无人机倾斜摄影技术在地质灾害调查监测中的应用

薛跃明　黄喆　张鸣之　石爱军　马娟

【摘 要】本文基于无人机倾斜摄影测量技术的特点，介绍了无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害调查中的应用，以四川省凉山彝族自治州美姑县牛牛坝乡为试验区，证明了无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害调查中的适用性，分析了其优点以及不足，并对在地质灾害调查领域中的应用前景时行了展望。

【关键词】倾斜摄影 地质灾害 无人机 遥感

倾斜摄影是近年来发展起来的一种机载多角度倾斜摄影技术，它将传统航空摄影技术和数字地面采集技术结合起来，通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器同时从多个角度采集地面影像从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性，能够更加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射影像的不足。

倾斜影像是指由一定倾斜角度的航摄相机所获取的影像。倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息[1、2]。常用的影像数据主要来源于垂直角度或倾角很小的航空或卫星影像，这些影像大多只有地物顶部的信息特征，缺乏地物侧面详细的轮廓及纹理信息，不利于全方位的模型重建和场景感知。

1 倾斜摄影成像原理

倾斜摄影是摄影机主光轴明显偏离铅垂线或水平方向并按一定倾斜角进行的摄影[3]。倾斜摄影装置是一种机载装置，其特征包括：5台高空间分辨率面阵数码相机，以一定角度安装在航空摄影稳定平台上。该高空间分辨率面阵数码相机摄影装置包括下视相机，前视相机，后视相机， 左视相机，右视相机。下视相机为垂直摄影，用于制作DEM，正射影像。前视相机、后视相机、左视相机和右视相机都为倾斜摄影，用于获取地物侧面纹理影像，倾斜角度在15-45°之间。相机之间通过时间同步装置进行成像时间精确对准；由姿态测量装置提供影像姿态和位置参数。具有计算机控制系统和数据存储装置，负责对以上部件进行数据采集控制，发送同源触发信号启动该多台面阵相机，实现同步数据采集以及存储维护。通过相应的倾斜影像数据处理软件，对采集到的倾斜影像进行预处理，包括调色、纠偏、校正、镶嵌、融合等等系列处理，形成符合应用需求的倾斜影像数据产品。

倾斜影像特点：

（1）反映灾害体周边真实情况。相对于正射影像，倾斜影像能提供多角度观察地物，更加真实的反映灾害体的实际情况，极大的弥补了基于正射影像应用的不足。

（2）倾斜影像可实现单张影像量测。通过影像后处理软件应用，可直接基于影像成果进行包括高度、长度、面积、角度、坡度、剖面等的量测以及堆积体体积的计算，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。

（3）数据量小易于网络发布。相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。

2 倾斜摄影在野外地质灾害调查中的应用

2.1 相关参数

此次实验无人机搭载5个索尼DSC-QX100数码相机用来获取前、后、左、右以及垂直方向的图像，成像架构如图1所示，搭载GPS/IMU设备获取曝光时刻无人机实时地理位置（X、Y、Z坐标）及无人机状态参数。

无人机及搭载数码相机的相关参数如下：（1）飞行高度350m；（2）相机焦距10.4mm；（3）相机传感器尺寸5472*3648像素；（4）航向与旁向重叠度均为75%。

2.2 倾斜摄影数据处理

本次实验区域为四川省凉山彝族自治州美姑县牛牛坝乡一处滑坡隐患点，共利用四悬翼无人机飞行五架次，影像完整覆盖该隐患点，通过后期数据筛选，剔除不良数据以提高数据处理效率，最后保留图片共计2065张。

本次实验采用Pix4d mapper软件进行影像处理，Pix4d mapper是一款集快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像处理软件，无需太多专业知识，能自动获取相机参数及GPS/IMU数据，自动生成Google瓦片及带纹理的三维模型[5]。

数据处理流程如图2所示。

在Pix4d中新建工程，结合pos数据对输入图像进行预处理和全自动影像匹配，根据匹配结果剔除误差较大的影像，软件对图片进行大量的特征点的计算提取，对获取的特征点再采用多视角匹配同名点，然后反向解算出每张图片的空间位置还有图片的姿态角度，从而确定图片间的关系，作为解算的中间结果，用户可以查看整个航带的飞行情况、空三点的位置密度（图3）、每张图片的相对位置还有覆盖的范围、方位等相关信息。

软件通过空三加密计算不规则三角网，并由此生成三维模型，然后通过三维模型，选择合适的图片进行纹理贴合，得到纹理相对逼真的实景三维模型，对于地质灾害应用输出数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）（图5）以及包含地表纹理信息的正射影像图（图4）以分析引发灾害发生的成灾因子。

由Pix4d软件处理得到的数字表面模型，通过GIS空间分析，进而可以得到引发灾害发生的一些成灾因子的定量信息，如坡度（图6）、坡向（图7）等，对倾斜摄影形成的正射影像通过室内人机交互式解译与野外验证手段，可以完成对区域内地质灾害的解译[6]。

3 结语

无人机倾斜摄影技术是近几年发展起来的低空摄影测量技术，其在地质灾害调查和监测领域应用处于起步阶段，应用深度和广度还有待于进一步拓展，其高分辨率和高机动性是其它遥感技术无法比拟的，无人机倾斜摄影技术可以广泛用于地质灾害调查、监测、预警、评估以及地质灾害应急现场处置等。无人机倾斜摄影测量技术虽然实现数据自动化处理，由于航向及旁向重叠率大，即使很小区域覆盖也需要很大数据量，处理过程相当耗时，对计算机软硬件有较高的要求高，研究无人机数据快速处理系统以及灾害快速分析解译技术，可以有效提高无人机倾斜摄影的实用性和实效性，促进无人机遥感技术在地质灾害调查监测与地质灾害应急领域的广泛应用。

参考文献：

[1]吴振宇.无人机遥感技术在地质灾害调查中的应用[J].宁夏工程技术，2012.11（2）.133-136.

[2]李定松.无人机技术在地质灾害监测中的应用[J].北京测绘，2015.4.76-78.

[3]尹杰.基于无人机低空遥感系统的快速处理技术研究[J].测绘通报，2011.12. 15-17.

[4]金鼎坚.面向地质灾害调查的无人机遥感影像处理软件比较.国土资源遥感[J]，2016.1（28）183-189.

[5]张学之.利用LiDAR/倾斜后影技术实现三维城市快速建模的方法研究[J].测绘与空间地理信息.2015.3（38）.47-49.

[6]胡文艺.岷江流域无人机遥感影像拼接及灾害信息提取.物化探计算技术[J].2012.3（34）340-343.