基于无人机摄影测量技术分析大型工程机械地震应急适用性

2018-04-27高博伟张涛2陈莉李静曲旻皓

防灾科技学院学报 2018年1期

高博伟张涛2陈莉李静曲旻皓

（1.中国地震应急搜救中心，北京 100049；2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

大型工程机械在地震救援中能够发挥非常重要的作用，以2008年汶川地震为例，近千台大型工程设备在抗震救灾行动中，发挥了重要作用［1］。其中，凿岩机和卷扬机，可直接参与地震救援行动，与目前地震救援队常用的便携式救援设备相比，其优势在于功率更高，实现单一目标的效率更高，其劣势在于对现场环境的要求较高，主要表现在这种大型工程机械，通常需要一个较大的机械底盘作为保障其功能模块正常工作的动力源及运输载体，通常机械底盘通过机械臂与其功能模块相连接并传输动力，并将功能模块伸展至目标区域进行作业。地震救援现场环境复杂，垮塌严重的建筑物，现场混乱的秩序以及可能出现的余震，使得大型工程机械的作业环境无法得到有效保障［2］。作业目标区域的位置可能出现在地震废墟的各个位置，这对大型机械的功能提出了一定的需求，大型工程机械的作业半径和作业高度与其重量级存在一定程度的正相关，重量越大，则机械体积越大，在地震救援现场可能受制于现场恶劣的交通环境而无法到达现场或无法在现场有效展开；重量过小，则可能受制于作业半径和高度，无法将作业模块传送至目标区域。本文以汶川特大地震北川废墟遗址为研究对象，通过多旋翼无人机倾斜摄影采集废墟遗址真实数据，继而通过专业软件进行三维模型重建，并在三维模型上进行实际测量的方法，研究分析地震灾害现场的环境特点，提出大型机械设备在地震灾害现场作业半径及作业高度的需求，为地震救援现场调用大型机械设备，以及设计地震救援专用大型机械设备，提供科学有效的参考。

1 研究区概况

北川老县城地震遗址，位于四川省北川县，是2008年5月12日汶川8.0级地震发生后，所保留下来的真实地震废墟。其占地面积约1km2，包含真实地震废墟约100余座。这些地震废墟，除进行必要的加固措施以外，基本完全真实地保留了震后形态和结构。遗址中包含的建筑结构有砖混、框架以及底部框架顶层砖混等典型建筑结构；倒塌形式包括整体倾斜、完全倒塌、部分倒塌等；倒塌原因除因地震动造成的结构性倒塌外，还包含两片因山体滑坡造成的大面积垮塌。这些建筑类型、倒塌类型以及倒塌原因较为全面，是较适宜进行地震现场环境分析研究的真实废墟遗址，如图1所示。

图1 北川县城地震前后对比（左：震前右：震后）［3］Fig.1 Comparison of Beichuan County before （left） and after （right） earthquake ［3］

2 研究方法

由于北川老县城废墟遗址所包含的废墟数量较多，采用人工逐个排查的方法工作量巨大，因此本文应用无人机图像遥感技术，大范围获取废墟遗址图像，并经过后期软件处理，获得还原度较高的废墟三维建模，并通过对三维建模实施测量的方式，获取废墟基本参数。本次调研主要使用了以大疆精灵3为飞行器的无人机低空航拍系统进行图像获取，获取方式主要为大范围正摄影及单体建筑倾斜摄影两种方法，后期的图像处理软件采用的是Bentley公司出品的软件ContextCapture。该软件可使用各种相机所拍摄的影像资料，为所需环境生成具有高分辨率的实景三维模型。为使用者生成可用于导航的三维模型产品，而此实景三维模型拥有逼真的细节、清晰的边缘和精确的几何特性。可以按照工作需要，采用任何尺寸或分辨率来创建所需三维模型。拥有数码照片纹理的、并且按照地理位置采用坐标系统定位的三维模型，这些模型产品都直接从影像资料中解算生产［4］。

2.1 无人机航拍系统

无人驾驶飞机（即无人机，Unmanned Aerial Vehicles，简称UAV）是一种有动力、可控制、能携带多种设备，执行多项任务，并可以重复使用的无人驾驶航空器［5］。本文所使用的无人机航拍系统由低空航拍无人机、飞控软件及图像处理软件组成，具体系统构成如图2所示。系统利用飞控软件控制无人机以一定飞行轨迹飞行，通过搭载在无人机上的镜头以一定规则获得低空航拍图像，并将这些图片通过图像处理软件进行处理，获得航拍地区的正射图像（DOM）及三维模型以供后续分析研究使用。

