基于移动摄影图像的滑坡体三维重建与体积计算方法

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我国是一个地质灾害多发国家,而滑坡作为最常见的地质灾害之一,严重威胁了我国的生态环境和人民的生命财产安全。滑坡参数的定性判识与定量计算对灾后风险评估,应急抢险有重要的参考价值。但是传统的野外测量方法,工作量大、效率低,无法满足灾后应急抢险需求,非接触式的遥感测量方法如摄影测量和三维激光扫描可以提高处理效率,但是对设备要求较高,且需要测量人员具备扎实的测绘知识基础。所以对于灾后抢险工作而言,迫切需要开发一套简便,自动化的滑坡参数计算系统,使非专业测绘人员能在第一时间获取滑坡全貌和体积等参数,从而达到加快滑坡灾害评估和堆积物清理等抢险工作进展的目的。本文针对传统的滑坡体体积测量方法工作量大,对成本和技术要求较高等方面的不足,提出一套基于三维重建的滑坡体体积计算方案,开发了基于移动成像设备的滑坡体积计算系统。通过对野外山体滑坡的应用示范,将系统计算结果与三维激光扫描计算结果进行比较,证实系统的有效性。本文主要研究内容及相应成果如下:(1)为满足滑坡灾后应急抢险中的实时性需求,提高滑坡体三维重建效率,确定一套快速三维重建技术方案。快速三维重建技术方案是通过对比分析不同的特征点检测方法和SFM策略在时间效率、重建精度等指标的差异后,在保证模型精度的前提下选择适合于滑坡题三维重建的高时效技术方案。(2)针对三维重建工作中传统尺度恢复方法的不足,提出了一种基于计算机视觉的自动尺度恢复方法。在滑坡场景中放置已知尺寸的二维码标记板,然后获取不同视角的滑坡场景图像,将自动检测二维码的算法嵌入到三维重建工作中,达到自动获取具备真实尺度的三维模型的目的。其次对于滑坡三维模型中,滑坡参考面缺失的情况,通过三维模型的深度拟合滑坡基准面,从而实现通过滑坡三维模型计算滑坡体体积的目的。(3)整合三维重建算法和滑坡体体积计算方法,设计开发一套基于移动成像设备的滑坡三维重建和参数计算原型系统。原型系统由两个部分组成,移动端和服务端。移动端的主要功能有:数据采集,成果展示和体积计算;服务端主要完成基于图像序列的三维重建计算和三维场景的自动化尺度恢复工作。最后使用基于移动成像设备的滑坡体三维重建与体积计算系统计算一处野外滑坡体的体积,结果表明该系统能完成对滑坡体的三维重建,并通过三维模型计算出滑坡堆积体的体积。与三维激光扫描仪体积测量结果相比,通过快速重建的三维模型计算得到的体积精度达74%,完整重建后的体积计算精度能达到90%。结果证明,该系统能在滑坡灾害发生后,为非专业的测量人员提供具有可靠精度的三维模型和滑坡体积等参数,对于灾后抢险救灾和灾害评估具有重要意义。
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