无人机倾斜摄影在黄土地区泥石流灾害调查与评价中的应用

管建军，王俊豪，王双亭，赵 慧，金华丽石朴杰

(1.河南理工大学，河南 焦作 450000；2.中国地质环境监测院，北京 100081；3.中国地质大学(北京)，北京 100083)

无人机倾斜摄影在黄土地区泥石流灾害调查与评价中的应用

管建军1，王俊豪2，王双亭1，赵 慧2，金华丽3石朴杰1

(1.河南理工大学，河南 焦作 450000；2.中国地质环境监测院，北京 100081；3.中国地质大学(北京)，北京 100083)

本文针对传统地质灾害地面调查效率低、成本高，轻整体、重局部的不足，引入无人机倾斜摄影技术，以求弥补传统调查方法和手段的缺陷。首先阐述了倾斜摄影三维重建原理及“半定性半定量打分表”评价模型。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、DOM和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。对比地面调查数据，得出赵家沟泥石流易发性得分分别为86分，96分，易发性程度均为中等，无人机倾斜摄影开展黄土地区泥石流灾害调查与评价是可行的，获取的信息比地面调查数据更科学合理。

无人机; 倾斜摄影；三维重建；黄土地区；泥石流调查评价；对比分析

0 引言

在黄土地区开展流域面积较大、地形复杂、交通条件差的泥石流单体调查工作时，利用传统的人工调查方法，往往不能客观、全面的对泥石流形态进行辨识，很多泥石流受岸坡陡峭、岩土体松散等客观因素的限制，导致许多信息人工地面调查无法直接采集[1]，因此，现阶段迫切需要快速、全面、精准的新技术手段及时、高效的获取地质灾害信息。

目前，利用“3S(GPS,RS,GIS)”技术开展地质灾害调查已成为研究的热点领域，很多学者进行了深入研究并取得了一定成果。王利将高精度GPS监测技术用于地质灾害变形监测，为了解和掌握不同地质灾害变形规律和特征提供了更精确数据支持[2]；金鼎坚等对国内外使用较多的DP Grid，Pixel Grid，Inpho和DP Matrix无人机影像处理软件从功能、时间效率、成果质量和操作流程等方面进行了对比分析与评价，为地质灾害调查中DOM生成软件的选择提供了参考[3]；梁京涛等结合卫星影像、航空影像和无人机正视影像等多种数据源按不同时间序列对汶川震区高位泥石流发育特征的动态变化进行监测[4]；李亮等对比分析了灾前卫星影像、DEM和灾后无人机影像、DEM数据，利用地质解译和GIS技术提取相关信息，准确评估了关岭滑坡受灾情况[5]。

现阶段利用遥感技术在地质灾害方面的应用大多以卫星、航空影像为数据源，基于二维影像成果进行分析研究[6-7]，主要集中在灾后抢险救援、灾害损失评估、次生灾害应急调查与监测等方面[8]，用于灾前地质灾害单体调查与评估的研究并不多见，将无人机倾斜摄影技术用于黄土地区泥石流灾害调查与评价的相关研究较少。鉴于此，本文采用无人机倾斜摄影技术进行地质灾害调查与评估，通过处理生成的泥石流单体的真实景三维模型，DOM及DEM可快速、精确的获取所需信息，可快速、精确的获取所需信息，为泥石流灾害调查与评价提供了更加立体、宏观的视角，可充分弥补地面调查过程中轻整体、重局部的不足，最后结合野外地面调查数据对比分析，旨在探讨采用无人机倾斜摄影系统开展泥石流单体灾害调查与评估的方法与思路。

1 倾斜摄影三维重建原理

无人机倾斜摄影是集航空技术、材料科学、导航定位技术、测绘技术、微电子技术、自动化控制技术、计算机图像处理技术等于一体的新型摄影测量技术[9]。同时从一个垂直、多个倾斜(一般为四个)视角不仅可以获取地表地物顶部信息，还能获取立面详细的轮廓和纹理信息，改变了传统下视影像只能从垂直角度拍摄的局限[10]。无人机倾斜影像数据具有数据量大，畸变大，重叠度高的特点，倾斜摄影三维重建主要包括联合空中三角测量，多视影像密集匹配，点云处理及TIN网构建，纹理映射及多细节层次(Levels of Detail,LOD)显示等内容，无人机低空倾斜摄影数据处理流程见图1。

