基于運(yùn)動(dòng)攝影測(cè)量結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)在斷層帶地形測(cè)繪中的應(yīng)用

羅加源

（廣西國(guó)土資源規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

高精度、高分辨率的形貌是活動(dòng)斷層定量研究的基礎(chǔ)。光探測(cè)和測(cè)距（lidar）是目前獲取此類(lèi)數(shù)據(jù)最流行的方法，但其相對(duì)較高的成本極大地限制了其在許多地球科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用且還需要一系列定量參數(shù)來(lái)表征斷層的活動(dòng)，例如斷層長(zhǎng)度、共震位移和滑移率。這些參數(shù)的精確采集通常高度依賴(lài)于高精度和高分辨率的地形數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，激光雷達(dá)通常可以生成具有更高空間分辨率的地形數(shù)據(jù)并且還可以穿透植被冠層以獲得地面高程。然而，激光雷達(dá)測(cè)量的設(shè)備成本較高且后勤需求也較大，數(shù)據(jù)處理需要專(zhuān)門(mén)的用戶(hù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，所有這些都極大地限制了它們?cè)谠S多地球科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

基于此，該文研究考察了SfM 攝影測(cè)量在斷裂帶地形建模中的適用性。圖像是由安裝在無(wú)人機(jī)上的低成本數(shù)碼相機(jī)沿中國(guó)西北部活動(dòng)斷層海源斷層采集的，并制作了密集點(diǎn)云和超高分辨率數(shù)字高程模型（DEM），并使用現(xiàn)有的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)SfM 衍生地形的分辨率和精度進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

海源斷裂帶是位于青藏高原東北邊緣的主要左側(cè)走滑斷層，在青藏高原東移中有重要作用。迄今為止，由于該地區(qū)氣候干燥、植被稀疏，海原斷裂和眾多典型構(gòu)造地貌（包括河道、沖積扇、下陷池塘和斷崖）保存完好，是活動(dòng)斷層研究的理想?yún)^(qū)域[1]。為探究激光雷達(dá)技術(shù)在主動(dòng)斷層研究中的潛力，張波等[1]對(duì)1920 年8.5 級(jí)地震部分?jǐn)嗔褞а睾Ｔ磾鄬舆M(jìn)行了機(jī)載激光雷達(dá)勘測(cè)，覆蓋區(qū)域平均寬度1km，總長(zhǎng)128km（如圖1（a）所示）。激光雷達(dá)點(diǎn)的平均密度約為4～6點(diǎn)/m2。基于點(diǎn)云，最終生成了分辨率為1m 的DEM。除了機(jī)載激光掃描外，還進(jìn)行了靜態(tài)GPS 調(diào)查以評(píng)估數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[2]。結(jié)果表明，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的水平精度為0.3m，垂直精度為0.2m。因此該研究選取海源斷裂景泰縣三塘村附近的一個(gè)地點(diǎn)作為研究區(qū)進(jìn)行SfM試驗(yàn)，研究地點(diǎn)位置如圖1（b）所示。

圖1 海源斷層沿線(xiàn)的機(jī)載激光雷達(dá)覆蓋區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)收集

該研究使用的平臺(tái)是一個(gè)小型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)Motoarsky MS670，如圖2 所示。其成本約為70 萬(wàn)元，不到機(jī)載激光雷達(dá)成本的十分之一。其直徑約為67cm，最大起飛質(zhì)量為67kg，飛行時(shí)間為5min。該平臺(tái)專(zhuān)為航空攝影而設(shè)計(jì)，配備GPS 和慣性測(cè)量單元（IMU）以進(jìn)行導(dǎo)航，還配備了一個(gè)穩(wěn)定的相機(jī)支架和索尼ILCE-QX45 相機(jī)，固定焦距為1mm。由于集成了自動(dòng)駕駛技術(shù)，無(wú)人機(jī)可以根據(jù)用戶(hù)預(yù)定義的飛行路徑自主飛行，還可以指定總測(cè)量區(qū)域、飛行高度和圖像重疊。可以在360min的飛行中覆蓋了400m×35m的區(qū)域。在平均飛行高度為826m、前后重疊30%的情況下共收集了70 張圖像。

