數(shù)字化技術(shù)在沙漠公路場景中的應(yīng)用分析

楊 丁 張易辰 劉俊岳 潘彥辰 胡志勇

（1.寧夏公路勘察設(shè)計院有限責任公司,寧夏 銀川 750001；2.寧夏公路管理中心,寧夏 銀川 750001；3.寧夏大學(xué),寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數(shù)字信息化工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750001）

我國沙漠化土地分布廣泛，主要集中在內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅、新疆、青海、西藏、陜西、山西、河北、吉林、遼寧和黑龍江等地區(qū)，約占我國國土總面積的20%。在如此范圍廣闊的沙漠環(huán)境中修建公路對各方來說都是一大挑戰(zhàn)。烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段中A9、A10標主要位于騰格里沙漠東南緣，沿線沙丘起伏，低洼交錯，主要為格狀沙丘，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱。受風沙影響，沿路沙丘具有流動性，會對行車造成危害，因此在路線兩側(cè)設(shè)置了約400 m的“六帶一體”工程防護體系，以確保行車安全。

現(xiàn)階段工程防護主要為“六帶一體”的防護體系，由于此段防護范圍廣、面積大，用人工方式去核查困難較大，加上此段公路位于騰格里沙漠腹地，野外勘測環(huán)境惡劣，進行全面核查有一定的難度。且沙丘具有流動性，分析和評價防護體系效果需要長期觀測，基于時間、空間維度的三維數(shù)字地形采集將為設(shè)計、施工、運營階段提供基礎(chǔ)信息，為公路建設(shè)及運營養(yǎng)護提供一種新的方法，也是大范圍沙漠公路監(jiān)測行之有效的手段之一。

早期的沙漠野外勘測由人、駱駝攜帶經(jīng)緯儀等儀器發(fā)展到如今的依靠越野車、RTK等先進的交通工具及儀器裝備來完成，然而，受沙漠環(huán)境的制約，野外勘測依舊面臨效率低、勘測不全面的問題。本次數(shù)據(jù)采集引入無人機航測技術(shù)，建立了多角度，全方位的數(shù)字化沙漠場景。無人機航測技術(shù)的發(fā)展，使得運用數(shù)字化手段進行大范圍空間監(jiān)測成為可能，利用無人機輕巧、便攜的特點，可以開展低空飛行用來獲取高清沙漠防護體系影像及紋理數(shù)據(jù)，建立天地一體、上下協(xié)同、動態(tài)監(jiān)測的聯(lián)動模式。

通過對沙漠公路兩側(cè)防護范圍進行一年多的動態(tài)跟蹤，建立測區(qū)內(nèi)不同時期的數(shù)字化模型，為大范圍場景分析研究提供了一種高效便捷的技術(shù)手段，使得監(jiān)測到的沙漠公路防護數(shù)據(jù)更加系統(tǒng)、全面，及時精準地發(fā)現(xiàn)對道路可能產(chǎn)生的風沙危害，實現(xiàn)了對生產(chǎn)建設(shè)活動常態(tài)化、全過程的動態(tài)監(jiān)管。對全面推進數(shù)字化技術(shù)手段在沙漠公路地區(qū)野外勘測、場景應(yīng)用分析和后期的運營監(jiān)測具有重要意義。

1 沙漠影像采集的關(guān)鍵技術(shù)

沙漠區(qū)域視野開闊，遮擋物較少，但沙漠的單一性也使得沙漠區(qū)域特征點較少，沙漠紋理相似度較高，在進行空三解算時，易產(chǎn)生明顯空洞，且在日照強烈的正午時分因沙漠表層產(chǎn)生強烈反射，所得到的相片質(zhì)量不高。

1.1 空三解算

采用五鏡頭的相機進行航測，利用五鏡頭的多角度拍攝功能，通過多視影像聯(lián)合解算，可以保障所拍攝的影像在沙漠環(huán)境下無地面控制點或少量控制點的情況下采集數(shù)據(jù)的精確性。多視影像中包含正射影像和傾斜影像，多視影像聯(lián)合平差可以彌補傳統(tǒng)空三加密法無法處理影像之間變形與遮擋現(xiàn)象的不足。目前，一般多視影像聯(lián)合平差算法步驟：首先利用特征提取算法對影像進行特征提取，獲取多視影像數(shù)據(jù)的同名點，以POS數(shù)據(jù)為影像匹配的初始參數(shù)，建立連接點、連接線、控制點坐標及像方坐標的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合平差計算，得到每張相片的外方位元素及所有加密點的物方坐標[1]。