图1 无人机倾斜摄影三维重建流程图Fig.1 UAV oblique photography 3D reconstruction flow chart

联合空三采用自检校光束法区域网平差综合迭代求解下视和倾斜方向地面点的三维坐标、影像的内外方位元素和畸变参数，通过各平差单元模型光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地纳入到地面坐标系中，得到加密点成果[11]，从而建立起二维平面到三维空间的转换过程，核心基础方程如式(1)。

(1)

式中：x0,y0,f——影像的内方位元素；

XS,YS,ZS——影像外方位元素中的三个线元素，也是摄站点S的物方空间坐标；

x,yX,Y,Z——分别为像点的像方坐标和对应地面点的物方空间坐标；

ai,bi,ci(i=1,2,3)——影像的外方位元素中的三个角元素组成的9个方向余弦；

Δx,Δy——因镜头光学畸变引起的像点坐标畸变差。

恢复下视与倾斜相机在场景中曝光的位置与姿态后，通过相机各类参数对原始影像进行畸变纠正，消除因镜头光学透镜固有的透视失真产生的径向畸变(包含桶形畸变和枕型畸变)和因生产制造、安装上的缺陷导致镜头光学透镜不完全平行于图像平面而产生的切向畸变，获得无畸变影像。平差解算的稀疏三维场景点无法满足真实景三维模型的构建要求，需采用多视角密集匹配算法生成大量密集点云，为构建水密的三角网(TIN)提供充足的三维点，构网前需对密集点云进行滤波抽稀等处理，剔除误匹配的点，过滤数量较少、分布松散的点，以降低数据冗余，提高计算效率。

三维重建生成的TIN能较好的表达地表各种不规则复杂物体的内凹和外凸，有效还原地表地物的空间几何结构，要想得到真实景三维模型还需赋予相应地物的纹理特征。倾斜影像的大重叠度、大数据量的特点，决定了纹理映射时大多数TIN都对应多张影像的相应纹理，根据摄影测量原理需将每一个TIN投影到影像上，进行可见性分析，根据一定原则(如面积最大、法向量钝角最大等)优选出最佳纹理反投影到模型上[12]，最后对三角面片上的纹理采取匀光、匀色使其接边处色彩过渡自然，并采用多细节层次技术(LOD)减少每次加载数据时的计算时间，提高分层快速浏览的效率。

2 泥石流易发性评价模型

泥石流发生突然，诱发因子多变，加之不同地区地形地貌、气象环境、人工活动等状况不同，导致各地域泥石流发生的风险程度也各不相同[13]。本文针对黄土地区特殊的地形地貌特征，采用“半定性半定量打分表”评价模型(表1)对黄土地区赵家沟泥石流易发情况进行评价，该“半定性半定量打分表”评价模型为地质灾害专家与学者长期的研究、实践与经验总结，该评价模型集群体智慧采用层次分析法优选出15项评价因子，每一因子量分为严重(A)、中等(B)、轻微(C)、一般(D)四个等级，每一项评价因子对泥石流易发程度的影响均赋予不同的权重，每一项评价因子依据不同的权重和量分等级有不同的得分，总分130分，最终总得分为各评价因子得分之和。根据总得分可将泥石流易发性划分为严重(>114)、中等(84～114)、低(40～84)、不易发(<40)四个等级。

