傾斜攝影測量技術(shù)在積石山地震應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用

摘" 要：該文旨在探討傾斜攝影測量技術(shù)在積石山地震應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用。積石山地震作為一個典型的自然災(zāi)害事件，對于快速、準確的應(yīng)急測繪保障提出極高的要求。傾斜攝影測量技術(shù)以其獨特的高分辨率、高效率和大范圍覆蓋能力，為地震應(yīng)急測繪提供新的解決方案。該文詳細介紹傾斜攝影測量技術(shù)在積石山地震中的應(yīng)用案例，分析在實際應(yīng)急測繪生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和流程，并展望該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢和方向。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；積石山地震；應(yīng)急測繪保障；高分辨率；三維模型

中圖分類號：U495" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0185-04

Abstract： The purpose of this paper is to discuss the application of oblique photography in the emergency surveying and mapping of Jishishan earthquake. As a typical natural disaster event， Jishishan earthquake puts forward high requirements for rapid and accurate emergency surveying and mapping. Oblique photography provides a new solution for earthquake emergency mapping because of its unique high resolution， high efficiency and wide coverage. In this paper， the application case of oblique photography in Jishishan earthquake is introduced in detail， the key technical links and processes in the actual emergency surveying and mapping production are analyzed， and the future development trend and direction of this technology are prospected.

Keywords： oblique photography; Jishishan earthquake; emergency surveying and mapping support; high resolution; 3D model

積石山地震作為一次嚴重的自然災(zāi)害，給當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全帶來了巨大威脅。在地震應(yīng)急響應(yīng)過程中，快速、準確的測繪保障至關(guān)重要。傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)受限于分辨率和覆蓋范圍，難以滿足地震應(yīng)急測繪的高效需求。近年來，隨著低空無人機及微型化傾斜航攝儀的研發(fā)和使用，以無人機、動力三角翼、直升機等為航飛平臺，搭載輕量化、非量測型小相機開展傾斜攝影技術(shù)逐步成熟，所應(yīng)用的后處理軟件也逐步增多。這種模式航飛靈活、成本低，可獲取超高分辨率影像，滿足后期高精度實景三維建模及1∶500、1∶1 000等大比例尺測圖。傾斜攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展為地震災(zāi)后應(yīng)急測繪問題提供了新的解決方案。本文將從傾斜攝影測量技術(shù)的原理出發(fā)，結(jié)合積石山地震應(yīng)急測繪的實際情況，探討了該技術(shù)的應(yīng)用效果與前景。

1" 傾斜攝影測量技術(shù)原理及優(yōu)勢

傾斜攝影測量技術(shù)是一種基于無人機或有人機搭載傾斜相機的攝影測量技術(shù)，通過在空中多角度的對地表對象進行拍攝獲取多視角影像數(shù)據(jù)[1]，并基于攝影測量影像匹配理論，得到大量的同名點，構(gòu)建相片之間的相對和絕對空間位置關(guān)系，最終得到地表地物的高分辨率實景三維模型。當前常用的無人機傾斜攝影測量技術(shù)，是集傾斜攝影測量與無人機遙感于一體的高新技術(shù)，是一種實用性強的實景真三維攝影測量技術(shù)，具有真實性強、精度高、快速生產(chǎn)的特點，非常適合作為統(tǒng)一的空間載體，極大地彌補了基于正射影像分析應(yīng)用的不足。該技術(shù)具有高分辨率、高效率和大范圍覆蓋等優(yōu)勢，能夠快速獲取災(zāi)區(qū)的高精度地理信息，從而為地震應(yīng)急測繪提供有力支持。

2" 應(yīng)用案例

在積石山地震應(yīng)急測繪保障中，傾斜攝影測量技術(shù)發(fā)揮了重要作用。通過無人機搭載五鏡頭相機對災(zāi)區(qū)進行了拍攝，獲取了高精度、高分辨率的數(shù)碼影像，生產(chǎn)的三維模型為大比例尺地形圖生產(chǎn)、災(zāi)區(qū)評估、救援路線規(guī)劃、災(zāi)后重建等工作提供了有力支持。同時，傾斜攝影測量技術(shù)還快速更新了災(zāi)區(qū)地理信息，為應(yīng)急指揮決策提供了實時、準確的數(shù)據(jù)支持。其總體技術(shù)流程如圖1所示。

