基于無人機攝影測量技術(shù)的滑坡變形研究進展

孔嘉旭， 谷天峰， 孫 彬， 張凡琛， 孫嘉興， 宋志杰

(西北大學地質(zhì)學系大陸動力學國家重點實驗室， 西安 710069)

中國是世界上發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害最頻繁的國家之一，尤其是大、中型滑坡在中國西部黃土高原、西南云貴高原等地區(qū)頻繁發(fā)生，具有規(guī)模大、危害程度高、成因機制復雜的特點[1-5]，山地是中國國土的重要組成部分，約占國土總面積的66%。不同地區(qū)、不同土質(zhì)結(jié)構(gòu)的斜坡土體，在強地震、人類工程活動、灌溉或降雨等作用下，土體的結(jié)構(gòu)特性、剪切特性等發(fā)生變化，導致斜坡土體發(fā)生變形，經(jīng)過一個長期的過程引發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害[6-13]?；碌刭|(zhì)災(zāi)害以其誘發(fā)機理復雜與危害嚴重的特點，已經(jīng)嚴重影響到人民的日常生活與國家的經(jīng)濟建設(shè)[14-15]，因此對滑坡區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查、監(jiān)測、評估與預警工作就顯得極為重要。

在以往滑坡形成演化過程相關(guān)研究中，以斜坡變形為切入點的研究其重要性已經(jīng)日益突顯，通過多期次變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以很好地對滑坡進行形態(tài)特征、演化過程以及早期識別等研究[16-17]。傳統(tǒng)滑坡變形演化過程研究方法主要依靠的有工程地質(zhì)調(diào)查與分析[18-19]、遙感測繪與遙感圖像解譯[20-21]，以及通過布設(shè)傳感器來監(jiān)測滑坡變形發(fā)展情況的原位監(jiān)測[22-24]。伴隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代化變形監(jiān)測方法應(yīng)運而生，高分辨率遙感影像對比可以實現(xiàn)精細化解譯[25-26]；無人機(UAV)航測技術(shù)開始廣泛用于滑坡變形觀測[27]；分布式光纖技術(shù)也開始用于滑坡變形原位監(jiān)測[28]；利用高分辨率激光雷達(LiDAR)可獲取滑坡區(qū)地形等數(shù)據(jù)[29-30]；地表三維激光掃描技術(shù)可精確地監(jiān)測滑坡的表部變形情況[31]；合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(In-SAR)也被應(yīng)用于滑坡監(jiān)測，通過衛(wèi)星可以周期性地對研究區(qū)完成穩(wěn)定的觀測，具有區(qū)域尺度測量的能力[32-33]；不斷更新?lián)Q代的自動化、高精度全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)也完全滿足滑坡變形監(jiān)測的需要[34]。但是上述滑坡變形監(jiān)測技術(shù)在開展研究過程中都存在一定缺陷， In-SAR技術(shù)、高精度GPS以及激光掃描等技術(shù)等成本較高，其中GPS技術(shù)與激光掃描獲取數(shù)據(jù)花費時間較長，只適用于單體滑坡調(diào)查；遙感影像解譯僅適用于區(qū)域性研究，難以獲取滑坡細部特征與厘米級變形數(shù)據(jù)，且精度難以保證；滑坡原位監(jiān)測操作程度復雜，所需人力成本較高，一旦發(fā)生滑坡可能會破壞現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備。因此基于攝影測量的無人機航測技術(shù)以其低成本、靈活性高、時效性強，易于根據(jù)地形等因素改變飛行路線，從而完成研究區(qū)測繪任務(wù)[35-36]，最終提供數(shù)據(jù)滿足滑坡變形等研究需要。隨著無人機的機載相機性能不斷提高，量測精度已經(jīng)達到厘米級別，完全滿足滑坡細部變形觀測與早期識別研究的要求。

本文以滑坡地質(zhì)災(zāi)害觀測方法研究現(xiàn)狀為出發(fā)點，對無人機攝影測量技術(shù)基本工作原理做了詳細介紹，接著敘述了攝影測量與數(shù)據(jù)處理過程，論述了基于無人機攝影測量技術(shù)的滑坡變形觀測熱點研究方向。在此基礎(chǔ)上敘述了影像數(shù)據(jù)結(jié)果存在誤差的原因，以及如何降低誤差方法的研究現(xiàn)狀。展望了攝影測量與影像配準的工作方向，最后總結(jié)了滑坡變形演化特征與早期識別研究中無人機攝影測量技術(shù)具有其獨特優(yōu)勢，以期為今后相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供了最新的研究進展和思路。