3 赵家沟泥石流应用实例

3.1 研究区概况

赵家沟泥石流位于甘肃省临夏回族自治州广河县城关镇赵家村，地处黄土高原向青藏高原过渡，陇中黄土高原西南的临夏盆地内，属深切割的黄土丘陵沟壑区。该区位于祁吕贺“山”字形构造体系的祁吕弧形褶皱带西翼和河西构造体系的复合部位，区内以堆积-侵蚀的黄土丘陵地貌类型为主，海拔高度一般在2 000～2 500 m之间，相对高差一般在150～220 m。区内由隆起的第三系红土及面覆其上厚度不等的第四系黄土层组成；次级构造较为发育，主要由临夏-临洮坳陷带和三甲集-虎关隐伏隆起组成，新构造运动的总体特征以振荡性上升为主，赵家沟泥石流区域地形地貌及地理位置见图2。

广河县年平均气温6.4℃，最高气温32.6 ℃，最低气温-21.6 ℃；年平均降水量493.5 mm，多年降水量400～650 mm。区内7～9月降水量占全年降水量的59%，具有降雨时间短、强度大的特点，此为引发区内泥石流灾害的主要原因之一。

3.2 数据获取与处理

本次实验数据获取采用了AC1100六旋翼电动无人机，其使用了碳纤维复合材料，集成稳定云台搭载五镜头倾斜相机，具有体积小、质量轻、操控简便、起降要求低、转场灵活、运输方便等特点，通过飞行控制系统实现定点等距曝光，自动采集遥感影像及曝光时刻的POS数据，为遥感影像数据的快速处理提供初始值，无人机及载荷主要技术指标见表2。

表1 泥石流“半定性半定量打分表”评价模型

图2 赵家沟泥石流区域地貌及地理位置图Fig.2 Geomorphic and Geographic Location Map of Zhaojiagou Debris Flow

AC1100无人机性能指标倾斜相机相关参数飞行升限1500m相机型号索尼DSC-QX100控制半径2000m传感器尺寸132×88作业高度100～400m像元大小241um续航时间常温常压下载重22kg续航约30min图像分辨率5472×3648最大升降速度6m/s单镜头有效像素2020×104巡航速度10m/s焦距f104mm悬停精度垂直方向+1m，水平方向+2m侧视镜头倾斜角45°飞行效率05km2/架次(01m地面分辨率)视场角65°×46°

赵家沟泥石流区域具有地势险要、地形起伏大、沟道较长的特点，为保证影像地面分辨率大体一致减小后续影像特征点提取及匹配困难，实验飞行相对航高保持350 m，航向与旁向重叠度均为75%，依据泥石流沟道走向及海波高度，采取阶梯式航红规划，从低向高(北向南)依次渐进飞行10个架次，航线规划见图3。

图3 赵家沟泥石流航线规划图Fig.3 Route plan of debris flow in Zhaojiagou

本次航拍共获取赵家沟泥石流1 465张影像，检查影像，无漏拍现象，剔除飞行转弯过程中变形拉花较大的影像[14]。整理数据采用Context Capture数据处理系统对获取的影像进行三维重建，该数据处理系统具有较好的容错性，对POS数据精度要求不高，能大数据量的处理非量测型相机获取的影像，本次数据处理得到的赵家沟泥石流模型见图4。

图4 赵家沟泥石流三维模型Fig.4 3D model of debris flow in Zhaojiagou

4 赵家沟泥石流信息提取与分析

赵家沟泥石流信息提取主要包括对该泥石流灾害隐患体进行解译，获取灾害隐患体的空间属性数据[15]，包括定性分析与定量计算，并结合“半定性半定量评分表”评价模型建立灾害隐患体空间属性数据库。通过倾斜摄影三维重建得到分块DOM和DSM，经DOM拼接得到赵家沟泥石流完整DOM，其解译结果见图5(a),图5(c)。

分块DSM经拼接生成研究区完整DSM，进一步生成等高线，通过构网算法生成TIN，最后由TIN网经线性插值和最邻近重采样生成2 m×2 m格网DEM，如图5(b)。结合生成的DEM，按泥石流沟道走向沿纵向中心线(图5中黄色的线)绘制其主沟道、支沟1和支沟2地形剖面图见图6。