图2 无人机低空航拍系统框架图［6］Fig.2 Frame of UAV low altitude aerial photograph system ［6］

本文所使用的低空航拍无人机为大疆精灵3专业版，是大疆精灵系列在2015年新发布的第三代入门级旋翼机产品，其分类属于民用旋翼微型无人机［7］。其搭载的双卫星导航系统是的设备具有较好的定位、定高及悬停稳定性。一体化的云台设计具有较高的拍摄稳定性，且专业版搭载的定制小型4K相机，CMOS尺寸1／2.3英寸，有效像素达到1240万，镜头畸变较小，可以满足本次大范围低空航拍的需要。

根据航拍任务的不同，本次调研主要使用了DJI go和Pix4Dcapture两款不同的飞控软件。其中，DJI go为大疆无人机产品的官方飞控软件，其操纵安全性好，主要用于需要手动控制的倾斜摄影及大范围正摄影之后的补点工作；Pix4Dcapture为 Pix公司开发的飞控软件，两种软件均具有航线规划功能，可在软件中预先将飞行轨迹、飞行高度及照片重合度等参数进行设定，由软件自动控制无人机完成航拍任务。

本文主要采用由法国的Bentley公司开发的ContextCapture软件做后期图像处理，它是基于图形运算单元GPU的快速建模产品，可以在图片质量符合要求下无须人工干预进行快速、简单、全自动的三维建模，其还原的三维模型真实度较高，对于建筑物三维模型的长度测量，其误差可控制在厘米级，对于建筑物的占地面积测量，误差一般可控制在2m2以内［8］，能够满足本文研究目标的需要。

2.2 大范围正摄影

大范围正摄影，是指利用多旋翼无人机采用平行飞行的方式，镜头垂直向下拍摄多张图像，且相邻两张照片的拍摄区域重合度在一定值以上（一般为80%）的一种飞行航拍方法，其拍摄的照片在经过专业软件后续处理后，可生成无人机镜头拍摄的航拍照片覆盖的全部区域的DEM、DSM、DOM、三维模型等产品，并可通过专业软件进行实际量测（见图3）。受限于无人机续航时间，每架次飞行覆盖面积一般不超过0.16km2，实际拍摄过程中，可通过多架次飞行的方法将计划拍摄的区域覆盖完整。汶川地震发生后，曾有诸多学者采用这种方法，对北川县城进行了数据采集并生成航拍正射影像图［9-11］。

图3 多旋翼无人机大范围正摄影拍摄方法Fig.3 Orthograph method in wide range by Multi-Rotor UAV

这种数据采集方式，效率较高且成本较低，适用于较大范围采集目标数据，但是由于缺少倾斜角度图像数据，这种方法采集到的图像经过软件处理，虽然能够生成三维模型，但其侧面纹理质量就较差，结构失真比较大，一般用于采集外形结构较为标准的建筑物数据。在本文研究主要应用这种方法采集北川老县城地震遗址整体区域图像数据。

2.3 小区域／单体建筑倾斜摄影

倾斜摄影技术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，获取丰富的建筑物顶面及侧面高分辨率纹理信息。倾斜摄影不仅能够真实地反映地物情况，获取高精度的纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维模型［12］。一般情况下，可选择一个或多个固定高度进行环绕飞行，相邻两张照片之间角度应小于15度，拍摄区域的每部分应保证至少出现在三张照片中，如图4所示。

这种采集方法，较之大范围正摄影采集方法，成本较高且效率较低，但由于其数据采集的全面性，生成的三维模型质量较高，不同面的纹理和结构数据均比较完整。本文研究主要应用这种方法采集具有典型特点废墟的外形数据。

图4 小区域／单体建筑倾斜摄影方法Fig.4 Oblique photograph method of small area／single building

2.4 重建三维模型及测量

获得原始图像后，即可通过相关图像处理软件对原始图像进行处理并生成三维模型。软件首先对图像进行解析空中三角测量（简称空三加密），是指利用原始图像的镜头信息、飞行姿态信息、GPS信息及图像本身等进行信息处理，确定区域内所有图像的外方位元素，之后通过3D渲染，将目标建筑的结构和色彩完整再现出来的一种快速建模技术。该种技术对于建筑的外形还原度较高，且效率较之于传统的手工建模大大提升，与本文所要测量废墟外部尺寸信息的目的极为契合。

