1 引言
我國是一個地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家,隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,交通、水利及資源開發(fā)等工程項目的大量實施,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,除了采用正確的工程措施勘查和處理邊坡外,及時合理的監(jiān)測措施是非常重要而且必需的手段。
結(jié)合近景攝影測量技術(shù)，利用量測相機(jī)或非量測相機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)攝影或平行攝影的方式對被監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行攝影，用攝影測量軟件系統(tǒng)LensPhoto獲取被監(jiān)測區(qū)域的三維表面點云模型，通過自動匹配兩期影像控制點，將監(jiān)測區(qū)域二期的相對三維模型轉(zhuǎn)換到一期的絕對三維模型中，然后分別生成DEM模型，并對兩期DEM模型進(jìn)行疊加，計算滑坡體的絕對位移量和局部變化區(qū)域的位置以及面積大小，從而實現(xiàn)后期監(jiān)測過程中無需量測控制點就可以完成山體的滑坡監(jiān)測。
2 攝影測量三維滑坡監(jiān)測系統(tǒng)實施方案
對被監(jiān)測的滑坡區(qū)域第一次拍攝的影像稱為一期影像，第二次拍攝的影像稱為二期影像，依次類推。以一、二期為例，基于攝影測量原理的滑坡監(jiān)測具體的實施方案如下：
（1）第一次進(jìn)行滑坡監(jiān)測時，使用免棱鏡全站儀測量4個或4個以上（根據(jù)監(jiān)測區(qū)域大小而定）分布均勻的控制點。首先對相機(jī)進(jìn)行檢校，將一期影像、相機(jī)檢校參數(shù)和控制點輸入到近景攝影測量軟件系統(tǒng)LensPhoto中，得到被監(jiān)測區(qū)域絕對定向后的三維點云模型。
（2）后期滑坡現(xiàn)場監(jiān)測時，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)測時間的推移，第一次監(jiān)測時布置的控制點有可能產(chǎn)生了位移變動，因此第一次布置的控制點不能用到二期的滑坡監(jiān)測中，利用一、二期影像自動匹配得到的物方同名點解算一、二期的模型變換參數(shù)。
（4）通過對一、二期影像自動提取像片特征點，進(jìn)行一、二期影像之間對應(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。根據(jù)這些同名物方點解算一、二期三維點云模型之間的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等7個參數(shù)，從而將二期三維表面點模型轉(zhuǎn)換到一期的控制點坐標(biāo)系中。
（5）對轉(zhuǎn)換到同一個控制點坐標(biāo)系下的兩期三維點云模型，按照一定的間距進(jìn)行采樣，生成同一監(jiān)測區(qū)域的兩期DEM模型，然后對其進(jìn)行疊加分析，計算滑坡絕對位移量以及滑坡區(qū)域的局部變化量，實現(xiàn)滑坡監(jiān)測的目的和任務(wù)。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
3.1 兩期影像的自動匹配
考慮到第一期滑坡監(jiān)測時布置的控制點在第二期監(jiān)測時可能發(fā)生了位移，則第二期監(jiān)測時不能再采用第一期測量的控制點，而是通過兩期影像的自動匹配獲取物方同名點，解算一、二期模型的變換參數(shù)，完成二期滑坡區(qū)域的相對三維模型到一期滑坡區(qū)域的絕對三維模型的轉(zhuǎn)換。
具體過程包括以下兩個方面：
（1）利用Harris算子對兩期影像中相對應(yīng)的影像對提取特征點，然后基于特征點以及核線約束進(jìn)行匹配。
（2）影像對1、I的同名點分別在每期影像的內(nèi)部向下一幅影像進(jìn)行點的傳遞匹配，然后獲取公共匹配點作為像對1、2與像對I、II的同名匹配點。由于匹配中不可避免地會存在誤匹配點，因此文中采用RANSAC方法剔除了粗差點。
根據(jù)上述方法獲得兩期影像的同名物方點后，計算一、二期模型的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等變換參數(shù)，將二期三維表面點模型轉(zhuǎn)換到一期的控制點坐標(biāo)系中，實現(xiàn)兩期三維表面點模型所在坐標(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模型轉(zhuǎn)換到第一期的控制點坐標(biāo)系中后，選擇一個公共投影面，要求投影面的法向與攝影方向保持一致，將每期的三維點投影到該投影面上，根據(jù)滑坡監(jiān)測的精度要求以及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），通過內(nèi)插自動生成每期的DEM數(shù)據(jù)模型。由于在測區(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，分析范圍要小于實際的DEM采樣范圍。這就需要保證攝影范圍大于被監(jiān)測區(qū)域范圍，從而避免影像邊緣區(qū)域DEM內(nèi)插精度低的問題，實現(xiàn)對整個被監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行100%監(jiān)測的要求。
為了更好地觀察整個測區(qū)兩期前后的變化情況，分別對每期的影像進(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 實驗與分析
對一個山坡的部分區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測實驗，相機(jī)型號為NikonD300，測區(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)測時，對山坡拍攝了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區(qū)范圍內(nèi)測量了6個控制點，見圖6。第二次監(jiān)測時拍攝的影像中，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，對山坡進(jìn)行第二次監(jiān)測之前，在監(jiān)測區(qū)域范圍以內(nèi)，人為地挖了3個坑，并對坑的大小和深度進(jìn)行了測定。
在對兩期影像進(jìn)行處理之前，首先根據(jù)文獻(xiàn)對相機(jī)進(jìn)行檢校，然后將第一期影像、相機(jī)內(nèi)參數(shù)以及控制點坐標(biāo)導(dǎo)入到數(shù)字近景攝影測量軟件LensPhoto系統(tǒng)中，獲取經(jīng)過絕對定向后滑坡第一期的絕對三維表面點模型。將第二期影像、相機(jī)內(nèi)參數(shù)導(dǎo)入到LensPhoto中，進(jìn)行空中三角測量以及無控制的自由網(wǎng)光束法平差后，得到滑坡第二期的相對三維表面點模型。
用兩期影像自動匹配算法，獲得兩期影像的同名物方點，計算一、二期三維點云模型的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等變換參數(shù)，完成將二期三維表面點模型轉(zhuǎn)換到一期的控制點坐標(biāo)系中。若匹配點分布均勻，并且分布在沒有發(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DEM疊加計算得到區(qū)域變化量與實際測定結(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驗，因此接下來需要進(jìn)一步研究與分析被監(jiān)測區(qū)域的植被覆蓋率以及攝影距離的增大等因素對滑坡監(jiān)測精度的影響。這種無需二次控制的、非接觸的、快速便捷的滑坡監(jiān)測方法，通過實驗證明了它的可行性，能夠方便地對滑坡體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測。
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