近景摄影测量在滑坡监测中的应用研究

陈楚，姜兴钰，张学民，王琳，吴正鹏

(1.天津市测绘院，天津 300381;2.天津地质调查中心，天津 300170)

1 引 言

滑坡是我国常见的地质灾害，滑坡引起的山体垮塌以及暴雨后形成的泥石流常给国家建设和人民生命财产造成严重损失［1］。目前对滑坡监测的方法［2］主要包括自动伸缩计地表位移测量法、全站仪测量方法、GPS 变形监测法等。以上方法存在问题如下:只能进行单个点的孤立监测，不能进行面域测量从而获得更为丰富的观测信息;某些区域可能存在着潜在的危险而无法直接使用传统的观测手段进行测量。

近景摄影测量是一种非接触量测方式，具有可以实时获取地表信息、以数字方式存储和实时观测等优点，其在滑坡变形、结构变形领域得到了广泛的应用［3］。Thomas Kersten［4］等人将数字近景摄影测量技术用于大坝的变形监测，在X、Y、Z 三个方向上的中误差分别为10.8 mm、6.7 mm、6.9 mm。Jim［5］等人为了研究河床的泥沙分布状况，利用数字近景摄影测量技术进行河床的三维重建和DEM 的提取工作，利用非量测数字相机在摄影距离约为2 m左右的情况下，摄影测量三维重建的精度在X、Y、Z 三个方向上分别达到了3.1 mm、4.9 mm、2.5 mm的精度，DEM 的垂直精度为12.6 mm。

本文将近景摄影测量技术应用到滑坡变形监测中，模拟并制定了一套完整的监测方案，包括非量测相机标定、控制点及检查点的布设与量测、影像的拍摄、采用成熟的摄影测量软件进行数据处理，最红通过对控制点和检查点的精度进行分析，认为将近景摄影测量技术应用到滑坡变形监测是可行的。

2 近景摄影测量滑坡监测系统实施方案

本文结合近景摄影测量技术，利用非量测相机，采用旋转多基线摄影的方式对被监测区域进行摄影，用成熟的近景摄影测量软件系统进行数据处理和分析，其监测技术方案流程如图1 所示。

图1 近景摄影测量监测技术流程

为更好分析近景摄影测量技术的监测精度，对被监测的滑坡区域分别进行了一期拍摄和二期拍摄。在这两期拍摄过程中，使用相同位置的控制点，并布设一定数量的检查点，其中有3 个检查点在第二次拍摄过程中进行人为挪动以模拟滑坡变形。此外，拍摄区域放置事先已精确量测长度的长方体物体(图2 所示)，其长度分别为1 m和1.1 m，物体同一侧两端可作为检查点使用。用全站仪量测控制点和检查点坐标，同用近景摄影测量方式得到的空三加密成果对比并加以分析。

图2 长度为1 m 和1.1 m 的物体

3 方案实施过程

3.1 试验区域概况

试验区域位于天津市蓟县北部山区西矿滑坡区，地势较为陡峭，山体高度约为100 m，图3 所示为滑坡区域航拍图，其红色区域为本试验被监测区域，面积约50 m×30 m，摄站位置位于被测区域对面的一个山顶上，如图3 所示黄色区域，摄影方向平均距离约50 m。

图3 试验区域的航拍影像图

3.2 相机标定

近景摄影测量可采用量测相机和非量测相机。为节约成本，本试验用的相机为Nikon D800 非量测相机，3 630万像素，像元大小0.004 9 mm。由于非量测数码相机镜头畸变大，像主点不在CCD 几何中心上，存在CCD 面阵内畸变［6］等，在使用之前对D800 相机采用武汉大学开发的相机标定软件，按照文献［7］所讲述原理进行了室内检定，检定后的焦距为25.830 7 mm。

3.3 控制点及检查点标志的选取、布设及量测

(1)控制点及检查点标志的选取

经现场实地踏勘，摄站点距离被拍摄区域平均约50 m。为保证控制点、检查点标志的成像清晰，一般要求成像后标志大小不少于20 个像素，本试验中选取的标志大小为40 cm，成像后约为40 个像素，图4 所示为标志形状及其成像结果。

图4 检查点标志形状及成像结果

(2)控制点及检查点的布设

根据均匀布设原则，控制点及检查点的现场布设如图5 所示，其中9 个平高控制点(如图6 红色位置所示)，11 个检查点(如图6 绿色位置所示)。11 个检查点中，BCH1、BCH2 为1 m长物体的两个端点，BCB1、BCB2 为1.1 m长物体的两个端点，LJ1、LJ2 为两个棱镜。LJ1、LJ2、B14 在第二次拍摄中将其进行人为小距离挪动，其编号分别为LJ3、LJ4，B14－1。

图5 控制点及检查点的现场布设图

图6 控制点及检查点布设图

(3)控制点及检查点的量测

使用0.5″全站仪，相对坐标系方式量测控制点及检查点的坐标。在不变形的山体上布设两个基准点，因为这次试验是要观测相对变形，所以这两个基准点的坐标是假设的坐标。在摄站点附近(即图3 黄色区域)又设立了一个观测点，在这个位置上可以观测到试验场内的所有点，这样通过一站观测将可以获得场地内所有控制点和检查点的坐标。

