基于UAV傾斜攝影技術的泥石流跡地探測試驗應用

郭天偉 董坤烽 費聯君

摘 ?要： 作為是一種新興的高新技術，UAV傾斜攝影測量技術因其優勢，應用領域很廣。選擇東川小江支流的小白泥河泥石流跡地為試驗研究案例，通過應用傾斜攝影技術采集野外數據，并獲得泥石流溝谷的三維數據模型，結合DOM及DEM數據分析，利用Arcgis10.2軟件處理小白泥河泥石流跡地試驗案例數據及特征解譯，驗證UAV傾斜攝影測量技術在泥石流溝谷中應用的可行性與先進性。該技術在今后的地質災害調查中具有重大的戰略意義。

關鍵詞： UAV;傾斜攝影測量技術;小白泥河支溝;地質災害

中圖分類號： TP79 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.034

本文著錄格式：郭天偉，董坤烽，費聯君. 基于UAV傾斜攝影技術的泥石流跡地探測試驗應用[J]. 軟件，2019，40（6）：148152

【Abstract】： UAV oblique Photogrammetry Technology is a new high-tech， because of its advantages， solid and application of the field is very wide， this paper applies it to the Xiaobaini River Zhigou mud-rock debris flow disaster investigation， which plays a vital role in the data analysis， through the oblique photography obtained three-dimensional data model， Dom data and DEM data are used for data processing and interpretation using software such as Arcgis10.2， which proves the feasibility of the technology and has great strategic significance in the future geological hazard investigation.

【Key words】： UAV; Oblique photography measurement technology; Xiaobaini river tributary; Geologic hazard

0 ?引言

無人機傾斜攝影是集航空技術、材料科學、導航定位技術、測繪技術、微電子技術、自動化控制技術、計算機圖像處理技術等于一體的新型攝影測量技術[1]。它是通過在同一平臺上搭載多種不同的傳感器，同時從 5 個不同角度（垂直、前、后、左、右）采集地面影像，并且前后左右的傾斜角度為40-60，克服了傳統攝影測量只能從垂直角度拍攝的局限[2]，使得更加全面地反映地面地物信息。如今，傾斜攝影測量技術已發展成為一種新興的高新技術，已被廣泛地應用于服務業、農林業、文物保護、電力及城市規劃等領域。

泥石流是指山區或是其他一些險峻地形因為地震以及其他自然災害而引起的山體松散進而造成的山石滑落的現象。這種災害突發性強，歷時時間短暫，而且破壞力非常大[3]。在山區溝谷內以及溝谷兩側的山坡上時有泥石流災害發生，并且發生時大量泥沙石塊隨著水流被帶出[4]。泥石流的發生不僅破壞了自然生態環境，而且還對人文社會造成了極其嚴重的破壞。我國是一個山地較多的國家，全國山地面積可達2/3以上，并且我國西南地區的地形主要以山地為主，因此西南地區主要地質災害為泥石流災害[5]。由于傳統的地質災害調查方法主要是依靠人工來完成，受地形因素、巖土體疏松等不可抗拒因素的限制，調查結果不能客觀、全面的辨別出泥石流自身狀態。將傾斜攝影測量技術應用于泥石流災害調查中，可以滿足盲區的要求，與傳統的調查方法相比較，該方法大大縮短了調查周期、節省了人力，降低了成本，并且通過本次研究區的實驗更加證明了該技術的優點所在。

1 ?UAV傾斜攝影技術方法

傾斜攝影測量技術是近年迅速發展起來的一項自動獲取遙感影像數據的先進手段，該技術與傳統的垂直航空攝影方式相比較而言，工作原理有所不同，傳統航空攝影中主要是獲取地形地物的頂部相片，但卻很難得到地形地物的側面信息;而傾斜攝影是通過不同方位獲取地面信息，不但獲取地物的頂部相片，而且還獲取得到地形地物的側面信息;不過兩者的核心理論均為共線方程，都是在共線方程的基礎上所發展得到的，影像的外方位元素可利用光束法區域網平差計算得到，通過計算的外方位角元素獲取整個影像的特征點云，再在密集點云的基礎上得到一系列產品的一種航測方法。

傾斜攝影測量技術能夠將真實場景進行還原[6]。在傾斜航攝影像時，可同時獲取空間地理位置數據、航高、像片旁向重疊度、像片航向重疊度等相關數據，內業處理時基于多張傾斜像片和基礎控制點數據，通過解析空中三角測量方法，計算出傾斜像片任意目標點位的三維坐標，同時采集相應目標點的顏色信息數據，最后形成真實、豐富的點云數據集[7]。

總的來說，傾斜攝影測量影像獲取方法先進且采用連續成像方式，與傳統技術相比，傾斜攝影技術具有更高的效率、性價比及更高的精度，而且所產生的數據成果也更加實用美觀，應用范圍也越來越廣泛。

