高博偉張 濤2陳 莉李 靜曲旻皓

（1.中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049；2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

大型工程機(jī)械在地震救援中能夠發(fā)揮非常重要的作用，以2008年汶川地震為例，近千臺大型工程設(shè)備在抗震救災(zāi)行動中，發(fā)揮了重要作用［1］。其中，鑿巖機(jī)和卷揚機(jī)，可直接參與地震救援行動，與目前地震救援隊常用的便攜式救援設(shè)備相比，其優(yōu)勢在于功率更高，實現(xiàn)單一目標(biāo)的效率更高，其劣勢在于對現(xiàn)場環(huán)境的要求較高，主要表現(xiàn)在這種大型工程機(jī)械，通常需要一個較大的機(jī)械底盤作為保障其功能模塊正常工作的動力源及運輸載體，通常機(jī)械底盤通過機(jī)械臂與其功能模塊相連接并傳輸動力，并將功能模塊伸展至目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。地震救援現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，垮塌嚴(yán)重的建筑物，現(xiàn)場混亂的秩序以及可能出現(xiàn)的余震，使得大型工程機(jī)械的作業(yè)環(huán)境無法得到有效保障［2］。作業(yè)目標(biāo)區(qū)域的位置可能出現(xiàn)在地震廢墟的各個位置，這對大型機(jī)械的功能提出了一定的需求，大型工程機(jī)械的作業(yè)半徑和作業(yè)高度與其重量級存在一定程度的正相關(guān)，重量越大，則機(jī)械體積越大，在地震救援現(xiàn)場可能受制于現(xiàn)場惡劣的交通環(huán)境而無法到達(dá)現(xiàn)場或無法在現(xiàn)場有效展開；重量過小，則可能受制于作業(yè)半徑和高度，無法將作業(yè)模塊傳送至目標(biāo)區(qū)域。本文以汶川特大地震北川廢墟遺址為研究對象，通過多旋翼無人機(jī)傾斜攝影采集廢墟遺址真實數(shù)據(jù)，繼而通過專業(yè)軟件進(jìn)行三維模型重建，并在三維模型上進(jìn)行實際測量的方法，研究分析地震災(zāi)害現(xiàn)場的環(huán)境特點，提出大型機(jī)械設(shè)備在地震災(zāi)害現(xiàn)場作業(yè)半徑及作業(yè)高度的需求，為地震救援現(xiàn)場調(diào)用大型機(jī)械設(shè)備，以及設(shè)計地震救援專用大型機(jī)械設(shè)備，提供科學(xué)有效的參考。

1 研究區(qū)概況

北川老縣城地震遺址，位于四川省北川縣，是2008年5月12日汶川8.0級地震發(fā)生后，所保留下來的真實地震廢墟。其占地面積約1km2，包含真實地震廢墟約100余座。這些地震廢墟，除進(jìn)行必要的加固措施以外，基本完全真實地保留了震后形態(tài)和結(jié)構(gòu)。遺址中包含的建筑結(jié)構(gòu)有磚混、框架以及底部框架頂層磚混等典型建筑結(jié)構(gòu)；倒塌形式包括整體傾斜、完全倒塌、部分倒塌等；倒塌原因除因地震動造成的結(jié)構(gòu)性倒塌外，還包含兩片因山體滑坡造成的大面積垮塌。這些建筑類型、倒塌類型以及倒塌原因較為全面，是較適宜進(jìn)行地震現(xiàn)場環(huán)境分析研究的真實廢墟遺址，如圖1所示。

圖1 北川縣城地震前后對比（左：震前 右：震后）［3］Fig.1 Comparison of Beichuan County before （left） and after （right） earthquake ［3］

