無人機傾斜攝影測量高效繪制精確跨斷層場地地形圖

王偉力，唐 偉，滕俊豪，馬伶俐，王本帥，白云波

（1.四川省地震局地殼形變觀測中心，四川 雅安 6250002；2.四川正維空間科技繪有限公司，四川 成都 610046）

四川地區跨斷層形變測量始于20 世紀70 年代，跨斷層觀測資料在年度地震危險區判定和震情跟蹤實踐中發揮著重要的作用（杜方等，2010；蘇琴等，2014）?？鐢鄬訄龅睾唸D包含了基本的地形、地物等位置信息，多年來廣泛應用于異常核實、震情會商等工作中。李菲菲等（2019）利用免費數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據及制圖軟件，繪制了四川境內的跨斷層形變場地簡圖28 幅。但是基于免費影像提取的地理信息精度較低、時效性滯后，僅能滿足展示需要。在四川耿達、溝普等多次跨斷層形變異常核實工作中，這些簡圖難以定性、定量地描述異常發生前后地形、地物等重要環境變化情況。隨著無人機攝影測量技術的普及和高速發展，快速獲取高精度和高分辨率的地形地貌數據已成為一種重要的技術手段（艾明等，2018）。以大疆DJI 等為代表的民用微型無人機也逐步用于震后考察（付博等，2018）；野外地質調查中利用DEM 和DOM（Digital Orthophot Map，數字正攝影像）提取沖擊扇面構造發育信息（高帥坡等，2017）。與傳統的測量技術相比，無人機攝影測量具有快速高效、精細準確、作業成本低等特點，能夠快速獲取包括高精度的場地地形圖、高分辨率正射影像在內的眾多地理信息產品，從而定性、定量地描述施工影響、覆蓋層變化、地表徑流等環境變化，為異常核實、有限元模型構建、智能會商系統搭建提供基礎數據支撐。本文選取蝦拉沱跨斷層綜合觀測場地作為研究對象，在免除地面像控點的情況下，利用RTK 無人機傾斜攝影測量快速繪制跨斷層場地準確地形圖，并利用跨斷層觀測數據作為檢核評定攝影測量精度，為規?；咝ЮL制跨斷層場地圖提供解決方案。

1 無人機傾斜攝影與數據處理

1.1 免像控傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體完整準確信息的測繪技術。在傳統的航攝測量中，野外像控點布設需要大量的人力和物力。如果遇到山區、災害現場等特殊狀況，工作人員則不能順利進入現場布設像控點，嚴重時將導致必須降低測繪精度。另外航攝精度和質量受到飛行狀態、天氣、內業刺點等原因影響較大。針對這些問題，提出了將RTK（Real-time Kinematic，實時動態）模塊融入無人機航攝的免像控攝影測量技術（范秀慶，2017）。無人機同時配備動態差分定位和慣性測量單元，野外航攝影像自帶實時坐標和姿態信息（POS 數據），內業處理時根據高精度POS 數據自動配準影像，能夠免除地面控制點布測，實現無人機免像控測量和低空航攝，大大提高航攝作業效率和成果質量（趙元，2018）。

1.2 技術流程和基準

采用深圳市大疆創新科技有限公司研發的大疆經緯（M300 RTK）無人機搭載五鏡頭傾斜攝影相機（賽爾102S），采集跨斷層場地的傾斜攝影影像，能夠同時從垂直方向及前、后、左、右不同角度采集地物影像數據（劉旭，2021），無人機有效載荷為2.7 kg，航時達55 min，升限海拔為5 km，控制方式為全自動起飛降落式，RTK 水平精度為1 cm±1 ppm，RTK 垂直精度為1.5 cm±1 ppm，像素為1.2 億，像元為3.9 μm，相機焦距為35 mm。機載網絡RTK 實時差分定位水平定位精度達到1 cm，5 個相機獨立采集記錄POS 數據，免除傳統航空攝影測量時地面像控點布設，其技術流程見圖1。

圖1 技術流程圖

傾斜攝影測量基準：（1）航攝地面分辨率取2 cm，影像成果數據滿足高精度建模和大比例尺地形圖要求。（2）投影方式采用高斯-克呂格3°帶投影，中央子午線為102°E；平面坐標采用CGCS2000 坐標系。（3）高程基準采用1985 國家高程基準。外業施測和精度要求嚴格按照GB／T 15967—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》及GB／T 14912—2005《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 外業數字測圖技術規程》要求。

