無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市化建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害早期識別應(yīng)用

吳 森，陳 超，鄧 晶，薛 廉，唐曉玲，潘國耀

(四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610032)

作為我國西部地區(qū)重要的中心城市，成都市目前正在實(shí)施“東進(jìn)、南拓、西控、北改、中優(yōu)”的城市空間發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)建“雙核聯(lián)動(dòng)、多中心支撐”網(wǎng)絡(luò)化功能體系，加快建設(shè)全面體現(xiàn)新發(fā)展理念的國家中心城市[1]。在城市化建設(shè)過程中，成都市面臨著富水松散砂礫卵石土、膨脹性粘土、軟土地基和基坑邊坡的穩(wěn)定性、含膏鹽（鈣芒硝）泥巖溶蝕性和腐蝕性、崩塌、滑坡等諸多地質(zhì)問題。如2014年7月9日，武侯區(qū)棕樹南街停車場發(fā)生塌陷；2015年7月9日，二環(huán)路北三段一小區(qū)發(fā)生塌陷等等，如何實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的早期識別，早期處理成為當(dāng)前城市化建設(shè)面臨的一大難題。

目前，部分學(xué)者在地災(zāi)早期識別應(yīng)用方面做了大量的研究工作，并取得了一定的成果。巨袁臻[2]基于無人機(jī)攝影測量技術(shù)，利用差分模型，通過多期數(shù)據(jù)處理對比，實(shí)現(xiàn)對黑方臺黃土滑坡的早期識別；褚宏亮[3]利用三維激光掃描技術(shù)，對重慶南川金佛山顫子巖危巖體、撫順西露天礦南邦滑坡等災(zāi)害進(jìn)行了研究，總結(jié)一套基于三維激光掃描技術(shù)的地災(zāi)調(diào)查、監(jiān)測、早期識別方法；何朝陽等[4]利用InSAR技術(shù)對雜谷腦河左岸3處地災(zāi)點(diǎn)進(jìn)行了識別，并通過地表位移監(jiān)測，驗(yàn)證了識別結(jié)果；李勛等[5]基于DEM和遙感影像，應(yīng)用定量地貌學(xué)原理及方法，實(shí)現(xiàn)了對天水市周邊黃土滑坡的識別。但針對城市化建設(shè)過程中地質(zhì)災(zāi)害早期識別方法，卻少有應(yīng)用案例，本文以成都市錦城廣場及周邊為例，介紹了一種基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的地災(zāi)早期識別技術(shù)與方法。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是通過在無人機(jī)平臺上搭載一臺或多臺帶傳感器的相機(jī)設(shè)備，構(gòu)成傾斜數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，從垂直、側(cè)視和前后視等不同角度采集場景區(qū)域的多視角數(shù)字影像技術(shù)[6]。

傾斜攝影自動(dòng)化建模由于是在航拍影像和控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)構(gòu)建的，不會(huì)存在人工建模時(shí)人為的選擇性構(gòu)建和修飾過程，可以還原真實(shí)場景的完整面貌，實(shí)現(xiàn)全要素覆蓋，具備高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本“三高一低”優(yōu)勢，該技術(shù)在城市化建設(shè)過程中的地質(zhì)災(zāi)害早期識別上，有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)組成

1.1 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)組成

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)一般由無人機(jī)飛行平臺、任務(wù)載荷及其控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部分組成[2、7]（圖1）。

1）無人機(jī)飛行平臺即是搭載測量任務(wù)傳感器的載體，常用的無人機(jī)飛行平臺有固定翼平臺、多旋翼平臺、直升機(jī)、無人飛艇等。

2）任務(wù)載荷及其控制系統(tǒng)主要用于獲取目標(biāo)區(qū)域多視角數(shù)字影像數(shù)據(jù)，由任務(wù)設(shè)備、穩(wěn)定平臺、任務(wù)設(shè)備控制系統(tǒng)組成。

3）飛行控制系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行控制和任務(wù)荷載管理，包括機(jī)載飛行控制系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。

4）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將獲取的無人機(jī)姿態(tài)信息（POS數(shù)據(jù)）解算轉(zhuǎn)換至城市建設(shè)采用的坐標(biāo)、高程系統(tǒng)，并與影像一一對應(yīng)，按照后處理軟件規(guī)定的格式進(jìn)行預(yù)處理，保證數(shù)據(jù)格式正確和資料完整再提供給專業(yè)軟件進(jìn)行空三計(jì)算、點(diǎn)云密集匹配，以便生成正射影像圖、數(shù)字線劃圖、應(yīng)急專題圖等不同類型的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，經(jīng)過信息提取后，為地質(zhì)災(zāi)害早期提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 傾斜攝影技術(shù)處理流程

無人機(jī)傾斜攝影自動(dòng)化建模技術(shù)主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分工作，建模流程參見圖2。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)處理流程

2 地質(zhì)災(zāi)害早期識別技術(shù)

在城市化建設(shè)過程中，可以通過傾斜攝影大區(qū)域視角對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行早期識別，可結(jié)合InSAR 形變解譯，輔助對比分析，整體識別流程（圖3）主要包括以下幾個(gè)方面：

1）通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，構(gòu)建識別區(qū)三維立體實(shí)景模型、高分辨率正射影像；