2 研究方法

由于北川老縣城廢墟遺址所包含的廢墟數(shù)量較多，采用人工逐個排查的方法工作量巨大，因此本文應(yīng)用無人機(jī)圖像遙感技術(shù)，大范圍獲取廢墟遺址圖像，并經(jīng)過后期軟件處理，獲得還原度較高的廢墟三維建模，并通過對三維建模實施測量的方式，獲取廢墟基本參數(shù)。本次調(diào)研主要使用了以大疆精靈3為飛行器的無人機(jī)低空航拍系統(tǒng)進(jìn)行圖像獲取，獲取方式主要為大范圍正攝影及單體建筑傾斜攝影兩種方法，后期的圖像處理軟件采用的是Bentley公司出品的軟件ContextCapture。該軟件可使用各種相機(jī)所拍攝的影像資料，為所需環(huán)境生成具有高分辨率的實景三維模型。為使用者生成可用于導(dǎo)航的三維模型產(chǎn)品，而此實景三維模型擁有逼真的細(xì)節(jié)、清晰的邊緣和精確的幾何特性?？梢园凑展ぷ餍枰?，采用任何尺寸或分辨率來創(chuàng)建所需三維模型。擁有數(shù)碼照片紋理的、并且按照地理位置采用坐標(biāo)系統(tǒng)定位的三維模型，這些模型產(chǎn)品都直接從影像資料中解算生產(chǎn)［4］。

2.1 無人機(jī)航拍系統(tǒng)

無人駕駛飛機(jī)（即無人機(jī)，Unmanned Aerial Vehicles，簡稱UAV）是一種有動力、可控制、能攜帶多種設(shè)備，執(zhí)行多項任務(wù)，并可以重復(fù)使用的無人駕駛航空器［5］。本文所使用的無人機(jī)航拍系統(tǒng)由低空航拍無人機(jī)、飛控軟件及圖像處理軟件組成，具體系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。系統(tǒng)利用飛控軟件控制無人機(jī)以一定飛行軌跡飛行，通過搭載在無人機(jī)上的鏡頭以一定規(guī)則獲得低空航拍圖像，并將這些圖片通過圖像處理軟件進(jìn)行處理，獲得航拍地區(qū)的正射圖像（DOM）及三維模型以供后續(xù)分析研究使用。

圖2 無人機(jī)低空航拍系統(tǒng)框架圖［6］Fig.2 Frame of UAV low altitude aerial photograph system ［6］

本文所使用的低空航拍無人機(jī)為大疆精靈3專業(yè)版，是大疆精靈系列在2015年新發(fā)布的第三代入門級旋翼機(jī)產(chǎn)品，其分類屬于民用旋翼微型無人機(jī)［7］。其搭載的雙衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是的設(shè)備具有較好的定位、定高及懸停穩(wěn)定性。一體化的云臺設(shè)計具有較高的拍攝穩(wěn)定性，且專業(yè)版搭載的定制小型4K相機(jī)，CMOS尺寸1／2.3英寸，有效像素達(dá)到1240萬，鏡頭畸變較小，可以滿足本次大范圍低空航拍的需要。

根據(jù)航拍任務(wù)的不同，本次調(diào)研主要使用了DJI go和Pix4Dcapture兩款不同的飛控軟件。其中，DJI go為大疆無人機(jī)產(chǎn)品的官方飛控軟件，其操縱安全性好，主要用于需要手動控制的傾斜攝影及大范圍正攝影之后的補(bǔ)點工作；Pix4Dcapture為 Pix公司開發(fā)的飛控軟件，兩種軟件均具有航線規(guī)劃功能，可在軟件中預(yù)先將飛行軌跡、飛行高度及照片重合度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，由軟件自動控制無人機(jī)完成航拍任務(wù)。

本文主要采用由法國的Bentley公司開發(fā)的ContextCapture軟件做后期圖像處理，它是基于圖形運算單元GPU的快速建模產(chǎn)品，可以在圖片質(zhì)量符合要求下無須人工干預(yù)進(jìn)行快速、簡單、全自動的三維建模，其還原的三維模型真實度較高，對于建筑物三維模型的長度測量，其誤差可控制在厘米級，對于建筑物的占地面積測量，誤差一般可控制在2m2以內(nèi)［8］，能夠滿足本文研究目標(biāo)的需要。