(1)定性分析：初步判定赵家沟泥石流为暴雨沟谷型泥石流，形态大致呈“树叶”状，整体发育1条泥石流主沟和2条大的支沟，总体呈南北向展布，横断面形态呈“V”字型。由地形剖面图6可知沟域内地形陡峻，沟谷上游和支沟纵坡较大，为水源和面蚀物源的汇聚提供了有利的地形地貌条件。通过图4模型观察，该泥石流地层表面主要出露坡积物和黄土，四周植被覆盖较好，坡面及下游为底有人工切坡造田，耕地面积比重较大，易造成土质松散，强降雨下容易提供物源。区内沟坡冲沟发育较多，有利于降水的汇集，边坡多浅层小滑坡和崩塌，不良地质现象中等，沟道弯曲，沟底一定程度能减缓泥石流动能，堆积区冲积扇由于人类工程活动改造已不明显。

图5 DOM与DEM解译图Fig.5 DOM and DEM interpretation diagram

图6 主沟道，支沟1、支沟2纵剖面图Fig.6 Main channel, branch 1, branch 2 longitudinal profile

图7 基于三维模型的立体测量Fig.7 3D measurement based on the three-dimensional model

(2)定量计算：DEM与DOM叠加构建三维场景可进行定量数据量测，为体现倾斜摄影快且高效的特点，本文直接基于实景三维模型在3维GIS平台上立体量测所需数据(图7)。通过三维模型结合图5(a)解译的汇水区，该泥石流总汇水面积约1.36 km2，主沟、支沟1及支沟2汇水面积分别约为0.79 km2，0.3 km2和0.27 km2。量测沟道两侧岩坡长度及高差共10组数据，反涌计算岸坡坡度其平均坡度约为26°，同一横断面最大高差约180 m。区域内物源区最大高程为2 275 m，堆积区最小高程为1 985 m，相对高差285 m。其中物源区长度约1.95 km，流通区长度约0.21 km，主沟长度约2.16 km，堆积区长度约0.54 km，该泥石流主沟道纵坡降为131.9‰，补给段长度比为90.28%；支沟1及支沟2长度分别为770 m、1 235 m，高差分别为200 m，230 m，支沟1及支沟2纵坡降分别为259.7‰，186.2‰。根据泥石流分水岭提取其汇水区DOM，采用与持向量机(Support Vector Machine, SVM)分类方法分类并统计，得其植被覆盖率为66.8%。

5 赵家沟泥石流易发性评价和对比分析

5.1 赵家沟泥石流易发性评价

依据上述对该泥石流灾害隐患体的分析与量测，计算得出“半定性半定量打分表”评价模型中的影响因子得分见表3。

表3 基于三维模型信息提取的泥石流综合评判结果Table 3 Comprehensive evaluation results of debris flow based on the 3D model information extraction

倾斜摄影方法在提取松散物平均厚度、冲於变幅信息上存在困难，本文采用黄土地灾调查专家给出的经验值；通过泥石流实景模型能判断地表出露岩层，结合冲沟冲蚀深度可间接估算出露厚度，但内在岩层无法判断，岩性因素与新构造影响本文结合区域地质图等资料综合判断。通过对倾斜摄影提取的信息进行分析计算，赵家沟泥石流总得分为86分，其易发性为中等。

5.2 结合地面调查数据对比分析

地面调查数据主要通过手持GPS，地质锤，地质罗盘，测距仪等设备采集相关信息录入地质灾害野外调查数据采集系统[16]，该系统分为两个部分，一是基于Android的便携式移动终端，可导入遥感影像、地质图、矢量文件等多种数据供野外信息采集参考；另一部分为室内录入系统，负责移动终端采集的调查表、实体勾绘、平剖面图、调查线路等数据的格式转换与整理。基于常规地面调查采集的数据信息(表4)评判总得分为96分，其易发性为中等。

