎初步解譯位置圖

(b)三維DEM下的斷層陡坎側視圖圖6 基于傾斜攝影三維模型的地貌特征初步解譯圖Fig.6 Preliminary interpretation of geomorphic features based on 3D model of oblique photography

4.2 DSM衍生數據處理

借助高分辨率DSM模型，能夠衍生出等高線、坡度圖等數字專題圖，運用這些衍生數據，為地形地貌解譯工作提供更為有力的支撐。圖7為測區西側高分辨率DSM、等高距為5 m的等高線圖及坡度圖。從圖中可以發現，通過等高線圖能夠清晰地辨別測區南部高差較大的斷層陡坎，且測區西側地形特征十分顯著，坡度圖則展示了0°～90°不同坡度角的陡坎或斜坡，特別是11.93°～47.02°的坡度線痕跡清晰可辨，為地貌解譯工作提供了幫助。

4.3 地貌精細解譯

對研究區地貌的精細解譯，需借助高分辨率DSM及其衍生成果數據來完成。如圖7所示，DSM可查詢任意位置的高程數據(南高北低)，亦可依據高程值直觀顯示地形地貌。等高線密集地表示地形起伏較大的陡坎特征線，等高線稀疏地則為平坦區。坡度圖是判別構造陡坎的另一種具有價值的專題衍生數據，圖7c中綠色區域表示較小坡度的地形地貌(0°～4.21°)，而由構造運動引起高差較大的斷層陡坎在該圖中則構成為深紅色的地貌標志線，但往往亦具備有淺紅與黃色等緩坡過渡帶特征。經對比DSM與其衍生數據，可以判斷該研究區由于受到自南向北的構造推覆作用，造就了不同斷層陡坎的垂直斷錯與變形。

(a)DSM (b)5 m等高線 (c)坡度圖圖7 重點區塊DSM及其衍生圖Fig.7 DSM and its derivative map of key blocks

為了精確解譯地貌，除了對比分析DSM、等高線圖、坡度圖等數據，本文還依據DSM在NNE方向提取了3條地形剖面線(圖7a中虛線)及與其對應的坡度剖面線，將地形剖面線與坡度數據加以疊加(圖8)，剔除了對地貌解譯的一些干擾因素，并對該疊加圖進行了分析，獲取了地貌面的精細解譯結果。從圖8可見，該測區共劃分了七級斷層陡坎，高差相對最大的是F與F，與最高的坡度峰值相對應，且在F局部出現了由于地表受到侵蝕作用的起伏現象，同樣對應顯著的坡度峰值。其它斷層陡坎內部地形整體平緩，斷層陡坎分界線與坡度峰值對應較好。通過對研究區斷層陡坎地形剖面線、坡度圖與相關定量信息的綜合分析，利用高分辨率DOM給出了精細地貌解譯結果(圖9b)。

圖8 地形剖面線與坡度疊加分析圖Fig.8 Map of analysis of overlaid terrain profile and slope

圖9 研究區正射影像圖(a)與斷層陡坎解譯圖(b)Fig.9 Map of the orthophoto(a)and the terrace interpretation(b)of the study block

4.4 垂直位移量的參數確定

為了精確確定各斷層陡坎垂直位移量，將DSM與等高線進行了套合，如圖10a所示，并結合精細解譯結果，選取了6條陡坎剖面線，對各斷層陡坎間進行了定量分析，斷層陡坎垂直位移量的計算方案圖解如圖10b所示。分別對陡坎兩側一定距離內地形垂直方向上的剖面數據做最小二乘擬合處理(圖10c中給出了各趨勢線的擬合公式)，擬合線分別記為、，通過圖中公式即可獲得斷層陡坎的最終垂直位移量(俞晶星，2013)。運用該方法，分別對F～F斷層陡坎計算了垂直位移量：F為(3.71±0.62)m、F為(3.54±0.04)m、F為(6.06±0.22)m、F為(7.43±0.56)m、F為(5.52±0.18)m、F為(13.05±0.33)m。

圖10 斷層陡坎垂直位移量確定示意圖解Fig.10 Schematic diagram of determination of vertical fault of terrace

5 結論

本文探討了傾斜攝影測量技術及其應用原理，運用無人機對新疆皮山縣附近20.08 km的研究區進行了傾斜攝影測量與數據處理。通過控制點實測坐標與模型對應坐標計算，分析了本次航測建模的點位平面中誤差與高程中誤差。同時，基于高分辨率模型數據，對研究區斷層陡坎進行精確解譯，主要獲得如下認識：

(1)傳統基于低分辨率的衛星影像、SRTM與ASTERd等DEM(90 m/30 m分辨率)數字模型，僅能夠在高空俯視角下識別較大地質體走向及地貌概況，無法對細微地形給出精細解譯或對活動構造提取定量參數信息。本文使用無人機傾斜攝影測量，獲得了9 cm三維實景模型、3.39 cm DOM、DSM等具有空間地理坐標的高分辨率數字模型數據，精度可達cm級，完全能夠滿足地質活動構造的微地貌解譯與定量參數的計算。檢查點平面中誤差為1.7 cm，高程中誤差為5.3 cm，該精度完全滿足大比例尺測圖精度的要求。

(2)基于DSM衍生了等高線圖與坡度圖，借助高分辨率模型數據，對研究區斷層陡坎實現了微地貌解譯，提取了F～F斷層陡坎的垂直位置量分別為(3.71±0.62)、(3.54±0.04)、(6.06±0.22)、(7.43±0.56)、(5.52±0.18)、(13.05±0.33)m，達到了較好的量測、解譯效果。表明借助三維實景模型，在室內可重現現實世界對高空峭壁、低洼深溝等人員無法到達的地方以任意角度、視距進行查看與量測，為地質相關工作提供了強有力的技術支持。

(3)相比全站儀、RTK、衛星影像、機載LiDAR等傳統測量手段而言，低空傾斜攝影測量是一種集成果三維直觀性強、數據獲取效率高、采集范圍廣、成果精度高、運行成本低等優勢于一身的測繪技術手段，在地質活動構造定量研究中具有廣闊的應用前景。