無人機傾斜攝影測量技術在地災監測中的應用

張懷艷 施紫鵬

（1.廣州市城市更新土地整備保障中心，廣東 廣州 510055；2.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510055）

通過對災害進行預警，可以有效地降低遭受重大的人員傷亡和財產損失風險。根據不完全統計數據，我國2022年共發生地質災害5659起，共造成90人死亡，直接經濟損失15.0億元。2022年共成功預報了321起地質災害，避免了可能傷亡人員7226人，避免直接經濟損失6.0億元。盡管相關工作的實施已經取得了初步的成績，但顯而易見的是我國現階段地質災害預報的成功率仍處于一種相對較低的水平，為解決這方面問題，提高地質災害預報的準確性，在該過程中應做好對災害的監測[1]。該文將對此展開研究。

1 傾斜攝影測量建模

1.1 多視影像預處理

為滿足測量中的建模需求，需要在開展研究前，進行傾斜攝影測量數據的多視影像預處理。在此過程中應明確多視影像預處理，是指根據得到的圖像進行原圖像是否存在變形的推測，通過這種方式，對影像變形進行處理。該過程主要包括畸變差糾正與勻光勻色處理[2]。其中是指在攝影過程中，由于相機、鏡頭等調試精度因素從而產生的A/D轉換誤差，盡管采用多個鏡頭組合的方法可以減少這種誤差，但是拍攝物鏡的變形差異會影響拍攝物鏡的入射光與反射光以及反射點沿光路平行移動時的狀態，從而導致某一鏡頭的像點及其偏離點與共線原理所要求的特定位置，不能滿足“三點一線”的要求[3]。光的失真有3種類型，光導管畸變的產生類型有以下3種，首先為徑向畸變，主要由于相機透鏡組織結構不完全導致，修復過程如公式（1）、公式（2）所示。

式中：Δxr、Δyr為影像徑向畸變的橫向與縱向修復值。（x0，y0）為原點影像坐標，其中r=k1～k3為不同鏡頭下的畸變參數。

其次為切向畸變，主要是指像素點在某一區域內發生位移，位移的方向與徑向方向兩者呈現垂直關系，修復過程如公式（3）、公式（4）所示。

式中：Δxd、Δyd為影像切向畸變的橫向與縱向修復值。P1、P2為相機切向畸變參數。

最后為CCD面陣變形，修復過程如公式（5）、公式（6）所示。

式中：xf、yf為影像CCD面陣變形的橫向與縱向修復值。α、β為CCD面陣變形修正參數。

完成畸變差糾正后，進行多視影像的勻光勻色處理。當無人機在進行拍攝時，由于無法控制陽光的照射，有時會由于陽光過強或光線不足，影響到拍攝的效果，此時構建的模型會出現一半明一半暗、色彩不均勻的情況。也有一些時候，由于被拍攝的對象互相反光或存在陰影，導致了模型的顏色不統一。因此，有必要進行多視影像的色彩統一處理。處理過程如公式（7）所示。

式中：F（x，y）為多視影像的色彩統一處理。g（x，y）為無人機原拍攝圖像。r1為處理過程中乘系數。r0為處理過程中加系數。

按照上述步驟，完成多視影像預處理。

1.2 傾斜影像聯合平差

完成預處理后，進行影像的聯合平差，處理時，應明確無人機傾斜攝影所獲取的傾斜圖像包括多個方向的外方位圖像，并且由于傾斜攝影的攝影方法，所以要從多個角度拍攝被攝對象，這樣就會得到不同角度的圖像，再加上傾斜圖像中的紋理比較豐富，這些都會影響到在構建3D模型之前的匹配，所以需要進行圖像的聯合平差，計算如公式（8）所示。

式中：V為傾斜影像聯合平差。A、B為平差處理中的參數分布矩陣。t為未知變化數分布。X為未知變化數方向。l為圖像坐標分布向量。Pφ為圖像坐標分布矩陣。在處理中，任何以非攝影形式觀測到的數值，都可以按照上述公式進行傾斜影像聯合平差處理。

1.3 多影像匹配與紋理映射建模

在上述內容的基礎上，進行多影像的匹配，在此過程中應明確三維模型是由許多二維平面組成的，也就是從不同角度拍攝的圖像中提取出來的關鍵信息，將圖像連接在一起就是構建三維模型的過程[4]。由于無人機拍攝到的照片大多具有重合特點，為避免圖像重合影像建模效果，進行影像的匹配，該過程就是找出這些圖像相似之處，然后采用一一對齊的方式，進行圖像的紋理映射建模，因此，可以認為建模中圖像交疊程度對于3D模型的制作與構建而言十分重要[5]。匹配過程如公式（9）所示。

式中：G（x0，y0）為多影像匹配后的連續影像。h0i、h1i為原始圖像灰度與重疊位置圖像灰度。Gi（xi，yi）為輻射畸變圖像的灰度。完成上述處理后，進行紋理映射建模，建模過程如公式（10）所示。

