近景攝影測量在滑坡監測中的應用研究

陳楚，姜興鈺，張學民，王琳，吳正鵬

(1.天津市測繪院，天津 300381;2.天津地質調查中心，天津 300170)

1 引 言

滑坡是我國常見的地質災害，滑坡引起的山體垮塌以及暴雨后形成的泥石流常給國家建設和人民生命財產造成嚴重損失［1］。目前對滑坡監測的方法［2］主要包括自動伸縮計地表位移測量法、全站儀測量方法、GPS 變形監測法等。以上方法存在問題如下:只能進行單個點的孤立監測，不能進行面域測量從而獲得更為豐富的觀測信息;某些區域可能存在著潛在的危險而無法直接使用傳統的觀測手段進行測量。

近景攝影測量是一種非接觸量測方式，具有可以實時獲取地表信息、以數字方式存儲和實時觀測等優點，其在滑坡變形、結構變形領域得到了廣泛的應用［3］。Thomas Kersten［4］等人將數字近景攝影測量技術用于大壩的變形監測，在X、Y、Z 三個方向上的中誤差分別為10.8 mm、6.7 mm、6.9 mm。Jim［5］等人為了研究河床的泥沙分布狀況，利用數字近景攝影測量技術進行河床的三維重建和DEM 的提取工作，利用非量測數字相機在攝影距離約為2 m左右的情況下，攝影測量三維重建的精度在X、Y、Z 三個方向上分別達到了3.1 mm、4.9 mm、2.5 mm的精度，DEM 的垂直精度為12.6 mm。

本文將近景攝影測量技術應用到滑坡變形監測中，模擬并制定了一套完整的監測方案，包括非量測相機標定、控制點及檢查點的布設與量測、影像的拍攝、采用成熟的攝影測量軟件進行數據處理，最紅通過對控制點和檢查點的精度進行分析，認為將近景攝影測量技術應用到滑坡變形監測是可行的。

2 近景攝影測量滑坡監測系統實施方案

本文結合近景攝影測量技術，利用非量測相機，采用旋轉多基線攝影的方式對被監測區域進行攝影，用成熟的近景攝影測量軟件系統進行數據處理和分析，其監測技術方案流程如圖1 所示。

圖1 近景攝影測量監測技術流程

為更好分析近景攝影測量技術的監測精度，對被監測的滑坡區域分別進行了一期拍攝和二期拍攝。在這兩期拍攝過程中，使用相同位置的控制點，并布設一定數量的檢查點，其中有3 個檢查點在第二次拍攝過程中進行人為挪動以模擬滑坡變形。此外，拍攝區域放置事先已精確量測長度的長方體物體(圖2 所示)，其長度分別為1 m和1.1 m，物體同一側兩端可作為檢查點使用。用全站儀量測控制點和檢查點坐標，同用近景攝影測量方式得到的空三加密成果對比并加以分析。

圖2 長度為1 m 和1.1 m 的物體

3 方案實施過程

3.1 試驗區域概況

試驗區域位于天津市薊縣北部山區西礦滑坡區，地勢較為陡峭，山體高度約為100 m，圖3 所示為滑坡區域航拍圖，其紅色區域為本試驗被監測區域，面積約50 m×30 m，攝站位置位于被測區域對面的一個山頂上，如圖3 所示黃色區域，攝影方向平均距離約50 m。

圖3 試驗區域的航拍影像圖

3.2 相機標定

近景攝影測量可采用量測相機和非量測相機。為節約成本，本試驗用的相機為Nikon D800 非量測相機，3 630萬像素，像元大小0.004 9 mm。由于非量測數碼相機鏡頭畸變大，像主點不在CCD 幾何中心上，存在CCD 面陣內畸變［6］等，在使用之前對D800 相機采用武漢大學開發的相機標定軟件，按照文獻［7］所講述原理進行了室內檢定，檢定后的焦距為25.830 7 mm。

3.3 控制點及檢查點標志的選取、布設及量測

(1)控制點及檢查點標志的選取

經現場實地踏勘，攝站點距離被拍攝區域平均約50 m。為保證控制點、檢查點標志的成像清晰，一般要求成像后標志大小不少于20 個像素，本試驗中選取的標志大小為40 cm，成像后約為40 個像素，圖4 所示為標志形狀及其成像結果。

圖4 檢查點標志形狀及成像結果

(2)控制點及檢查點的布設

根據均勻布設原則，控制點及檢查點的現場布設如圖5 所示，其中9 個平高控制點(如圖6 紅色位置所示)，11 個檢查點(如圖6 綠色位置所示)。11 個檢查點中，BCH1、BCH2 為1 m長物體的兩個端點，BCB1、BCB2 為1.1 m長物體的兩個端點，LJ1、LJ2 為兩個棱鏡。LJ1、LJ2、B14 在第二次拍攝中將其進行人為小距離挪動，其編號分別為LJ3、LJ4，B14－1。

圖5 控制點及檢查點的現場布設圖

圖6 控制點及檢查點布設圖

(3)控制點及檢查點的量測

使用0.5″全站儀，相對坐標系方式量測控制點及檢查點的坐標。在不變形的山體上布設兩個基準點，因為這次試驗是要觀測相對變形，所以這兩個基準點的坐標是假設的坐標。在攝站點附近(即圖3 黃色區域)又設立了一個觀測點，在這個位置上可以觀測到試驗場內的所有點，這樣通過一站觀測將可以獲得場地內所有控制點和檢查點的坐標。

