無人機遙感圖像及其三維可視化在汶川地震救災中的應用

何 磊,苗 放,唐姝婭,李玉霞

(1.成都理工大學 地球科學學院,四川成都 610059;2.四川省地震局減災救助研究所,四川成都 610041;3.電子科技大學 地表空間信息技術研究所,四川成都 610054)

0 前言

由于四川盆地多云多雨的特點,造成衛星圖片大部分被雨云遮蓋,無法準確觀測特定地區,發揮衛星大范圍以及綜合判斷的優勢,可以在地震災害發生的第一時間內,獲得即使調整衛星拍攝角度也無法得到的詳細災區情形。由于無人機低空遙感系統具有很高的機動性、靈活性和安全性,可獲取多角度、高分辨率影像,不受高度限制和陰云天氣影響,且系統成本及影像處理費用較低。若能發揮其特有的作用,就可以為決策者提供準確、詳細、及時的第一手資料,在低空領域、小區域具有一定的優勢[1]。作者在本文中介紹了無人機低空遙感數據的快速處理,三維可視化技術與方法,利用無人機航空平臺搭載多種遙感傳感器,在第一時間內獲取大量重點災區的高分辨率航空遙感影像數據。經過圖像幾何校正、鑲嵌、三維可視化、圖像解譯等快速處理,實現了高危堰塞湖,重災區受災狀況等目標的實時動態監測,為各級領導和抗震救災指揮專家的決策,提供了最及時可靠的數據和信息支持。

1 數據信息源

在本文中使用的無人機低空遙感數據,采用了AF-1000小型無人航攝飛機獲取。AF-1000是中短程無人機,采用常規空氣動力布局,具有重量輕,翼載荷小,起飛降落場地要求低等特點。在野外一般場地即可作業,特別適合突發情況下快速部署,能夠在五十公里半徑范圍內執行短時航拍任務。無人機獲取的低空遙感數據,具有極高的空間分辨率,單幅影像輻射范圍小,影像總量巨大。為了快速實現影像的“災情地圖”作用,采用了自動拼接的圖形處理方法。圖1分別是北川縣城和青川東河口堰塞湖,經拼接后的局部影像。

2 無人機遙感圖像處理

由于汶川地震次生災害發育在環境條件惡劣、地形地貌復雜等條件下,所以,研究任務要求沿著高山峽谷地帶飛行。因高山峽谷地帶的氣流變化莫測,而且容易受高空風力的影響,造成飛行航線漂移,使得拍攝的影像航向重疊度和旁向重疊度都不夠規則。與傳統的航天影像和航空影像相比,無人機低空遙感影像存在像幅較小、數量多、影像的傾角過大且傾斜方向沒有規律等問題[2]。根據上述特點,通過分析無人機低空遙感影像的幾何變形原理,可以對無人機遙感圖像進行圖像處理。

2.1 無人機低空遙感影像幾何變形分析

在無人機遙感中,大多使用普通相機,攝影測量過程從航空攝影開始,直至獲得像片或模型坐標的整個數據獲取過程中,都會帶來許多系統誤差。系統誤差主要有:

(1)攝影系統的畸變差。

(2)攝影材料的系統變形、軟片的壓平誤差。(3)地球曲率和大氣折光。

(4)量測儀器的準系統誤差。

(5)觀測員的系統誤差。

作者在本文采用的無人機低空遙感影像,是采用面陣CCD(電子耦合器件)作為感光器件,所獲影像屬于中心投影瞬間一次成像,即一幅影像上的所有像點共用一個影像中心和同一個像片平面,亦即共用一組外方位元素。因此,像點a與物點A之間的空間坐標關系,可表示為中心投影成像的共線方程式(1)如下:

其中

圖1 北川縣城和青川東河口震后影像(拍攝時間:2008-5-16)Fig.1 Beichuan county and Qingchuan estuary earthquake images(taken time:2008-5-16)

式中 x、y是以像主點為原點的像點坐標;x＊、y＊是像點坐標偏離真值的誤差;f為像片主距;XA、YA、ZA是相應地面點的坐標;ai、bi、ci(i=1,2,3)是三個外方位角元素φ、ω、κ求得的方向余弦值;Xs、Ys、Zs是攝影中心的坐標值[3]。

式(1)不僅表示了無人機遙感影像的構像關系,同時也指明了影像幾何變形主要來源于與傳感器本身相關的內部變形誤差,以及由傳感器以外因素引入的外部變形誤差,為影像的幾何糾正提供了理論依據。