1 無人機攝影測量技術(shù)

1.1 無人機攝影測量技術(shù)工作原理

攝影測量技術(shù)的發(fā)展分別經(jīng)歷了以光學或機械投影方法為基本原理的模擬攝影測量階段，以電子計算機為手段的解析攝影測量階段，影像數(shù)據(jù)數(shù)字化處理的數(shù)字攝影測量階段[37]。隨著攝影測量技術(shù)與相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)代化發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)成為測繪、建筑、交通等行業(yè)必備的輔助技術(shù)，與人民日常生活與國家經(jīng)濟建設(shè)息息相關(guān)。該技術(shù)基于數(shù)字影像與攝影測量基本原理，通過數(shù)碼相機，航攝儀等攝影設(shè)備，拍攝測量對象大小、形狀、空間位置關(guān)系，將投影光線以數(shù)字化方式表達，獲取原始影像數(shù)據(jù)，再將影像中的像點在空間坐標系中經(jīng)過坐標變換，結(jié)合空三加密算法，將拍攝對象數(shù)字化的數(shù)據(jù)構(gòu)建成三維立體模型[38-39]。

無人機攝影測量技術(shù)是利用無人機在空中執(zhí)行飛行任務(wù)，研究人員控制無線電遙控設(shè)備，以高分辨率數(shù)碼相機為傳感器，對目標進行大范圍、多視角、高精度及快速攝影測繪，從而得到影像數(shù)據(jù)的技術(shù)[40-42]。無人機攝影測量技術(shù)主要用于具有時效性的高分辨率影像的快速獲取，在外業(yè)航測與室內(nèi)數(shù)據(jù)處理后，獲取研究區(qū)正射影像、數(shù)字表面模型等(DSM)、點云數(shù)據(jù)等。

1.2 無人機攝影測量系統(tǒng)組成與作業(yè)流程

無人機攝影測量技術(shù)是無人機與數(shù)字攝影測量技術(shù)所結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)，其系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由飛行平臺系統(tǒng)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所組成。無人機攝影測量操作流程依次由前期調(diào)查準備與資料收集工作、現(xiàn)場作業(yè)、數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)等步驟依次組成(圖2)，每一部分均有嚴格的技術(shù)指標與注意事項要求[43-44]。

圖1 無人機攝影測量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of UAV photogrammetry system

圖2 無人機攝影測量作業(yè)流程Fig.2 Operation flow of UAV photogrammetry

1.3 無人機攝影測量技術(shù)研究現(xiàn)狀

無人機攝影測量技術(shù)在數(shù)字化、信息時代完全發(fā)展為一個新興的研究領(lǐng)域，無人機最早出現(xiàn)于20世紀初，起初應(yīng)用于軍事與戰(zhàn)爭，隨著計算機等現(xiàn)代化技術(shù)的高速發(fā)展，無人機開始與航空攝影測量技術(shù)相結(jié)合，體積小、傳感器精度高、操作簡便的航測無人機被制造出來，越來越廣泛的用于災(zāi)害應(yīng)急與處理、國土監(jiān)察、資源開發(fā)[45]、考古挖掘[46]、生態(tài)環(huán)境保護[47]、農(nóng)業(yè)工程[48]等領(lǐng)域。在地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測研究中，已經(jīng)頻繁用于地面沉降觀測、滑坡變形發(fā)展與演化過程監(jiān)測、邊坡穩(wěn)定性分析等研究。

Schwab等[49]利用該技術(shù)來獲取高精度數(shù)字高程模型來計算阿爾卑斯山滑坡的體積量；Goncalves等[50]將無人機攝影測量技術(shù)與GPS技術(shù)結(jié)合，通過GPS技術(shù)提取控制點確保影像結(jié)果的精度，用于研究海岸地形變化趨勢；多期次高精度影像數(shù)據(jù)在滑坡變形與表面細部特征的研究起到了顯著效果[51]；無人機攝影測量技術(shù)已應(yīng)用于重大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，在災(zāi)區(qū)位置與分布概況、災(zāi)害程度評估、現(xiàn)場搜救與重建的過程中起到重要作用[52-53]；Mateos等[54]結(jié)合In-SAR與無人機攝影測量技術(shù)用于探究西班牙某城市海岸滑坡與城市建設(shè)發(fā)展之間的關(guān)系。

