基于UAV倾斜摄影技术的泥石流迹地探测试验应用

郭天伟 董坤烽 费联君

摘  要： 作为是一种新兴的高新技术，UAV倾斜摄影测量技术因其优势，应用领域很广。选择东川小江支流的小白泥河泥石流迹地为试验研究案例，通过应用倾斜摄影技术采集野外数据，并获得泥石流沟谷的三维数据模型，结合DOM及DEM数据分析，利用Arcgis10.2软件处理小白泥河泥石流迹地试验案例数据及特征解译，验证UAV倾斜摄影测量技术在泥石流沟谷中应用的可行性与先进性。该技术在今后的地质灾害调查中具有重大的战略意义。

关键词： UAV;倾斜摄影测量技术;小白泥河支沟;地质灾害

中图分类号： TP79    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.034

本文著录格式：郭天伟，董坤烽，费联君. 基于UAV倾斜摄影技术的泥石流迹地探测试验应用[J]. 软件，2019，40（6）：148152

【Abstract】： UAV oblique Photogrammetry Technology is a new high-tech， because of its advantages， solid and application of the field is very wide， this paper applies it to the Xiaobaini River Zhigou mud-rock debris flow disaster investigation， which plays a vital role in the data analysis， through the oblique photography obtained three-dimensional data model， Dom data and DEM data are used for data processing and interpretation using software such as Arcgis10.2， which proves the feasibility of the technology and has great strategic significance in the future geological hazard investigation.

【Key words】： UAV; Oblique photography measurement technology; Xiaobaini river tributary; Geologic hazard

0  引言

無人机倾斜摄影是集航空技术、材料科学、导航定位技术、测绘技术、微电子技术、自动化控制技术、计算机图像处理技术等于一体的新型摄影测量技术[1]。它是通过在同一平台上搭载多种不同的传感器，同时从 5 个不同角度（垂直、前、后、左、右）采集地面影像，并且前后左右的倾斜角度为40-60，克服了传统摄影测量只能从垂直角度拍摄的局限[2]，使得更加全面地反映地面地物信息。如今，倾斜摄影测量技术已发展成为一种新兴的高新技术，已被广泛地应用于服务业、农林业、文物保护、电力及城市规划等领域。

泥石流是指山区或是其他一些险峻地形因为地震以及其他自然灾害而引起的山体松散进而造成的山石滑落的现象。这种灾害突发性强，历时时间短暂，而且破坏力非常大[3]。在山区沟谷内以及沟谷两侧的山坡上时有泥石流灾害发生，并且发生时大量泥沙石块随着水流被带出[4]。泥石流的发生不仅破坏了自然生态环境，而且还对人文社会造成了极其严重的破坏。我国是一个山地较多的国家，全国山地面积可达2/3以上，并且我国西南地区的地形主要以山地为主，因此西南地区主要地质灾害为泥石流灾害[5]。由于传统的地质灾害调查方法主要是依靠人工来完成，受地形因素、岩土体疏松等不可抗拒因素的限制，调查结果不能客观、全面的辨别出泥石流自身状态。将倾斜摄影测量技术应用于泥石流灾害调查中，可以满足盲区的要求，与传统的调查方法相比较，该方法大大缩短了调查周期、节省了人力，降低了成本，并且通过本次研究区的实验更加证明了该技术的优点所在。

1  UAV倾斜摄影技术方法

倾斜摄影测量技术是近年迅速发展起来的一项自动获取遥感影像数据的先进手段，该技术与传统的垂直航空摄影方式相比较而言，工作原理有所不同，传统航空摄影中主要是获取地形地物的顶部相片，但却很难得到地形地物的侧面信息;而倾斜摄影是通过不同方位获取地面信息，不但获取地物的顶部相片，而且还获取得到地形地物的侧面信息;不过两者的核心理论均为共线方程，都是在共线方程的基础上所发展得到的，影像的外方位元素可利用光束法区域网平差计算得到，通过计算的外方位角元素获取整个影像的特征点云，再在密集点云的基础上得到一系列产品的一种航测方法。

倾斜摄影测量技术能够将真实场景进行还原[6]。在倾斜航摄影像时，可同时获取空间地理位置数据、航高、像片旁向重叠度、像片航向重叠度等相关数据，内业处理时基于多张倾斜像片和基础控制点数据，通过解析空中三角测量方法，计算出倾斜像片任意目标点位的三维坐标，同时采集相应目标点的颜色信息数据，最后形成真实、丰富的点云数据集[7]。

总的来说，倾斜摄影测量影像获取方法先进且采用连续成像方式，与传统技术相比，倾斜摄影技术具有更高的效率、性价比及更高的精度，而且所产生的数据成果也更加实用美观，应用范围也越来越广泛。