（1）影像特征提取與像控點布設(shè)。沙漠環(huán)境中特征點較少，需要人為進行地標補充，以保證多張影像在匹配計算時需要的重疊度能夠滿足后期特征點提取計算的要求。本次影像數(shù)據(jù)采集主要采用低空攝影測量，旁向重疊率為60%，航向重疊率為70%，在保證效率與成圖精確性的基礎(chǔ)上，設(shè)定了航測高度100 m左右，能夠滿足航測影像特征的匹配。由于在沙漠風沙環(huán)境影響下無法進行傳統(tǒng)像控點布設(shè)，在開展測設(shè)前期，在沙漠中將一種快速像控點布設(shè)裝置均勻布置在航測區(qū)域內(nèi)，確保后期空三能夠順利通過。

圖1 影像空三計算

（2）光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的基本原理：攝影中心、像點、物點所組成的光束線為平差的基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，建立全區(qū)域的統(tǒng)一誤差方程式和法方程式。該方法按照最小二乘原理進行平差，求解區(qū)域內(nèi)每張影像的六個外方位元素及稀疏三維點云所有點的三維坐標[2-3]。

圖2 光束區(qū)域網(wǎng)平差示意圖

1.2 點云構(gòu)建TIN模型

經(jīng)過影像處理及聯(lián)合平差后，通過ContextCapture生成三維高密度點云文件，并以此生成TIN網(wǎng)構(gòu)建沙漠地形模型。TIN模型將區(qū)域內(nèi)的點進行相連生成不規(guī)則三角網(wǎng)，精度優(yōu)于傳統(tǒng)的等高線，具備測繪級精度，又能按沙漠地形特征提取沙丘、沙脊等數(shù)字高程信息。

1.3 紋理映射

紋理是物體的表面細節(jié)，通常分為顏色紋理和幾何形狀紋理。顏色紋理表現(xiàn)為物體表面非立體的色彩或明暗度；幾何形狀紋理表現(xiàn)為物體表面不規(guī)則細部凹凸的微觀幾何形狀。可以用離散法、函數(shù)法或參數(shù)法定義紋理[4]。

紋理映射（Texture Mapping）是將二維紋理圖像中的像素映射到三維模型表面的過程，又稱紋理貼圖。其本質(zhì)就是將三維模型二維參數(shù)化，求取一種關(guān)系實現(xiàn)二維紋理點與三維場景中的三維點的一一對應(yīng)[5]，減少二維紋理空間與三維模型空間映射時產(chǎn)生的幾何差異和紋理失真[6]，具體如圖3所示。

圖3 二三維紋理對應(yīng)圖

基于構(gòu)網(wǎng)后的地形模型，通過紋理映射，生成高分辨率傾斜攝影三維數(shù)字模型，使其呈現(xiàn)沙漠真實色彩環(huán)境下的三維模型。

圖4 沙漠公路紋理映射圖

2 沙漠公路數(shù)字化場景應(yīng)用分析

根據(jù)沙漠公路廊道多源信息采集構(gòu)建的三維數(shù)字地形成果，對時間、空間、地理信息等數(shù)據(jù)進行多維度應(yīng)用場景分析。應(yīng)用場景分析主要位于烏瑪高速公路A9標段、A10標段，其中A9標段K165+200-K166+000段試驗段左右兩側(cè)未布設(shè)“六帶一體”工程防護體系，觀測其在自然環(huán)境下沙丘形態(tài)演化和風沙沉積分布區(qū)域，同時對比A10標段K171+600-K172+600段左右兩側(cè)布設(shè)“六帶一體”工程防護體系下防沙、固沙效果，通過多組時間跨度的三維數(shù)字地形分析沙丘形態(tài)、沙丘變化、風沙流向及流動特征，用數(shù)字化技術(shù)支撐防護體系研究內(nèi)容。分析在順應(yīng)自然規(guī)律的沙丘形態(tài)下是否能固沙，不同防護體系下道路是否有阻沙現(xiàn)象，并根據(jù)數(shù)字分析結(jié)果提出合理的研究方案。

