倾斜航空摄影测量技术在北京市高精细地质灾害调查中的应用

赵 博 彭泊涵 王建楠 李 兵

(1.北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2.城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

北京市位于华北平原西北边缘,是我国的首都、全国政治中心、文化中心、国际交往中心和科技创新中心。北京全市面积16 410.54 km2,其中约62%的面积(10 200 km2)为山区,山高坡陡、谷深沟长,发育大量的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害,灾害具有广泛性、群发性、高隐蔽性、高突发性和时间集中性等特点。据气象部门预测,21世纪前期气候变化趋于活跃期,极端气候事件增多,强降雨过程引发的滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝灾害将加剧,在这一自然条件下,北京市地质灾害必将呈长期高发态势,此外,人为工程活动引发的地质灾害也呈不断上升趋势。全面快速地获取地质灾害信息,建立地质灾害预警预测体系,提高对突发地质灾害事件进行快速的灾情评估和应急能力是当前亟待解决的重要课题。

本文在实验中综合利用了航空遥感、地理信息系统、倾斜摄影、数据库等技术,通过航空摄影对北京市的地质灾害点及周边基础设施进行监测,建立北京市地质灾害点三维管理系统,对灾害信息进行即时处理,为救灾提供确切决策分析,从而提高北京市地质灾害预报预警能力和防治水平,最大限度减小受灾损失,保障城市的现代化建设和经济社会的全面协调可持续发展,实现人与自然和谐共处。

1 国内外现状

山区地质灾害具有点多面广、成因复杂、突发性强、危害巨大等特点,对其监测及调查是地灾防治的关键。无人机因具有独特的非接触式测量方式、精度高、灵活性强、360°全方位无死角等特点,为重大地质灾害应急调查提供了更加科学高效的现场影像采集和遥感成果处理方案,能大大提高应急处置效率、确定应急处置方案[1]。管建军等[2]以黄土地区赵家沟泥石流为研究对象,通过三维重建生成的实景三维模型、数字正射影像(Digital Orthophoto Map,DOM)和数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),解译并提取了如地层岩性、不良地质现象等定性信息,分析并计算了流域面积、纵坡降等泥石流易发性定量评价因子。叶伟林等[3]通过无人机航测系统,获取滑坡前后的高精度DEM和DOM数据,得出了滑坡堆积区厚度的分布情况和对应危害对象。郑史芳等[4]通过无人机倾斜摄影获取数据,建立实景三维模型,为地质灾害预警提供了有力依据。崔溦等[5]利用无人机搭载激光雷达设备获取点云,对水利水电工程中的高陡边坡孤立危岩体开展了初步识别研究。周明等[6]利用6旋翼无人机进行人机协同道路边坡病害巡查,实现了线路边坡病害信息的采集和处理。

Piras等[7]在意大利阿尔卑斯山西北部的罗多雷托河谷使用无人机绘制了山区精细地质图。Rossi等[8]使用多翼无人机获取的影像数据进行多期对比分析,构建了地表模型，准确地重建和绘制检测到的滑坡。Francioni等[9]针对沿海地区边坡采用多种遥感手段,获取了多时相激光雷达和正射影像,结合地质调查运用地理信息分析手段,掌控了沿海区域的不稳定地质因素。Gomez等[10]利用多无人机多平台协作,针对河床演变进行了时序分析。国外学者应用了丰富的遥感技术手段,并做了时序性的分析,更有助于对地质灾害频发的区域开展持续性监测调查。

利用无人机技术获取光学影像辅助地质灾害调查已在国内外被广泛应用,但对地质调查与遥感数据的融合应用程度仍有限。本文在应用无人机获取光学影像数据辅助地质调查的同时,引入了多源遥感数据,以正射影像、实景三维模型、激光雷达数据以及基础地理信息数据分别提供了地质灾害区域的地貌、地形、地形剖面等信息,在此基础上,建立地质灾害三维管理系统,通过地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术对多种数据成果进行深度挖掘,促进遥感技术与地质调查技术的深度融合应用。