2.1" 無人機類型選擇

隨著無人機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣功能各異的無人機，針對不同的項目要求可擇優(yōu)采取最適用的機型。固定翼無人機航速相對較高，所采用傳感器鏡頭焦距較長，無線通信距離較遠，適合長距離、高空大面積航攝，效率較高；多軸型無人機航速較低，鏡頭焦距相對較短，通信距離相對有限，可定點、定角度航拍或繞拍，適合低空拍攝，必要時可進行貼近攝影，對復(fù)雜建筑物局部細節(jié)進行超高分辨率拍攝，為后期處理提供更清晰的紋理和細節(jié)信息。

就本項目而言，主要對災(zāi)區(qū)房屋、道路、橋梁等相關(guān)設(shè)施進行傾斜攝影，復(fù)雜地物相對較少，因此，采用了縱橫CW-15垂直起降型固定翼無人機完成了大部分區(qū)域的傾斜攝影，個別區(qū)域采用了大疆DJI-M300無人機進行了補充拍攝。

2.2" 起降場地選擇

充分收集當?shù)馗鞣N地圖及衛(wèi)星影像資料并進行分析，對預(yù)航攝建筑物周邊區(qū)域進行實地踏勘，了解測區(qū)典型的地形及地物特征，尤其關(guān)注測區(qū)周邊是否存在機場或航線，區(qū)域內(nèi)是否存在高大建筑物或架空高壓線及線塔等。根據(jù)無人機的起降方式，尋找并選取適合的起降場地，場地一般要求相對開闊，附近沒有密集人口和各種信號干擾源等。

以本項目中的安集鎮(zhèn)測區(qū)為例，起降場地選擇在測區(qū)西部山梁空地處，可較好地避開區(qū)域內(nèi)的電力線塔等高大構(gòu)筑物，且通視、通信良好。

2.3" 航線規(guī)劃設(shè)計

航線規(guī)劃設(shè)計主要包括航高確定、攝區(qū)范圍覆蓋及航線重疊度設(shè)計。無人機飛行的相對高度和續(xù)航時間是飛機的重要安全考慮因素。設(shè)計飛行高度應(yīng)高于攝區(qū)和航路上最高點100 m以上；設(shè)計航線總航程應(yīng)小于無人機能到達的最遠航程。無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機的性能[2]。設(shè)計攝區(qū)范圍覆蓋時，一般要求進行必要的外擴，以保證測區(qū)均在有效航攝范圍內(nèi)，避免測區(qū)邊緣出現(xiàn)漏攝。

航飛高度和外擴距離按下面公式計算

航飛高度（m）=相機鏡頭焦距（mm）×地面分辨率（m）/像元尺寸大小（mm）；

外擴距離（m）=航飛高度（m）×tan（鏡頭傾斜角）+基準面高（m）－低點高（m）+半個像幅的水平投影距離（m）。

設(shè)計重疊度時需要考慮所攝對象由于地物遮擋或拍攝角度等造成地物模型結(jié)構(gòu)的空洞等問題。一定程度提高航攝影像的重疊度，如75%～85%的重疊度設(shè)置，一般能較好地確保模型效果。當建筑物存在較復(fù)雜部分時可針對該區(qū)域進行補充航飛，通過增加影像拍攝的重疊度或更多角度、多航高飛行來獲取更多的原始影像的方法進行解決，必要時利用大疆小型多軸型無人機進行定點定向拍攝，獲取盡可能多的影像紋理數(shù)據(jù)，為后期建模處理提供數(shù)據(jù)源。

2.4" 像控點布設(shè)及測量

傾斜攝影是利用航攝像片與所攝目標之間的空間幾何關(guān)系，根據(jù)少量像片平面控制點和高程控制點，計算待求點的平面位置、高程和相片外方位元素的測量方法[3]。像控點是航空攝影測量解析空三加密和測圖的基礎(chǔ)，是為了保證空三的精度、確定地物目標在空間中的絕對位置，其位置的選擇、平面位置和高程的測定直接影響到內(nèi)業(yè)成圖的精度[4]。傾斜攝影測量技術(shù)相對于傳統(tǒng)攝影技術(shù)在影像重疊度上要求更高，傳統(tǒng)的航測規(guī)范關(guān)于像控點布設(shè)要求不適合應(yīng)用于高分辨率無人機傾斜攝影測量技術(shù)。無人機通常采用 GPS 定位模式，自身帶有POS數(shù)據(jù)，對確定影像間的相對位置作用明顯，可以提高空三計算的準確度[5]。