3.4 影像拍攝

影像數據采集包括兩種不同的攝影方式，分別是平行攝影和旋轉攝影。平行攝影主要針對距離較近、表面較平坦、無遮擋的攝影對象，如古建筑、古遺址等。旋轉攝影主要針對距離較遠、起伏較大、有部分遮擋、遠景近景變化較大的攝影對象，如地形測量、選址測量［8，9］等，其攝影方式如圖7 所示。為保證相鄰影像同名點匹配，一般要求同一條帶內的相鄰影像具有90%以上的重疊，相鄰條帶具有60%以上的重疊。本次試驗采用旋轉多基線攝影方式，將物方劃分為相互重疊的6 部分，根據現場環境選擇了7 個具備一定交會角的攝站，然后在每個攝站分別對準物方6 部分拍攝6幅影像，總共42 幅影像。

圖7 旋轉多基線攝影方式

3.5 影像數據處理

數據處理采用武漢大學開發的近景/低空攝影測量軟件DPMatrix3D，把影像數據、相機檢校參數和控制點數據輸入到該軟件，得到每張像片的外方位元素，完成絕對定向。

4 精度分析

精度分析包括第一期拍攝的控制點誤差統計分析、檢查點誤差統計分析、1 m長和1.1 m長物體長度與空三加密成果的對比分析、兩期拍攝過程中3 個檢查點用全站儀量測的移動距離和空三加密量測的移動距離對比分析。

(1)控制點誤差統計

控制點(總共9 個)的誤差統計結果如表1 所示。從表1 可以看出，在平面方向(x，y)其殘差中誤差可以達到毫米級，在深度方向(即攝影方向，z 方向)B1、B3、B4、B5 殘差較大，達到厘米級，深度方向中誤差為1.73 cm。如圖3 所示，由于被測區域位于山區，拍攝相對較為困難，所有攝站安置在被測區域的左半部分，造成右側邊緣區域交會角相對較小，影響了其深度方向的精度［10］。因此，位于被測區域右側邊緣的B1、B3、B4、B5 深度方向殘差較大。

控制點誤差統計 表1

(2)檢查點(總共11 個)誤差統計結果如表2 所示。從表2 中誤差統計結果看，平面方向(x，y)和深度方向(z)中誤差均能達到毫米級。

檢查點誤差統計 表2

(3)1 m 長和1.1 m 長物體長度與空三加密成果的對比結果分別如表3 和表4 所示。通過空三加密成果量測1 m和1.1 m長的物體，其誤差分別為8.6 mm和7.4 mm，精度在1 cm之內。

1 m 長物體長度與空三加密成果對比 表3

1．1 m 長物體長度與空三加密成果對比 表4

(4)兩期拍攝過程中3 個檢查點用全站儀量測的移動距離和空三加密量測的移動距離對比分析如表5所示。以全站儀測量結果為真值，空三加密量測的B14 移動距離誤差為8.6 mm，LJ1 移動距離誤差為0.7 mm，LJ2 移動距離誤差為11.2 mm，精度在1 cm左右。

移動距離的對比分析 表5

從表1～表5 可以看出，通過近景攝影測量監測滑坡變形監測精度能夠達到厘米級，滿足《崩塌、滑坡、泥石流監測規范》(DZ/T 0221－2006)的相關要求，因此認為將近景攝影測量技術應用到滑坡變形監測是可行的。

5 結論與展望

本文模擬并制定了一套完整的監測方案，通過控制點、檢查點等精度分析，在攝影距離約50 m的情況下，得到近景攝影測量監測滑坡變形的監測精度能夠達到厘米級精度要求結論，認為將近景攝影測量技術應用到滑坡變形監測是可行的。由于試驗區域地勢復雜，不容易選取到理想的攝站位置，因此像片交會角相對較小。在下一步工作中，可借助外部條件選取理想的攝站位置，具備足夠交會角，以進一步提高監測精度。

［1］李彩林，張劍清，郭寶云．利用近景攝影測量技術的滑坡監測新方法［J］．計算機工程與應用，2011，47(3):6～8．

［2］霍志濤，張業明，金維群等．三峽庫區滑坡監測中的新技術和新方法［J］．華南地質與礦產，2006(4):69～74．

［3］楊化超，鄧喀中，張書華等．數字近景攝影測量技術在礦山地表沉陷監測中的應用研究［J］．中國圖象圖形學報，2008，13(3):519～524．

［4］Thomas Kersten，Hans－Gerd Maas．Photogrammetric 3－D Point Determination for Dam Monitoring［J］．Optical 3－D Measurement Techniques Ⅲ．1995(10):161～168．

［5］Jim H．Chandler，Tom Buffin－Belanger et al．The Accuracy of a River Bed Moulding/Casting System and the Effectiveness of a Low－cost Digital Camera for Recording River Bed Fabric［J］．Photogrammetry Record，18(103)，2003(9):209～223．

［6］李天子，郭輝．非量測數碼相機的影像糾正［J］．測繪通報，2006:59～61．

［7］詹總謙．基于純平液晶顯示器的相機標定方法與應用研［D］．武漢:武漢大學，2006．

［8］柯濤，張祖勛．旋轉多基線數字近景攝影測量［J］．武漢大學學報·信息科學版，2009，34(1):44～51．

［9］柯濤．旋轉多基線數字近景攝影測量［D］．武漢:武漢大學，2008．

［10］張劍清，胡安文．多基線攝影測量前方交會方法及精度分析［J］．武漢大學學報·信息科學版，2007，32(1):847～851．