2  研究区倾斜摄影数据采集

本次野外数据采集所采用的是DOP820八旋翼无人机，其上搭载索尼五镜头倾斜相机，该无人机质量轻体积小，对起飞降落环境要求较低，而且易于操作，飞行过程中灵活;在飞行过程中利用飞行控制系统来实现定点等距曝光，智能化的获取数据相片及曝光时刻的POS 数据，数据获取的全过程均为自动获取，不用人为干涉，这些数据作为初始值为遥感影像数据的高速处理提供依据。

首先要做的是明确所要采集区域的概况。具体在了解概况中，我们需要掌握采集区域的最高点海拔和最低点海拔，这两个数据作为测区的基本数据，还需知道平均海拔，这样我们才能确定满足所需的飞行高度为多少;进而来进行航线规划设计，这是获取数据最重要的一步。

然后，在飞机起飞之前需要进行一系列的飞前检查。首先需要检测好无人机的动力电池电压是否满足，电压不稳定或过低会直接影响飞行的姿态，还会损伤电池寿命，而且还很有可能因电量不足，使得无人机无法进行安全返回着陆。其次是需要进行地磁检测以及检校，如果地磁检校不能成功通过，飞机则无法正常起飞，检校必须通过飞机才能起飞。

针对本测区，采集对象主要是泥石流迹地，而其特点是狭长，整体呈带状，高程由沟头到沟尾逐渐降低，故需大体掌握沟头及沟尾的高差，然后设计飞行高度，对于航线布设则采用折线型航线影像采集方法，航线方向与支沟走向一致，这样可减少航线条数，从而提高作业效率。在对无人机进行地磁检校中，第一次检校未通过，从而使得机器无法正常起飞，第二次进行检校才得以通过，初步判断原因为当地为特殊地段，周围地下富有矿物质，扰乱地磁场，故在地磁检校过程中出现检校不通过的情况。在其他地方则很少出现该情况，这也是本采集区域的特点所在。

完成了以上准备完毕方可执行起飞，实施对任务区进行数据采集。本次基于多旋翼无人机倾斜摄影数据采集流程如图1所示。

本次实验区数据采集共飞行一个架次，旁向和航向重叠率均为70%，设计航线为6条，航线长度总长为8.2公里，设计航高为260米，五组飞行照片共计1190张，然后去掉所有无效照片共计20张，最后剩余可用照片共计1170张。具体航线规划图如图2。

3  倾斜摄影数据处理

无人机倾斜摄影后期对自动建模系统和软件的应用有严格的要求，本次采用Smart 3D Capture软件对所采集的数据进行三维建模。该软件具有稳健、快速、全自动的建模特点和广泛的数据源兼容性和优化的数据输出格式[8]。其全程数据处理智能化，它通过所获得的连续影像中自动生成实景三維场景模型，然后对倾斜影像数据进行一系列的数据处理，把典型地物的纹理特征提取出来，再对其可视化，最后输出我们所想要的三维数据模型。三维数据建模具体步骤如下：

（1）数据导入准备。外业数据采集结束后，需对所获取的所有相片进行检查，删除无效相片，确定所有相片均可达到需符合的质量标准，对有质量问题的相片进行修复，然后再统一做好编号，通过野外数据采集中自动生成的POS数据对应制作POS表用于相片导入软件中。需保证曝光点影像数据与 POS 数据一一对应[9];Smart 3D Capture软件导入数据步骤简便，一目了然，按照所给的模板编辑即可导入。

（2）空中三角测量。又称为空三加密，它是倾斜摄影测量三维建模中最为重要了一步。将试验区影像数据导入Smart 3D Capture软件后，利用所给定的控制点，通过光速法区域网整体平差进行处理，平差处理之后软件会自动提取所有特征点，形成特征点云数据。在 Smart 3D Capture 系统中，空三加密为全自动解算，在解算过程中，如果出错还可以同步检查POS数据和相机参数[10-11]。对数据做完空三加密之后所得到的结果便是整个试验区的特征点云，生成白模（图4）。

（3）生成成果文件。空三成功后，影像组的照片全部被定位完毕，检查其结果是否符合技术要求，如果空间坐标系两轴与模型位置相平行，那么说明该模型位置是相对正确的，再有控制点点位分布情况与实际位置相符，则可说明最终结果是正确的，然后进行三维模型的设计，设置好各个参数及所出结果的格式进行输出三维模型。三维数据处理流程如下图3所示。

4  小白泥河支沟泥石流应用实例

4.1  试验区概况

本次选定的试验区位于东川区，隶属于云南省昆明市，是昆明市的最北端，该地经纬度地处东经10247～10318，北纬2557～2632，东川地处云贵高原北部边缘，属川滇经向构造带与华夏东北构造带结合过度部位。东川区泥石流，是闻名遐迩的泥石流天然博物馆，泥石流的发生是生态失去平衡所导致的后果，但却又是大自然当中的奇观之一。