2 倾斜航摄技术

在充分收集、分析和研究历史地质灾害的相关资料的前提下,初步判断易发生地质灾害的隐患区域,结合历史遥感数据进行初解译,划定该方法的实验区域。利用无人机航空摄影测量技术,获取遥感影像数据,并进行数据处理得到测区的正射影像图、实景三维模型。运用精细遥感地质解译和野外实测相结合的方式,分析获取实验区内的地质灾害孕灾背景、物源、受威胁对象及动力等综合条件信息,形成专题性地质灾害隐患区域精细调查结果,并针对调查成果类型入库管理,提高地质灾害管理的精细化、信息化水平。

倾斜航摄技术在本文实验工作开展各个阶段均进行质量控制和检查,保证实验成果规范化、标准化。总体实验技术流程如图1所示。

图1 高精细地质灾害调查技术流程图

2.1 航摄分区及航线设计

本实验详细总结以往航摄飞行的工作经验,并收集相关航空摄影案例,以及各种地形、气象资料,以便于进行航飞分区规划。首先优先考虑摄影测量精度,保证每个地质灾害点航摄基准面影像分辨率优于0.05 m,且单个地质灾害点地面影像分辨率超0.08 m的不超过10%。航摄分区时,通过自动聚类、人工归并后取均值为基准面,并在少数高差过大、面积占比较小的区域增大设计重叠度,从而完成航空摄影测量分区。

分区规划结束后,进行航线设计。因本次航摄区域为山区,为保证后续三维模型制作工作顺利开展,航飞重叠度按照航向80%、旁向60%～80%设计。且山区航摄航线应考虑外扩,以满足范围需求。

同时,也应尽可能提高飞行效率,原则上以矩形分区的长边方向为飞行方向,整个任务区尽量一致。极个别无法一致的,单独敷设安全和经济的方向。

航线设计阶段,有一项极为重要的工作,是安全高度检查。所有转弯处、高度变化处、每架次的返航路线上,都应考虑撞山可能性,所以必要时,必须上调飞行高度,确保安全航行。

2.2 野外像控测量

在像片控制点测量工作开展前应进行相关资料整理、地质灾害点现场踏勘、结合资料进行综合分析、布标准备工作、布标人员培训工作、建立外业安全保障体系等。

由于任务区域为山区,无特征地物区域面积较大,在无特征区域的地势平坦、视野开阔处可采用布设标志方法。本文实验采用区域网的布点方案,平高控制点按周边6点法布设;高程控制点则采用网状布点。此外每个加密分区视情况布3～4个检查点,最终根据具体情况选择最优实施方案。除此以外,区域网的划分和像控点的布设应当满足空中三角测量的精度要求。本次像片控制测量采用北京连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)和实时动态载波相位差分技术(Real Time Kinematic,RTK),在CORS信号无法覆盖地区采用单基站网络差分模式进行观测,对于CORS信号以及网络信号均无法覆盖的地区采用精密单点定位的方式进行测量。像控点测量时同时进行质量控制,每次作业过程中,有第二人进行实地检查,保证像控点的选点位置、测量方法和精度满足相关要求。

2.3 航摄数据获取

航摄数据获取总体流程主要分为航摄准备、航空摄影、质量检查和数据整理与解算4个阶段,具体航摄流程如图2所示。

图2 无人机倾斜航空摄影测量技术流程图

为了保证实验顺利进行,在进行无人机倾斜航摄数据获取之前,首先需要进行一系列的安全检查操作,包括飞机设施检查、相机及相关设备安装、开机测试等。在执行航飞工作时,每架次航摄任务起飞后,都有专人负责实施监控地面站、确保飞行平台各项指标正常,出现特殊情况,可机动灵活地执行返航或迫降操作。每次航飞结束后,填写飞行记录等必要信息、现场下载航飞各项数据,便于本实验后续的数据处理工作顺利实施。

2.4 航摄成果质量检查

航飞工作结束后,应对每个架次飞行成果都进行质量检查。确保所有航飞数据重叠度满足要求,且航迹平直,航高保持良好,摄区覆盖完整，成果影像色彩逼真,反差适中,分辨率能满足实验要求。对于不满足要求的像片,及时进行补飞工作。