圖2 四旋翼無(wú)人機(jī)

1.3 數(shù)據(jù)處理

目前有許多基于SfM 的商業(yè)或開(kāi)源3D 重建軟件包可供使用，例如Agisoft PhotoScan、Bundler Photogrammetry Package、PhotoModeler和Microsoft Photosynth[3]。該研究使用Agisoft PhotoScan軟件包對(duì)無(wú)人機(jī)圖像進(jìn)行處理。通過(guò)Agisoft PhotoScan 重建地表需要3 步。第一步，使用SIFT 算法識(shí)別每個(gè)圖像中隨圖像比例和方向不變的特征，并將每個(gè)特征與其他重疊圖像中的相應(yīng)特征進(jìn)行匹配。然后根據(jù)匹配的要素進(jìn)行約束平差，確定每個(gè)相機(jī)的相對(duì)位置和方向，同時(shí)確定所有匹配要素的坐標(biāo)，得到地形稀疏的點(diǎn)云[4]。第二步，基于已知的相機(jī)位置和方向，執(zhí)行基于像素的多視圖立體算法，以識(shí)別圖像之間的最佳匹配，并產(chǎn)生表面的密集點(diǎn)云表示。最后一步，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行縮放和地理配準(zhǔn)，并通過(guò)七參數(shù)Helmert 變換（1 個(gè)比例參數(shù)、3 個(gè)平移參數(shù)和3 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)）將局部點(diǎn)云坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為實(shí)際坐標(biāo)系。最終可以基于密集點(diǎn)云生成DEM 和相應(yīng)的正射影像。

2 結(jié)果和討論

2.1 SfM 結(jié)果

基于上述數(shù)據(jù)收集和處理獲得的SfM 結(jié)果如圖3 所示。重疊密度圖（如圖3（b）所示）表明大部分區(qū)域被6 個(gè)以上圖像覆蓋并且中心部分的照片覆蓋率遠(yuǎn)高于研究區(qū)域邊緣。由于飛行高度低，照片覆蓋率高，該文獲得了平均點(diǎn)密度為910m-2的致密點(diǎn)云，并基于這種密集的點(diǎn)云生成了3.5cm 超高分辨率的DEM。圖3（c）和圖3（d）分別顯示了DEM 衍生的陰影地貌和相應(yīng)的正射影像，可以清楚地看到線(xiàn)性斷層軌跡并且還以無(wú)與倫比的細(xì)節(jié)進(jìn)一步揭示了近斷層地貌，證明了SfM 方法在高分辨率繪制斷裂帶地形方面的巨大潛力。

圖3 SFM 處理結(jié)果圖

2.2 與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的比較

2.2.1 分辨率比較

基于密集點(diǎn)云，使用網(wǎng)格插值生成分辨率為3.5cm 的DEM，并與圖1 中的7m 分辨率機(jī)載激光雷達(dá)DEM 進(jìn)行了比較。由于研究區(qū)域較大，2 個(gè)DEM 沒(méi)有明顯差異（如圖4（a）和圖4（b）所示）。但是，當(dāng)比較圖4（a）所示較小框形區(qū)域中的DEM 時(shí)，可以清楚地觀察到SfM，而DEM 可以揭示更多分米尺度的細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)在機(jī)載激光雷達(dá)DEM中并不突出，因?yàn)樗姆直媛室叩枚啵ㄈ鐖D4（c）和圖4（d）所示）。在SfM DEM 中，可以清楚地看到故障軌跡和故障附近的幾個(gè)次要通道，這在激光雷達(dá)DEM 中很難識(shí)別。從SfM DEM 和激光雷達(dá)DEM 中導(dǎo)出的2 個(gè)地形剖面包括交叉斷層剖面。可以觀察到，激光雷達(dá)剖面相對(duì)平滑，而SfM 剖面顯示的微小細(xì)節(jié)更多，這主要是由2 種數(shù)據(jù)的分辨率差異造成的。在SfM-profile1 中，可以清楚地識(shí)別4 個(gè)通道，而激光雷達(dá)配置文件1 只能顯示其中的2 個(gè)通道，另外2 個(gè)較小的通道因激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的分辨率較低而難以區(qū)分。這證明了SfM 方法在更高分辨率下繪制地形圖的巨大優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而揭示了更多的超細(xì)地貌。就交叉斷層剖面（即剖面2）而言，SfM 剖面0 和激光雷達(dá)剖面6 幾乎可以獲得2.2m 的垂直位移。這在一定程度上展現(xiàn)了SfM 方法生成地形數(shù)據(jù)的能力，其精度與機(jī)載激光雷達(dá)相當(dāng)，該文將在下面的試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖4 SfM DEM 與激光雷達(dá)DEM 的比較

