基于无人机倾斜摄影测量的地表变形监测

毕皓婷 龙京建

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410114）

地质灾害调查、应急救援、矿山地表管理、边坡监测等工作都需要进行地表变形监测[1]。传统的地表变形监测基于大地测量手段完成，虽然测量方法得到的成果精度较准，但存在技术成本较高、测量时间较长；只能获得离散点位的变形成果而无法获得整体变形；卫星遥感时效性差、精度较低等缺点。无人机倾斜摄影测量技术可以高效便捷地采集大面积区域影像，获取的数据经过处理后可以建立三维模型，能够更全面地研究地表变化[2-4]。

文章研究采用低成本消费级无人机倾斜摄影方法采集地表空间信息，尝试通过建立数字地面模型求差快速获取测区地表形变信息。

1 倾斜摄影测量的基本概念

不同于传统的正射影像（从垂直向下角度拍摄地面），倾斜摄影技术通过垂直、倾斜等不同角度对地面采集影像，能够高效、完整地还原地物状况。垂直地面角度拍摄获取的一组影像为正片，镜头朝向与地面成夹角拍摄获取的影像为斜片。

倾斜摄影技术的特点包括[5]多角度观测地物，更真实反映地物现实情况；倾斜摄影影像可实现单张影像测量；有效降低地物三维建模成本；倾斜摄影技术获取的影像数据量小，便于实现共享应用。

2 变形监测试验

2.1 试验设计

以长沙市天心区长沙理工大学云塘校区工科三号楼及周边建筑作为研究对象，通过两次不同时刻的倾斜摄影，研究高程获取精度以及地表变形监测的可行性。

空中三角测量航线网模型绝对定向要求至少布置3个外业控制点，优先基于全站仪导线测量和四等水准获取测区内均匀分面的3个控制点坐标，控制点坐标与高程数据如表1所示。

表1 控制点坐标与高程数据

基于大疆无人机的3D“井”字模式，进行两次倾斜摄影测量，第一次飞行拍摄试验区域；第二次在试验区内随机分散放置3个具有一定高度（已知）的纸箱，模拟地表变形进行航飞拍摄。

内业处理过程中，优先对倾斜测量进行运算，构建三维模型[6]。在试验区域随机均匀地选择若干点，分别从两次测量模型的相同平面位置提取高程数据，对比同名点的两次高程，由不符值计算地表变形量的观测中误差，确定地表变形判断阈值。比较放置纸箱位置两次高程的变化与纸箱已知高度的不符值，对试验方法在地表变形监测方面的可靠程度作出定性分析。

2.2 倾斜摄影测量无人机外业

第一次航飞相机空中拍摄点分布如图1所示。

图1 第一次航飞相机空中拍摄点分布

试验使用大疆精灵Phantom 4 RTK进行倾斜摄影数据获取外业。试验选择的飞行模式为摄影测量3D（井字飞行）。主要摄影参数包括飞行高度75 m，GSD（地面分辨率）2.05 cm/像素，飞行速度设置为5.9 m/s，旁向重叠率设置为80%，纵向重叠率设置为80%，倾斜任务倾角设置为-60°。共进行两次航飞和拍摄，第一次针对测区进行飞行拍摄，测绘面积为1.9 万m2，共430张航摄相片；第二次在试验范围的东侧、南侧以及中间区域随机点放置具有一定高度的纸箱，模拟地表变形，测绘面积2.8 万m2，共438张像片。

2.3 实景三维模型的生成

本试验使用ContextCapture进行空三解算，生成实景三维模型。空中三角测量计算时，纳入表1中的3个地面控制点，设置纵横比和倾斜采用平差调整，其他参数设置为默认值，空三解算完成后得到模拟草图。在三维模型重建过程中，由于电脑硬件条件限制，建立模型时需要切块，采用规则平面网格（沿XY平面）划分为正方形的瓦片。第一次测量成果包括24个瓦片，用时8 h；第二次测量成果包括62个瓦片，用时9 h。ContextCapture模拟草图与测区三维模型重建结果如图2、图3所示。

图2 ContextCapture模拟草图

图3 测区三维模型重建结果

2.4 地表变形数据获取

使用CASS 10.1加载三维模型，可以从实景三维模型中量取空间坐标。试验随机选取9个点以及3个纸箱放置点，获得选取点位对应的两次摄影测量重建三维模型中的坐标和高程，对照无人机测量作业精度标准《数字航空摄影测量规范》（GB/T 23236—2009）发现，试验数据满足规范要求。试验中，同名点坐标及高程数据如表2所示。

表2 同名点坐标及高程数据 单位：m

3 试验结果

X1、X2、X3三个纸箱点所获取的高程变化准确反映了纸箱高度，说明基于试验方法可以得到较准确的地表高程变形量。

基于地表变形观测量的真误差可以确定进行地表变形观测时应当采取的地表变形判定阈值。由表2可得，所选点位两次测量的高程值。两次摄影期间环境没有改变，地面随机点的高差真值为0，2个纸箱处的高差真值可以认为是纸箱的已知高度，由此可以计算出12个点的变形值观测真误差。根据点位高程的真误差，可得试验的地表变形观测值中误差。同名点高程变形观测量真误差数据如表3所示。

表3 同名点高程变形观测量真误差数据 单位：mm

根据9个取样点和3个纸箱点的高程数据可得地表变形值测量的中误差（标准差）为±16.3 mm。根据概率统计理论，取3倍标准差为限值，得到地表变形观测量判定阈值约为±48.9 mm，取整为5 cm。因此，不同时期点位高程值在阈值内的变化可视为测量误差，否则可认为地表发生了形变。

4 结语

文章基于无人机低空倾斜摄影测量获取地面信息，通过放置纸箱模拟地表变形，分析了基于无人机低空倾斜摄影测量进行地表形变监测的可行性。试验结果表明，通过建立不同时刻的三维地面模型，可以获取同名点的空间坐标，进行地表变形监测，该方法可以快速高效地获取较大范围的地表形变量，使用无人机低空倾斜摄影测量进行地表形变监测具有一定的可行性。