無人機攝影測量在北京“23?7”暴雨地質災害調查中的應用

摘 要：無人機傾斜攝影測量技術因其效率高和操作性強等特點在地質災害防治領域具有明顯優(yōu)勢。2023年7月，受臺風杜蘇芮殘余環(huán)流影響，北京市出現(xiàn)災害性特大暴雨天氣，門頭溝區(qū)短時暴雨引發(fā)山洪地質災害?；跓o人機傾斜攝影技術，以門頭溝區(qū)小龍門村為例，構建三維實景模型，分析暴雨前后地質災害的特征。實踐證明，基于構建的三維實景模型，能夠快速了解受災區(qū)域的實際情況，滿足地質災害快速調查工作的任務要求。根據(jù)門頭溝區(qū)小龍門村實景三維模型信息，快速掌握北京“23·7”特大暴雨前后地形地貌變化及地質災害情況，大大提高災害處置效率，助力實景三維模型在地質災害調查和監(jiān)測中的應用。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；地質災害；北京“23·7”暴雨

Application of UAV oblique photogrammetry in surveys of geo-hazard caused by “23·7” heavy rain in Beijing

GUI Weizhen1， LIU Yang2， XU Qiang3

（1.Beijing Polytechnic College. Beijing 100042，China;

2.Shandong "Water Conservancy Vocational College， Rizhao 276826， Shandong， China;

3.Shandong Geological Surveying and Mapping Co.， Ltd.， Jinan 250001， Shandong， China）

Abstract： The oblique photogrammetry technology of UAV （unmanned aerial vehicle） is widely used in geological hazard surveys because of its high efficiency and strong operability. A severe heavy rain hit Beijing in July 2023 under the influence of the residual circulation of Typhoon Du Suri. Geological disasters occurred in Mentougou District due to the short-term heavy rain. Based on the UAV oblique photography technology， this paper takes Xiaolongmen Village in Mentougou District as a case to build a 3D real scene model to analyze the characteristics of geological disasters before and after heavy rainfall. The results prove that the 3D reality model can quickly understand the actual situation of the disaster area and meet the task requirements of the rapid geological disaster investigation. It can quickly master the topographic and geomorphologic changes and geological disasters before and after the heavy rain in Beijing， greatly improve the efficiency of disaster reduction， and help the application of 3D model in geological disaster investigation and monitoring.

Keywords： unmanned aerial vehicle; oblique photogrammetry; geological hazard; “23·7” heavy rain in Beijing

隨著無人機傾斜攝影測量技術的迅猛發(fā)展，利用無人機對邊坡進行攝影并構建三維實景模型，高效獲取邊坡真實的三維點云數(shù)據(jù)，對地質災害快速調查及監(jiān)測具有重要應用價值。無人機傾斜攝影測量技術可以實現(xiàn)高精度、高效率、高還原度的地物三維建模，直觀獲取地形地貌的圖像及數(shù)據(jù)資料，相比傳統(tǒng)調查手段，具有價格低廉、非接觸式測量、普適性強且操作簡便等優(yōu)勢（許強等，2019；王宇昊等，2023；邱錦安等，2022）。

無人機傾斜攝影測量技術能夠快速準確地測量并構建目標物的三維模型，在許多行業(yè)中得到廣泛應用，如數(shù)字城市建設（李鎮(zhèn)洲等，2012）、建筑信息管理（臧偉等，2016）和古建筑保護（陳斯亮，2017）等。Zhao等（2021）利用傾斜攝影生成含有不同壩點云的三維模型，比較驗證其模型精度，并對生成的距離云圖開展誤差評估。趙博等（2021）在開展北京市地質災害調查過程中，利用傾斜攝影技術建立了高精細三維模型。無人機攝影測量技術能夠有效地獲取高陡邊坡中的巖體結構面特征，以此構建三維邊坡結構模型，為崩塌等地質災害機理研究奠定基礎（葉震等，2020）。此外，基于無人機傾斜攝影測量技術構建的三維實景模型，結合Rockfall和CAD等軟件，可快速評估邊坡的穩(wěn)定性或危巖體落石等的運動特性（賀鵬等，2021）。

