水上水下空間可視化在地質遺跡開發中的應用

陳麗佳 李衛海 尤永春 任衛波

(1. 廣東地下管網工程勘測公司, 廣東 廣州 510080;2. 廣東省環境地質勘查院, 廣東 廣州 510080)

0 引言

地質遺跡是在地球歷史時期,由外力和內力地質作用形成[1]。它是人類認識地質現象、推測地質演變條件的重要依據[2]。地質遺跡具有不可再生性,人類對地質遺跡資源的利用是通過對地質遺跡資源的開發和保護過程實現的。傾斜三維建模和水下空間可視化技術是近年來發展起來的一種新興測繪技術,具有高效率、高精度和高可視化等特點[3]。本文在介紹傾斜三維建模和水下空間可視化技術的基礎上,以東莞市石排鎮紅石山燕嶺古采石場遺址為研究對象,將傾斜攝影測量和水下多波束測深技術應用于紅石山燕嶺古采石場遺址的開發,為地質遺跡保護、地學生態重建、地球科學科普以及地學旅游等提供基礎數據和科學依據[4]。

1 傾斜三維建模

無人機傾斜攝影系統是以無人機為飛行平臺,以傾斜攝影相機為任務設備的航空影像獲取系統[5]。傳統航空攝影只能從垂直角度拍攝地物,傾斜攝影則通過在同一平臺搭載多臺傳感器,同時從垂直、四個傾斜等五個不同角度采集影像,有效彌補了傳統航空攝影的局限[6-7]。

2 水下空間可視化

傳統水下空間可視化是利用回聲測深儀,以水下地形圖的形式表示[8]。無人測量船與多波束測深系統結合是代替傳統水下地形測量的新技術。多波束測深技術的發展,打破了傳統單波束以點為基礎的離散式的作業模式,而代之以空間面為基礎的立體式作業模式,實現了立體測圖、智能處理及自動化成圖,使水下測量技術發展到一個較高的水平[9]。

3 項目驗證及精度評價

3.1 項目概況

燕嶺古采石場遺址位于東江南岸丘陵中段,長約8 km,寬0.3～0.5 km,海拔高度20～50 m,組成巖石為第三紀棕紅色細砂質粉砂巖,間夾有少量梭角狀礫石,結構緊密,硬度大。遺址在延綿1.475 km的范圍內均有人工開采痕跡,以“十八房間”“補天石”為主要景觀遺存。地質公園實景見圖1。

圖1 地質公園實景圖

本項目主要任務是利用無人機傾斜攝影測量技術對地質遺跡公園進行三維掃描,建立燕嶺古采石場遺址三維模型,利用無人測量船搭載多波束測深系統對地質遺跡公園的采石坑進行水下測繪,查明燕嶺古采石場遺址采石坑的空間分布、埋深及規模,實現地質遺跡公園水上水下空間可視化。

3.2 設備投入

設備投入包括華測D580無人機、華測HC12A五鏡頭攝影傳感器、地面站控制系統、華測華微6號無人船、Norbit iWBMS多波束測深系統、Swift聲速剖面儀、多波束控制軟件Norbit GUI、多波束數據采集及后處理軟件QPS和GNSS接收機控制軟件測地通LandStar7。

3.3 項目成果

3.3.1傾斜攝影測量成果

將傾斜攝影測量成果建模,通過劃分模型格網同步生產實景三維模型數據[10],如圖2所示。在實景三維模型與傾斜攝影測量成果的基礎上,制作真正射影像[11],如圖3所示。將實景三維模型、傾斜攝影測量成果、糾正畸變差影像等數據導入到測圖軟件制作初級線劃圖,按照規范要求賦予點、線、面等圖層的屬性信息[12]。將成果數據導入到CASS軟件進行圖形數據編輯,生產1∶500大比例尺測圖成果,如圖4所示。

圖2 項目區域實景三維模型成果

圖3 項目區域真正射影像圖

圖4 1∶500大比例尺測圖成果

3.3.2水下可視化成果

水下點云數據采集包括GPS數據采集、水深數據采集。使用多波束測深系統測深時,不僅要采集回波數據,還要測定完整的姿態信息、聲速信息，以便對測深及定位數據進行綜合改正。多波束采用自動化作業設備對測線定位、水深數據進行實時綜合采集與記錄,能較好地反映水深地貌。采集作業前,需要對多波束測深儀進行姿態校正,直至姿態精度符合既定要求[13]。根據測區實際情況設置參數,使船按照計劃線路航行,并根據掃寬實時修正航線。

運用Qimera軟件對采集的原始數據進行后處理。選擇需要進行處理的界面,依次進行一級、二級、三級編輯,從點、線、面,逐一刪除多波束邊緣雜波產生的噪點、飛點。將所處理的數據文件進行壓縮處理,通常選擇.xyz格式,可以轉化為.dat格式,用于CASS等軟件。使用Qimera軟件自帶的三維建模模塊或其他第三方軟件將后處理所得數據進行三維建模展示,如圖5所示。

圖5 多波束水下點云成果圖

3.4 精度分析

3.4.1無人機傾斜攝影測量精度分析

無人機傾斜攝影測量生產大比例尺測圖成果的精度分析主要有兩方面：一是根據已有的大比例尺地形圖檢測成果的相對精度;二是在無人機傾斜攝影測量生產大比例尺測圖成果中隨機選取一處區域,將區域內實地點位采集測的要素與測圖成果比較,計算點位中誤差,得出絕對精度[14-15]。本項目經檢測X方向平均誤差為0.006 2 m,Y方向平均誤差為0.003 8 m,符合項目精度要求。

3.4.2水下點云數據精度分析

統計主測線點與檢測檢測線測點重合點(圖上0.5 mm范圍內)的高程比較結果,高程中誤差為±11.0 cm,測深統計情況如表1、表2所示。經檢測128個點滿足主測點與檢測點圖上距離小于1 mm(實地2 m),主測點與檢測點水深差值≤0.4 m為128個點,占總比對點100%,高程中誤差為±11.0 cm,該水深測量精度符合要求。

表1 水深測量檢測結果(水深比差)

表2 檢測點偏離主測點水深

4 結束語

本文通過無人機傾斜攝影測量和無人船搭載多波速測深系統,獲取了東莞市石排鎮紅石山燕嶺古采石場遺址公園水上水下實景三維模型,通過對模型數據的處理分析,得出遺址公園舊采石坑規模較大,主要分布在遺址公園中心區域。階梯式古采石場位于遺址公園南部片區,四周被住宅區、山體、假山水景區等包圍,中間為兩個淺湖。結合場地內地質調查情況分析,公園內所見的古采石場采石方式為露天明采(以房式、階梯式為主),未見有隆洞開采遺跡,終采邊坡直立或近于直立,開采范圍現場被水域覆蓋。公園內采石坑最深水深17.54 m,最淺水深1.57 m,每個坑的淤泥厚度在0.12～0.76 m,采石坑水底比較光滑,沒有發現空洞和溶洞,水下沒有較大支流。通過對地質公園后期開發的預判,為地質公園的可持續發展提供了基礎數據,對地質遺跡保護和開發具有工程意義。