1.3 航線規劃和航攝

航攝區位于鄉鎮區域，無人機飛行高度小于1 000 m，屬于開放空域，附近沒有軍事區域，不在機場空域或民航航路上，飛行空域情況良好。由相似三角形關系得出相對航高H 計算公式（王佩軍等，2010）：

式中：a為配備的五鏡頭傾斜攝影相機像元大小，f為鏡頭焦距，G為地面分辨率，表示屏幕上一個像素所代表的實際地面距離。根據相關參數計算出相對航高應小于180 m。航攝核心區域西南方向地形起伏較大，根據研究區地形條件、航區影像用途，在遵循節約時間、控制成本、提高效率的原則下（李軍等，2020），共規劃3個作業區采用仿地飛行模式航攝，核心區設置相對航高為50 m，西南山地區域飛行條件復雜，設置相對航高為150 m。航線規劃主要步驟：制作航飛區域范圍KML文件導入飛行控制器，無人機根據劃定的范圍生成任務航線，再設置航攝參數、調整區域范圍。

依據規范要求航向重疊（60%～80%，最小53%）、旁向重疊（15%～60%，最小8%）。為保證圖像精度和質量，設置旁向重疊度為 70%，航向重疊度為 80%。分別以場地東北大面積草地、西南半山平臺地為起降場地，全程航飛8 架次，飛行時間約150 min，獲取影像4 212×5 張。檢查影像質量較好，航攝區域完整，無漏測情況，無需補測。

1.4 空中三角測量

內業處理采用大疆智圖DJI terra 軟件一體化產出二維正射影像，自動重建三維數字地表模型（Digital Surface Model，DSM）。傾斜攝影空中三角測量采用POS 數據輔助空三解算，POS 數據作為檢驗條件，用來約束空三平差。通常情況下，大疆智圖進行空三處理時，推薦開啟影像POS 約束?？杖馑銜r將有RTK 固定解的照片當作控制約束來使用?？杖K經過提取特征點、提取同名像對、相對定向、匹配連接點、光束法區域網平差等步驟的運算處理（何敏等，2021），為提高空中三角測量成果的精度，可以使用軟件對攝區進行二次空三運算，最終得到更精確的空三成果，獲得蝦拉沱場地正射影像，見圖2。根據空三密集匹配生成的點云數據，軟件會自動匹配出密集的三角網，并對三角網進行自動紋理貼圖，建立DSM 模型。相較傳統測繪手段，利用無人機能快速采集包括地形、地物在內的地理信息以及地表紋理信息（蔡嘉倫等，2022）。

圖2 蝦拉沱場地正射影像

2 跨斷層場地圖繪制與精度評價

2.1 跨斷層場地概況

選擇鮮水河斷裂帶北段的蝦拉沱跨斷層綜合觀測場地為研究對象，無人機傾斜攝影范圍覆蓋整個場地，并外擴500 m 左右。蝦拉沱場地布設于1973 年2 月，最初設A、B、C 三點開展跨斷層定點水準、基線監測。于1976、1983、2015 年進行了優化改造，形成了由D、E、F、G 四點組成的跨斷層形變觀測系統，包含4 條水準測段和1 個測距網。2020 年經論證后改為每月1 期流動觀測。蝦拉沱場地位于川西高原地區，海拔高度約3 100 m，吉絨溝和G317 線穿過場地核心區，周邊分布有民居、爐霍地震遺址、加油站等低層建筑，西南為山地,落差較大，東面為大面積開闊地。鮮水河斷裂呈NW 走向展布于山前蝦拉沱盆地邊緣，斷層形跡較清晰，地震遺址內的紀念碑中心位置即為地表破裂通過的地方。

2.2 跨斷層場地圖繪制

爐霍地震后，在蝦拉沱修建了跨越斷裂帶上下盤的爐霍地震紀念碑亭，因此結合碑亭影像解譯斷裂走向，獲取該處精確的鮮水河斷裂帶走向坐標。在Global Mapper 軟件中進行三維裸眼刺圖采集場地上重要的地形、地物要素，獲得跨斷層場地測點及重要地物坐標，見表1。地物類別采用2 個英文首字母縮寫加點號進行編碼，各類地物、地貌要素的標識和取舍符合圖示要求。

