无人机倾斜摄影及三维建模技术在地质灾害应急测绘中的应用

朱允伟，安平利，龚文俊

（北京荣创岩土工程股份有限公司，北京 100000）

基于无人机的低空摄影测量是航空摄影测量的重要补充，它具有“快速响应”的技术优势。随着无人机的技术进步和产品普及，它在摄影测量领域的应用日益深化和广阔。倾斜摄影测量技术因在三维立体建模方面的优势伴随我国城镇化的推进也取得了开放式发展。将无人机平台与倾斜相机结合的三维建模技术是当前的研究热点，它因低成本、高效快捷的生产效率在城市规划、资源开发、环境保护、地质灾害监测等方面得到广泛应用[1-3]。本文通过无人机搭载的倾斜相机采集数据，用三维建模软件处理数据，得到地质灾害发生区域的三维信息，可为应急救灾提供定量和定性数据分析服务。

1 无人机倾斜摄影测量简介

无人机有固定翼的，也有多旋翼的；通常来说，多旋翼的比固定翼的无人机飞的慢且低，更适合精度高且面积小的任务。作为传感器的相机，其核心是镜头。按镜头个数，常见二镜头、三镜头、五镜头相机。五镜头相机采集数据的效率最高，其笨重且尺寸大的缺点目前已得到很大改善，因此成为倾斜摄影的主流选择。一般情况下，优先选择光学性能强、轻巧、内存大、拷贝速度快、同步反馈功能强的相机。常用的SWDC-5相机就是五镜头相机，正下方一个正摄镜头，前后左右各一个倾斜镜头，倾角在40°～45°；集成了POS系统，便于确定位姿；各镜头可独立拆卸，按需搭配，使用灵活且易于维修。

倾斜摄影获取的数据信息丰富，包含侧面纹理信息，经加工可得到DSG、DLG等多类数据成果；以轻巧无人机为平台，可快速、高精度、低成本完成数据采集。倾斜摄影便于反映地物的实际外观状态，这是它和仅反映俯视状态的正射影像的最大区别；倾斜摄影便于实现基于单张影像的长度、面积等要素量测；倾斜摄影能做到对地物纹理的批量提取与镶贴，非常适合三维建模；倾斜影像的数据格式便于网络发布及共享。

无人机低空摄影测量技术，以获取高分辨率数字影像为应用目标，以无人驾驶飞机为飞行平台，以高分辨率数码相机为传感器，通过3S技术在系统中集成应用，最终获取小面积、真彩色、大比例尺、现势性强的航测遥感数据。无人机低空摄影测量主要用于基础地理数据的快速获取和处理，为制作正射影像、地面模型或基于影像的区域测绘提供最简捷、最可靠、最直观的应用数据。无人机具有灵活机动的特点，受空中管制和气候的影响较小，能够在恶劣环境下直接获取影像，即便是设备出现故障，也不会出现人员伤亡，具有较高的安全性。

无人机可以在云下超低空飞行，弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷，可获取比卫星遥感和普通航摄更高分辨率的影像。同时，低空多角度摄影获取建筑物多面高分辨率纹理影像，弥补了卫星遥感和普通航空摄影获取地质资料时遇到的遮挡物的问题。

尽管基于无人机平台的倾斜摄影测量存在低成本、灵活轻便、分辨率高、快速响应能力强等优点，但是存在易受气流影响飞行姿态不稳、影像重叠度高、像幅小、影像数量多且畸变大等问题。

倾斜摄影通过多视高重叠影像，辅以施测少量控制点，经影像匹配，获取点云，构建三角网TIN，通过纹理映射的纹理镶贴，可构建实景三维模型。由多镜头多角度获取的多视影像得到的三维实景模型具有直观且多方位的展示效果，在地质灾害应急处理中应用潜力巨大。它可作为电子沙盘，可以量测受灾范围，可以量化受灾程度，可以为灾害处理提供依据。

2 三维建模流程

基于无人机倾斜摄影技术的三维建模基本流程为：将倾斜相机组装在无人机上、根据区域设计航线、航测采集多视影像、几何校正与影像预处理、多视影像联合平差与密集匹配、生产DSM、TIN等数据产品、3D纹理映射、生成三维立体模型。其中关键技术是多视影像联合平差与密集匹配。

3 三维建模实例应用

3.1 研究区域与思路

选取的研究区域为北京市密云区某区域，面积约3.7km2，这里经常会发生岩石崩塌、泥石流等地质灾害，为此需加强灾害监测及相关数据采集与技术研究。研究的思路分为三步：先用无人机搭载倾斜相机采集数据，然后利用软件构建三维模型，最后基于三维模型进行地质灾害的定量与定性分析与评估。

