无人机倾斜摄影技术是测绘领域新兴的一项对地观测技术,通过在飞行载体上搭载多台航摄仪,同一时间从4个侧面和1个垂直面等不同的角度采集影像,获取更为完整精确的地面物体的三维信息^[1]。运用倾斜摄影测量技术,突破了传统正射航空摄影只能在垂直角度获得影像的局限性,能够真实地还原地物的本来面貌^[2,3],而且机载平台运用先进卫星导航技术,可以获得准确的绝对地理坐标^[4,5,6],通过控制点的绝对定向可以获取非常高的绝对精度,弥补了小面积高精度遥感产品的空白,被广泛地应用于应急测绘、城市建模、不动产登记、文物保护等领域^[3]。前人对泥石流灾害(隐患)遥感调查主要采用传统正射航空摄影和地面调查的方法,其获取的数据是垂向二维的,无法完成三维地质体数据的计算,在精度和维度上存在局限性,本文以北京房山区史家营曹家坊泥石流为例,探讨倾斜摄影技术在泥石流灾害(隐患)特征识别以及数据分析中的积极作用,旨在通过倾斜摄影三维模型能够精确挖掘泥石流灾害(隐患)特征的各项数据,有效为该灾害隐患的相关研究和防治工作提供参考,为今后灾害体评价分析提供更有力的数据支持。

曹家坊泥石流沟位于北京市房山区城西65 km处,史家营乡曹家坊村西北方向,是北京市突发性地质灾害隐患台账中较为典型的地质灾害点之一,图1为该区影像,获取时间为2018年9月6日,获取方式为无人机倾斜摄影。曹家坊泥石流沟内主要发育侏罗纪地层,绝大部分地区岩性以火山岩、砂砾岩为主,岩性较硬; 中上游局部发育窑坡组含煤地层,岩性软硬相间。整体而言,曹家坊沟内发育岩性较硬,风化程度不高; 但区内断裂构造发育,可见多处断层破碎带。根据北京市地质研究所历年汛期应急调查,该泥石流沟近10 a时间内未发生泥石流灾害,但工程活动强度巨大,上游河道狭窄并建有蓄水池。为了查清该泥石流灾害发育状况,笔者借助倾斜摄影测量手段对其进行了分析研究。

本次研究的曹家坊泥石流沟为“V”型沟,高差近1 150 m。为了全面获取泥石流沟宏观、微观信息,采用的飞行平台为旋翼电动无人机,数码相机选用五拼倾斜相机系统; 此外,为满足后期三维建模的需要,倾斜摄影需较大的重叠度,航向重叠及旁向重叠均设定为80%左右,且为保证测区内倾斜纹理的完整性,在进行倾斜航摄时,对测区范围进行了一个相对航高的外扩,保证原测区周边获取到高质量的倾斜纹理。

本次倾斜三维实景模型采用大场景快速三维建模技术和模型精细化处理技术,制定面向倾斜摄影数据处理的技术方案,形成了快速精细三维建模的工艺流程,如图2所示。

数据处理及三维建模中本次主要采用法国Acute3D公司的Smart3D(ContextCapture)软件完成的,后期模型的编辑过程采用了不同的软件进行修正,包括3DMax和MeshMixer等,使编辑后得到的模型符合要求。

本次工作采用POS辅助的垂直影像+倾斜影像联合平差的方式。通过多视影像匹配技术生成高密集连接点,区域网平差解算出各视影像的外方位元素。

根据求解出的外方位元素,在所有影像间进行密集匹配,生成大量的密集点云,并重点开展影像重叠度对密集点云生成的影响性分析。采用空三加密成果,按照一定的准则建立一定范围大小的TILE,逐TILE密集匹配、构建3D TIN以及纹理生成。

