傾斜航空攝影技術及在地質調查中的應用研究
——以三峽庫區巫峽地區為例

陳潔，蔡君，李京，賀鵬

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國科學院空天信息研究院，北京 100094; 3.北京市測繪設計研究院 100038)

0 引言

三峽大壩的興建和大量移民的搬遷，對三峽庫區的地質環境造成了一定程度的改變[1-2]，使得原本就具有地形差異明顯、地勢切割強烈特點的庫區地質構造變得更為復雜，是滑坡、崩塌和泥石流等地質災害的多發區，亦是地質災害監測、解譯、成因研究的熱點區域[3]。庫區巫峽段蓄水后先后發生了望峽崩塌、龔家坊滑坡、紅巖子滑坡等地質災害，為進一步查明可能危及航道安全的庫岸地質災害隱患和全面評估以往地質災害綜合治理效果，亟須開展水庫兩岸一級斜坡地帶的高精度航空遙感攝影測量，為三峽庫區地質災害隱患早期識別提供更為精準的基礎地理信息數據[4-5]。

長江兩岸山體素以險峻聞名，切割強、高差大，常規的航空和航天遙感技術多是以中心投影為主的垂直攝影，難以觀測到地物的側面信息，即使在影像邊緣有少許的側面紋理，也會產生較大的變形，無法使用。另外，三峽地區地處暴雨頻繁的亞熱帶氣候區，給野外實地地質調查帶來了困難、增加了安全隱患。近年來出現的傾斜航空攝影技術可從一個垂直、多個傾斜角度獲取地物數字影像，同時采集頂部和側面紋理信息，配合慣導系統獲取高精度的位置和姿態信息，通過后期數據處理將所有的影像納入到統一的坐標系統中，生成三維實景模型[6-7]，較好地克服了常規航空遙感技術和地面地質調查的各種技術缺陷，為精細化的航空遙感地質調查提供一種新的技術方法和工作方案。

1 傾斜航空攝影技術

1.1 技術概況

傾斜航空攝影技術最早應用于邊境監測的軍事方面，隨著計算機技術、機載定位定姿系統(position and orientation system,POS)技術的發展和普及，現已成為國際遙感測繪領域的研究和應用熱點。它是在同一飛行平臺上搭載多臺具有固定相對關系的傳感器，從垂直和傾斜角度同時采集影像，從而更為完整準確地獲取地面物體信息。垂直拍攝的影像與傾斜拍攝的影像聯合慣導系統獲取高精度的位置和姿態信息，通過專業的影像匹配與三維建模軟件將所有的影像納入到統一的坐標系統中，經過在線分發，用戶可在線從多個角度對數據進行瀏覽和量測。1993年美國的Pictometry公司開創性地采用1個垂直相機和4個傾斜非量測相機構成的馬耳他十字型結構，奠定了傾斜攝影系統的研發基礎。之后，國際上相繼涌現出了多款傾斜航空遙感設備，具有代表性的有德國IGI公司的Penta-DigiCam系統、Leica公司的RCD30[8]、以色列A3[9]、微軟公司旗下UCO。2010年初，天下圖公司從美國引進了Pictometry傾斜攝影測量系統，標志著我國傾斜攝影測量技術的研究拉開了序幕。同年10月，劉先林院士團隊成功研發了第一款國產傾斜相機SWDC-5，并成功實施了長春市傾斜攝影項目[10]，后續出現的國產傾斜航空攝影儀器有上海航遙的AMC5150、中測新圖的TOPDC-5。目前最常見的是1+4傳感器設備，即1個垂直傳感器+4個傾斜傳感器。隨著技術的發展，出現了搭載更多傾斜鏡頭的傾斜攝影設備。市場主流的傾斜航空攝影設備技術參數對比如表1所列。在完成傾斜航空影像采集后，需進行影像數據后處理，是指對傾斜攝影設備拍攝的航空影像進行解算和預處理，構建反映真實場景的三維數據模型。現有的自動化建模軟件包括Pictometry系統、Street Factory，Agisoft Metashape，Pix4D mapper，Context Capture，Photomesh等，國產軟件包括中科北緯的Mirauge3D、天際航的DP-Smart、五維科技的Wit3D等。

表1 主要傾斜航空攝影設備技術參數Tab.1 Technical parameters of main oblique aerial photography equipments

