无人机倾斜摄影测量高效绘制精确跨断层场地地形图

王伟力，唐 伟，滕俊豪，马伶俐，王本帅，白云波

（1.四川省地震局地壳形变观测中心，四川 雅安 6250002；2.四川正维空间科技绘有限公司，四川 成都 610046）

四川地区跨断层形变测量始于20 世纪70 年代，跨断层观测资料在年度地震危险区判定和震情跟踪实践中发挥着重要的作用（杜方等，2010；苏琴等，2014）。跨断层场地简图包含了基本的地形、地物等位置信息，多年来广泛应用于异常核实、震情会商等工作中。李菲菲等（2019）利用免费数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据及制图软件，绘制了四川境内的跨断层形变场地简图28 幅。但是基于免费影像提取的地理信息精度较低、时效性滞后，仅能满足展示需要。在四川耿达、沟普等多次跨断层形变异常核实工作中，这些简图难以定性、定量地描述异常发生前后地形、地物等重要环境变化情况。随着无人机摄影测量技术的普及和高速发展，快速获取高精度和高分辨率的地形地貌数据已成为一种重要的技术手段（艾明等，2018）。以大疆DJI 等为代表的民用微型无人机也逐步用于震后考察（付博等，2018）；野外地质调查中利用DEM 和DOM（Digital Orthophot Map，数字正摄影像）提取冲击扇面构造发育信息（高帅坡等，2017）。与传统的测量技术相比，无人机摄影测量具有快速高效、精细准确、作业成本低等特点，能够快速获取包括高精度的场地地形图、高分辨率正射影像在内的众多地理信息产品，从而定性、定量地描述施工影响、覆盖层变化、地表径流等环境变化，为异常核实、有限元模型构建、智能会商系统搭建提供基础数据支撑。本文选取虾拉沱跨断层综合观测场地作为研究对象，在免除地面像控点的情况下，利用RTK 无人机倾斜摄影测量快速绘制跨断层场地准确地形图，并利用跨断层观测数据作为检核评定摄影测量精度，为规模化高效绘制跨断层场地图提供解决方案。

1 无人机倾斜摄影与数据处理

1.1 免像控倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体完整准确信息的测绘技术。在传统的航摄测量中，野外像控点布设需要大量的人力和物力。如果遇到山区、灾害现场等特殊状况，工作人员则不能顺利进入现场布设像控点，严重时将导致必须降低测绘精度。另外航摄精度和质量受到飞行状态、天气、内业刺点等原因影响较大。针对这些问题，提出了将RTK（Real-time Kinematic，实时动态）模块融入无人机航摄的免像控摄影测量技术（范秀庆，2017）。无人机同时配备动态差分定位和惯性测量单元，野外航摄影像自带实时坐标和姿态信息（POS 数据），内业处理时根据高精度POS 数据自动配准影像，能够免除地面控制点布测，实现无人机免像控测量和低空航摄，大大提高航摄作业效率和成果质量（赵元，2018）。

1.2 技术流程和基准

采用深圳市大疆创新科技有限公司研发的大疆经纬（M300 RTK）无人机搭载五镜头倾斜摄影相机（赛尔102S），采集跨断层场地的倾斜摄影影像，能够同时从垂直方向及前、后、左、右不同角度采集地物影像数据（刘旭，2021），无人机有效载荷为2.7 kg，航时达55 min，升限海拔为5 km，控制方式为全自动起飞降落式，RTK 水平精度为1 cm±1 ppm，RTK 垂直精度为1.5 cm±1 ppm，像素为1.2 亿，像元为3.9 μm，相机焦距为35 mm。机载网络RTK 实时差分定位水平定位精度达到1 cm，5 个相机独立采集记录POS 数据，免除传统航空摄影测量时地面像控点布设，其技术流程见图1。

图1 技术流程图

倾斜摄影测量基准：（1）航摄地面分辨率取2 cm，影像成果数据满足高精度建模和大比例尺地形图要求。（2）投影方式采用高斯-克吕格3°带投影，中央子午线为102°E；平面坐标采用CGCS2000 坐标系。（3）高程基准采用1985 国家高程基准。外业施测和精度要求严格按照GB／T 15967—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》及GB／T 14912—2005《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 外业数字测图技术规程》要求。