2.5 数据整理与解算

在航飞数据质量无问题的情况下,需对航飞成果进行整理,例如规范像片、定位定姿系统(Position and Orientation System,POS)文件命名、完善飞行记录、备份飞行成果、备份飞行航线、飞行回放等,以提高后续内业数据处理环节的作业效率,并利用基站数据或星历,对航飞成果进行解算。

2.6 倾斜三维建模

首先按照一定规则,对航摄分区进行区域分块,确保每一区块内像片数量在一定范围内,且区块形状规则,区块之间有一定重叠。一个或多个分块可根据服务器资源同时进行空三加密。具体步骤有:全自动匹配连接点、粗差剔除、控制点量测、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)辅助绝对定向等。其中,影像控制点量测为空三的重点步骤,需人工进行作业,确保每个点尽量在不同镜头上进行人工关联,每个点保证不同朝向的相机刺3～5张非同一航线照片。最终得到精确的航摄分区空三结果,并生成倾斜航空摄影空中三角测量成果报告。对平差解算结果进行严格的检查,确保满足三维建模制作要求。

本文采用的是Context Capture软件进行实景三维建模,软件按照密集匹配、三维(three-dimensional,3D)不规则三角网(Triangulated Irregular Network,TIN)构建、纹理映射以及模型导出的流程。软件主要是通过先进高效的影像匹配算法,自动匹配出所有影像中的同名点,并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云,从而更精确地表达地物的细节。然后,由空三建立的影像之间的三角关系构成TIN,再由TIN构成白模,从影像中计算对应的纹理,并自动将纹理映射到对应的白模上,最终形成倾斜三维模型。

2.7 模型修补

相机在高空以一定的倾角拍摄地面目标时,由于地面目标的高密集分布特征、桥梁存在架空结构、目标截面很小(如广告牌)等，使得原数据存在遮挡、地物特征难区分辨别等现象,导致生成的模型存在破面、飞点、纹理错误、小漏洞、模型变形等情形,需要对模型进行编辑,包括几何结构的编辑和纹理的编辑。

2.8 三维管理平台搭建

管理平台由北京市DOM及DEM生成的大场景数据为底板,在地质灾害重点调查区引入无人机倾斜摄影获取的三维实景模型,将地质调查数据从原始的文本、表格形式转化成了二维矢量数据,通过不同的渲染效果展示在三维实景模型数据场景内,用可视化的三维场景成果取代了传统繁复的地质调查图集。在平台中可以运用索引界面通过行政区快速定位感兴趣的地质灾害点,通过浮动的图层窗口可以调用分类显示地质灾害调查数据,开启属性查询功能，点击鼠标可在左侧浏览地质调查数据详细信息,同时可以任意视角查看经地调数据分类渲染后的模型数据,真正做到了直观可视化。平台设计了六大功能模块，如图3所示,可实现面向地质灾害调查的地理信息分析。

图3 北京市地质灾害点三维管理平台功能模块

3 实验

3.1 实验区介绍

本文实验选取北京市延庆区千家店镇平台子村南湾道豁子泥石流沟和延庆区珍珠泉乡八亩地村阳坡泥石流沟2个隐患点作为实验区域。根据查阅历史资料及地质调查成果,平台子村南湾道豁子隐患点流域面积为5.8 km2,水动力类型为暴雨,主要物源成分为常见的碎石土、粉土,且在该区域内有24户民房受威胁;八亩地村阳坡隐患点流域面积为1.5 km2,水动力类型为暴雨,主要物源成分为坝阶地堆积物和粉土堆积,该区域有24户民房受威胁。两隐患点属于典型的泥石流灾害点,在北京具有代表意义。

3.2 任务实施

本次实验采用了ZC-3C型电动固定翼无人机,搭载TopDC-5UC倾斜相机系统。本无人机采用翼式气动布局,结构简单、机身牢固轻巧,机动、灵活性强,采用橡筋弹射起飞、伞降,可适应各种复杂的起降条件,并可在短时间内快速组装执行航摄任务。其搭载的五镜头倾斜摄影测量系统总像素达1.8 亿,正摄镜头焦距为28 mm、倾斜镜头焦距为35 mm,采用GPS定点同步曝光,单次飞行可获取5 000 张以上的影像成果。