1.2 關鍵技術

1.2.1 多視角影像的聯合平差

傳統的航空攝影測量方法是建立在基于垂直影像的共線方程等經典理論上的，而傾斜攝影則含有大量的與地面成一定角度的傾斜影像數據，因此，在對多視角影像進行聯合平差時，要依據影像間的幾何和重疊關系，利用POS系統提供的6個外方位元素，采取由粗到精的迭代法匹配策略進行影像匹配和自由網平差，完成影像的精密糾正，得到較好的同名點匹配結果。通過連接點、控制點、外方位元素建立多視角影像區域網平差的誤差方程，以其聯合解算的結果評價平差結果的精度。

1.2.2 多視角影像的匹配

傾斜航空攝影的多視角影像具有覆蓋范圍廣、分辨率高、重疊度大等特點，但同時也存在幾何變形嚴重、地物特征相似、各角度影像相互遮擋、數據量大且冗余多等問題，常規的灰度匹配算法已很難滿足要求。為提高多視角影像的立體匹配精度與效率，國內外學者經行了深入研究，目前已取得很大進展。例如Zhang等[11]提出幾何約束法、紀松等[12]提出最小二乘法 、戴晨光等[13]提出自適應窗口策略、Furukawa等[14]提出基于面片法等，最終達到了多視角影像的可靠、高效的密集匹配效果。

1.2.3 數字表面模型生產

數字表面模型(digital surface model, DSM)是指含有地表自然和人工目標(建筑物、樹木等)高度信息的地面高程模型。DSM能較全面地表達地形地物起伏特征，是現代基礎空間數據的重要組成部分，也是傾斜航空攝影多視角影像密集匹配的主要成果。但由于對地觀測的視角不同，加之地面起伏，傾斜影像之間的比例尺、地面分辨率差異較大，基于傾斜影像的DSM生產存在異于常規方式的新難點。解決思路可將空中三角測量計算出的6個外方位元素賦予與之相對應的影像單元，再進行像素級特征匹配和精細化密集匹配，在數據量較大時引入并行算法以獲取高密度的DSM初始成果，根據應用需求設置閾值進行濾波處理，最后將各個匹配單元進行鑲嵌和融合，形成最終的DSM成果。

1.2.4 真正射影像糾正

真正射影像(true digital ortho map, TDOM)是在已有的DSM數據基礎上，采取數字微分技術糾正原始影像的幾何變形，TDOM是對整個分區進行影像重采樣，采樣后影像的質量主要取決于 DSM質量的好壞。只有高質量的DSM能夠生成高質量的TDOM[15]。基于傾斜航空攝影的TDOM糾正的難點在于，涉及海量物方和像方的多角度地物與影像的匹配問題，具有典型的數據密集和計算密集特點。在完成該步驟時，可于物方和像方同時進行，即以已有的DSM成果為本底，根據幾何特征向量提取地形和地物的語義信息，并同步對多視影像進行分割、聚類、邊緣提取等操作提取像方語義信息，依據聯合平差和密集匹配的結果尋找物方和像方的同名點，繼而完成了顧及幾何輻射特性的聯合糾正[16]，在對結果進行整體勻光勻色處理后得到多視影像的真正射成果。

1.3 技術優勢

1)更加真實地還原地物地貌。傾斜影像能讓用戶從多個角度觀測地物，實景三維成果包含地物的側面紋理，更加真實地反映地物的實際情況，極大地彌補了基于正射影像應用的不足?；趦A斜攝影而提出的數字孿生概念，生動地詮釋了三維模型對觀測對象的刻畫程度。

2)可進行全方位的定性定理分析。通過傾斜航空攝影生成的DSM,TDOM和三維模型等成果，在應用軟件平臺的支持下，均可直接進行包括高度、長度、面積、角度、坡度、土方量等的量測，擴展了傾斜攝影技術的應用領域。

3)易于網絡發布和成果共享。傾斜航空攝影的成果數據格式多樣，可根據用戶需求進行定義，滿足云端存儲和計算的各種接口要求，具有較好的拓展性和二次開發潛力。

1.4 發展方向

傾斜航空攝影經過近30 a的發展，基本解決了在硬件設備的研發、軟件平臺的開發和行業領域的應用等方面出現的各種技術難點，實現了數據采集與影像成果的自動化。下一階段，關注重點在于傾斜儀器的小型化，傾斜航空攝影技術與多光譜、高光譜、激光雷達等多種的傳感器的結合，集成多源數據解決三維建模缺失或失真、影像匹配不理想等技術難點。