無人機航測具有快速反應(yīng)能力，可以快速劃定航測區(qū)并到達目的地；在與眾多滑坡變形監(jiān)測手段相比，其時效性與性價比相當突出，可以隨時拍攝與自由劃定航測區(qū)，工作效率高，成本也相對低廉；航測區(qū)域受限制條件較低，無人機航測不僅可以避免云層干擾，還不受地形限制，航測高度由研究人員控制，成像質(zhì)量與精度也優(yōu)于遙感數(shù)據(jù)[55]。無人機的任務(wù)存儲設(shè)備會充分發(fā)揮其自主飛行能力，已存儲的航線可以重復使用，便于對同一區(qū)域進行固定周期的滑坡變形監(jiān)測。無人機攝影測量技術(shù)在小范圍精細測繪制圖上，其操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高精度影像結(jié)果，在操作簡易的基礎(chǔ)上成為廣大研究人員的首選。

目前，根據(jù)無人機數(shù)字航空攝影測量規(guī)范要求，以1∶500、1∶1 000、1∶2 000為攝影測量外業(yè)實施標準，數(shù)字化成果的精度與影像分辨率要求會隨著比例尺與地形地物不同有所變化。目前，用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與測繪的航測無人機已經(jīng)分化出多種類型。無人機按其不同的飛行平臺結(jié)構(gòu)可分為，固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機，其中多旋翼無人機因其螺旋槳數(shù)量的不同，又可分為四旋翼無人機、六旋翼無人機、八旋翼無人機。固定翼無人機最大的特點是飛行速度快、耗能大，無人直升機具有極強的靈活性，可以垂直起降，多旋翼無人機操作簡單、成本較低，是大多數(shù)民用無人機的首選。無人機按其用途劃分，可分為軍用級、工業(yè)級和消費級三個級別。工業(yè)級與軍事級無人機一般具有較高的技術(shù)指標要求，并且服務(wù)于更專業(yè)的應(yīng)用需要；消費級無人機是較為大眾化類型，這類無人機一般是多旋翼無人機，其體積小，耗能小、飛行距離非常有限，廣泛用于航拍[55-57]。除此之外，用于攝影測量的無人機還可以根據(jù)機身尺度、飛行活動半徑、飛行高度進行分類，詳細分類見表1～表3。

表1 按尺度大小的無人機分類

表2 按活動半徑的無人機分類

表3 按任務(wù)飛行高度的無人機分類Table 3 UAV classification by mission altitude

近些年來，無人機攝影測量技術(shù)開始與GNSS(global navigation satellite system)技術(shù)、RTK(real time kinematic)技術(shù)結(jié)合，用于攝影測量與數(shù)據(jù)處理工作。在避障系統(tǒng)上研發(fā)方面，無人機開始向智能化發(fā)展，能夠自動識別航線上的障礙物，從而做出避讓等反應(yīng)來保證無人機的安全。

2 無人機攝影測量與滑坡變形觀測

2.1 區(qū)域滑坡變形調(diào)查

目前，基于無人機攝影測量的區(qū)域滑坡變形調(diào)查研究以其經(jīng)濟、實用的特點被廣泛應(yīng)用，主要集中在區(qū)域滑坡的時空分布特征、演化規(guī)律等研究。研究表明，一定區(qū)域內(nèi)的滑坡變形特征與成災(zāi)機理往往具有某種規(guī)律性，這種區(qū)域性規(guī)律不僅僅只表現(xiàn)在空間上，其規(guī)律受降雨。灌溉以及人類工程活動等誘因呈群集性、分異性、多序次變化特征，也表現(xiàn)在時間上呈年際與年內(nèi)變化規(guī)律[58-59]。因此，針對區(qū)域滑坡變形與演化特征研究，大量的基于無人機攝影測量技術(shù)的區(qū)域滑坡調(diào)查研究已經(jīng)被證明為最有效的工具之一。