对每个TILE生成的点云构建三角网,即3D TIN,与传统的2D TIN不同,它可以真实地展现物体镂空结构,更加符合物体的真实表达。

对三角网中的每个三角面片优选出最佳的纹理影像,与几何模型共同组成三维实景模型。重点分析纹理选取的原则,如建筑物顶部更多依赖垂直影像,侧面纹理主要依赖倾斜影像。结合3D TIN和影像及外方位元素优选合适的影像进行纹理映射。

相机在高空以一定的倾角拍摄地面目标时,由于地面目标的高密集分布特征、目标截面很小等将使得原数据存在遮挡、地物特征难区分辨别等现象,导致生成的模型存在破面、飞点等,部分纹理错误模型存在小漏洞及模型变形等情形,本次工作对模型进行了编辑,包括几何结构和纹理的编辑(图3)。

传统的高空间分辨率卫星遥感手段能够有效识别灾害体,提取孕灾环境因子。这些方法和经验对于倾斜摄影图像仍然适用,而且基于高精度的三维模型,遥感识别内容更加精细、全面。

基于高精度的三维模型,通过人机交互解译,曹家坊泥石流沟内主要物源包括煤矸石堆(分未治理和治理后2种)、自然松散堆积物、危岩体、工程切坡、旱地覆土、灾害体、局部水体以及人类工程形成的堆积物等。

经处理好的倾斜摄影数据,导入LocaSpace Viewer软件中,很好地展示了泥石流沟三维形态,并且该软件提供了三维模型任何位置斜面体体积量算功能。对物源堆积体方量计算,通过采样点的方式,绘制其堆积范围,设置采样精度(建议略大于模型精度,可以是模型精度的3倍,比如本次模型精度5 cm,采样精度则设置为15 cm),通过自动计算就可以得出该物源堆积体的估算方量。

基于倾斜摄影的方量计算,采用按照采样间隔,构建出一个个的立方体柱,并逐个和模型的表面以及设置的底面求交。采样间隔越精细,精度就越准。最后累计计算出所有立方体柱的体积总量。本次对泥石流物源储量估算精度约为10 m³。

通过倾斜摄影三维模型量算,对曹家坊沟内各类物源方量进行估算(如表1所示)。估算结果显示,该沟内主要物源储量总计可达274.31×10⁴ m³。

3.1.1 不良地质体

本次通过倾斜摄影调查,发现沟内崩塌、危岩体等不良地质体5处。崩塌体三维模型上呈不规则的倒石堆(图4(a)),也有工程切坡形成的扇形堆积体(图4(b)); 岩石切割强烈,长期风化,在三维模型上可清晰识别出自然风化形成的危岩体(图4(c))和山坡上的多处滚石,滚石大者尺寸可达2.8 m×1.6 m×1.2 m(图4(d))。

3.1.2 煤矸石堆

曹家坊泥石流沟中上游局部发育窑坡组含煤地层,煤矿开采堆积了大量的煤矸石堆,部分已经进行了工程治理(如图5所示),本次共解译煤矸石堆20处,经倾斜摄影三维模型上量算,物源量共计251.89×10³ m³。

3.1.3 人类工程堆积物

曹家坊沟进行了大规模的工程建设,也产生了大量的人类工程堆积物(如图6所示),本次共解译10处人类工程堆积物,经倾斜摄影三维模型上量算,总计约49 970 m³。

3.1.4 工程切坡

曹家坊泥石流沟工程切坡主要包括修建道路和矿山开采,影像上倒石堆特征明显(如图7所示),共计29处,物源量约3 030 m³。

3.1.5 自然松散堆积物

自然松散堆积物主要分布曹家坊沟中下游,三维模型可清晰识别松散物呈台阶状展布,并可大致估算松散物的堆积厚度多数在5 m以上(如图8所示)。

三维分析可知,曹家坊沟流域面积为3.58 km²,流动方向约150°; 沟岸山坡平均坡度约33.33°; 主沟长3.70 km,弯曲系数1.10,沟系密度6.71 km/km²; 最大高差1 150 m,平均坡降28.7%; 治理后主河道流通区十分通畅(图3),但上游河道最狭窄处为建蓄水池,建了拦挡坝,对河道形成堵塞(图9)。流域上游的汇水全部经过该狭窄的通道进入中下游(该处河道宽度不足30 m),该处北侧的上游山坡上存在大量由洪积、坡积形成的松散物源,厚度普遍大于5 m。拦挡坝在堵塞河道的同时还形成超过10 m高的落差,进一步增强了沟道的水动力条件。