2）影像監(jiān)督分類劃定：工程建設(shè)區(qū)、非工程建設(shè)區(qū)；

3）通過三維立體實(shí)景模型、高分辨率正射影像、航拍源影像綜合解譯識別形變區(qū)，同時(shí)，可結(jié)合InSAR 形變解譯進(jìn)行對比分析；

4）通過地面調(diào)查，現(xiàn)場核查、驗(yàn)證形變區(qū)；

5）綜合識別與核查成果，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，劃定威脅區(qū)范圍。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害識別技術(shù)流程

3 人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市化建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害早期識別

本次選取地下空間利用強(qiáng)度高、目前周邊城市化建設(shè)頻繁的錦城廣場作為此次地災(zāi)早期識別的研究區(qū)。錦城廣場研究區(qū)范圍內(nèi)擁有多種不同類型的地面設(shè)施，北部錦悅路以北為居民集中居住區(qū)，建筑密度較大；中心為環(huán)球中心，是全球最大的單體建筑；繞城高速從西到東貫穿全區(qū)，地鐵1號線從南到北穿過區(qū)內(nèi)，附近城市化建設(shè)頻發(fā)，施工工地多，不管是從不同的用地類型，還是道路交通、建筑體量、地下空間開發(fā)深度看，錦城廣場研究區(qū)具有復(fù)雜的城市結(jié)構(gòu)，對他的研究具有十分典型的意義。

3.1 無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取與處理

本次研究采用了CW-30 油電混合無人機(jī)機(jī)搭載5 鏡頭相機(jī)進(jìn)行了航飛。CW-30為雙尾撐布局、后推式油動(dòng)垂直起降固定翼無人機(jī)，具備垂直起降，全自主起飛，RTK 定點(diǎn)起降、精準(zhǔn)導(dǎo)航等優(yōu)異功能外，其最大載荷能力達(dá)6kg，負(fù)載續(xù)航達(dá)6小時(shí)。

1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次CW-30無人機(jī)的飛行高度為280m，地面平均分辨率優(yōu)于3cm。飛行的航向重疊率為80%旁向重疊率為70%[8]，飛行航線見圖4。

地面控制點(diǎn)主要有兩種類型，一類是地形特征點(diǎn)，包括明顯的道路轉(zhuǎn)角和明顯的地物標(biāo)識；一類是專門為航拍所做的人工標(biāo)識[9]。此次共布設(shè)控制點(diǎn)50個(gè)，直接利用RTK 采用CORS系統(tǒng)獲取控制點(diǎn)國家2000 坐標(biāo)數(shù)據(jù)，高程數(shù)據(jù)采用水準(zhǔn)精化模型轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換為1985 國家基準(zhǔn)高程。此次航攝共飛行兩個(gè)架次，獲取照片24135 張，經(jīng)檢查，POS數(shù)據(jù)解算合格，影像質(zhì)量較好，冬季有薄霧，云量為0。

2）內(nèi)業(yè)處理

本次選用了Context Capture軟件全自動(dòng)處理軟件作為數(shù)據(jù)處理軟件。Context Capture 將數(shù)據(jù)處理過程分為以下六個(gè)步驟：工作集群構(gòu)建——空中三角測量——密集點(diǎn)云的生成——基于點(diǎn)云的TIN模型構(gòu)建——紋理切片自動(dòng)映射——完成場景構(gòu)建（圖5）。

圖4 無人機(jī)航線規(guī)劃

圖5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.2 地質(zhì)災(zāi)害識別

完成的傾斜攝影成果還原了研究區(qū)的真實(shí)三維實(shí)景場景，實(shí)現(xiàn)全要素覆蓋，此次地質(zhì)災(zāi)害形變的識別采用正射影像DOM(精度3cm)與傾斜攝影真實(shí)三維實(shí)景場景相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析。

本次研究范圍內(nèi)形變區(qū)及建設(shè)施工區(qū)的識別，主要通過對正射影像DOM 進(jìn)行監(jiān)督分類與人工部分干預(yù)相結(jié)合的方法進(jìn)行，再結(jié)合傾斜攝影真實(shí)三維實(shí)景場景分析區(qū)內(nèi)形變[10]，分析結(jié)果參見圖6。

解譯形變區(qū)核查、驗(yàn)證表

3.3 地面核查、驗(yàn)證、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害形變分析結(jié)果，通過地面調(diào)查對解譯形變區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核、驗(yàn)證、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，復(fù)核驗(yàn)證、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果參見附表：解譯形變區(qū)核查、驗(yàn)證表。

4 結(jié)論

1）為了解決城市化建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害識別問題，本文提出了一種基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害早期識別技術(shù)與方法

2）以錦城廣場為例，介紹了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市化建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害早期識別中的應(yīng)用流程，本次共解譯、識別出地面塌陷點(diǎn)3處，地裂縫2處，其中2處風(fēng)險(xiǎn)中等、2處風(fēng)險(xiǎn)較低、1處風(fēng)險(xiǎn)低。

3）無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、投入少、精度高的優(yōu)勢，可以方便技術(shù)人員快速解譯、分析、識別城市化建設(shè)過程中地質(zhì)災(zāi)害問題，具有較好的推廣前景。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害形變識別