為了了解一定時間與空間范圍內(nèi)的區(qū)域滑坡具有何種變形演化規(guī)律，有必要獲取足夠時間和空間序列的區(qū)域滑坡變形信息。González-Diez等[60]利用無人機攝影測量技術(shù)對西班牙坎塔布里亞山脈某面積為7 km2的滑坡進行了精細航空測繪，并結(jié)合GPS技術(shù)提高影像處理結(jié)果的精度，在此基礎(chǔ)上對比了歷史多期次影像結(jié)果，得到了時間序列的滑坡堆積物變化趨勢。巨袁臻[43]利用無人機攝影測量技術(shù)對黑方臺黨川段、焦家段等滑坡群進行了早期識別研究，將多期影像進行三維模型配準，利用兩期滑坡的高程數(shù)據(jù)相減獲得差分模型，通過兩期影像的差分模型分析滑坡變形的動態(tài)變化規(guī)律。Hu等[61]利用無人機攝影測量技術(shù)所獲取的高分辨黃土滑坡三維模型，對區(qū)域滑坡進行了空間特征分析，該方法能夠精確地觀察到滑坡表面紋理、裂縫的變化特征。胡勝等[62]在陜西黃土高原地區(qū)選取了多個黃土滑坡，利用無人機攝影測量技術(shù)提取了黃土滑坡的幾何特征參數(shù)、地形特征參數(shù)和斷面結(jié)構(gòu)等高分辨率特征參數(shù)，并分析了黃土斜坡穩(wěn)定性與降雨、灌溉、人類工程活動的影響關(guān)系。有學者將無人機攝影測量所獲取的正射影像與DEM(digital elevation model)數(shù)據(jù)，從中提取滑坡邊緣線、高程、面積、坡度等數(shù)據(jù)，分析滑坡形態(tài)變化特征，并用遙感數(shù)據(jù)加以驗證[63]。

以上眾多學者利用無人機攝影測量技術(shù)進行了區(qū)域滑坡形態(tài)特征與時空演化規(guī)律的研究，證明了該技術(shù)已經(jīng)完全能夠應(yīng)用于區(qū)域滑坡調(diào)查研究，而且可以很好地認識其時空分布規(guī)律和變化特征。

2.2 單體滑坡變形調(diào)查研究

單體滑坡變形調(diào)查研究中對影像結(jié)果的要求精度極高，盡可能對單體滑坡表面細部特征做到精細測繪，其中單體滑坡的表面裂縫、滑動體積、垂直與水平方向位移量等數(shù)據(jù)的動態(tài)演化積累能夠充分反映單體滑坡的變化趨勢[64-65]。目前，隨著攝影測量技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的不斷提高，無人機攝影測量技術(shù)已經(jīng)完全能夠達到單體滑坡調(diào)查研究所要求的厘米級量測要求。

基于攝影測量結(jié)果的DEM等數(shù)據(jù)，無人機攝影測量技術(shù)已經(jīng)被證明能夠很好地應(yīng)用于單體滑坡變形演化趨勢的定量化研究。彭大雷等[66]以甘肅黑方臺黨川段2#滑坡為例，嘗試采用高精度低空攝影測量技術(shù)來精確測算滑坡滑動體積、體積整體膨脹系數(shù)、體積局部膨脹系數(shù)等，該研究以高精度點云數(shù)據(jù)和軟件為基礎(chǔ)，利用在滑坡區(qū)建立柵格，通過柵格的變化量來測算整個滑坡的體積量，該方法與傳統(tǒng)計算方法、三維激光掃描技術(shù)相比，精確程度有了顯著提高。陳天博等[67]對北京市西南部某小型滑坡利用高分辨率的DEM(digital elevation model)和DOM(digital orthophoto map)數(shù)據(jù)對地形地貌信息的準確提取與描述的方法，基于模糊分類與SVM算法的結(jié)合，采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽崿F(xiàn)了對研究區(qū)內(nèi)植被、道路、疑似滑坡區(qū)域的信息提取，對該區(qū)域滑坡進行形態(tài)與紋理分析以及精度評價。Betts等[68]提出了一種SedNetNZ模型，以時間序列的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)每個滑坡的滑坡類別、面積、破壞程度等參數(shù)來計算出一段時間內(nèi)單體滑坡的滑動變化趨勢，該方法被證明能夠用于因降雨誘發(fā)的淺層滑坡研究中。