曹家坊泥石流沟内受威胁对象主要包括X019、矿区道路、乡村道路、畜牧场、政府用地、居民地、景区建筑物和矿山建筑物等,详情如表2所示。三维示意图如图10所示。

从目前获取的航摄影像来看,曹家坊沟口的堆积物已经被改造、建设成居民地,河道则受堆积物和人类工程活动影响,向西南侧偏移明显; 曹家坊沟人类工程活动强度大,冲淤变幅情况已无迹可寻。经走访调查,最近一次较明显的冲淤发生在2012年,但变幅程度相对较低,普遍不超过0.1 m。

以往对泥石流一次冲出物质总量计算采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》中的计算公式,即

式中: Q为泥石流过流总量,m³·s^-1; Q_C为泥石流洪峰值流量,m³·s^-1; T为泥石流持续时间,s; K为计算系数。F为汇水面积,km²,当F<5 km²时,K=0.202; F为[5,10) km²时,K=0.113; F为[10,100) km²时,K=0.037 8; F≥100 km²时,K=0.025 2。

应用式(1)计算泥石流一次冲出物质总量需要泥石流沟活动情况的详细记载,其中数据也需要进行调查,数据获得较为困难。曹家坊沟由于历史资料缺少相关数据,因此本次未采用式(1)进行泥石流一次冲出物质总量的计算。

本研究采用经验公式对曹家坊泥石流一次冲出物质总量进行估算,即

式中: L₁为一次泥石流最大冲出量,m³; S为流域切割密度,km·km^-2; M为流域内固体松散物储量,m³。

式(2)中数据均可由倾斜摄影三维模型获得,计算得知一次泥石流最大冲出量为2.26×10⁴ m³。

本文以房山区史家营曹家坊泥石流沟为例,将无人机倾斜摄影引入地质灾害研究,开展了基于无人机倾斜摄影的灾害特征识别,取得主要结论如下:

1)通过该技术,查清了曹家坊泥石流沟的基本情况。该泥石流沟沟道内存在大量物源,物源总量约274.31×10⁴ m³; 沟道上游河道最狭窄处建了拦挡坝,形成一处蓄水池,对河道形成堵塞; 下游沟口处有大量景区建筑物和居民地; 受降雨激发易发生泥石流灾害,一次泥石流最大冲出量约2.26×10⁴ m³。相关数据可为该灾害隐患的相关研究和防治工作提供参考。

2)本文基于高精度的无人机倾斜摄影测量,实现了泥石流地质灾害的三维建模,真实地反映了泥石流沟内各类物源分布情况,自带高程和纹理信息。经过绝对定位,三维模型具备可量测性,可以量测目标地物的长度、宽度、高度、面积和体积等,为今后灾害体评价分析提供更有力的数据支持。

3)以往计算泥石流一次冲出物质总量需要泥石流沟活动情况的详细记载,其中数据也需要进行调查,数据获得费时费力,本文首次基于倾斜摄影三维建模的测量数据,依据经验公式,估算了泥石流沟一次泥石流最大冲出量,方便快捷,数据可靠。

4)北京地区泥石流灾害(隐患)整体数量大,威胁影响高,倾斜摄影三维建模能充分发挥其灵活机动、高精高效的特点,从多个角度来观察地面的物体,真实地拍摄到地质灾害的具体情况,弥补了传统的垂直正射影像技术的不足,在泥石流灾害调查、评价工作中发挥效能。