2.1 利用無人機對烏瑪高速沙漠段進行監(jiān)測

選定兩個區(qū)域進行動態(tài)實施監(jiān)測，監(jiān)測時間為1年，利用無人機進行影像數(shù)據(jù)采集，并對影像數(shù)據(jù)進行技術(shù)處理，疊加各時段影像圖并對圖斑進行影像解譯，利用影像的變化情況，進行沙丘移動的監(jiān)測，觀測點范圍如表1所示。

表1 觀測點范圍

為保證監(jiān)測部分區(qū)域的精確性和時效性，需要在前期確定監(jiān)測范圍并保持前后一致性，在確定范圍后，生成對應(yīng)區(qū)域kml文件導(dǎo)入無人機的手簿中，在飛行前進行數(shù)據(jù)檢查及坐標校正，利用無人機進行沙漠區(qū)域影像數(shù)據(jù)采集。主要觀測指標如表2所示。

表2 監(jiān)測內(nèi)容與指標

2.2 影像數(shù)據(jù)處理

根據(jù)航測相關(guān)要求，對采集的沙漠影像數(shù)據(jù)進行技術(shù)處理，范圍為2個觀測區(qū)域約2 km2。其中原始數(shù)據(jù)分辨率優(yōu)于2.0 m，嚴格按照相關(guān)技術(shù)要求執(zhí)行，成果影像的時相、云量、對比度均較好，影像沒有壞行、缺帶、噪點和耀斑，鑲嵌影像接邊處過渡自然，無明顯鋸齒狀，整體色差適中，質(zhì)量符合要求。

圖5 航測影像數(shù)據(jù)

開展的工作主要包括基礎(chǔ)資料收集和處理、數(shù)字正射影像生產(chǎn)、三維地形模型建立、傾斜模型生成、數(shù)據(jù)整理等工作及數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查與數(shù)據(jù)存儲及提交，主要技術(shù)要求如表3所示。

表3 主要技術(shù)要求

影像處理主要包括：影像校正、影像融合、影像輸出、影像裁剪。

（1）影像校正。影像校正是通過在相片選取之前所設(shè)置的控制點，通過刺點將影像進行變形校正和投影改正，將影像進行重采樣校正。

（2）幾何精校正。經(jīng)過幾何校正后，結(jié)合影像POS坐標系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，進行聯(lián)合平差，剔除影像中的異常數(shù)據(jù)，構(gòu)建TIN模型。

（3）影像融合。通過紋理映射關(guān)系，將獲取的圖像進行融合生成具有高分辨率真彩色圖像輸出，有效提高沙漠特征的識別性。

（4）影像裁剪。拼接后的影像，根據(jù)邊界范圍進行裁剪，生成最終成果。

2.3 工程防護對沙丘影響

借助ArcGIS軟件進行影像數(shù)據(jù)解譯，在解譯結(jié)果的基礎(chǔ)上，將采集到的觀測范圍內(nèi)的影像圖矢量化，通過解譯結(jié)果和空間疊加分析初步判斷沙丘移動及防護在防沙中所起的作用，并給出相應(yīng)措施。

文章主要從沙丘的移動方向和移動速率兩個方面對工程防護效果評價，初步擬定兩種方式進行影像圖解譯，一種是采用將影像轉(zhuǎn)灰度圖，通過圖像運算，提取沙脊線，但此方法提取的沙脊線較零碎未形成一條完整的線性，不利于整體評價，故采用目視解譯在ArcGISs中進行沙丘脊線的繪制。

（1）移動方向。沙丘的移動方向按照沙脊線基線的垂直方向進行判定，格狀沙丘是新月形沙丘在次主風和第三次主風作用下的一種變形，因國內(nèi)外對格狀沙丘研究較少，對于沙丘的移動方向和速率公式的確定，借鑒新月形沙丘速度的計算方法，即五點平均法，利用新月形沙丘上五個特征點移動的平均值代替整個沙丘的移動[7]。新月形沙丘的五個特征點分別為迎風坡底(a)、背風坡底(b)、沙丘頂點(c)、左翼角(d)和右翼角(e)，但由于風向的改變，使得原先新月形沙丘的一翼進行調(diào)整，在次主風的持續(xù)作用下，格狀沙丘的副梁形成，主梁則由原先新月形沙丘的另一翼構(gòu)成，發(fā)育與形成情況如圖6所示；由于迎風坡、背風坡坡角較新月形沙丘更小，坡底界線不明顯，因此可選取主副梁交點、主梁翼角和副梁翼角三個特征點作為速率與方向的控制點，進行移動計算，即將五點平均法簡化為三點平均法，新月形沙丘平均移動方向為：