2.2 大范圍正攝影

大范圍正攝影，是指利用多旋翼無人機(jī)采用平行飛行的方式，鏡頭垂直向下拍攝多張圖像，且相鄰兩張照片的拍攝區(qū)域重合度在一定值以上（一般為80%）的一種飛行航拍方法，其拍攝的照片在經(jīng)過專業(yè)軟件后續(xù)處理后，可生成無人機(jī)鏡頭拍攝的航拍照片覆蓋的全部區(qū)域的DEM、DSM、DOM、三維模型等產(chǎn)品，并可通過專業(yè)軟件進(jìn)行實際量測（見圖3）。受限于無人機(jī)續(xù)航時間，每架次飛行覆蓋面積一般不超過0.16km2，實際拍攝過程中，可通過多架次飛行的方法將計劃拍攝的區(qū)域覆蓋完整。汶川地震發(fā)生后，曾有諸多學(xué)者采用這種方法，對北川縣城進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集并生成航拍正射影像圖［9-11］。

圖3 多旋翼無人機(jī)大范圍正攝影拍攝方法Fig.3 Orthograph method in wide range by Multi-Rotor UAV

這種數(shù)據(jù)采集方式，效率較高且成本較低，適用于較大范圍采集目標(biāo)數(shù)據(jù)，但是由于缺少傾斜角度圖像數(shù)據(jù)，這種方法采集到的圖像經(jīng)過軟件處理，雖然能夠生成三維模型，但其側(cè)面紋理質(zhì)量就較差，結(jié)構(gòu)失真比較大，一般用于采集外形結(jié)構(gòu)較為標(biāo)準(zhǔn)的建筑物數(shù)據(jù)。在本文研究主要應(yīng)用這種方法采集北川老縣城地震遺址整體區(qū)域圖像數(shù)據(jù)。

2.3 小區(qū)域／單體建筑傾斜攝影

傾斜攝影技術(shù)通過在同一飛行平臺上搭載多臺或多種傳感器，同時從多個角度采集地面影像，獲取豐富的建筑物頂面及側(cè)面高分辨率紋理信息。傾斜攝影不僅能夠真實地反映地物情況，獲取高精度的紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維模型［12］。一般情況下，可選擇一個或多個固定高度進(jìn)行環(huán)繞飛行，相鄰兩張照片之間角度應(yīng)小于15度，拍攝區(qū)域的每部分應(yīng)保證至少出現(xiàn)在三張照片中，如圖4所示。

這種采集方法，較之大范圍正攝影采集方法，成本較高且效率較低，但由于其數(shù)據(jù)采集的全面性，生成的三維模型質(zhì)量較高，不同面的紋理和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)均比較完整。本文研究主要應(yīng)用這種方法采集具有典型特點廢墟的外形數(shù)據(jù)。

圖4 小區(qū)域／單體建筑傾斜攝影方法Fig.4 Oblique photograph method of small area／single building

2.4 重建三維模型及測量

獲得原始圖像后，即可通過相關(guān)圖像處理軟件對原始圖像進(jìn)行處理并生成三維模型。軟件首先對圖像進(jìn)行解析空中三角測量（簡稱空三加密），是指利用原始圖像的鏡頭信息、飛行姿態(tài)信息、GPS信息及圖像本身等進(jìn)行信息處理，確定區(qū)域內(nèi)所有圖像的外方位元素，之后通過3D渲染，將目標(biāo)建筑的結(jié)構(gòu)和色彩完整再現(xiàn)出來的一種快速建模技術(shù)。該種技術(shù)對于建筑的外形還原度較高，且效率較之于傳統(tǒng)的手工建模大大提升，與本文所要測量廢墟外部尺寸信息的目的極為契合。

利用ContextCapture三維建模能力，生成整個航拍區(qū)域的三維模型并進(jìn)行量測，得出在實際地震救援過程中每個潛在救援作業(yè)點的面積、高度等信息，并得出最終大型機(jī)械作業(yè)參數(shù)需求，具體方法如下：

（1）利用軟件生成整體DOM及三維模型；

（2）在DOM上規(guī)劃救援作業(yè)區(qū)域并編號；

（3）對照編號在三維模型上進(jìn)行量測，量測信息包括：區(qū)域內(nèi)建筑類型、建筑樓層、區(qū)域內(nèi)建筑倒塌形式、區(qū)域面積、區(qū)域最大高度。

統(tǒng)計所有區(qū)域調(diào)查結(jié)果，得出區(qū)域面積及高度平均值，并計算作業(yè)半徑的理論值，計算方法如表達(dá)式（1）所示。

