基于運動攝影測量結(jié)構(gòu)的無人機在斷層帶地形測繪中的應(yīng)用

羅加源

（廣西國土資源規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

高精度、高分辨率的形貌是活動斷層定量研究的基礎(chǔ)。光探測和測距（lidar）是目前獲取此類數(shù)據(jù)最流行的方法，但其相對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)來表征斷層的活動，例如斷層長度、共震位移和滑移率。這些參數(shù)的精確采集通常高度依賴于高精度和高分辨率的地形數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)測量方法相比，激光雷達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，激光雷達測量的設(shè)備成本較高且后勤需求也較大，數(shù)據(jù)處理需要專門的用戶專業(yè)知識，所有這些都極大地限制了它們在許多地球科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

基于此，該文研究考察了SfM 攝影測量在斷裂帶地形建模中的適用性。圖像是由安裝在無人機上的低成本數(shù)碼相機沿中國西北部活動斷層海源斷層采集的，并制作了密集點云和超高分辨率數(shù)字高程模型（DEM），并使用現(xiàn)有的機載激光雷達數(shù)據(jù)對SfM 衍生地形的分辨率和精度進行了詳細評估。

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，是活動斷層研究的理想?yún)^(qū)域[1]。為探究激光雷達技術(shù)在主動斷層研究中的潛力，張波等[1]對1920 年8.5 級地震部分斷裂帶沿海源斷層進行了機載激光雷達勘測，覆蓋區(qū)域平均寬度1km，總長128km（如圖1（a）所示）。激光雷達點的平均密度約為4～6點/m2。基于點云，最終生成了分辨率為1m 的DEM。除了機載激光掃描外，還進行了靜態(tài)GPS 調(diào)查以評估數(shù)據(jù)的準確性[2]。結(jié)果表明，激光雷達數(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地點作為研究區(qū)進行SfM試驗，研究地點位置如圖1（b）所示。

圖1 海源斷層沿線的機載激光雷達覆蓋區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)收集

該研究使用的平臺是一個小型四旋翼無人機系統(tǒng)Motoarsky MS670，如圖2 所示。其成本約為70 萬元，不到機載激光雷達成本的十分之一。其直徑約為67cm，最大起飛質(zhì)量為67kg，飛行時間為5min。該平臺專為航空攝影而設(shè)計，配備GPS 和慣性測量單元（IMU）以進行導(dǎo)航，還配備了一個穩(wěn)定的相機支架和索尼ILCE-QX45 相機，固定焦距為1mm。由于集成了自動駕駛技術(shù)，無人機可以根據(jù)用戶預(yù)定義的飛行路徑自主飛行，還可以指定總測量區(qū)域、飛行高度和圖像重疊?？梢栽?60min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 四旋翼無人機

1.3 數(shù)據(jù)處理

目前有許多基于SfM 的商業(yè)或開源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軟件包對無人機圖像進行處理。通過Agisoft PhotoScan 重建地表需要3 步。第一步，使用SIFT 算法識別每個圖像中隨圖像比例和方向不變的特征，并將每個特征與其他重疊圖像中的相應(yīng)特征進行匹配。然后根據(jù)匹配的要素進行約束平差，確定每個相機的相對位置和方向，同時確定所有匹配要素的坐標(biāo)，得到地形稀疏的點云[4]。第二步，基于已知的相機位置和方向，執(zhí)行基于像素的多視圖立體算法，以識別圖像之間的最佳匹配，并產(chǎn)生表面的密集點云表示。最后一步，對點云進行縮放和地理配準，并通過七參數(shù)Helmert 變換（1 個比例參數(shù)、3 個平移參數(shù)和3 個旋轉(zhuǎn)參數(shù)）將局部點云坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為實際坐標(biāo)系。最終可以基于密集點云生成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 個以上圖像覆蓋并且中心部分的照片覆蓋率遠高于研究區(qū)域邊緣。由于飛行高度低，照片覆蓋率高，該文獲得了平均點密度為910m-2的致密點云，并基于這種密集的點云生成了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，可以清楚地看到線性斷層軌跡并且還以無與倫比的細節(jié)進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 與激光雷達數(shù)據(jù)的比較

2.2.1 分辨率比較

基于密集點云，使用網(wǎng)格插值生成分辨率為3.5cm 的DEM，并與圖1 中的7m 分辨率機載激光雷達DEM 進行了比較。由于研究區(qū)域較大，2 個DEM 沒有明顯差異（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，可以清楚地觀察到SfM，而DEM 可以揭示更多分米尺度的細節(jié)，這些細節(jié)在機載激光雷達DEM中并不突出，因為它的分辨率要高得多（如圖4（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次要通道，這在激光雷達DEM 中很難識別。從SfM DEM 和激光雷達DEM 中導(dǎo)出的2 個地形剖面包括交叉斷層剖面?？梢杂^察到，激光雷達剖面相對平滑，而SfM 剖面顯示的微小細節(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，可以清楚地識別4 個通道，而激光雷達配置文件1 只能顯示其中的2 個通道，另外2 個較小的通道因激光雷達數(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，進而揭示了更多的超細地貌。就交叉斷層剖面（即剖面2）而言，SfM 剖面0 和激光雷達剖面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，其精度與機載激光雷達相當(dāng)，該文將在下面的試驗中進一步驗證。

圖4 SfM DEM 與激光雷達DEM 的比較

2.2.2 精度比較

該文在研究中進行了3 個比較試驗。第一個試驗是將SfM 點云與激光雷達點云進行比較，而不執(zhí)行ICP 算法。2個點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 個點云的共配準誤差造成的。第二個試驗是在執(zhí)行ICP 算法（如圖5 所示）后進行了比較。從中可以清楚地看到，在去除共配準誤差后，2 個點云之間的差異已經(jīng)大大減少。具體而言，62.6%的激光雷達點偏離最近的SfM 點（<0.2m），96.5%偏離距離小于0.4m。距離縮短了近一個數(shù)量級，這表明在比較2 個點云數(shù)據(jù)之前消除共配準誤差非常重要。此外，還可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的外邊緣存在較大偏差。這可能是因為外邊緣通常比中心區(qū)域覆蓋的圖像少，這大大降低了派生點云的精度，所以在無人機數(shù)據(jù)采集中，飛行范圍應(yīng)略大于實際感興趣選擇區(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，進而降低了獲取的無人機圖像的質(zhì)量。此外，由于陡峭傾斜的激光束的占地面積較大，激光雷達測量中的誤差也可能在陡坡上增加。

圖5 點云空間分布和直方圖

3 結(jié)論

該文對以低成本的基于無人機的SfM 攝影測量方法獲取斷裂帶地形進行了研究，并以現(xiàn)有機載激光雷達數(shù)據(jù)為基準，詳細分析了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)出平均點密度為910m-2，密度是機載激光雷達點云的近70 倍?；谶@種密集的點云生成了超高分辨率（3.5cm）DEM，可以揭示更多的在機載激光雷達DEM 中不突出的分米尺度細節(jié)。在精度方面，在使用現(xiàn)場測量的GCP 坐標(biāo)仔細地理配準并使用ICP 算法進一步減少共配準誤差后，62.6%的激光雷達點與最近的SfM 點偏離0.2m，96.5%偏離0.4m。考慮機載激光雷達數(shù)據(jù)本身的垂直誤差為0.2m，SfM 數(shù)據(jù)的精度與機載激光雷達數(shù)據(jù)的精度相當(dāng)，但成本和物流需求大大降低。因此，基于無人機的SfM攝影測量方法可以為機載激光雷達提供一種廉價、有效且靈活的替代斷層帶地形圖的方法。