基于無人機攝影測量技術(shù)獲取滑坡區(qū)地形變化數(shù)據(jù)，同時結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測與室內(nèi)試驗，能夠充分認識到滑坡誘因與單體滑坡變形演化規(guī)律之間的關(guān)系。由于強降雨導致奧地利某村莊發(fā)生大型滑坡，Gerald等[69]在現(xiàn)場進行了一系列斜坡土壤水分、位移監(jiān)測，并結(jié)合無人機攝影測量技術(shù)對于滑坡區(qū)進行定期評估，實時觀測裂縫處的位移變化與水流變化情況，分析了滑坡動態(tài)變化過程與降雨以及地表水之間的關(guān)系。許強等[70]結(jié)合無人機航測技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)，對涇陽南塬約2×104m2黃土滑坡進行了現(xiàn)場量測，對其滑坡細部基本特征與成因機制進行研究，分析了灌溉以及降雨因素對其影響程度。有學者通過建立回歸分析模型，結(jié)合攝影測量、現(xiàn)場調(diào)查與室內(nèi)試驗，成功打地分析了土的性質(zhì)、邊坡類型、降雨量等因素與單體滑坡變形演化規(guī)律具有一定的相關(guān)性[71-72]。

超高密度的點云數(shù)據(jù)越來越多的應(yīng)用于單體滑坡調(diào)查研究中，有學者利用高分辨率影像，依據(jù)計算機視覺原理，利用特征點云結(jié)合運動結(jié)構(gòu)(SfM)算法來創(chuàng)建滑坡數(shù)字表面模型(DSM)，從而對單體滑坡細部變形演化過程進行研究[73-74]。在此基礎(chǔ)上，有學者對不同時間序列的DSM數(shù)據(jù)進行對比從而進行定量分析，該方法是通過CloudCompare、PolyWorks等軟件對密集點云數(shù)據(jù)進行基于迭代(ICP)算法的評估與矩陣變換，進一步的使用COSI-Corr圖像相關(guān)算法跟蹤和量化滑坡表面變化規(guī)律[75-76]。因此，在單體滑坡調(diào)查研究中，通過滑坡前后兩期低空攝影測量數(shù)據(jù)分析對比能夠，很好地認識滑坡的滑前、滑后變形跡象和成災(zāi)過程。

彭大雷等[36]詳細論述了闡述無人機攝影測量技術(shù)在滑坡調(diào)查中的應(yīng)用效果，對于區(qū)域滑坡研究能夠充分顯示時空分布規(guī)律與發(fā)育特征；對于單體滑坡研究通過多期次模型對比，能夠充分認識單體滑坡發(fā)展過程；同時利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還能夠?qū)逻M行定量化分析，并構(gòu)建三維模型用于滑坡變形相關(guān)研究。因此，無人機攝影測量技術(shù)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與研究領(lǐng)域?qū)鸬綐O為重要的作用，在滑坡變形發(fā)展、細部特征演化與早期識別的研究上較傳統(tǒng)監(jiān)測方法具有時效性強、性價比高、操作簡易等優(yōu)勢。

3 當前存在問題及研究現(xiàn)狀

無人機攝影測量技術(shù)已經(jīng)成為滑坡變形相關(guān)研究最有效的工具之一，在滑坡變形演化規(guī)律與早期識別相關(guān)研究中具有極大的優(yōu)勢。但是由于攝影測量現(xiàn)場條件、數(shù)據(jù)處理方法及無人機攝影測量硬件所存在一定程度的缺陷，導致攝影測量結(jié)果的準確性受到影響，最終DEM、點云等數(shù)據(jù)計算結(jié)果存在一定誤差，從而給無人機攝影測量技術(shù)在滑坡變形觀測應(yīng)用帶來巨大的挑戰(zhàn)。無人機攝影測量數(shù)據(jù)結(jié)果的精度與質(zhì)量直接影響到后期滑坡變形研究質(zhì)量，因此無人機現(xiàn)場攝影測量與影像數(shù)據(jù)處理質(zhì)量與精度一直以來是科研人員重點研究的問題之一。

3.1 攝影測量現(xiàn)場作業(yè)