3.2 选择无人机和相机

按需求，选择了一款多旋翼无人机。根据产品的要求精度及测区实际情况，确定相机、镜头，设计合适的影像重叠度。制作相机支架来连接相机与无人机。采用可独立拆卸的五镜头相机，一台正摄，焦距调为25mm；四台调为倾斜45°，前后左右各悬挂一个[4]。

3.3 航线设计

航线设计使用航线设计软件，软件可按指令生成飞行计划文件。航线设计的目的是选择最佳路径，要考虑外界环境条件和无人机的性能，要考虑相机参数、重叠度等因素。照准正下方的相机的参数是航高设计的依据。因此，要先确定出相机焦距，再计算航高。因测区地形起伏较大，为提高精度，将其分为2部分分别航测。第一部分为较平坦的区域，基准面的高程是197m，绝对航高是525m，航带长45km；第二部分为丘陵区域，基准面的高程是315m，绝对航高是643，航带长34km。倾斜摄影需要较高的影像重叠度，设计为航向重叠80%，旁向重叠70%[5]。

3.4 采集多视影像

在明确了需要进行的航飞任务后，需要进行现场勘查和设备检查，并进行空域飞行申请，使具备资质要求的人员实施无人机航测，采集多视影像。由于地质灾害发生后需要尽快实施应急测绘，具体天气情况不由人为选择，对施测人员来说，只能被动的根据当时的具体的天气状态来调整曝光参数。本次项目采用的八旋翼无人机，飞行速度慢，需多次飞行才能完成全区域覆盖。设置好每个相机对应的曝光点坐标，各相机就可以在无人机按航线飞行过程中自动拍摄。通过航测，获得了5个相机采集的5个方位的影像。采集影像时，同时记录航高、重叠度、坐标等信息。影像采集后，还需结合实地对照检查，舍弃不合质量要求的影像，该补测的地方就补测。并对合格的多视影像进行处理，使其匀光匀色。

3.5 多视影像联合平差与匹配

因为存在倾斜影像的缘故，必须采用多幅影像进行联合平差；平差中要注意各影像间的遮挡关系与几何变形，结合各影像的外方位元素，结合金字塔式多级匹配策略。无人机获取的多视影像的分辨较高、影像数量多，如何快速识别同名点，实现影像密集匹配是关键，目前多采用基于机器视觉的多基元匹配。影像匹配后，可进一步得到DSM、TIN模型等产品。

3.6 三维建模

人工三维建模效率低下，难以满足应急测绘的急迫需求，因此需借助自动建模软件。我们使用了Smart 3D软件，能自动建模，将经过处理的影像数据导入到该软件里，就可快速高效构建地形的三维的立体模型。具体的步骤为：新建一个工程；导入数据；控制点影像关联；打开引擎端，提交空三任务；提交重建任务；提交成果产品。

4 地质灾害分析

基于三维地形模型，可进行模拟分析，选取一定区域，进行数据量测，评估灾害程度。

4.1 量算受灾面积

在Smart 3D viewer中，我们可以直观的看清地形情况，选取有可能发生地质灾害的区域。在这里，我们将可能发生山体滑坡等灾害的裸土区域及少植被区域沿边界圈出范围。进而可以量算出区域面积。

4.2 计算受灾土方量

在选定的区域内，可看到高低起伏情况，三维模型带有明确的高程信息。选取一个较低点作为基准面，可计算出可能发生滑坡的土方量。

4.3 评估受灾程度

量算受灾面积、计算受灾土方量是定量分析；评估受灾程度是定性分析。定量分析是定性分析的基础。对受灾程度进行评估，首先要熟悉受灾区的情况，可通过三维模型直观了解。再通过定量分析计算出的数据确定影响范围和程度，进而确定危险等级，科学指导救灾。

5 小结

用基于无人机平台的倾斜相机多视影像来建立三维模型已是三维建模的重要方式，在地质灾害应急测绘中的应用越来越大，是发展趋势。在本次模拟试验分析中，可以明显看到三维实景模型的优势，以及无人机平台在数据采集上的轻巧与高效。无人机可以将传感器相机搭载到人不便到达的受灾区，结合多视相机镜头多角度大重叠度采集目标区地面影响，甚至在恶劣天气状态下依然可以完成任务，具有很强快速反应力，适合应急测绘。三维实景模型直观且具有一览性，便于量测、分析与评估，可作为电子沙盘用于指导救灾，是非常实用的地质灾害应急救援辅助工具。