3 研究結(jié)果

本文分別對汶川地震中的北川老縣城地震遺址進(jìn)行了無人機(jī)航拍，共進(jìn)行了2天共計15個架次的飛行采集，架次信息如表1所示，采集區(qū)域基本完全覆蓋的百川老縣城地震遺址，如圖5所示，拍攝有效照片549張，圖像采集覆蓋面積約為1km2，產(chǎn)出了整個北川老縣城的正射影像圖（DOM）及三維模型，如圖6和7所示。

根據(jù)生成的三維模型結(jié)果，共將北川地震遺址劃分為113處可能的救援作業(yè)區(qū)域，其中部分倒塌23處、完全倒塌24處，輕微破損86處。其廢墟高度、廢墟覆蓋面積、理論作業(yè)半徑區(qū)域統(tǒng)計結(jié)果，以及大型工程機(jī)械作業(yè)需求示意圖如圖 8～11所示。

表1 北川縣城地震遺址航拍信息記錄表Tab.1 Aerial photograph information record of earthquake site in Beichuan County

圖5 無人機(jī)航拍質(zhì)量分析Fig.5 Quality analysis of UAV aerial photograph

圖6 北川縣城DOM（左：全圖右：局部）Fig.6 The whole （left） and local（right） DOM graph of Beichuan County

圖7 北川遺址航拍三維建模圖（上：整體 下左：居民樓遺址 下中：山體滑坡 下右：縣工商局遺址）Fig.7 3D modeling graph of Beichuan earthquake site（the upper graph is the whole site； the graph at lower left is ruin site of residential building； the graph in lower middle is landslides； the graph in lower right is ruin site of Industry and Commerce Bureau）

圖8 北川航拍廢墟高度統(tǒng)計圖Fig.8 Height statistics of Beichuan ruins in aerial photograph

圖9 北川航拍廢墟占地面積統(tǒng)計圖Fig.9 Area statistics of Beichuan ruins in aerial photograph

圖10 北川航拍廢墟理論作業(yè)半徑統(tǒng)計圖Fig.10 Theoretical operation radius statistics of Beichuan ruins in aerial photograph

圖11 大型機(jī)械設(shè)備作業(yè)需求示意圖Fig.11 Sketch map for operation requirements of large engineering machinery

4 結(jié)論及展望

本文首先通過多旋翼無人機(jī)航拍、大范圍正射影、小范圍／單體建筑傾斜攝影的方法，采集北川老縣城地震遺址倒塌建筑外形數(shù)據(jù)，并利用專業(yè)軟件ContextCapture對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理，生成高精度三維模型。然后利用生成的高精度三維模型，劃分可能的救援工作區(qū)域，并對每個區(qū)域進(jìn)行編號。之后，利用專業(yè)軟件對每個區(qū)域進(jìn)行測量，得出每個區(qū)域的高度數(shù)據(jù)和面積數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出大型機(jī)械的理論作業(yè)半徑需求數(shù)據(jù)。最終經(jīng)統(tǒng)計，大型救援設(shè)備理論作業(yè)高度需求為12.7m，理論作業(yè)半徑需求為16.6m。其中，需要特別說明的是，北川縣城廢墟的平均高度12.7m，該數(shù)字為包含了全部廢墟的統(tǒng)計結(jié)果。然而在實際救援工作中，不同破壞程度的建筑，對于救援的需求是不同的。完全倒塌的廢墟，包括滑坡掩埋區(qū)域，對于大型破拆裝備的救援需求較高，輕微破損的廢墟對于救援的需求則較低。根據(jù)本次統(tǒng)計結(jié)果，完全倒塌廢墟的平均高度為9.64m，如不算三處高度較大的滑坡掩埋區(qū)域，則平均高度為7.98m。

受限于資料不完整性，本文研究并未收集到足夠的實際地震救援案例資料，因此本文研究僅限于對地震廢墟本身的尺寸進(jìn)行研究測量，并得出相關(guān)結(jié)論。今后計劃收集足夠的地震救援案例資料，結(jié)合埋壓者在地震廢墟中的埋壓位置、深度等信息，得出更進(jìn)一步的結(jié)論，提出更為詳盡的大型救援設(shè)備的實際研制和設(shè)計需求。

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