在無人機攝影測量現(xiàn)場作業(yè)方面，相機校驗、航線規(guī)劃以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置直接影響攝影結(jié)果的質(zhì)量，無人機處于飛行姿態(tài)時會受到風力、機身振動等因素影響，運動過程受外界環(huán)境干擾會影響成像的質(zhì)量。以往的滑坡現(xiàn)場無人機測繪工作中，地面控制點大多是利用地面明顯地物來布設(shè)地面控制點，通過RTK等設(shè)備提取該點的空間坐標信息，操作人員在測量控制點坐標時會存在一定誤差。敬小東等[77]利用GPS動態(tài)技術(shù)輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的方法，提高影像曝光時刻定位精度，該方法提高了減少了控制點的布設(shè)。朱進等[78]在滑坡現(xiàn)場通過進行多種傳統(tǒng)控制點布設(shè)方法和適用于無人機布設(shè)方法的空三精度對比試驗，研究發(fā)現(xiàn)無論區(qū)域大小，四周均勻布設(shè)控制點或四點布設(shè)平高控制點，都能夠提高數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度。Chiang等[79]開發(fā)了一種基于無人機的空間信息采集平臺，該平臺能夠在差分處理時對GPS單頻載波相位測量，獲取足夠精確的空間信息，保證了影像數(shù)據(jù)的準確性。

3.2 影像數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)

在影像數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)方面，數(shù)據(jù)處理結(jié)果準確性會受到處理方法不同、軟件以及算法的系統(tǒng)誤差的影響，這些都會導致數(shù)據(jù)處理結(jié)果在影像的拼接與融合過程中存在誤差。Rock等[80]研究了地面控制點(GCP)數(shù)目對傳感器間接定位精度的影響，以及絕對偏差對不同參數(shù)DEM模型的影響，結(jié)果表明控制點的分布與數(shù)量會影響處理結(jié)果。趙志剛[81]通過擴大像幅以使攝影基線的長度增加與提高上、下視差的量測精度兩個角度，來提高控制點的高程精度，使得處理結(jié)果準確度有所提升。Zhang等[82]利用GA-SIFT方法能更準確地定位更多的特征點，提出的自適應(yīng)閾值方法通過較多的特征點提取和拼接工作，不僅解決了誤差較大的問題，還解決了計算量大、拼接時間成本高的局限性問題。在數(shù)據(jù)處理軟件方面，目前更多的商業(yè)公司已經(jīng)研發(fā)出多種高精度數(shù)據(jù)處理軟件，國內(nèi)有DPGrid、MAP-AT、MapMatrix等，國外軟件主要有Pix4d mapper、Inpho、Photoscan以及徠卡公司推出的ERDAS LPS工作站等。有學者通過成像質(zhì)量與精度、處理時間、算法差異的角度上分析了多種軟件處理結(jié)果，發(fā)現(xiàn)每種處理軟件都有其獨特優(yōu)勢[83-84]。

3.3 無人機攝影測量技術(shù)硬件設(shè)施

在現(xiàn)場攝影測量過程中，無人機自身硬件也會影響數(shù)據(jù)的準確性，電子元件的小型化常常導致攝影質(zhì)量的下降，因此導航單元和攝像機的精度對攝影測量質(zhì)量至關(guān)重要。Stam[85]分析了主要影響無人機攝影測量精度的因素，首先通過共線方程分析了機載GPS與慣性測量元件(inertial measurement unit，IMU)誤差引起的垂直誤差是水平誤差的1.5倍；其次數(shù)字相機的性能高低也是產(chǎn)生誤差的原因，普通單反相機會造成影像產(chǎn)生鏡頭畸變，鏡頭畸變普遍中間小、邊緣大，鏡頭畸變存在不同的類型，圖3所示為鏡頭畸變類型示意圖。

圖3 鏡頭畸變類型示意圖Fig.3 Schematic diagram of lens distortion type

鏡頭畸變會使物點。投影中心、像點不能共線，從而導致空間后交精度低、產(chǎn)生三維重構(gòu)模型變形現(xiàn)象，由于鏡片自身等方面的誤差，鏡頭畸變的變形量可以構(gòu)建如下數(shù)學模型來表示[86]：

φx(x，y)=k1x(x2+y2)+[q1(3x2+y2)+2q2xy]+s1(x2+y2)

(1)

φy(x，y)=k2y(x2+y2)+[q2(3x2+y2)+2q1xy]+s2(x2+y2)

(2)