北京市地質災害主要集中在遠郊山區(qū)。北京山區(qū)面積占比超過六成，受地質條件復雜、斷裂構造發(fā)育、降水時空分布不均以及人類工程活動頻繁等影響，地質災害較為發(fā)育，具有規(guī)模小、點位廣、危害大等特點（齊干等，2019；南赟等，2020；葉澤宇等，2023；李巖等，2023；郭英，2023）。2023年7月，受臺風杜蘇芮殘余環(huán)流影響，北京市出現(xiàn)災害性特大暴雨天氣，門頭溝區(qū)短時暴雨引發(fā)山洪地質災害（李曉瑋等，2024；趙丹凝等，2024）。本研究采用無人機傾斜攝影技術，以門頭溝區(qū)小龍門村為例，基于災害發(fā)生前后采集監(jiān)測的三維數(shù)據(jù)，分析暴雨前后地質災害的影響特征，助力實景三維模型在地質災害調查和監(jiān)測中的應用。

1 "研究方法

1.1 "無人機攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術是利用無人機搭載攝影傳感器，從垂直、傾斜的不同方向和角度對地表物體同步開展影像數(shù)據(jù)采集，根據(jù)獲取的二維影像數(shù)據(jù)重構獲取空間區(qū)域的三維模型，以實現(xiàn)地表物體的坐標、尺寸以及外觀等屬性的表達。在無人機作業(yè)過程中，設定與測量區(qū)域的固定飛行高度，使得測量傳感器與目標保持恒定高差，根據(jù)測區(qū)地形自動生成變高航線，保持地面分辨率一致從而獲取更好的數(shù)據(jù)效果。

1.2 "無人機平臺介紹

本研究采用的無人機平臺為經(jīng)緯 M300RTK，采用“下置旋翼”技術，機動性能強，平臺機身6個面同時引入雙目視覺和紅外傳感器，真正實現(xiàn)全向感知和避障。無人機最大續(xù)航時間55 min，可承受最大風速12 m·s-1，可在-20 ℃～50 ℃溫度環(huán)境下工作。平臺搭載Zenmuse P1單鏡頭（圖1右）進行災前攝影，配備4 500萬像素全畫幅傳感器，最短連續(xù)拍照間隔0.7 s，單架次作業(yè)面積可達3 km2，航測時通過三軸云臺擺動實現(xiàn)多角度拍攝。平臺搭載PSDK102S V3五鏡頭（圖1左）進行災后攝影，賽爾自研的S-OPG測繪影像控制系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)成像、參數(shù)設置和位置計算等多功能于一體，5個測繪影像傳感器超過1.2億有效像素像。PSDK102S V3正射視角最小對焦距離可達10 m，在對焦范圍內，可實現(xiàn)2 mm分辨率超高精度三維數(shù)據(jù)采集。

）

1.3 "工作流程

采用無人機傾斜攝影技術獲取災前災后地物景觀三維空間數(shù)據(jù)，主要分為無人機外業(yè)飛行和數(shù)據(jù)處理兩大部分。外業(yè)飛行主要包括現(xiàn)場踏勘、航線設計、基站布設和飛行攝影等。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理和實景三維模型構建等。工作流程如圖2所示。

為提高圖像量測和三維模型的精度，在數(shù)據(jù)預處理過程中，對傾斜影像進行勻色處理，在單張航片不偏色的前提下，保證整個測區(qū)整體色調的一致性，并且采用航攝儀器技術參數(shù)鑒定報告中的畸變差參數(shù)對影像進行畸變差校正（圖3）。

傾斜攝影數(shù)據(jù)空中三角測量使用多視角聯(lián)合平差，聯(lián)合平差需要充分考慮影像之間的幾何變形和遮擋關系，將垂直下視影像和傾斜影像進行混合平差?；贑ontext Capture軟件，可以模擬包括傾斜影像在內的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級影像上進行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點匹配結果。

數(shù)據(jù)預處理完成后，實景三維模型構建數(shù)據(jù)處理流程（圖4）如下：

1）根據(jù)作業(yè)區(qū)實際范圍，劃定建模區(qū)域，以作業(yè)區(qū)域中心點為原點，自動進行分塊；2）對分塊內包含的所有立體像對進行點云匹配計算，生成高密度點云數(shù)據(jù)；3）處理高密度點云數(shù)據(jù)，構建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）；4）根據(jù)TIN網(wǎng)中每個三角形的空間位置從影像中獲取與模型相對應的紋理，進行模型核查與修改，直至構建完整的三維模型。