2.2 遙感影像拼接與幾何校正

通過上述幾何變形原理的分析,結合無人機影像傾角大而無規律,圖像中必然引入了無規律的幾何變形,所以對無人機遙感圖像進行幾何糾正是必須的。通過理論分析,作者采用多項式法對無人機遙感影像中外方位元素引入誤差進行幾何糾正。該方法的基本思想是,不考慮影像成像過程中的空間幾何關系,直接對影像本身進行數學模擬。它把影像的總體變形看作是平移、縮放、旋轉、仿射、偏扭、彎曲,以及更高層次基本變形的綜合效果,因而糾正前、后影像相應點之間的坐標關系,可以用一個適當的多項式進行描述。這種方法對各種傳感器形成影像的糾正都是適用的,但有不同的近似程度。而且,這種方法不僅能用于影像對地面(地圖)系統的糾正,還可以用于不同類型影像之間的相互匹配,能滿足計算機分類,地物變化監測等處理的需要。

假設影像坐標為(u,v),相應像素的地面坐標為(x,y),則二者之間的多項式糾正公式可以表示為公式(2)。

多項式的項數(即系數的個數)N,與其階數n有固定的關系:

因此反求n階糾正多項式的系數,至少需要N個控制點,包括其在影像和地面的坐標值。若已知的控制點數大于N,則可以利用最小二乘法原理,求解多項式的系數。

作者在本文中,以數字化地形圖的地理坐標作為配準參考,圖像數據轉換到地形圖在公里網坐標系中。利用一階多項式進行擬合糾正,控制點的選取在每幅影像中一般為4個～6個,并使其盡可能地均勻分布,在地物變化復雜的地區適當加密。

圖2為安縣茶坪河經過幾何糾正后的圖像。2.3 遙感圖像正射精校正及三維可視化

圖2 安縣茶坪河局部幾何糾正圖Fig.2 Chaping river local geometric correction map

遙感圖像三維可視化實現的技術和思想,就是依據DEM建立表面模型來顯示真實地形,然后再將遙感影像或航片等數字影像進行紋理疊加來顯示地表細節,充分發揮計算機圖示技術和虛擬現實技術的優勢,利用遙感圖像、地理要素和文字符號標注等多種數據,生成三維地形影像[4]。將這些可視化數據集成套合成三維地形影像,必須做到不同數據間的坐標配準,目的是將不同來源的同一地區的圖像、地理要素和文字符號等數據,轉換到同一坐標系中[6]。作者在本文是以地形圖的地理坐標作為配準參考,其它數據均需轉換到地形圖所在的坐標系中。

遙感圖像地質解譯三維可視化與影像動態分析系列動畫制作工序,主要包括以下幾個內容。

(1)遙感圖像數字處理。遙感圖像數字處理是數字區調工作中信息提取的重要環節。圖像處理的目的,是對原始遙感圖像進行輻射校正、幾何校正和投影差改正等,最終制作出統一規格標準的高質量遙感圖像,以提高數字區調地質解譯應用效果[5]。

(2)高精度DEM生成。高精度三維立體圖像需要高精度的DEM來支撐,在遙感圖像的正射處理中,各像點的投影差改正也需要對應點的高精度DEM[6]。

(3)三維飛行路線選取。根據工作區的地質構造復雜程度和工作需要,按照一定的規則進行飛行勘察路線部署。

(4)三維可視化系列動畫產品制作。首先進行三維飛行的參數設置,如航高、時速、夸大系數、屏幕大小、視角設置及背景效果等;然后再根據布置的飛行路線完成三維動畫制作。

(5)三維可視化產品輸出。根據選擇的飛行路線,逐條生成遙感圖像地質解譯三維可視化及影像動態分析系列動畫,并把這些產品轉化成了通用動畫所支持的格式打包,如Quick Time Movie格式等,刻盤并提交給有關的工作人員使用。

(6)信息提取。地震次生災害(滑坡、堰塞湖等)、地質構造、巖溶地貌解譯和影像判讀等。

遙感圖像三維可視化,是在高程表面模型(DEM)上覆蓋遙感圖像、地理要素和文字符號標注等多種數據,生成的三維地形影像。不同類型數據的集成套合,是以地理坐標為組織的,因此在套合成三維影像時,必須做到不同數據間的坐標配準,將同一地區不同來源的影像、地理要素和文字符號轉換到同一坐標系中[7]。作者在本文中以地形圖的地理坐標作為配準參考,其它數據均需轉換到地形圖所在的坐標系中。其中DEM由地形圖上數字化得來的等高線或高程點生成,因此已實現了與地形圖的坐標配準。無人機影像在進行幾何糾正時,已實現了與地形圖間的配準。這樣DEM和影像都是依據地形圖內容而進行的特征數字化或文字符號注記,與地形圖存在于同一坐標系中,無需進行再次配準[8]。考慮到模擬飛行觀察效果,計算機處理能力,以及編輯操作簡便易行等因素,疊合后生成的三維影像,實現了三維地形影像模擬飛行的動態觀測。