实验飞行航线规划指标满足高精度实景三维建模需求,具体指标分别是:航向重叠度80%,旁向重叠度65%,地面分辨率0.05 m。

根据上述指标,作者结合无人机飞行性能,对两个实验隐患区域最终飞行5 架次,航线62 条,获取影像共1 万余张,控制点15 个,检查点3 个,在上述航摄成果基础上进行了该区域的实景三维建模及地质灾害解译。

3.3 实验成果

结合无人机获取的影像成果,制作的数字正射影像及实景三维模型,可用于山区地质灾害隐患遥感解译分析。遥感解译结合地面调查的地质灾害隐患分析方法,与传统野外地面调查的方式相比,有着综合性强、规模大、效率高等优点。通过遥感解译,可以判读松散堆积物特征、地形地貌、植被、河流或沟谷特征、受威胁对象及人类工程活动特征,获取泥石流沟主要沟道走势、物源分布、受威胁对象及其相对位置等关键信息。

实验区地质调查成果与数字正射影像叠加展示隐患调查图效果，如图4所示。

图4 延庆区千家店镇平台子村南湾道豁子泥石流隐患调查图

无人机倾斜摄影生成的实景三维模型成果,不仅能用于地质灾害遥感解译,也能结合矢量调查成果进行三维展示。将实景三维模型成果叠加到大范围DOM与DEM搭建的三维场景系统中,可以从宏观的角度观察地质灾害的地理位置,利用细腻的模型成果作为地质调查矢量成果底图,可以将二维的调查成果与三维模型成果相结合,构建数据库调用展示矢量属性信息,再在系统中面向地质调查开发相应的三维分析管理模块,达到了从传统地质调查图纸到三维信息化地质调查管理系统的转变。

实验区三维平台内大场景结合实景模型高精细地质灾害调查成果展示效果如图5所示。

图5 延庆区千家店镇平台子村南湾道豁子泥石流隐患平台展示效果图

本文中的实验不仅综合了倾斜航空摄影测量技术及地质调查数据成果,搭建了三维地理信息管理数据库,而且为北京搭建全市地质灾害点三维管理平台提供了样例基础。实验成果及路线在地质灾害防治领域有着较为广阔的推广价值,可依据该种综合分析得出的地质灾害隐患状况,提出群专结合、工程治理、避险转移及搬迁避让等防治措施。可利用空间数据的位置关系判定灾害所属行政位置,可结合空间分析功能模块预演地质灾害治理效果,可利用影像及模型数据规划避让、搬迁等设施建设,做到科学管理、合理管控,使得各类防治措施有理可依、有据可循。

4 结束语

本文实验基于倾斜航空摄影测量技术,开展了地质灾害隐患点的实景三维建模,结合地质调查、解译、分析,构建了地质灾害三维管理平台。与传统地质调查台账、图册成果相比,本文实验实现了地灾调查手段从“实地勘测到空地一体”、地灾调查高度从“地面到低空”、地灾成果从“二维到三维”、成果管理应用从“图纸到全面信息化”的转变,构建了基于三维数据和地质调查的“获取—处理—展示—分析”一体化的技术体系,从而有效提升了调查成果的管理、应用及数据共享水平,为我国地质灾害精细化调查工程的大面积开展提供技术积累和宝贵经验。

合理应用三维模型成果不仅能夯实北京市地质灾害防治基础,规划有效避开地质灾害风险区,也能支撑城市建设管理,判断测区内人文活动情况、自然地貌和人工地貌等情况以及生态系统的现状等信息。数据信息提供给相应的政府部门,为国土空间规划、道路选线、生态修复等多方面提供重要的基础数据和参考依据。管理平台也实现了地质灾害信息展示、管理、分析、预报、决策等一体化管理,有效提高地质灾害的预警预报能力,可为防灾减灾提供实时信息服务,为职能部门提供决策支持服务。