表1 跨斷層場地測點及地物坐標表

受地表植被覆蓋影響，無人機傾斜攝影測量獲取的高程存在粗差，尤其對地貌繪制影響較大。剔除植被對高程影響的具體步驟如下：①獲取真實地表點云在GM 軟件中打開數字地表模型，導出圖形到新文件，轉為“Lidar LAS File”雷達點云數據；②將點云數據進行地面點自動分類，設置分類間距為0.3 m；③導入正射影像，檢查房屋、植被等自動分類情況，對未能自動分類的點云進行手動分類；④使用“地形繪制”自動修補地面；⑤按10 倍抽稀點云后，保存為高程點，生成準確的地形等高線。在CASS 9.1 系統中成圖，獲得蝦拉沱場地1∶1 000 地圖（圖3）。與此前繪制的場地簡圖比較，該圖地形表達更清晰，地物繪制更全面。此前簡圖漏繪的水準過渡點、準直陣墩、電力線、加油站等重要地物全部上圖。

圖3 1∶1 000 蝦拉沱跨斷層場地地形圖

2.3 精度評價

評價攝影測量精度是航攝項目的一項重要內容，通常采用傳統的測繪手段實地采集地形、地物點坐標進行檢核，以此評定攝影測量精度。該方法檢核精度較高，但需要投入大量的人力物力，適用于大規模的航攝項目。蝦拉沱跨斷層場地是水準、測距綜合觀測場地，具有毫米級的多期高精度跨斷層觀測資料，將其中跨斷層測距邊長成果、墩面高差成果作為檢核條件評定本次傾斜攝影測量精度。

（1）邊長精度評定

場地測距邊長均不足1 km，因此地球曲率和投影變形的影響可忽略不計。設兩監測點的平面坐標為A（x1，y1）、B（x2，y2），A、B 兩點之間的平距則為：

根據真誤差計算中誤差公式：

式中：m為中誤差，Δ為邊長或高差的不符值，n為測邊數。由式（2）計算航攝成果中監測墩點的基線長度，利用跨斷層觀測的基線邊成果檢核，由式（3）計算測邊中誤差評定航攝成果質量，見表2。

表2 傾斜攝影測量邊長成果精度評定表

可見，D-G、G-E 測邊傾斜攝影測量結果與精確測距結果偏差較大，最大達-0.0647 9 m，其它測邊結果偏差較小。6 條測距邊攝影測量的邊長中誤差為±0.037 m，達到大比例尺數字化測圖相關規范中地物點間距中誤差的要求，規范要求城市地區為±0.12 m。傾斜攝影測量獲取邊長成果達到厘米級精度。

（2）垂直（高差）精度評定

根據已有的墩面高差數據評定各測距點（墩）間的高差精度。由各點高程值計算各段高差與墩面高差進行比較，由式（3）計算中誤差，評定成果質量，結果見表3。

表3 傾斜攝影測量垂直成果精度評定表

可見，傾斜攝影測量獲取高差與精確墩面高差比較，最大為G-D 測段，達0.069 48 m。由真誤差計算中誤差公式計算的高差中誤差為±0.047 m。傾斜攝影測量獲取點位高差成果達到厘米級精度。

3 結論

為研究無人機傾斜攝影測量快速繪制精確的跨斷層場地圖的可行性，選擇大疆RTK 無人接進行野外免像控的傾斜攝影，使用內業測繪軟件快速獲取蝦拉沱場地正射影像和準確的地形圖，以及測點等重要地物的精確地理坐標信息。在精度評定上，利用蝦拉沱跨斷層場地傾斜攝影測量成果計算了測距邊長和測段高差，與精確測距結果比較，6 條測距邊最大偏差達6.48 cm；與墩面高差結果比較，4 段高差成果最大偏差為6.95 cm，由真誤差計算中誤差公式計算的邊長和高差中誤差均達到厘米級，符合繪制大比例尺地形圖的規范要求。本項目減少了傳統野外像控點施測作業，飛行時長150 min 完成約0.3 km2傾斜攝影數據采集，與傳統航攝項目相比，減少了像控作業時間和人員投入，提高了工作效率，可為快速繪制其它跨斷層場地圖提供技術參考。隨著無人機及攝影測量技術的快速發展，快速獲取跨斷層場地的精細二維、三維模型將在異常核實、震情會商中發揮更大的作用。