對安縣茶坪河圖像進行三維可視化及實現飛行觀察,示例見圖3。在圖3中,河道位置清晰,堰塞湖、滑坡、泥石流等地質災害可清楚解譯。

3 地震災害遙感信息的快速提取與分析

在地震發生后,災區河谷地帶災情嚴重,形成多處堰塞湖,后期隱患重大。由于災區道路損毀情況嚴重,交通線中斷,無人機作為能深入了解災情的有效手段,在面臨抗震救災要求快速、及時、準確反映受災地區的真實情況時,可以在較短的時間內提供給決策層詳細的數據,方便重大決策的制定[9]。

圖3 安縣茶坪河三維影像(局部區域)Fig.3 Chaping river three-dimensional image(local area)

無人機影像具有數量多、相幅小的特點,但是由于高度和分辨率的特殊性,要適應抗震救災的實時性要求,必須在較短時間內完成影像的快速拼接、糾正和解譯等相關工作。低空遙感能提供完整影像,且分辨率較高,經過校正和災害區域、對象增強處理,結合部份地理信息,能滿足對堰塞湖災害的快速定量評估與解譯要求。

堰塞湖災害定量信息評估與解譯包括:

(1)滑坡。根據遙感影像的比例尺和方向,判別滑坡的長度和寬度,以及滑動方向。由于影像有30%以上的航向和旁向重疊,通過立體像對,可快速提取滑坡體高度和厚度,再通過地質圖的資料對比,可準確得出滑體的主要巖性。

(2)崩塌。崩塌體長度、寬度信息的提取,與滑坡基本一樣。災害區崩塌體的平面規模與其厚度有相關性,發生崩塌所形成的倒石堆坡度一般在37°左右,可通過崩塌體的長度推算其高度。

(3)泥石流。泥石流溝的判讀主要是通過對溝道內松散固體物質的辨識獲得。一般通過專家知識庫及相關經驗,判斷具備爆發泥石流所需要的地形條件(溝道比降)。震后所引發的大量滑坡和崩塌固體物,提供了形成泥石流的必備條件。

(4)堰塞湖。堰塞湖是由于河道二岸滑坡(崩塌)阻塞河道所致,堰塞壩為阻塞河道的滑坡體。確定堰塞壩體積,需判讀出堰塞壩的平面規模,結合其高度進行。

建立震后災區的三維動態影像,可以根據堰塞體的回水位置,確定其高程,結合地形圖數據,計算壩體位置水深。通過壩體前、后的有水和無水區位置,可以確定壩體的高度,從而計算出堰塞壩的體積。堰塞湖的流域面積可通過地形圖量算,再配合水文以及氣象資料,計算出有關匯流以及水位上漲信息。壩體的穩定性評估,除了對堰塞體的組成物質進行判斷外,還需要深入到現場考察。另外,由于包含了高程信息,在圖像與震前地形不符合的地方,可以顯示出地震引起的地形變化,例如滑坡、堰塞湖,以及由此引起的河道改變等?？梢詾楹Ａ窟b感數據的快速解譯與定量分析提供依據,可以實現災害特征及感興趣目標點的解譯與空間統計分析,提供災后恢復與重建詳細統計數據的信息支撐[10]。

4 結論與探討

作者在本文針對無人機低空遙感數據在地震災害監測中的應急應用,能較完整地處理震后無人機遙感影像,處理結果清晰、生動,并在汶川地震救災工作中得以實現。數據成果為勘察工作者和決策者提供了三維的背景資料,為其它數字化成果提供了可視化載體,使遙感影像呈立體化、動態化模擬顯示,工作人員可身臨其境,高空俯視,景觀漫游,對決策者具有十分重要的意義。無人機低空遙感數據在“5·12”抗震救災中,發揮了不可替代的科學作用。同時,在特定災害環境和復雜地理條件下,無人機低空遙感數據在應用中也暴露出許多技術問題,例如,數字影像內部誤差糾正,無控制點糾正,快速自動配準與拼接,地震災害信息的自動提取等。在后續研究中,建立無人機高分辨率低空遙感數據的快速處理系統,及災情快速解譯和定量分析技術,可以提高無人機獲取海量遙感數據的處理速度,更進一步的提高數據成果的實時性和應用性。

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