基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的地表變形監(jiān)測(cè)

畢皓婷 龍京建

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、應(yīng)急救援、礦山地表管理、邊坡監(jiān)測(cè)等工作都需要進(jìn)行地表變形監(jiān)測(cè)[1]。傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測(cè)基于大地測(cè)量手段完成，雖然測(cè)量方法得到的成果精度較準(zhǔn)，但存在技術(shù)成本較高、測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)；只能獲得離散點(diǎn)位的變形成果而無法獲得整體變形；衛(wèi)星遙感時(shí)效性差、精度較低等缺點(diǎn)。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以高效便捷地采集大面積區(qū)域影像，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以建立三維模型，能夠更全面地研究地表變化[2-4]。

文章研究采用低成本消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影方法采集地表空間信息，嘗試通過建立數(shù)字地面模型求差快速獲取測(cè)區(qū)地表形變信息。

1 傾斜攝影測(cè)量的基本概念

不同于傳統(tǒng)的正射影像（從垂直向下角度拍攝地面），傾斜攝影技術(shù)通過垂直、傾斜等不同角度對(duì)地面采集影像，能夠高效、完整地還原地物狀況。垂直地面角度拍攝獲取的一組影像為正片，鏡頭朝向與地面成夾角拍攝獲取的影像為斜片。

傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn)包括[5]多角度觀測(cè)地物，更真實(shí)反映地物現(xiàn)實(shí)情況；傾斜攝影影像可實(shí)現(xiàn)單張影像測(cè)量；有效降低地物三維建模成本；傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)量小，便于實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用。

2 變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以長(zhǎng)沙市天心區(qū)長(zhǎng)沙理工大學(xué)云塘校區(qū)工科三號(hào)樓及周邊建筑作為研究對(duì)象，通過兩次不同時(shí)刻的傾斜攝影，研究高程獲取精度以及地表變形監(jiān)測(cè)的可行性。

空中三角測(cè)量航線網(wǎng)模型絕對(duì)定向要求至少布置3個(gè)外業(yè)控制點(diǎn)，優(yōu)先基于全站儀導(dǎo)線測(cè)量和四等水準(zhǔn)獲取測(cè)區(qū)內(nèi)均勻分面的3個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，控制點(diǎn)坐標(biāo)與高程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)與高程數(shù)據(jù)

基于大疆無人機(jī)的3D“井”字模式，進(jìn)行兩次傾斜攝影測(cè)量，第一次飛行拍攝試驗(yàn)區(qū)域；第二次在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)分散放置3個(gè)具有一定高度（已知）的紙箱，模擬地表變形進(jìn)行航飛拍攝。

內(nèi)業(yè)處理過程中，優(yōu)先對(duì)傾斜測(cè)量進(jìn)行運(yùn)算，構(gòu)建三維模型[6]。在試驗(yàn)區(qū)域隨機(jī)均勻地選擇若干點(diǎn)，分別從兩次測(cè)量模型的相同平面位置提取高程數(shù)據(jù)，對(duì)比同名點(diǎn)的兩次高程，由不符值計(jì)算地表變形量的觀測(cè)中誤差，確定地表變形判斷閾值。比較放置紙箱位置兩次高程的變化與紙箱已知高度的不符值，對(duì)試驗(yàn)方法在地表變形監(jiān)測(cè)方面的可靠程度作出定性分析。

2.2 傾斜攝影測(cè)量無人機(jī)外業(yè)

第一次航飛相機(jī)空中拍攝點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 第一次航飛相機(jī)空中拍攝點(diǎn)分布

試驗(yàn)使用大疆精靈Phantom 4 RTK進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取外業(yè)。試驗(yàn)選擇的飛行模式為攝影測(cè)量3D（井字飛行）。主要攝影參數(shù)包括飛行高度75 m，GSD（地面分辨率）2.05 cm/像素，飛行速度設(shè)置為5.9 m/s，旁向重疊率設(shè)置為80%，縱向重疊率設(shè)置為80%，傾斜任務(wù)傾角設(shè)置為-60°。共進(jìn)行兩次航飛和拍攝，第一次針對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行飛行拍攝，測(cè)繪面積為1.9 萬m2，共430張航攝相片；第二次在試驗(yàn)范圍的東側(cè)、南側(cè)以及中間區(qū)域隨機(jī)點(diǎn)放置具有一定高度的紙箱，模擬地表變形，測(cè)繪面積2.8 萬m2，共438張像片。