1.3 航线规划和航摄

航摄区位于乡镇区域，无人机飞行高度小于1 000 m，属于开放空域，附近没有军事区域，不在机场空域或民航航路上，飞行空域情况良好。由相似三角形关系得出相对航高H 计算公式（王佩军等，2010）：

式中：a为配备的五镜头倾斜摄影相机像元大小，f为镜头焦距，G为地面分辨率，表示屏幕上一个像素所代表的实际地面距离。根据相关参数计算出相对航高应小于180 m。航摄核心区域西南方向地形起伏较大，根据研究区地形条件、航区影像用途，在遵循节约时间、控制成本、提高效率的原则下（李军等，2020），共规划3个作业区采用仿地飞行模式航摄，核心区设置相对航高为50 m，西南山地区域飞行条件复杂，设置相对航高为150 m。航线规划主要步骤：制作航飞区域范围KML文件导入飞行控制器，无人机根据划定的范围生成任务航线，再设置航摄参数、调整区域范围。

依据规范要求航向重叠（60%～80%，最小53%）、旁向重叠（15%～60%，最小8%）。为保证图像精度和质量，设置旁向重叠度为 70%，航向重叠度为 80%。分别以场地东北大面积草地、西南半山平台地为起降场地，全程航飞8 架次，飞行时间约150 min，获取影像4 212×5 张。检查影像质量较好，航摄区域完整，无漏测情况，无需补测。

1.4 空中三角测量

内业处理采用大疆智图DJI terra 软件一体化产出二维正射影像，自动重建三维数字地表模型（Digital Surface Model，DSM）。倾斜摄影空中三角测量采用POS 数据辅助空三解算，POS 数据作为检验条件，用来约束空三平差。通常情况下，大疆智图进行空三处理时，推荐开启影像POS 约束。空三解算时将有RTK 固定解的照片当作控制约束来使用。空三模块经过提取特征点、提取同名像对、相对定向、匹配连接点、光束法区域网平差等步骤的运算处理（何敏等，2021），为提高空中三角测量成果的精度，可以使用软件对摄区进行二次空三运算，最终得到更精确的空三成果，获得虾拉沱场地正射影像，见图2。根据空三密集匹配生成的点云数据，软件会自动匹配出密集的三角网，并对三角网进行自动纹理贴图，建立DSM 模型。相较传统测绘手段，利用无人机能快速采集包括地形、地物在内的地理信息以及地表纹理信息（蔡嘉伦等，2022）。

图2 虾拉沱场地正射影像

2 跨断层场地图绘制与精度评价

2.1 跨断层场地概况

选择鲜水河断裂带北段的虾拉沱跨断层综合观测场地为研究对象，无人机倾斜摄影范围覆盖整个场地，并外扩500 m 左右。虾拉沱场地布设于1973 年2 月，最初设A、B、C 三点开展跨断层定点水准、基线监测。于1976、1983、2015 年进行了优化改造，形成了由D、E、F、G 四点组成的跨断层形变观测系统，包含4 条水准测段和1 个测距网。2020 年经论证后改为每月1 期流动观测。虾拉沱场地位于川西高原地区，海拔高度约3 100 m，吉绒沟和G317 线穿过场地核心区，周边分布有民居、炉霍地震遗址、加油站等低层建筑，西南为山地,落差较大，东面为大面积开阔地。鲜水河断裂呈NW 走向展布于山前虾拉沱盆地边缘，断层形迹较清晰，地震遗址内的纪念碑中心位置即为地表破裂通过的地方。

2.2 跨断层场地图绘制

炉霍地震后，在虾拉沱修建了跨越断裂带上下盘的炉霍地震纪念碑亭，因此结合碑亭影像解译断裂走向，获取该处精确的鲜水河断裂带走向坐标。在Global Mapper 软件中进行三维裸眼刺图采集场地上重要的地形、地物要素，获得跨断层场地测点及重要地物坐标，见表1。地物类别采用2 个英文首字母缩写加点号进行编码，各类地物、地貌要素的标识和取舍符合图示要求。