2 ?研究區傾斜攝影數據采集

本次野外數據采集所采用的是DOP820八旋翼無人機，其上搭載索尼五鏡頭傾斜相機，該無人機質量輕體積小，對起飛降落環境要求較低，而且易于操作，飛行過程中靈活;在飛行過程中利用飛行控制系統來實現定點等距曝光，智能化的獲取數據相片及曝光時刻的POS 數據，數據獲取的全過程均為自動獲取，不用人為干涉，這些數據作為初始值為遙感影像數據的高速處理提供依據。

首先要做的是明確所要采集區域的概況。具體在了解概況中，我們需要掌握采集區域的最高點海拔和最低點海拔，這兩個數據作為測區的基本數據，還需知道平均海拔，這樣我們才能確定滿足所需的飛行高度為多少;進而來進行航線規劃設計，這是獲取數據最重要的一步。

然后，在飛機起飛之前需要進行一系列的飛前檢查。首先需要檢測好無人機的動力電池電壓是否滿足，電壓不穩定或過低會直接影響飛行的姿態，還會損傷電池壽命，而且還很有可能因電量不足，使得無人機無法進行安全返回著陸。其次是需要進行地磁檢測以及檢校，如果地磁檢校不能成功通過，飛機則無法正常起飛，檢校必須通過飛機才能起飛。

針對本測區，采集對象主要是泥石流跡地，而其特點是狹長，整體呈帶狀，高程由溝頭到溝尾逐漸降低，故需大體掌握溝頭及溝尾的高差，然后設計飛行高度，對于航線布設則采用折線型航線影像采集方法，航線方向與支溝走向一致，這樣可減少航線條數，從而提高作業效率。在對無人機進行地磁檢校中，第一次檢校未通過，從而使得機器無法正常起飛，第二次進行檢校才得以通過，初步判斷原因為當地為特殊地段，周圍地下富有礦物質，擾亂地磁場，故在地磁檢校過程中出現檢校不通過的情況。在其他地方則很少出現該情況，這也是本采集區域的特點所在。

完成了以上準備完畢方可執行起飛，實施對任務區進行數據采集。本次基于多旋翼無人機傾斜攝影數據采集流程如圖1所示。

本次實驗區數據采集共飛行一個架次，旁向和航向重疊率均為70%，設計航線為6條，航線長度總長為8.2公里，設計航高為260米，五組飛行照片共計1190張，然后去掉所有無效照片共計20張，最后剩余可用照片共計1170張。具體航線規劃圖如圖2。

3 ?傾斜攝影數據處理

無人機傾斜攝影后期對自動建模系統和軟件的應用有嚴格的要求，本次采用Smart 3D Capture軟件對所采集的數據進行三維建模。該軟件具有穩健、快速、全自動的建模特點和廣泛的數據源兼容性和優化的數據輸出格式[8]。其全程數據處理智能化，它通過所獲得的連續影像中自動生成實景三維場景模型，然后對傾斜影像數據進行一系列的數據處理，把典型地物的紋理特征提取出來，再對其可視化，最后輸出我們所想要的三維數據模型。三維數據建模具體步驟如下：

（1）數據導入準備。外業數據采集結束后，需對所獲取的所有相片進行檢查，刪除無效相片，確定所有相片均可達到需符合的質量標準，對有質量問題的相片進行修復，然后再統一做好編號，通過野外數據采集中自動生成的POS數據對應制作POS表用于相片導入軟件中。需保證曝光點影像數據與 POS 數據一一對應[9];Smart 3D Capture軟件導入數據步驟簡便，一目了然，按照所給的模板編輯即可導入。

（2）空中三角測量。又稱為空三加密，它是傾斜攝影測量三維建模中最為重要了一步。將試驗區影像數據導入Smart 3D Capture軟件后，利用所給定的控制點，通過光速法區域網整體平差進行處理，平差處理之后軟件會自動提取所有特征點，形成特征點云數據。在 Smart 3D Capture 系統中，空三加密為全自動解算，在解算過程中，如果出錯還可以同步檢查POS數據和相機參數[10-11]。對數據做完空三加密之后所得到的結果便是整個試驗區的特征點云，生成白模（圖4）。

（3）生成成果文件。空三成功后，影像組的照片全部被定位完畢，檢查其結果是否符合技術要求，如果空間坐標系兩軸與模型位置相平行，那么說明該模型位置是相對正確的，再有控制點點位分布情況與實際位置相符，則可說明最終結果是正確的，然后進行三維模型的設計，設置好各個參數及所出結果的格式進行輸出三維模型。三維數據處理流程如下圖3所示。

4 ?小白泥河支溝泥石流應用實例

4.1 ?試驗區概況

本次選定的試驗區位于東川區，隸屬于云南省昆明市，是昆明市的最北端，該地經緯度地處東經10247～10318，北緯2557～2632，東川地處云貴高原北部邊緣，屬川滇經向構造帶與華夏東北構造帶結合過度部位。東川區泥石流，是聞名遐邇的泥石流天然博物館，泥石流的發生是生態失去平衡所導致的后果，但卻又是大自然當中的奇觀之一。