2 技術流程

傾斜攝影技術流程如圖1所示。

圖1 傾斜航空攝影技術流程Fig.1 Technical flow of oblique aerial photography

1)傾斜數據的采集。首先通過機載的多角度光學傳感器按照既定的飛行計劃，以航向與旁向均為60%重疊度對應的曝光點坐標自動進行拍攝，獲取地物多個方位的影像和紋理信息供用戶多角度瀏覽。采集的的數據除影像外，通常還包括定位裝置獲取的曝光瞬間的3個線元素x，y，z及姿態系統記錄相機曝光瞬間的3個角元素φ,ω,κ。根據后期成圖精度和應用的需求，可能還需要收集地面基站數據和衛星星歷數據。

2)數據預處理。機載及地面數據獲取完成后，首先要對采集的所有數據進行包括飛行質量、影像質量和數據質量的初步檢查，對不符合要求的進行補飛，直到所有的數據質量滿足相應的規范要求； 其次對每張影像進行處理使之色彩均衡、反差適中，能真實反映地物的細節； 再者，進行機載POS數據處理，并將符合精度的外方位元素作為加權值賦予每張傾斜影像，使得它們具有三維空間中的位置和姿態； 再聯合地面控制點經過空中三角測量，之后傾斜影像上的每個像素就具有了規定坐標框架下的位置信息。

3)傾斜模型生產。根據成果的不同可分為單體化和非單體化的模型數據生產。單體化模型數據生產，是直接利用現有的三維線框模型，通過紋理映射得到三維模型，這種工藝生產的模型數據可以進行單獨地物的刪除、修改及替換，適用于地物變化頻繁的區域。非單體化模型數據生產通常采用全自動化的生產方式，經過多視角影像的幾何糾正、聯合平差等環節后可生成高密度點云，以點云構建不規則三角網生成具有紋理信息的三維模型，模型生產周期短、成本低，同時具有測繪級精度。

3 應用情況

3.1 工作區地質背景

本次地質調查的目的是利用傾斜航空攝影技術手段獲取地質災害重點區高精度航空遙感數據和地形參數，開展三峽庫區庫岸崩塌、滑坡、地面塌陷等地質環境問題的航空遙感綜合調查，掌握區內消落帶的地形變化程度，發現重點區段地質災害隱患和地質環境破壞情況，服務區內地質災害監測、防治和地質環境保護工作。傾斜航空攝影的工作區巫峽地區位于大巴山弧形構造、川東褶皺帶及川鄂湘黔隆褶帶三大構造體系結合部，長江橫貫東西，大寧河、抱龍河等7條支流，呈南北向強烈下切，地貌上呈深谷和中低山相間形態，地形起伏大，坡度陡，谷底海拔多在300 m以內，岸坡頂部高程多為1 000 m以上[17]。區內出露多為沉積巖，另有第四系零星分布，次級褶皺及斷裂構造十分發育，地表崎嶇、峽谷幽深，地質構造背景復雜。根據以往的資料顯示，區內受巖性、構造、水文及人類工程活動等因素的影響，滑坡、危巖、泥石流、塌陷等地質災害極為發育，具有點多面廣、種類眾多的特點。

3.2 軟硬件設備

本次傾斜航空攝影的軟硬件設備如表2所示。

表2 本項目選用的軟硬件設備一覽表Tab.2 The software and hardware list of this project

3.3 成果精度

傾斜航空攝影實景三維模型成果如圖2所示。通過9個架次、40余h的傾斜航空攝影作業飛行，共獲取傾斜航空影像34 715張，覆蓋面積120 km2，影像地面分辨率最高為0.06 m，最低為0.19 m，在實施過程中嚴格按照有關的規范標準[18-21]執行。飛行質量方面，航線彎曲度均小于0.87%，垂直影像傾斜角小于6°，航向重疊和旁向重疊最大84%、最小78%，旋偏角均控制在5°以內，同架次航高保持在50 m內。影像質量方面，層次豐富、反差適中、色調柔和，能辨認出與地面分辨率相適應的細小地物影像。經機載POS數據預處理，結果顯示曝光點完整、飛行軌跡正確、位置和姿態差分精度符合對應比例尺的指標。聯合地面63個控制點，通過機載POS輔助的方式進行了傾斜航空攝影的空中三角測量，其結果與30個精度驗證點進行對比并計算中誤差，結果顯示精度符合1∶2 000比例尺高山地精度指標。