3.4 影像拍摄

影像数据采集包括两种不同的摄影方式，分别是平行摄影和旋转摄影。平行摄影主要针对距离较近、表面较平坦、无遮挡的摄影对象，如古建筑、古遗址等。旋转摄影主要针对距离较远、起伏较大、有部分遮挡、远景近景变化较大的摄影对象，如地形测量、选址测量［8，9］等，其摄影方式如图7 所示。为保证相邻影像同名点匹配，一般要求同一条带内的相邻影像具有90%以上的重叠，相邻条带具有60%以上的重叠。本次试验采用旋转多基线摄影方式，将物方划分为相互重叠的6 部分，根据现场环境选择了7 个具备一定交会角的摄站，然后在每个摄站分别对准物方6 部分拍摄6幅影像，总共42 幅影像。

图7 旋转多基线摄影方式

3.5 影像数据处理

数据处理采用武汉大学开发的近景/低空摄影测量软件DPMatrix3D，把影像数据、相机检校参数和控制点数据输入到该软件，得到每张像片的外方位元素，完成绝对定向。

4 精度分析

精度分析包括第一期拍摄的控制点误差统计分析、检查点误差统计分析、1 m长和1.1 m长物体长度与空三加密成果的对比分析、两期拍摄过程中3 个检查点用全站仪量测的移动距离和空三加密量测的移动距离对比分析。

(1)控制点误差统计

控制点(总共9 个)的误差统计结果如表1 所示。从表1 可以看出，在平面方向(x，y)其残差中误差可以达到毫米级，在深度方向(即摄影方向，z 方向)B1、B3、B4、B5 残差较大，达到厘米级，深度方向中误差为1.73 cm。如图3 所示，由于被测区域位于山区，拍摄相对较为困难，所有摄站安置在被测区域的左半部分，造成右侧边缘区域交会角相对较小，影响了其深度方向的精度［10］。因此，位于被测区域右侧边缘的B1、B3、B4、B5 深度方向残差较大。

控制点误差统计 表1

(2)检查点(总共11 个)误差统计结果如表2 所示。从表2 中误差统计结果看，平面方向(x，y)和深度方向(z)中误差均能达到毫米级。

检查点误差统计 表2

(3)1 m 长和1.1 m 长物体长度与空三加密成果的对比结果分别如表3 和表4 所示。通过空三加密成果量测1 m和1.1 m长的物体，其误差分别为8.6 mm和7.4 mm，精度在1 cm之内。

1 m 长物体长度与空三加密成果对比 表3

1．1 m 长物体长度与空三加密成果对比 表4

(4)两期拍摄过程中3 个检查点用全站仪量测的移动距离和空三加密量测的移动距离对比分析如表5所示。以全站仪测量结果为真值，空三加密量测的B14 移动距离误差为8.6 mm，LJ1 移动距离误差为0.7 mm，LJ2 移动距离误差为11.2 mm，精度在1 cm左右。

移动距离的对比分析 表5

从表1～表5 可以看出，通过近景摄影测量监测滑坡变形监测精度能够达到厘米级，满足《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》(DZ/T 0221－2006)的相关要求，因此认为将近景摄影测量技术应用到滑坡变形监测是可行的。

5 结论与展望

本文模拟并制定了一套完整的监测方案，通过控制点、检查点等精度分析，在摄影距离约50 m的情况下，得到近景摄影测量监测滑坡变形的监测精度能够达到厘米级精度要求结论，认为将近景摄影测量技术应用到滑坡变形监测是可行的。由于试验区域地势复杂，不容易选取到理想的摄站位置，因此像片交会角相对较小。在下一步工作中，可借助外部条件选取理想的摄站位置，具备足够交会角，以进一步提高监测精度。

［1］李彩林，张剑清，郭宝云．利用近景摄影测量技术的滑坡监测新方法［J］．计算机工程与应用，2011，47(3):6～8．

［2］霍志涛，张业明，金维群等．三峡库区滑坡监测中的新技术和新方法［J］．华南地质与矿产，2006(4):69～74．

［3］杨化超，邓喀中，张书华等．数字近景摄影测量技术在矿山地表沉陷监测中的应用研究［J］．中国图象图形学报，2008，13(3):519～524．

［4］Thomas Kersten，Hans－Gerd Maas．Photogrammetric 3－D Point Determination for Dam Monitoring［J］．Optical 3－D Measurement Techniques Ⅲ．1995(10):161～168．

［5］Jim H．Chandler，Tom Buffin－Belanger et al．The Accuracy of a River Bed Moulding/Casting System and the Effectiveness of a Low－cost Digital Camera for Recording River Bed Fabric［J］．Photogrammetry Record，18(103)，2003(9):209～223．

［6］李天子，郭辉．非量测数码相机的影像纠正［J］．测绘通报，2006:59～61．

［7］詹总谦．基于纯平液晶显示器的相机标定方法与应用研［D］．武汉:武汉大学，2006．

［8］柯涛，张祖勋．旋转多基线数字近景摄影测量［J］．武汉大学学报·信息科学版，2009，34(1):44～51．

［9］柯涛．旋转多基线数字近景摄影测量［D］．武汉:武汉大学，2008．

［10］张剑清，胡安文．多基线摄影测量前方交会方法及精度分析［J］．武汉大学学报·信息科学版，2007，32(1):847～851．