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    浅谈近景摄影测量在滑坡监测中的应用

    2014-03-01 14:00:35 来源:  作者:
    聊聊

     1 引言

    我国是一个地质灾害多发的国家,随着我国经济建设的蓬勃发展,交通、水利及资源开发等工程项目的大量实施,由滑坡造成的威胁和灾害大量增加。在防治滑坡灾害时,除了采用正确的工程措施勘查和处理边坡外,及时合理的监测措施是非常重要而且必需的手段。

    结合近景摄影测量技术,利用量测相机或非量测相机,采用旋转摄影或平行摄影的方式对被监测区域进行摄影,用摄影测量软件系统LensPhoto获取被监测区域的三维表面点云模型,通过自动匹配两期影像控制点,将监测区域二期的相对三维模型转换到一期的绝对三维模型中,然后分别生成DEM模型,并对两期DEM模型进行叠加,计算滑坡体的绝对位移量和局部变化区域的位置以及面积大小,从而实现后期监测过程中无需量测控制点就可以完成山体的滑坡监测。

    2 摄影测量三维滑坡监测系统实施方案

    对被监测的滑坡区域第一次拍摄的影像称为一期影像,第二次拍摄的影像称为二期影像,依次类推。以一、二期为例,基于摄影测量原理的滑坡监测具体的实施方案如下:

    1)第一次进行滑坡监测时,使用免棱镜全站仪测量4个或4个以上(根据监测区域大小而定)分布均匀的控制点。首先对相机进行检校,将一期影像、相机检校参数和控制点输入到近景摄影测量软件系统LensPhoto中,得到被监测区域绝对定向后的三维点云模型。

    2)后期滑坡现场监测时,需要保证摄影的摄站分布位置与第一次的摄站分布位置大致相同,从而确保后面的一、二期影像之间的匹配能够顺利进行。

    3)考虑到随着监测时间的推移,第一次监测时布置的控制点有可能产生了位移变动,因此第一次布置的控制点不能用到二期的滑坡监测中,利用一、二期影像自动匹配得到的物方同名点解算一、二期的模型变换参数。

    4)通过对一、二期影像自动提取像片特征点,进行一、二期影像之间对应影像的匹配,然后在一期影像与二期影像的内部分别进行点的传递匹配,从而得到一、二期滑坡三维模型下的同名物方点。根据这些同名物方点解算一、二期三维点云模型之间的旋转、平移、缩放等7个参数,从而将二期三维表面点模型转换到一期的控制点坐标系中。

    5)对转换到同一个控制点坐标系下的两期三维点云模型,按照一定的间距进行采样,生成同一监测区域的两期DEM模型,然后对其进行叠加分析,计算滑坡绝对位移量以及滑坡区域的局部变化量,实现滑坡监测的目的和任务。

    3 系统实现

    3.1 两期影像的自动匹配

    考虑到第一期滑坡监测时布置的控制点在第二期监测时可能发生了位移,则第二期监测时不能再采用第一期测量的控制点,而是通过两期影像的自动匹配获取物方同名点,解算一、二期模型的变换参数,完成二期滑坡区域的相对三维模型到一期滑坡区域的绝对三维模型的转换。

    具体过程包括以下两个方面:

    1)利用Harris算子对两期影像中相对应的影像对提取特征点,然后基于特征点以及核线约束进行匹配。

    2)影像对1I的同名点分别在每期影像的内部向下一幅影像进行点的传递匹配,然后获取公共匹配点作为像对12与像对III的同名匹配点。由于匹配中不可避免地会存在误匹配点,因此文中采用RANSAC方法剔除了粗差点。

    根据上述方法获得两期影像的同名物方点后,计算一、二期模型的旋转、平移、缩放等变换参数,将二期三维表面点模型转换到一期的控制点坐标系中,实现两期三维表面点模型所在坐标系的统一。

    3.2 DEM 模型的生成及叠加分析

    将第二期的三维表面点模型转换到第一期的控制点坐标系中后,选择一个公共投影面,要求投影面的法向与摄影方向保持一致,将每期的三维点投影到该投影面上,根据滑坡监测的精度要求以及DEM的数据量设置一定的采样间距(采样间距设置为10 mm),通过内插自动生成每期的DEM数据模型。由于在测区的边缘,DEM内插精度较低,因此进行DEM模型叠加分析时,分析范围要小于实际的DEM采样范围。这就需要保证摄影范围大于被监测区域范围,从而避免影像边缘区域DEM内插精度低的问题,实现对整个被监测区域进行100%监测的要求。

    为了更好地观察整个测区两期前后的变化情况,分别对每期的影像进行拼接。可以很直观地看出两期DEM 的变化与影像的变化区域是相符的。进一步对滑坡两期的变化进行定量分析,采用两期DEM叠加比较的方式,计算全局变化量以及局部变化区域的位置、面积大小等参数。

    4 实验与分析

    对一个山坡的部分区域进行监测实验,相机型号为NikonD300,测区范围大致为 10 m×3 m,摄影距离约为 12 m,摄影方式为平行摄影。第一次监测时,对山坡拍摄了8幅影像,相邻影像间重叠度为65%,并使用免棱镜全站仪在摄影测区范围内测量了6个控制点,见图6。第二次监测时拍摄的影像中,摄站分布位置与第一次的摄站分布位置大致相同,影像间的重叠度和第一期影像重叠度相当。另外,对山坡进行第二次监测之前,在监测区域范围以内,人为地挖了3个坑,并对坑的大小和深度进行了测定。

    在对两期影像进行处理之前,首先根据文献对相机进行检校,然后将第一期影像、相机内参数以及控制点坐标导入到数字近景摄影测量软件LensPhoto系统中,获取经过绝对定向后滑坡第一期的绝对三维表面点模型。将第二期影像、相机内参数导入到LensPhoto中,进行空中三角测量以及无控制的自由网光束法平差后,得到滑坡第二期的相对三维表面点模型。

    用两期影像自动匹配算法,获得两期影像的同名物方点,计算一、二期三维点云模型的旋转、平移、缩放等变换参数,完成将二期三维表面点模型转换到一期的控制点坐标系中。若匹配点分布均匀,并且分布在没有发生位移变化的区域,则匹配结果比较满意。

    利用DEM生成方法得到两期的DEM模型。然后对DEM模型进行叠加定量分析,从而得到滑坡变化区域的位置以及变化量。再通过DEM叠加计算得到区域变化量与实际测定结果一致就行。另外,滑坡的变化区域主要是具有一定面积的面状区域,因此独立、离散的变化区域对滑坡监测的结果分析影响不大。

    5 结论

    由于之前采用的是人工模拟滑坡的实验,因此接下来需要进一步研究与分析被监测区域的植被覆盖率以及摄影距离的增大等因素对滑坡监测精度的影响。这种无需二次控制的、非接触的、快速便捷的滑坡监测方法,通过实验证明了它的可行性,能够方便地对滑坡体进行快速、准确的监测。

    【参考文献】

    [1] 霍志涛,张业明,金维群,等.三峡库区滑坡监测中的新技术和新方法[J].华南地质与矿产,20064):69-74.

    [2] 张洁,胡光道,罗宁波.INSAR 技术在滑坡监测中的应用研究[J].工程地球物理学报,20042):51-57.

    [3] 柯涛.旋转多基线数字近景摄影测量[D].武汉:武汉大学,2008.

    [4] 詹总谦.基于纯平液晶显示器的相机标定方法与应用研究[D].武汉:武汉大学,2006.

    本文摘自:pan.baidu.com/s/1AIeh4

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