3.4 地質災害調查

以項目獲取的高精度傾斜航空遙感數據為主要數據源，以高分辨率衛星遙感數據為輔助數據源，以中國地質調查局航遙中心在2003年、2009年完成的兩期三峽庫區地質災害遙感綜合調查成果為本底數據，建立地質災害遙感解譯標志，開展三峽庫區巫峽段崩塌、滑坡、泥石流等地質災害解譯，量測、估算各災害單體的特征屬性； 提取古(老)滑坡、地裂縫、拉裂槽、前緣鼓丘及植被、水系等與地質災害相關的微地貌特征； 開展了基于DEM的地表水文分析的一級斜坡單元內地質災害遙感調查，分析地質災害發育特征及空間分布規律； 基于前人研究成果，選取斜坡坡度、斜坡坡向、地層巖性、地質構造、岸坡類型、水系作用及人類工程活動等作為評價因子，利用信息量模型分析方法(貝葉斯概率模型)為理論基礎，以斜坡單元為評價單元，建立地質災害易發性評價模型，對區內斜坡單元進行地質災害易發性評價[22]。按照上述研究思路，經過室內分析、野外驗證，形成如下成果：

1)在內發育地質災害308處、危巖體158處，危巖帶14條，陡崖發育區11段，水下地形強變形段9段，人類工程活動隱患點4處。查明了三峽庫區巫峽段地質災害隱患空間分布特征。

2)對段內主要環境地質問題、典型危巖形成模式、地質災害隱患易發區域形成了新的認識及劃分，為三峽庫區巫峽段災害隱患防治工作提供了可靠數據。消落帶基巖劣化、高陡峽谷崩塌、順向臨空危巖、地質災害隱患、河口泥沙淤積、人類工程破壞等6類問題為三峽庫區巫峽段內主要地質環境問題，塔柱型、板型、碎裂巖型、空腔型、斷裂型、溶蝕型、侵蝕剝蝕型及復合型為段內8種典型危巖形成模式。

3)本次地質災害隱患調查結果顯示，區內地質災害隱患分布特征受地質環境條件控制明顯，且各類地質災害隱患具有顯著的聚集現象，在區內龔家坊至獨龍段、石柱子至建坪村段、橫石溪至望霞村段等11段隱患集中分布，沿線長度達43.5 km，地質災害易發性等級整體偏高，中、高易發區以“啞鈴型”格局分布，兩者面積占比相近，分別為36.94%和41.25%，低易發區僅為21.81%，對當地居民生命財產及往來船只安全構成較大威脅。部分重點地質災害隱患分布示意圖如圖3。

4 結論與建議

針對三峽庫區地質災害航空遙感調查應用需求，采用機載POS輔助的傾斜航空攝影技術獲取了三峽庫區巫峽段含有側面紋理信息的高分辨率航空影像及符合三維建模精度指標的外方位元素，結合地面控制點進行三維建模生產，具有高清、多視角、可量測的功能和特點。同時收集了該地區以往工作成果和衛星影像資料，基于滑坡、崩塌、泥石流、塌陷等地質災害形成的基本原理，開展了庫區消落帶地形變化分區，分析了重點區及人類工程活動集中分布區地質災害的空間特征、影響因素和風險程度，為庫區地質災害防治和地質環境管護提供了高精度地理信息基礎數據和規劃決策技術支撐，豐富了航空遙感地質調查手段，為三峽庫區等重大工程地區的地質調查提供了新的工作思路，驗證了傾斜航空攝影技術在地質調查領域的應用潛力。

由于傾斜航空攝影涉及的技術環節眾多，在實際的行業的應用過程中，三維模型成果由于數據量極大、瓦片碎片化的原因存在海量數據傳輸和加載緩慢的問題，硬件資源和時間成本消耗嚴重； 模型生產軟件封閉性高、模型生產過程基本都是自動完成，成果往往具有水體表面不平整、樹木懸空等問題，和人工建模存在明顯差距； 由于模型的生產工藝其產品大多是非單體化的，這樣的產品只能瀏覽而無法實現屬性編輯、專題圖制作等操作。未來可通過數據庫建設、數據接口標準化、地理信息系統管理平臺的二次開發來更好地展示三維模型的視覺效果，更加深入地挖掘三維模型成果的數據價值。