利用ContextCapture三维建模能力，生成整个航拍区域的三维模型并进行量测，得出在实际地震救援过程中每个潜在救援作业点的面积、高度等信息，并得出最终大型机械作业参数需求，具体方法如下：

（1）利用软件生成整体DOM及三维模型；

（2）在DOM上规划救援作业区域并编号；

（3）对照编号在三维模型上进行量测，量测信息包括：区域内建筑类型、建筑楼层、区域内建筑倒塌形式、区域面积、区域最大高度。

统计所有区域调查结果，得出区域面积及高度平均值，并计算作业半径的理论值，计算方法如表达式（1）所示。

3 研究结果

本文分别对汶川地震中的北川老县城地震遗址进行了无人机航拍，共进行了2天共计15个架次的飞行采集，架次信息如表1所示，采集区域基本完全覆盖的百川老县城地震遗址，如图5所示，拍摄有效照片549张，图像采集覆盖面积约为1km2，产出了整个北川老县城的正射影像图（DOM）及三维模型，如图6和7所示。

根据生成的三维模型结果，共将北川地震遗址划分为113处可能的救援作业区域，其中部分倒塌23处、完全倒塌24处，轻微破损86处。其废墟高度、废墟覆盖面积、理论作业半径区域统计结果，以及大型工程机械作业需求示意图如图 8～11所示。

表1 北川县城地震遗址航拍信息记录表Tab.1 Aerial photograph information record of earthquake site in Beichuan County

图5 无人机航拍质量分析Fig.5 Quality analysis of UAV aerial photograph

图6 北川县城DOM（左：全图右：局部）Fig.6 The whole （left） and local（right） DOM graph of Beichuan County

图7 北川遗址航拍三维建模图（上：整体下左：居民楼遗址下中：山体滑坡下右：县工商局遗址）Fig.7 3D modeling graph of Beichuan earthquake site（the upper graph is the whole site； the graph at lower left is ruin site of residential building； the graph in lower middle is landslides； the graph in lower right is ruin site of Industry and Commerce Bureau）

图8 北川航拍废墟高度统计图Fig.8 Height statistics of Beichuan ruins in aerial photograph

图9 北川航拍废墟占地面积统计图Fig.9 Area statistics of Beichuan ruins in aerial photograph

图10 北川航拍废墟理论作业半径统计图Fig.10 Theoretical operation radius statistics of Beichuan ruins in aerial photograph

图11 大型机械设备作业需求示意图Fig.11 Sketch map for operation requirements of large engineering machinery

4 结论及展望

本文首先通过多旋翼无人机航拍、大范围正射影、小范围／单体建筑倾斜摄影的方法，采集北川老县城地震遗址倒塌建筑外形数据，并利用专业软件ContextCapture对采集到的数据进行专业化处理，生成高精度三维模型。然后利用生成的高精度三维模型，划分可能的救援工作区域，并对每个区域进行编号。之后，利用专业软件对每个区域进行测量，得出每个区域的高度数据和面积数据，进而得出大型机械的理论作业半径需求数据。最终经统计，大型救援设备理论作业高度需求为12.7m，理论作业半径需求为16.6m。其中，需要特别说明的是，北川县城废墟的平均高度12.7m，该数字为包含了全部废墟的统计结果。然而在实际救援工作中，不同破坏程度的建筑，对于救援的需求是不同的。完全倒塌的废墟，包括滑坡掩埋区域，对于大型破拆装备的救援需求较高，轻微破损的废墟对于救援的需求则较低。根据本次统计结果，完全倒塌废墟的平均高度为9.64m，如不算三处高度较大的滑坡掩埋区域，则平均高度为7.98m。

受限于资料不完整性，本文研究并未收集到足够的实际地震救援案例资料，因此本文研究仅限于对地震废墟本身的尺寸进行研究测量，并得出相关结论。今后计划收集足够的地震救援案例资料，结合埋压者在地震废墟中的埋压位置、深度等信息，得出更进一步的结论，提出更为详尽的大型救援设备的实际研制和设计需求。

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