小白泥河是白泥河的一條支流，該地區屬于泥石流多發地，本次試驗選定的是小白泥河的一條支溝。通過三維模型可得出該條支溝總體走勢為西北-東南，東南高，西北低，基于三維立體量測該支溝長度約為780米，溝頭剛顯露出來，從上往下越來越寬，最低處形成沖積扇。三維模型如下圖5所示。

巖體巖性及其結構特征決定了斜坡巖土體的強度、抗風化能力、變形破壞特性，進而影響到斜坡的穩定性和地表的侵蝕速率，是滑坡泥石流形成的重要因素[12]。經過實地踏勘，該區域多沉積巖、砂質頁巖以、白云巖以及灰巖。又因斷裂帶南北向延伸，縱穿東川區中部，斷裂活動破壞區內巖石完整性，使得巖石松動裂化，再加上本地氣候作用，軟巖經過風吹雨淋，導致巖石風化嚴重，在坡度較大的地方極易形成滑坡，歷經雨季時的沖擊，為泥石流形成提供了大量物源。

4.2 ?信息提取與分析

通過傾斜攝影三維重建可以得到分塊DOM和DEM數據，然后運用Arcgis10.2版本進行數據拼接，成為完整的試驗區數據體，利用這兩者進行泥石流信息提取及分析，對泥石流支溝的危險情況進行預測。從DOM數據可得到該支溝植被覆蓋很少，表面裸露出巖體，植被覆蓋率為12%左右，其沖積扇左側有一處房屋，房屋附近現有一塊發生泥石流改良后的土地作為該農戶的耕地，在耕地中還可看到灰白色泥石流物源的存在，由于人為活動因素造成了沖積扇區域不明顯;如若在收成之前發生泥石流，那么耕地中所種的莊稼將毀于一旦，房屋也將面臨泥石流的威脅（圖6）。

在溝頭上方有人工梯田分布，易造成土質疏松，在雨季經過強降雨沖刷極易為泥石流提供豐富的物源。由DEM數據（圖7）以及該支溝地形斷面圖（圖8）可得，上下相對高差約269米左右，從支溝頂端算起，100米至380米之間的坡度較大，該段總體坡度在45°以上，而從480米處左右往下一直到沖積扇該段地形較為平緩，這些地形因素很好的成為了發生泥石流的先天優勢，也為物源輸出準備了優良的輸送渠道。

由數據成果中的DEM數據利用Arcgis10.2對其坡度分析，得該試驗區的坡度圖（圖9），從圖中可以看出小白泥河支溝兩側坡度較大，坡度均在45以上，這樣使得山坡上的植被都難以生長，出現大面積裸露巖體，加上巖體在本地氣候的作用下發生風化因素，使得坡面松散;再結合三維數據模型可以得到沖積扇區以上部分整體呈現“V”字型，通道口狹窄，支溝兩側山體均出現山體滑坡現象，尤其是在暴雨的作用下，極易出現山體松動、崩塌而滑坡，這就為泥石流提供了豐富的物源，如果今后再次發生暴雨沖刷，那么該支溝將會爆發泥石流，在沖積扇左側農戶房屋將會收到沖擊，因此存在潛在危險，在預測基礎上建議該農戶遷移該地。

本次對研究區泥石流跡地調查為期三天，全部完成調查分析工作，效率較傳統野外實地踏勘調查方法極高，而且數據更新及時，非常符合當前研究區的現狀，通過三維立體量測可更加準確定量掌握研究區概況，對解譯出來的結果對比當地實地情況大部分都很準確，而且相對于野外實地踏勘調查方法更為安全。所得數據對今后的地質災害預防提供更為全面的參考依據。

5 ?結論

將無人機傾斜攝影測量技術應用到本次試驗區的泥石流災害調查中，驗證了其可行性。相比于傳統的泥石流災害調查手段，我們所需要的新調查手段就是需減少工作量，降低成本以及使得結果更快速、數據更為直觀準確，無人機傾斜攝影測量技術滿足了這些要求，它將成為今后地質災害調查中的一把利器。其所生產的三維立體數據模型可以直觀的反映出現場情況，相比傳統的二維平面影像，它不僅具有視覺上一目了然，而且還具有立體三維可量測性，這將為解譯帶來很大的方便，也大大提高了解譯精度。本次實驗的結果清晰明確，很好的掌握了支溝的基本信息，由其是該支溝沖積扇附近的農戶所面臨的潛在危險，通過解譯分析及實地詢問，現階段泥石流發生率較低，但考慮長期性，建議該農戶搬遷，避免今后的經濟損失問題。該技術在今后的地質災害調查中具有很大的價值意義，憑借其優勢特點將會廣泛應用于地質災害調查中。

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