1 引言
我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,交通、水利及資源開(kāi)發(fā)等工程項(xiàng)目的大量實(shí)施,由滑坡造成的威脅和災(zāi)害大量增加。在防治滑坡災(zāi)害時(shí),除了采用正確的工程措施勘查和處理邊坡外,及時(shí)合理的監(jiān)測(cè)措施是非常重要而且必需的手段。
結(jié)合近景攝影測(cè)量技術(shù)，利用量測(cè)相機(jī)或非量測(cè)相機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)攝影或平行攝影的方式對(duì)被監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行攝影，用攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)LensPhoto獲取被監(jiān)測(cè)區(qū)域的三維表面點(diǎn)云模型，通過(guò)自動(dòng)匹配兩期影像控制點(diǎn)，將監(jiān)測(cè)區(qū)域二期的相對(duì)三維模型轉(zhuǎn)換到一期的絕對(duì)三維模型中，然后分別生成DEM模型，并對(duì)兩期DEM模型進(jìn)行疊加，計(jì)算滑坡體的絕對(duì)位移量和局部變化區(qū)域的位置以及面積大小，從而實(shí)現(xiàn)后期監(jiān)測(cè)過(guò)程中無(wú)需量測(cè)控制點(diǎn)就可以完成山體的滑坡監(jiān)測(cè)。
2 攝影測(cè)量三維滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施方案
對(duì)被監(jiān)測(cè)的滑坡區(qū)域第一次拍攝的影像稱(chēng)為一期影像，第二次拍攝的影像稱(chēng)為二期影像，依次類(lèi)推。以一、二期為例，基于攝影測(cè)量原理的滑坡監(jiān)測(cè)具體的實(shí)施方案如下：
（1）第一次進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，使用免棱鏡全站儀測(cè)量4個(gè)或4個(gè)以上（根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域大小而定）分布均勻的控制點(diǎn)。首先對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校，將一期影像、相機(jī)檢校參數(shù)和控制點(diǎn)輸入到近景攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)LensPhoto中，得到被監(jiān)測(cè)區(qū)域絕對(duì)定向后的三維點(diǎn)云模型。
（2）后期滑坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要保證攝影的攝站分布位置與第一次的攝站分布位置大致相同，從而確保后面的一、二期影像之間的匹配能夠順利進(jìn)行。
（3）考慮到隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的推移，第一次監(jiān)測(cè)時(shí)布置的控制點(diǎn)有可能產(chǎn)生了位移變動(dòng)，因此第一次布置的控制點(diǎn)不能用到二期的滑坡監(jiān)測(cè)中，利用一、二期影像自動(dòng)匹配得到的物方同名點(diǎn)解算一、二期的模型變換參數(shù)。
（4）通過(guò)對(duì)一、二期影像自動(dòng)提取像片特征點(diǎn)，進(jìn)行一、二期影像之間對(duì)應(yīng)影像的匹配，然后在一期影像與二期影像的內(nèi)部分別進(jìn)行點(diǎn)的傳遞匹配，從而得到一、二期滑坡三維模型下的同名物方點(diǎn)。根據(jù)這些同名物方點(diǎn)解算一、二期三維點(diǎn)云模型之間的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等7個(gè)參數(shù)，從而將二期三維表面點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換到一期的控制點(diǎn)坐標(biāo)系中。
（5）對(duì)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)系下的兩期三維點(diǎn)云模型，按照一定的間距進(jìn)行采樣，生成同一監(jiān)測(cè)區(qū)域的兩期DEM模型，然后對(duì)其進(jìn)行疊加分析，計(jì)算滑坡絕對(duì)位移量以及滑坡區(qū)域的局部變化量，實(shí)現(xiàn)滑坡監(jiān)測(cè)的目的和任務(wù)。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1 兩期影像的自動(dòng)匹配
考慮到第一期滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)布置的控制點(diǎn)在第二期監(jiān)測(cè)時(shí)可能發(fā)生了位移，則第二期監(jiān)測(cè)時(shí)不能再采用第一期測(cè)量的控制點(diǎn)，而是通過(guò)兩期影像的自動(dòng)匹配獲取物方同名點(diǎn)，解算一、二期模型的變換參數(shù)，完成二期滑坡區(qū)域的相對(duì)三維模型到一期滑坡區(qū)域的絕對(duì)三維模型的轉(zhuǎn)換。
具體過(guò)程包括以下兩個(gè)方面：
（1）利用Harris算子對(duì)兩期影像中相對(duì)應(yīng)的影像對(duì)提取特征點(diǎn)，然后基于特征點(diǎn)以及核線約束進(jìn)行匹配。
（2）影像對(duì)1、I的同名點(diǎn)分別在每期影像的內(nèi)部向下一幅影像進(jìn)行點(diǎn)的傳遞匹配，然后獲取公共匹配點(diǎn)作為像對(duì)1、2與像對(duì)I、II的同名匹配點(diǎn)。由于匹配中不可避免地會(huì)存在誤匹配點(diǎn)，因此文中采用RANSAC方法剔除了粗差點(diǎn)。