式中：A為紋理映射建模。a1i、a2i為投影核心。Xc、Yc為矩陣基本元素。至此，完成傾斜攝影測量建模。

2 傾斜影像采集與預處理

在對傾斜影像采集前，需要完成對無人機相機的標定。采用棋盤格標定法，在Word當中繪制一個邊長為40mm的，規格為5×7的棋盤格，如圖1所示。

圖1 棋盤格標定圖形

將該圖形打印到A4紙上，并貼于平滑且干凈的墻面上，再將配備相機的無人機水平放置，盡可能保持穩定，從各個方向上拍攝貼附在墻面上的棋盤格A4紙，獲得圖像的分辨率，將圖像的格式設置為JPEG[6]。在Matlab軟件中進行相機標定，找到標定工具后，將拍攝到的14張圖片導入到軟件當中，利用軟件實現對其自動標定。在利用無人機相機拍攝時，內容進行參數設置見表1。當采集傾斜圖像時，由于光線、時間等原因，會造成傾斜圖像的改變。而當使用無人機相機進行低空航拍時，不但會受到光線和天氣的影響，而且還會受到風向、風速等因素的影響，從而對飛行軌跡產生影響，進而造成傾斜影像測量的質量下降，最終對三維模型結果產生影響。所以，要檢查傾斜影像的質量，是否足夠清晰，有沒有由于飛行不穩定而造成照片中物體扭曲變形，照片有沒有曝光過度等[7]。在確定傾斜影像的質量與模型注解一致后，才能進行數據處理，進行3D模型構建。在這一過程中產生的系統誤差可以通過傳感器模型來修正，完成對傾斜影像的預處理。

表1 無人機相機拍攝參數設置表

3 構建Context Capture三維模型

3.1 無人機傾斜攝影測量原始數據導入

在利用軟件構建三維模型前，必須保證圖片數據的準確性。在Block當中，將多個鏡頭下帶有POS數據的影像導入，并對影像數據進行檢查。依次設定地理坐標系、傳感器尺寸等參數。通過Context Capture軟件的3DView窗口查看影像排列情況[8]。在需要進行地災監測的區域內布置控制點，根據區域面積，均勻布設控制點，如圖2所示。

圖2 地災監測區域控制點布設示意圖

在增加準確的控制點坐標之后，利用Context Capture軟件便可以依據該坐標對控制點的航空圖像進行預處理。在刺點時，需要注意相同的控制點需要添加不少于2張的圖像，在像控點測量完畢后進行空中三角測量。空中三角測量的基本流程如圖3所示。

圖3 空中三角測量流程圖

3.2 三維重建

空中三角測量完畢后，在Context Capture軟件中重新構建三維模型。為提高建模效率，節約建模時間，便于對模型進行處理，軟件將以計算機的性能和配置為依據，將建模塊劃分為若干個較小的碎片，在進行建模前，將整個建模區域劃分為64個碎片。在完成對重建運算的設定功能，并選擇輸出路徑之后，點擊提交重建項目，然后打開引擎，等待3D重建的結果。得到的成果為三維模型，除此之外還包括TIN三角網絡、白模、DSM與正射影像等。重新構建后，在3D視圖當中可以直接看到三維模型，如圖4所示。

圖4 三維重建模型

點擊生成 DSM和正射影像的生成項目，再點擊打開輸出目錄，就可以查看第一個時期的 DSM和正射影像結果。Context Capture生產的 DSM數據和正射影像數據，由于被切成了碎片，所以需要將它們導入 Arc GIS中，對它們進行進一步的柵格處理，將它們整合成一整塊的數據，以供地災監測使用。

4 地質災害監測

在對地質災害進行監測的過程中，利用無人機傾斜攝影測量技術，可以清晰地反映地質災害發生的形態、顏色等多種要素，并能清晰地描述其與周邊環境的差異性。利用遙感圖像比對反映出的一些地質災害的異常狀況，可為地質災害的早期預警提供依據，為地質災害的精細監控提供依據。以滑坡地質災害為例，對利用無人機拍攝的傾斜攝影測量圖像進行監測。

在滑坡地質災害的監測中，利用上述上述操作生成的三維模型，根據滑坡的結構、形態、顏色等信息，反演滑坡地質災害的發生發展過程，從而得到滑坡地質災害的發生發展過程。在對某地區滑坡進行監測的基礎上，利用無人機傾斜照相成圖技術，對滑坡形態及特征進行分析。一般在一個地區，滑坡呈現出明顯的特點，易于判斷其破壞范圍。同時，利用無人機傾斜攝影測量技術，對滑坡所產生的陡坡、地貌、變色線等進行三維立體成像，為滑坡相關地質災害的監測與救災提供重要的數據支撐。

在地質災害監測中，利用無人機傾斜攝影測量技術，獲得地物影像資料，再從地物影像中提取出地物狀況的平面及立體影像，從而全面地反映出地物的地質特征。當利用該項技術進行地質災害評估時，可將構建的三維模型作為重要依據。在此基礎上，根據地質災害區的植被損毀情況和其他地質情況，利用 GIS技術，可以快速、準確地生成專題地圖。在此基礎上，通過Context Capture的空間分析能力，能夠對當前水準進行精確地評價，從而全面判斷該地區的潛在災變類型及范圍。

5 總結

地質災害又被稱之為自然災害，此種災害可能由人為引起，也可由其他環境因素間接性誘發，災害的發生將直接影響到人民群眾的身心健康、財產及生命安全。我國的國土面積在世界上屬于名列前茅，地形主要包括高原、盆地、平原等，地形的多樣性也導致了我國發生地質災害的種類較多，較為常見的地質災害包括滑坡災害、泥石流災害、崩塌災害、塌陷災害、地裂縫災害，地面不均勻沉降災害等。

為解決由于地質災害造成的人員健康損失與各地經濟損失，該文開展了此次研究。通過此次的研究，明確了無人機傾斜攝影技術在此項工作中應用的優勢，因此，在后續工作中，將持續加大無人機的使用和傾斜攝影測量技術研究，以提高地質災害監測的精度。