2.2.2 精度比較

該文在研究中進(jìn)行了3 個(gè)比較試驗(yàn)。第一個(gè)試驗(yàn)是將SfM 點(diǎn)云與激光雷達(dá)點(diǎn)云進(jìn)行比較，而不執(zhí)行ICP 算法。2個(gè)點(diǎn)云之間存在很大偏差，大多數(shù)差異都在2m～3m。這種大的偏差可能主要是由2 個(gè)點(diǎn)云的共配準(zhǔn)誤差造成的。第二個(gè)試驗(yàn)是在執(zhí)行ICP 算法（如圖5 所示）后進(jìn)行了比較。從中可以清楚地看到，在去除共配準(zhǔn)誤差后，2 個(gè)點(diǎn)云之間的差異已經(jīng)大大減少。具體而言，62.6%的激光雷達(dá)點(diǎn)偏離最近的SfM 點(diǎn)（<0.2m），96.5%偏離距離小于0.4m。距離縮短了近一個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明在比較2 個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)之前消除共配準(zhǔn)誤差非常重要。此外，還可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的外邊緣存在較大偏差。這可能是因?yàn)橥膺吘壨ǔ１戎行膮^(qū)域覆蓋的圖像少，這大大降低了派生點(diǎn)云的精度，所以在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集中，飛行范圍應(yīng)略大于實(shí)際感興趣選擇區(qū)域。此外，在地形坡度較高的區(qū)域，距離比在平坦區(qū)域較大，這可能是受陡坡造成的陰影的影響，進(jìn)而降低了獲取的無(wú)人機(jī)圖像的質(zhì)量。此外，由于陡峭傾斜的激光束的占地面積較大，激光雷達(dá)測(cè)量中的誤差也可能在陡坡上增加。

圖5 點(diǎn)云空間分布和直方圖

3 結(jié)論

該文對(duì)以低成本的基于無(wú)人機(jī)的SfM 攝影測(cè)量方法獲取斷裂帶地形進(jìn)行了研究，并以現(xiàn)有機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，詳細(xì)分析了SfM 衍生地形數(shù)據(jù)的分辨率和精度。結(jié)果表明，SfM 方法可以推導(dǎo)出平均點(diǎn)密度為910m-2，密度是機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云的近70 倍。基于這種密集的點(diǎn)云生成了超高分辨率（3.5cm）DEM，可以揭示更多的在機(jī)載激光雷達(dá)DEM 中不突出的分米尺度細(xì)節(jié)。在精度方面，在使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的GCP 坐標(biāo)仔細(xì)地理配準(zhǔn)并使用ICP 算法進(jìn)一步減少共配準(zhǔn)誤差后，62.6%的激光雷達(dá)點(diǎn)與最近的SfM 點(diǎn)偏離0.2m，96.5%偏離0.4m。考慮機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)本身的垂直誤差為0.2m，SfM 數(shù)據(jù)的精度與機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的精度相當(dāng)，但成本和物流需求大大降低。因此，基于無(wú)人機(jī)的SfM攝影測(cè)量方法可以為機(jī)載激光雷達(dá)提供一種廉價(jià)、有效且靈活的替代斷層帶地形圖的方法。