式中：φx、φy分別為像素點在X和Y方向上的變形量；x、y分別為像素點在空間坐標系的坐標；k1、k2為徑向畸變系數(shù)；q1、q2為離心畸變系數(shù)；s1、s2為薄棱鏡畸變系數(shù)。對于攝影測量存在鏡頭畸變的問題，朱虹等[87]利用雙線陣CCD(charge coupled device)標定及鏡頭畸變校正方法，對姿態(tài)角和鏡頭畸變進行校正，結(jié)果表明標定和校正精度能夠滿足三維建模的需要。Sam等[88]提出了一種基于圖像處理器(GPU)的幾何透鏡畸變實時校正方法，而無需額外的數(shù)字圖像處理硬件。

此外，在無人機相關(guān)硬件設(shè)備方面，高精度、穩(wěn)定的傳感器設(shè)備被制造出來，同時在空間定位技術(shù)上，無人機攝影測量技術(shù)越來越多與GNSS技術(shù)、RTK技術(shù)相結(jié)合，使得無人機在航測時，不僅能夠準確記錄影像信息，也能夠?qū)τ诳臻g信息精確定位，在拍攝的影像上自動選取控制點，并用于后期數(shù)據(jù)處理，保證了處理結(jié)果的精度與質(zhì)量。

4 無人機攝影測量技術(shù)展望

4.1 更加精細的滑坡變形攝影測量

無人機在高空拍攝的影像上會受到大氣散射、天氣、光照強度、信號干擾等外界因素的影響，因此滑坡的現(xiàn)場航測會存在一定誤差。目前，一些間接的方法可以提高數(shù)據(jù)的準確性，能夠提高的量測方法分為絕對測量精度與相對測量精度。

提高絕對測量精度方法：在考慮合理成本情況下，購置高精度的GPS與IMU可以提高水平與垂直方向的精度；每次航拍任務(wù)前后對相機進行校驗，將畸變參數(shù)均用于空三處理；對區(qū)域滑坡調(diào)查采用分散監(jiān)測的航測方式。提高相對測量精度方法：選擇易于識別地面控制點并準確量測其三維坐標；合理的增加無人機航測周期，利于滑坡位移量的逐漸積累。

隨著無人機性能的不斷提升，穩(wěn)定性不斷加強，無人機航測作業(yè)時受到現(xiàn)場場地條件影像會不斷減小，所拍攝的影像數(shù)據(jù)在質(zhì)量與精度上一定會有顯著提高。

4.2 更加準確的數(shù)據(jù)處理結(jié)果

影像匹配一直是攝影測量的核心問題，如何找到快速、精確和可靠的匹配算法是今后研究的方向之一。由于后期數(shù)據(jù)處理時不僅在定位控制點時存在誤差，軟件與算法同樣會存在著系統(tǒng)誤差。因此對無人機影像做畸變差糾正是必不可少的工作。在軟件與算法上改進，研發(fā)穩(wěn)定、高效、準確的影像配準方法，并且構(gòu)建GPU地理編碼系統(tǒng)。在圖像融合過程中，實現(xiàn)對滑坡體的快速識別，以及準確量測滑坡體的特征。

在今后隨著計算機功能的不斷增強、算法與軟件的不斷升級、價格不斷下降和解析方式的靈活性，都促使解析攝影測量技術(shù)迅速發(fā)展，最終處理出更加精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)在滑坡演化特征與早期識別研究中，相比遙感監(jiān)測手段，無人機攝影測量技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取時間靈活、數(shù)據(jù)處理周期短、技術(shù)成本低及無人機可重復使用的特點；相比傳統(tǒng)測量方法，無人機的工作效率更高，現(xiàn)場工作人員工作強度較低；與地面變形監(jiān)測手段相比，無人機攝影測量技術(shù)擁有更廣的觀測范圍和更靈活觀測角度。

(2)基于無人機攝影測量技術(shù)的滑坡變形相關(guān)研究，其中區(qū)域滑坡研究能夠充分顯示時空分布規(guī)律與發(fā)育特征；對于單體滑坡研究通過多期次模型對比，能夠充分認識單體滑坡發(fā)展過程；同時利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還能夠?qū)逻M行定量化分析，并構(gòu)建三維模型用于滑坡變形相關(guān)研究。

(3)無人機攝影測量技術(shù)一定會隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來發(fā)展出更精確、高效、經(jīng)濟的無人機攝影測量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，無論在硬件、軟件及算法上都會提高數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準確性。更加準確的處理結(jié)果有助于更好地進行滑坡變形演化規(guī)律與早期識別相關(guān)研究，而在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型分析與評價也將成為研究的熱點，進一步推動該領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用。