综上，通过对比分析可知：(1)在定性判断上，两种方式判断结果接近。在堵塞程度、岩性因素、不良地质现象等因子的判断上，地面实地调查结果更为真实可靠；对沟槽横断面、沟口扇形地等影响因子的判断上基于实景三维模型能从宏观上更加直观的把握。植被覆盖率野外通过估测其概数，而倾斜摄影手段通过分类将其精确定量化。(2)在定量计算上，如补给段长度、主沟纵坡降、相对高差、汇水面积等方面两种方式存在一定差异，笔者认为基于倾斜摄影提取的信息更加科学合理。分析其原因，基于倾斜摄影通过三维GIS平台立体测量类似将该泥石流灾害隐患体整体缩小“搬运”到电脑屏幕上进行分析，不受相关因素制约，能全方位客观、准确反映实际真实情况，而人工地面调查受现场通视条件、复杂地形因素影响并不能较好的在野外全面、精确的提取对应信息。

6 结论

本文在充分收集调查区的自然地理背景、区域地质环境条件等资料的基础上，利用无人机倾斜摄影系统开展了赵家沟泥石流地质灾害的调查与易发性评价工作，可得以下结论：

(1)以赵家沟泥石流为例，无人机倾斜摄影能为黄土地区泥石流灾害调查与评估提供客观、准确、现势性强的解译信息，能提高调查工作效率，降低成本。

(2)基于“半定性半定量打分表”易发性评价模型，通过倾斜摄影提取的信息与地面调查的数据，赵家沟泥石流易发性评价结果分别为86分、96分。虽易发程度均为中等，但前者的评价结果更科学合理。

表4基于常规地面调查信息的泥石流综合评判结果
Table4Comprehensiveevaluationresultsofdebrisflowbasedonconventionalgroundsurveyinformation

(3)通过两种方式对赵家沟泥石流易发性的判断，在强降雨、地震等诱发因子下易引发泥石流灾害，该泥石流沟口下游正对赵家村，建议加大监测力度，纳入重点防治名单。

(4)后续调查研究可以考虑将两种方式结合，充分利用两者的优势，互相补充，无论是宏观还是微观上做到“定性”恰当，“定量”准确，为灾害预测、成灾机理的研究提供更全面、更客观、更精准的数据支撑。

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ApplicationofUAVobliquephotographyininvestigationandevaluationofdebrisflowdisastersinloessarea

GUAN Jianjun1, WANG Junhao2, WANG Shuangting1, ZHAO Hui2, JIN Huali3, SHI Pujie1

(1.HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,Henan450000,China; 2.ChinaInstituteforGeo-environmentalMonitoring,Beijing100081,China; 3.ChinaUniversityofGeoscience,Beijing100083,China)

Due to the shortcomings which include low efficiency and high cost of the traditional artificial field geological disaster investigation and more attention on parts with less focus on the whole,in this paper, the oblique photographic technology of UAV is introduced to make up the deficiency of traditional investigation methods and means. Firstly, the 3D reconstruction principle of oblique photography and the evaluation model of semi-qualitative semi-quantitative scoring table are expounded.The Zhaojiagou debris flow in loess area is taken as the object of this study, based on the 3D model, DOM and DEM generated by three-dimensional reconstruction, the qualitative information, such as stratigraphic lithology, poor geological phenomena, etc,were extracted,the quantitative evaluation factors,such as watershed area and longitudinal slope, etc, were analyzed and calculated.Compared with ground survey data, it is concluded that the score of Zhaojiagou debris flow is 86 points, 96 points, and the degree of vulnerability is medium.Based on UAV oblique photographic,the investigation and evaluation of debris flow disaster in loess area is feasible,information is more scientific and reasonable than ground survey data.

UAV; oblique photography; 3D reconstruction; loess area; debris flow survey and evaluation; comparative analysis

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.22

P642.23

A

1003-8035(2017)04-0137-09

2017-08-29;

2017-10-12

中国地质环境监测院地质调查与地质监测项目：唐王川幅地质灾害调查评价(中地环项[2017]DD0402)；河南省基础前沿项目(132300410118)

管建军(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为无人机倾斜摄影三维重建及其应用。E-mail：guan2015@126.com

王俊豪(1987-)，男，硕士，主要从事灾害地质、水工环地质等方面的研究工作。E-mail: wangjh@ mail.cigem.gov.cn