2 "門頭溝“23·7”暴雨前后應用實例

2.1 "研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)小龍門村，海拔約860 m，面積約17.2 km2。該區(qū)地處靈山東南側谷地，山高谷深，植被繁茂，在“23·7”降雨過程中，村落地表景觀受到不同程度破壞。

2.2 "無人機數(shù)據(jù)獲取

小龍門村是在山谷中建村，呈狹長條帶狀，兩側山地高低起伏較大，在確定航測范圍后進行航線規(guī)劃（圖5），選擇仿地飛行的方法，航線長邊與測區(qū)一致，減少轉彎次數(shù)，保證無人機的續(xù)航時間。兩次飛行的時間分別是2023年4月和2023年11月。在保證地面分辨率的情況下，飛行高度140 m，地面平均分辨率（GSD）約為2.2 cm·pixel-1，飛行速度12 m·s-1，主航線角度為335°，重疊率設計為航向重疊率80%，旁向重疊率70%。

2.3 "數(shù)據(jù)生成及三維建模

基于無人機外業(yè)飛行獲得的數(shù)據(jù)，借助Context Capture三維建模軟件，對數(shù)據(jù)進行預處理、空三加密、模型構建、三維模型修改、檢查及整理提交、上傳至應用平臺。模型構建采用分塊計算，自動選擇不同視角上的最佳像對模型，生成三維尺度的密集點云。點云自動轉換為不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型，基于內在幾何關系，將TIN模型進行平滑和優(yōu)化。根據(jù)三維TIN的空間位置信息，獲取最佳視角影像紋理，自動賦予模型紋理，輸出obj格式三維模型成果（圖6）。

2.4 "地質災害特征分析

基于無人機傾斜攝影測量技術，構建三維實景模型，可以直觀地獲取研究區(qū)域的地形地貌和植被覆蓋等信息，清晰地反映災害發(fā)生前后的形態(tài)、環(huán)境及地理信息要素的變化特征。通過構建的三維模型，根據(jù)地貌結構、形態(tài)、顏色等信息，獲得地物影像資料，提取出地物狀況的平面影像，全面地反映出暴雨前后地物的差異特征。如圖7所示，在無人機三維實景模型上可以清晰發(fā)現(xiàn)暴雨前后地物景觀的破壞情況，主要表現(xiàn)為公路邊坡的垮塌（圖7 a）、護岸的損毀以及植被的傾倒現(xiàn)象（圖7 b），暴雨過后，泄洪道岸坡?lián)p壞并伴有大量泥沙淤積（圖7 c）。地形較陡處局部發(fā)生滑塌、坍塌現(xiàn)象，降雨沖刷導致邊坡形成沖溝（圖7 d），沖溝兩側存在明顯的堆積體，植被的固土作用十分明顯，茂密的植被覆蓋區(qū)減緩了邊坡巖土體的滑塌。

3 "結論

本研究運用無人機傾斜攝影測量技術，快速掌握地質災害防治區(qū)域真實狀況，并以“23·7”北京特大暴雨前后門頭溝區(qū)小龍門村為例，構建三維實景模型，分析了暴雨前后地形地貌變化特點及地質災害監(jiān)測結果。研究表明：無人機傾斜攝影測量技術在地質災害調查及監(jiān)測方面具有重要應用價值?；跇嫿ǖ娜S實景模型，能夠快速了解受災區(qū)域的實際情況，提高工作效率，可以很好滿足地質災害快速調查工作的任務要求。根據(jù)門頭溝區(qū)小龍門村實景三維模型信息，快速掌握北京“23·7”特大暴雨前后地質災害發(fā)生及破壞情況，分析了植被覆蓋對災害發(fā)育的影響，同時為高效開展災后重建奠定堅實基礎。

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收稿日期：2024-03-10；修回日期：2024-09-29

基金項目：北京市教委科技計劃項目（KM202210853001）資助

第一作者簡介：桂維振（1986- ），男，碩士，副教授，主要從事無人機測繪及應用方面的教學與研究工作。E-mail：guiweizhen1029@126.com

引用格式：桂維振，劉陽，徐強，2024.無人機攝影測量在北京“23·7”暴雨地質災害調查中的應用［J］.城市地質，19（4）：448-453