根據(jù)上述方法獲得兩期影像的同名物方點(diǎn)后，計(jì)算一、二期模型的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等變換參數(shù)，將二期三維表面點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換到一期的控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)兩期三維表面點(diǎn)模型所在坐標(biāo)系的統(tǒng)一。
3.2 DEM 模型的生成及疊加分析
將第二期的三維表面點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換到第一期的控制點(diǎn)坐標(biāo)系中后，選擇一個(gè)公共投影面，要求投影面的法向與攝影方向保持一致，將每期的三維點(diǎn)投影到該投影面上，根據(jù)滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求以及DEM的數(shù)據(jù)量設(shè)置一定的采樣間距（采樣間距設(shè)置為10 mm），通過(guò)內(nèi)插自動(dòng)生成每期的DEM數(shù)據(jù)模型。由于在測(cè)區(qū)的邊緣，DEM內(nèi)插精度較低，因此進(jìn)行DEM模型疊加分析時(shí)，分析范圍要小于實(shí)際的DEM采樣范圍。這就需要保證攝影范圍大于被監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍，從而避免影像邊緣區(qū)域DEM內(nèi)插精度低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)被監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行100%監(jiān)測(cè)的要求。
為了更好地觀察整個(gè)測(cè)區(qū)兩期前后的變化情況，分別對(duì)每期的影像進(jìn)行拼接。可以很直觀地看出兩期DEM 的變化與影像的變化區(qū)域是相符的。進(jìn)一步對(duì)滑坡兩期的變化進(jìn)行定量分析，采用兩期DEM疊加比較的方式，計(jì)算全局變化量以及局部變化區(qū)域的位置、面積大小等參數(shù)。
4 實(shí)驗(yàn)與分析
對(duì)一個(gè)山坡的部分區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，相機(jī)型號(hào)為NikonD300，測(cè)區(qū)范圍大致為 10 m×3 m，攝影距離約為 12 m，攝影方式為平行攝影。第一次監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)山坡拍攝了8幅影像，相鄰影像間重疊度為65%，并使用免棱鏡全站儀在攝影測(cè)區(qū)范圍內(nèi)測(cè)量了6個(gè)控制點(diǎn)，見(jiàn)圖6。第二次監(jiān)測(cè)時(shí)拍攝的影像中，攝站分布位置與第一次的攝站分布位置大致相同，影像間的重疊度和第一期影像重疊度相當(dāng)。另外，對(duì)山坡進(jìn)行第二次監(jiān)測(cè)之前，在監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍以內(nèi)，人為地挖了3個(gè)坑，并對(duì)坑的大小和深度進(jìn)行了測(cè)定。
在對(duì)兩期影像進(jìn)行處理之前，首先根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校，然后將第一期影像、相機(jī)內(nèi)參數(shù)以及控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入到數(shù)字近景攝影測(cè)量軟件LensPhoto系統(tǒng)中，獲取經(jīng)過(guò)絕對(duì)定向后滑坡第一期的絕對(duì)三維表面點(diǎn)模型。將第二期影像、相機(jī)內(nèi)參數(shù)導(dǎo)入到LensPhoto中，進(jìn)行空中三角測(cè)量以及無(wú)控制的自由網(wǎng)光束法平差后，得到滑坡第二期的相對(duì)三維表面點(diǎn)模型。
用兩期影像自動(dòng)匹配算法，獲得兩期影像的同名物方點(diǎn)，計(jì)算一、二期三維點(diǎn)云模型的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等變換參數(shù)，完成將二期三維表面點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換到一期的控制點(diǎn)坐標(biāo)系中。若匹配點(diǎn)分布均勻，并且分布在沒(méi)有發(fā)生位移變化的區(qū)域，則匹配結(jié)果比較滿意。
利用DEM生成方法得到兩期的DEM模型。然后對(duì)DEM模型進(jìn)行疊加定量分析，從而得到滑坡變化區(qū)域的位置以及變化量。再通過(guò)DEM疊加計(jì)算得到區(qū)域變化量與實(shí)際測(cè)定結(jié)果一致就行。另外，滑坡的變化區(qū)域主要是具有一定面積的面狀區(qū)域，因此獨(dú)立、離散的變化區(qū)域?qū)卤O(jiān)測(cè)的結(jié)果分析影響不大。
5 結(jié)論
由于之前采用的是人工模擬滑坡的實(shí)驗(yàn)，因此接下來(lái)需要進(jìn)一步研究與分析被監(jiān)測(cè)區(qū)域的植被覆蓋率以及攝影距離的增大等因素對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)精度的影響。這種無(wú)需二次控制的、非接觸的、快速便捷的滑坡監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了它的可行性，能夠方便地對(duì)滑坡體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。
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