表1 跨断层场地测点及地物坐标表

受地表植被覆盖影响，无人机倾斜摄影测量获取的高程存在粗差，尤其对地貌绘制影响较大。剔除植被对高程影响的具体步骤如下：①获取真实地表点云在GM 软件中打开数字地表模型，导出图形到新文件，转为“Lidar LAS File”雷达点云数据；②将点云数据进行地面点自动分类，设置分类间距为0.3 m；③导入正射影像，检查房屋、植被等自动分类情况，对未能自动分类的点云进行手动分类；④使用“地形绘制”自动修补地面；⑤按10 倍抽稀点云后，保存为高程点，生成准确的地形等高线。在CASS 9.1 系统中成图，获得虾拉沱场地1∶1 000 地图（图3）。与此前绘制的场地简图比较，该图地形表达更清晰，地物绘制更全面。此前简图漏绘的水准过渡点、准直阵墩、电力线、加油站等重要地物全部上图。

图3 1∶1 000 虾拉沱跨断层场地地形图

2.3 精度评价

评价摄影测量精度是航摄项目的一项重要内容，通常采用传统的测绘手段实地采集地形、地物点坐标进行检核，以此评定摄影测量精度。该方法检核精度较高，但需要投入大量的人力物力，适用于大规模的航摄项目。虾拉沱跨断层场地是水准、测距综合观测场地，具有毫米级的多期高精度跨断层观测资料，将其中跨断层测距边长成果、墩面高差成果作为检核条件评定本次倾斜摄影测量精度。

（1）边长精度评定

场地测距边长均不足1 km，因此地球曲率和投影变形的影响可忽略不计。设两监测点的平面坐标为A（x1，y1）、B（x2，y2），A、B 两点之间的平距则为：

根据真误差计算中误差公式：

式中：m为中误差，Δ为边长或高差的不符值，n为测边数。由式（2）计算航摄成果中监测墩点的基线长度，利用跨断层观测的基线边成果检核，由式（3）计算测边中误差评定航摄成果质量，见表2。

表2 倾斜摄影测量边长成果精度评定表

可见，D-G、G-E 测边倾斜摄影测量结果与精确测距结果偏差较大，最大达-0.0647 9 m，其它测边结果偏差较小。6 条测距边摄影测量的边长中误差为±0.037 m，达到大比例尺数字化测图相关规范中地物点间距中误差的要求，规范要求城市地区为±0.12 m。倾斜摄影测量获取边长成果达到厘米级精度。

（2）垂直（高差）精度评定

根据已有的墩面高差数据评定各测距点（墩）间的高差精度。由各点高程值计算各段高差与墩面高差进行比较，由式（3）计算中误差，评定成果质量，结果见表3。

表3 倾斜摄影测量垂直成果精度评定表

可见，倾斜摄影测量获取高差与精确墩面高差比较，最大为G-D 测段，达0.069 48 m。由真误差计算中误差公式计算的高差中误差为±0.047 m。倾斜摄影测量获取点位高差成果达到厘米级精度。

3 结论

为研究无人机倾斜摄影测量快速绘制精确的跨断层场地图的可行性，选择大疆RTK 无人接进行野外免像控的倾斜摄影，使用内业测绘软件快速获取虾拉沱场地正射影像和准确的地形图，以及测点等重要地物的精确地理坐标信息。在精度评定上，利用虾拉沱跨断层场地倾斜摄影测量成果计算了测距边长和测段高差，与精确测距结果比较，6 条测距边最大偏差达6.48 cm；与墩面高差结果比较，4 段高差成果最大偏差为6.95 cm，由真误差计算中误差公式计算的边长和高差中误差均达到厘米级，符合绘制大比例尺地形图的规范要求。本项目减少了传统野外像控点施测作业，飞行时长150 min 完成约0.3 km2倾斜摄影数据采集，与传统航摄项目相比，减少了像控作业时间和人员投入，提高了工作效率，可为快速绘制其它跨断层场地图提供技术参考。随着无人机及摄影测量技术的快速发展，快速获取跨断层场地的精细二维、三维模型将在异常核实、震情会商中发挥更大的作用。