為了保證像控點測量精度，使像控點點位在影像上成像盡可能清晰，保證內(nèi)業(yè)刺點精度，在施測前需先在測區(qū)內(nèi)噴繪地標，形狀如圖2所示，大小一般為50～80 cm，可通過試拍影像以確保能準確識別，并做好點之記及點位分布略圖以方便內(nèi)業(yè)使用。像控點測量采用RTK圖根點測量方式，施測時須檢測測區(qū)內(nèi)所有已知點。對每個控制點觀測歷元數(shù)不少于10次，初始化觀測不低于2次，多次觀測值差值要求符合規(guī)范并取平均值，否則進行重測。

2.5" 空三計算及三維建模

在空三平差前，需完成影像數(shù)據(jù)的整理及預(yù)處理，對不同架次、不同航攝時間的影像色調(diào)、色彩、明暗度和對比度等進行一致性處理，對有云霧、臟點、污點影像進行挑選。

空三平差根據(jù)輸入的相片初始外方位元素，計算包括傾斜影像在內(nèi)的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級影像上進行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到同名點匹配結(jié)果；同時，通過連接點和控制點坐標并結(jié)合POS信息，實現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計算，通過多次反復(fù)聯(lián)合解算，最終得到符合精度要求的空三成果[6]。在平差迭代計算過程中，必要時進行人工干預(yù)，檢查連接點分布情況和連接強度，利用軟件內(nèi)部提供的工具進行人工連接點修改，確保誤差不超限。空三完成后，質(zhì)量評價指標主要包括： 檢查點、像控點、連接點誤差是否在限差以內(nèi)；是否存在相片漏網(wǎng)情況；自動匹配的連接點分布是否合理或錯誤，密集點云是否存在空洞、分層或飛點等情況。

Smart3D 中構(gòu)建三維模型時，根據(jù)空三計算的相片外方位元素和具備定位信息的TIN模型進行自動紋理映射，生成具備高精度定位的實景三維模型成果，并提供給后續(xù)工序使用。

2.6" 地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)

本項目中采用傾斜攝影裸眼3D與套合正射影像采集要素相結(jié)合的作業(yè)模式進行內(nèi)業(yè)采集。采用南方idata平臺進行裸眼3D立體測圖，采集依比例及用符號表示的地物時，應(yīng)以測標中心切準輪廓線或拐點連接，采集不依比例尺表示地物時，就以測標中心切準基點、 結(jié)點、 定位線，對模型不清楚，無法準確定位時，務(wù)必在相應(yīng)位置做標記，以便外業(yè)補測[7]。裸眼3D立體測圖如圖3所示。

本部分將結(jié)合積石山地震應(yīng)急測繪保障中的實際案例，詳細分析傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用效果。通過對比分析傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)在應(yīng)急測繪中的表現(xiàn)，進一步凸顯傾斜攝影測量技術(shù)的優(yōu)勢。

3" 案例效果分析

傾斜攝影測量技術(shù)在積石山地震中的應(yīng)用取得了顯著成效，不僅大幅縮短了數(shù)據(jù)生產(chǎn)的時間，還提高了測繪數(shù)據(jù)的精度和可靠性，為災(zāi)區(qū)評估、救援路線規(guī)劃和災(zāi)后重建等工作提供了有力支持。相比傳統(tǒng)的測量方式和數(shù)據(jù)獲取手段，基于傾斜實景三維模型數(shù)據(jù)采集的高精度地形地物要素，不受時間和空間的約束，可大幅減少外業(yè)實地調(diào)查的工作量，提高生產(chǎn)作業(yè)效率，更大程度地保障人員安全，為應(yīng)急測繪保障提供數(shù)據(jù)資料。

4" 技術(shù)展望

傾斜攝影技術(shù)具備的高分辨率、高效率和大范圍覆蓋等優(yōu)勢，能夠快速獲取災(zāi)區(qū)的高精度地理信息，為應(yīng)急指揮決策提供了實時、準確的數(shù)據(jù)支撐，三維模型的直觀展示，使得救援指揮能夠更加精準地部署救援資源，有效提升了救援效率。

采用該技術(shù)采集的二、三維一體的地理空間信息成果，成果形式多樣，可廣泛應(yīng)用于不動產(chǎn)調(diào)查、土地變更調(diào)查、行政執(zhí)法、征地拆遷、地質(zhì)災(zāi)害防治，以及公安、消防、醫(yī)院、疾控、城建、規(guī)劃和緊急救援等領(lǐng)域，社會效益明顯[8]。該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣，不僅僅使得空間信息從二維延伸到三維，更重要的是會給測繪領(lǐng)域帶來革新，所構(gòu)建的三維模型及三維空間信息服務(wù)平臺將成為行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)空間信息支撐，也必將催生行業(yè)應(yīng)用的極大變革。

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