水上水下空间可视化在地质遗迹开发中的应用

陈丽佳 李卫海 尤永春 任卫波

(1. 广东地下管网工程勘测公司, 广东 广州 510080;2. 广东省环境地质勘查院, 广东 广州 510080)

0 引言

地质遗迹是在地球历史时期,由外力和内力地质作用形成[1]。它是人类认识地质现象、推测地质演变条件的重要依据[2]。地质遗迹具有不可再生性,人类对地质遗迹资源的利用是通过对地质遗迹资源的开发和保护过程实现的。倾斜三维建模和水下空间可视化技术是近年来发展起来的一种新兴测绘技术,具有高效率、高精度和高可视化等特点[3]。本文在介绍倾斜三维建模和水下空间可视化技术的基础上,以东莞市石排镇红石山燕岭古采石场遗址为研究对象,将倾斜摄影测量和水下多波束测深技术应用于红石山燕岭古采石场遗址的开发,为地质遗迹保护、地学生态重建、地球科学科普以及地学旅游等提供基础数据和科学依据[4]。

1 倾斜三维建模

无人机倾斜摄影系统是以无人机为飞行平台,以倾斜摄影相机为任务设备的航空影像获取系统[5]。传统航空摄影只能从垂直角度拍摄地物,倾斜摄影则通过在同一平台搭载多台传感器,同时从垂直、四个倾斜等五个不同角度采集影像,有效弥补了传统航空摄影的局限[6-7]。

2 水下空间可视化

传统水下空间可视化是利用回声测深仪,以水下地形图的形式表示[8]。无人测量船与多波束测深系统结合是代替传统水下地形测量的新技术。多波束测深技术的发展,打破了传统单波束以点为基础的离散式的作业模式,而代之以空间面为基础的立体式作业模式,实现了立体测图、智能处理及自动化成图,使水下测量技术发展到一个较高的水平[9]。

3 项目验证及精度评价

3.1 项目概况

燕岭古采石场遗址位于东江南岸丘陵中段,长约8 km,宽0.3～0.5 km,海拔高度20～50 m,组成岩石为第三纪棕红色细砂质粉砂岩,间夹有少量梭角状砾石,结构紧密,硬度大。遗址在延绵1.475 km的范围内均有人工开采痕迹,以“十八房间”“补天石”为主要景观遗存。地质公园实景见图1。

图1 地质公园实景图

本项目主要任务是利用无人机倾斜摄影测量技术对地质遗迹公园进行三维扫描,建立燕岭古采石场遗址三维模型,利用无人测量船搭载多波束测深系统对地质遗迹公园的采石坑进行水下测绘,查明燕岭古采石场遗址采石坑的空间分布、埋深及规模,实现地质遗迹公园水上水下空间可视化。

3.2 设备投入

设备投入包括华测D580无人机、华测HC12A五镜头摄影传感器、地面站控制系统、华测华微6号无人船、Norbit iWBMS多波束测深系统、Swift声速剖面仪、多波束控制软件Norbit GUI、多波束数据采集及后处理软件QPS和GNSS接收机控制软件测地通LandStar7。

3.3 项目成果

3.3.1倾斜摄影测量成果

将倾斜摄影测量成果建模,通过划分模型格网同步生产实景三维模型数据[10],如图2所示。在实景三维模型与倾斜摄影测量成果的基础上,制作真正射影像[11],如图3所示。将实景三维模型、倾斜摄影测量成果、纠正畸变差影像等数据导入到测图软件制作初级线划图,按照规范要求赋予点、线、面等图层的属性信息[12]。将成果数据导入到CASS软件进行图形数据编辑,生产1∶500大比例尺测图成果,如图4所示。

图2 项目区域实景三维模型成果

图3 项目区域真正射影像图

图4 1∶500大比例尺测图成果

3.3.2水下可视化成果

水下点云数据采集包括GPS数据采集、水深数据采集。使用多波束测深系统测深时,不仅要采集回波数据,还要测定完整的姿态信息、声速信息，以便对测深及定位数据进行综合改正。多波束采用自动化作业设备对测线定位、水深数据进行实时综合采集与记录,能较好地反映水深地貌。采集作业前,需要对多波束测深仪进行姿态校正,直至姿态精度符合既定要求[13]。根据测区实际情况设置参数,使船按照计划线路航行,并根据扫宽实时修正航线。

运用Qimera软件对采集的原始数据进行后处理。选择需要进行处理的界面,依次进行一级、二级、三级编辑,从点、线、面,逐一删除多波束边缘杂波产生的噪点、飞点。将所处理的数据文件进行压缩处理,通常选择.xyz格式,可以转化为.dat格式,用于CASS等软件。使用Qimera软件自带的三维建模模块或其他第三方软件将后处理所得数据进行三维建模展示,如图5所示。

图5 多波束水下点云成果图

3.4 精度分析

3.4.1无人机倾斜摄影测量精度分析

无人机倾斜摄影测量生产大比例尺测图成果的精度分析主要有两方面：一是根据已有的大比例尺地形图检测成果的相对精度;二是在无人机倾斜摄影测量生产大比例尺测图成果中随机选取一处区域,将区域内实地点位采集测的要素与测图成果比较,计算点位中误差,得出绝对精度[14-15]。本项目经检测X方向平均误差为0.006 2 m,Y方向平均误差为0.003 8 m,符合项目精度要求。

3.4.2水下点云数据精度分析

统计主测线点与检测检测线测点重合点(图上0.5 mm范围内)的高程比较结果,高程中误差为±11.0 cm,测深统计情况如表1、表2所示。经检测128个点满足主测点与检测点图上距离小于1 mm(实地2 m),主测点与检测点水深差值≤0.4 m为128个点,占总比对点100%,高程中误差为±11.0 cm,该水深测量精度符合要求。

表1 水深测量检测结果(水深比差)

表2 检测点偏离主测点水深

4 结束语

本文通过无人机倾斜摄影测量和无人船搭载多波速测深系统,获取了东莞市石排镇红石山燕岭古采石场遗址公园水上水下实景三维模型,通过对模型数据的处理分析,得出遗址公园旧采石坑规模较大,主要分布在遗址公园中心区域。阶梯式古采石场位于遗址公园南部片区,四周被住宅区、山体、假山水景区等包围,中间为两个浅湖。结合场地内地质调查情况分析,公园内所见的古采石场采石方式为露天明采(以房式、阶梯式为主),未见有隆洞开采遗迹,终采边坡直立或近于直立,开采范围现场被水域覆盖。公园内采石坑最深水深17.54 m,最浅水深1.57 m,每个坑的淤泥厚度在0.12～0.76 m,采石坑水底比较光滑,没有发现空洞和溶洞,水下没有较大支流。通过对地质公园后期开发的预判,为地质公园的可持续发展提供了基础数据,对地质遗迹保护和开发具有工程意义。