圖6 格狀沙丘的發(fā)育與形成

式中：θi表示i點的移動方向。

（2）移動速率。沙丘的移動速率參照移動方向，通過三點平均法進行計算，即在沙丘上選擇三個特征控制點，分別計算其移動距離，然后對5個點的距離求平均，進而計算單個沙丘的移動距離；若沙丘為典型的新月形沙丘，則可以通過沙丘的移動速率等于其背風坡坡腳線的移動速率進行計算[8]，如下式：

式中：Di表示 i 點的移動距離；t表示兩期影像的時間間隔，單位為年。

圖7 格狀沙丘的移動影像對比

（3）觀測結(jié)果。根據(jù)沙丘脊線采樣區(qū)與廊道的相對位置和研究區(qū)主導(dǎo)風向，將廊道西北側(cè)沙丘稱為迎風側(cè)沙丘、東南側(cè)稱為背風側(cè)沙丘，共兩個沙脊線采集樣區(qū)。采樣區(qū)范圍包括防護體系內(nèi)（路基至路基邊緣200 m）與防護體系外（與路基邊緣距離＞200 m）兩部分沙丘。文章首先對迎風側(cè)沙丘進行分析，探究沙丘距離公路主體不同遠近對沙丘移動速率的影響程度；其次選取與公路主體距離固定的沙丘區(qū)域，對此區(qū)域迎風側(cè)、背風側(cè)沙丘的移動方向與移動速率進行分析。

圖8 影像處理分析圖

沙丘移動速率匯總?cè)绫?所示，背風側(cè)有防護和迎風側(cè)有防護沙丘移動速率的方差相對于背風側(cè)無防護和迎風側(cè)無防護的沙丘移動速率的方差較小，方差越低說明同區(qū)域不同沙丘之間速率的差異越小，防護效果越穩(wěn)定；對于無防護體系的迎風側(cè)與背風側(cè)沙丘，其移動速率的方差較大，雖然在廊道修建中其速率的降幅防護體系的沙丘，但均有略微降低，說明公路主體對沿線沙丘的移動速率有一定的減緩作用，若在公路廊道的修建過程中，對道路兩側(cè)設(shè)置合理的風沙防護體系，對迎風側(cè)采取更全面的防護措施，那么將會對沙丘的移動減緩與阻隔效果更加明顯，使得沙丘在工程建設(shè)中的移動速率進一步降低。

表4 沙丘移動速率匯總表

通過對沙漠公路兩側(cè)防護體系的觀測研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)置防護的區(qū)域能夠有效降低沙丘移動速率，防止風沙上路掩埋路基，另外結(jié)合觀測的結(jié)果提醒道路養(yǎng)護部門及時關(guān)注重點區(qū)域的積沙清理，避免風沙的堆積掩埋。

3 結(jié)語

（1）依靠本次的航測數(shù)據(jù)構(gòu)建沙漠公路數(shù)字場景，為沙漠區(qū)域的防護評價及觀測沙丘移動提供了一種新的技術(shù)手段，降低人工觀測難度。

（2）通過影像對比分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有防護體系能夠有效減緩沙丘移動，避免路基被沙埋。本次主要對設(shè)置防護和不設(shè)置防護段進行了分析，在后續(xù)的觀測中應(yīng)加入其他影響因素，構(gòu)建一個相對全面的防沙評價體系。

（3）基于沙漠數(shù)字化場景還可以進行沙漠水文分析，由于常規(guī)的模擬僅是一個簡單的水平面位移及匯流的過程，未考慮沙漠的滲透、植被、沙漠特性等影響因素，所以在數(shù)字化場景應(yīng)用中還應(yīng)充分考慮以上因素。

（4）此次在影像處理過程中由于提取的沙脊線未形成一個理想的線條狀圖形，且未能有效剔除零碎線段的干擾，在今后需尋找一種新的方式去進行影像處理，實現(xiàn)影像自動化提取分析。