小白泥河是白泥河的一条支流，该地区属于泥石流多发地，本次试验选定的是小白泥河的一条支沟。通过三维模型可得出该条支沟总体走势为西北-东南，东南高，西北低，基于三维立体量测该支沟长度约为780米，沟头刚显露出来，从上往下越来越宽，最低处形成冲积扇。三维模型如下图5所示。

岩体岩性及其结构特征决定了斜坡岩土体的强度、抗风化能力、变形破坏特性，进而影响到斜坡的稳定性和地表的侵蚀速率，是滑坡泥石流形成的重要因素[12]。经过实地踏勘，该区域多沉积岩、砂质页岩以、白云岩以及灰岩。又因断裂带南北向延伸，纵穿东川区中部，断裂活动破坏区内岩石完整性，使得岩石松动裂化，再加上本地气候作用，软岩经过风吹雨淋，导致岩石风化严重，在坡度较大的地方极易形成滑坡，历经雨季时的冲击，为泥石流形成提供了大量物源。

4.2  信息提取与分析

通过倾斜摄影三维重建可以得到分块DOM和DEM数据，然后运用Arcgis10.2版本进行数据拼接，成为完整的试验区数据体，利用这两者进行泥石流信息提取及分析，对泥石流支沟的危险情况进行预测。从DOM数据可得到该支沟植被覆盖很少，表面裸露出岩体，植被覆盖率为12%左右，其冲积扇左侧有一处房屋，房屋附近现有一块发生泥石流改良后的土地作为该农户的耕地，在耕地中还可看到灰白色泥石流物源的存在，由于人为活动因素造成了冲积扇区域不明显;如若在收成之前发生泥石流，那么耕地中所种的庄稼将毁于一旦，房屋也将面临泥石流的威胁（图6）。

在沟头上方有人工梯田分布，易造成土质疏松，在雨季经过强降雨冲刷极易为泥石流提供丰富的物源。由DEM数据（图7）以及该支沟地形断面图（图8）可得，上下相对高差约269米左右，从支沟顶端算起，100米至380米之间的坡度较大，该段总体坡度在45°以上，而从480米处左右往下一直到冲积扇该段地形较为平缓，这些地形因素很好的成为了发生泥石流的先天优势，也为物源输出准备了优良的输送渠道。

由数据成果中的DEM数据利用Arcgis10.2对其坡度分析，得该试验区的坡度图（图9），从图中可以看出小白泥河支沟两侧坡度较大，坡度均在45以上，这样使得山坡上的植被都难以生长，出现大面积裸露岩体，加上岩体在本地气候的作用下发生风化因素，使得坡面松散;再结合三维数据模型可以得到冲积扇区以上部分整体呈现“V”字型，通道口狭窄，支沟两侧山体均出现山体滑坡现象，尤其是在暴雨的作用下，极易出现山体松动、崩塌而滑坡，这就为泥石流提供了丰富的物源，如果今后再次发生暴雨冲刷，那么该支沟将会爆发泥石流，在冲积扇左侧农户房屋将会收到冲击，因此存在潜在危险，在预测基础上建议该农户迁移该地。

本次对研究区泥石流迹地调查为期三天，全部完成调查分析工作，效率较传统野外实地踏勘调查方法极高，而且数据更新及时，非常符合当前研究区的现状，通过三维立体量测可更加准确定量掌握研究区概况，对解译出来的结果对比当地实地情况大部分都很准确，而且相对于野外实地踏勘调查方法更为安全。所得数据对今后的地质灾害预防提供更为全面的参考依据。

5  结论

将无人机倾斜摄影测量技术应用到本次试验区的泥石流灾害调查中，验证了其可行性。相比于传统的泥石流灾害调查手段，我们所需要的新调查手段就是需减少工作量，降低成本以及使得结果更快速、数据更为直观准确，无人机倾斜摄影测量技术满足了这些要求，它将成为今后地质灾害调查中的一把利器。其所生产的三维立体数据模型可以直观的反映出现场情况，相比传统的二维平面影像，它不仅具有视觉上一目了然，而且还具有立体三维可量測性，这将为解译带来很大的方便，也大大提高了解译精度。本次实验的结果清晰明确，很好的掌握了支沟的基本信息，由其是该支沟冲积扇附近的农户所面临的潜在危险，通过解译分析及实地询问，现阶段泥石流发生率较低，但考虑长期性，建议该农户搬迁，避免今后的经济损失问题。该技术在今后的地质灾害调查中具有很大的价值意义，凭借其优势特点将会广泛应用于地质灾害调查中。

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