2.3 實(shí)景三維模型的生成

本試驗(yàn)使用ContextCapture進(jìn)行空三解算，生成實(shí)景三維模型。空中三角測(cè)量計(jì)算時(shí)，納入表1中的3個(gè)地面控制點(diǎn)，設(shè)置縱橫比和傾斜采用平差調(diào)整，其他參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值，空三解算完成后得到模擬草圖。在三維模型重建過程中，由于電腦硬件條件限制，建立模型時(shí)需要切塊，采用規(guī)則平面網(wǎng)格（沿XY平面）劃分為正方形的瓦片。第一次測(cè)量成果包括24個(gè)瓦片，用時(shí)8 h；第二次測(cè)量成果包括62個(gè)瓦片，用時(shí)9 h。ContextCapture模擬草圖與測(cè)區(qū)三維模型重建結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 ContextCapture模擬草圖

圖3 測(cè)區(qū)三維模型重建結(jié)果

2.4 地表變形數(shù)據(jù)獲取

使用CASS 10.1加載三維模型，可以從實(shí)景三維模型中量取空間坐標(biāo)。試驗(yàn)隨機(jī)選取9個(gè)點(diǎn)以及3個(gè)紙箱放置點(diǎn)，獲得選取點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的兩次攝影測(cè)量重建三維模型中的坐標(biāo)和高程，對(duì)照無人機(jī)測(cè)量作業(yè)精度標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字航空攝影測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236—2009）發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)中，同名點(diǎn)坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 同名點(diǎn)坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù) 單位：m

3 試驗(yàn)結(jié)果

X1、X2、X3三個(gè)紙箱點(diǎn)所獲取的高程變化準(zhǔn)確反映了紙箱高度，說明基于試驗(yàn)方法可以得到較準(zhǔn)確的地表高程變形量。

基于地表變形觀測(cè)量的真誤差可以確定進(jìn)行地表變形觀測(cè)時(shí)應(yīng)當(dāng)采取的地表變形判定閾值。由表2可得，所選點(diǎn)位兩次測(cè)量的高程值。兩次攝影期間環(huán)境沒有改變，地面隨機(jī)點(diǎn)的高差真值為0，2個(gè)紙箱處的高差真值可以認(rèn)為是紙箱的已知高度，由此可以計(jì)算出12個(gè)點(diǎn)的變形值觀測(cè)真誤差。根據(jù)點(diǎn)位高程的真誤差，可得試驗(yàn)的地表變形觀測(cè)值中誤差。同名點(diǎn)高程變形觀測(cè)量真誤差數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 同名點(diǎn)高程變形觀測(cè)量真誤差數(shù)據(jù) 單位：mm

根據(jù)9個(gè)取樣點(diǎn)和3個(gè)紙箱點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)可得地表變形值測(cè)量的中誤差（標(biāo)準(zhǔn)差）為±16.3 mm。根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論，取3倍標(biāo)準(zhǔn)差為限值，得到地表變形觀測(cè)量判定閾值約為±48.9 mm，取整為5 cm。因此，不同時(shí)期點(diǎn)位高程值在閾值內(nèi)的變化可視為測(cè)量誤差，否則可認(rèn)為地表發(fā)生了形變。

4 結(jié)語(yǔ)

文章基于無人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量獲取地面信息，通過放置紙箱模擬地表變形，分析了基于無人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過建立不同時(shí)刻的三維地面模型，可以獲取同名點(diǎn)的空間坐標(biāo)，進(jìn)行地表變形監(jiān)測(cè)，該方法可以快速高效地獲取較大范圍的地表形變量，使用無人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)具有一定的可行性。