一种用于观测断层活动的地面摄影测量标志及其使用方法与流程

1.本发明涉及断层活动观测技术领域，具体是一种用于观测断层活动的地面摄影测量标志及其使用方法。


背景技术：

2.用于观测断层两盘的水平或垂向运动的方法主要有经纬仪+测距仪/全站仪测三边测量法或三角测量法、激光雷达法、insar法、gnss法、精密水准测量法等。
3.基于经纬仪+测距仪/全站仪测三边测量法或三角测量法(三角网)的断层活动的观测系统需要埋设地面观测标志，一直依靠人工在观测点下进行重复测量，而且必须解决通视问题。两个对向观测点之间的视距不能太大，一般小于3000m。因此，这种方法的工作效率低，受通视条件影响大，往往造成了布网不理想。
4.对于空基激光雷达(lidar)无需进行埋设地面观测标志，不存在地表通视条件限制问题，且具有效率高，作业面积大等优点，但费用高昂，不利于重复观测。如不埋设地面观测标志，将无法确定断层两盘相对运动的矢量方向与矢量方向上的运动量，也无法与区域卫星定位网进行联测确定断层两盘的绝对运动量。而地基激光雷达(lidar)也无需进行埋设地面观测标志，但存在地表导线点之间需要通视的问题。这种方法精度高，但效率低，作业面积小，费用比较昂贵。如不埋设地面观测标志，将无法确定断层两盘相对运动的矢量方向与矢量方向上的运动量，也无法与区域卫星定位网进行联测确定断层两盘的绝对运动量。
5.insar法利用两期或多期地表形变的干涉条纹进行解缠计算获得断层两盘地表不同方向的活动幅度。该方法需要安装地面角放射器。测量面积大，但对卫星飞行轨迹所覆盖的区域有依赖，适用范围受到影响。
6.gnss地壳形变观测网，需要埋设地面观测标志，不存在地表通视条件限制问题，适合大范围的地壳变形观测，信号连续性好，可计算断层两盘相对运动的水平位移量。但垂向或垂向分量的计算薄弱，且布网费用高。
7.要实现多期、高精度的断层活动状态观测，简单廉价易操作是一种重要的方法。随着消费级无人机的上市，实现低成本多期次的摄影测量观测成为可能。
8.随着倾斜摄影测量技术的出现，搭载多镜头的无人机倾斜摄影测量，拍摄角度多，重复观测方便。使用具有配有卫星定位系统的无人机，但如果不埋设地面观测标志的话，将无法确定断层两盘相对运动的矢量方向与矢量方向上的运动量。因而，实现高精度的地表变形或断层活动观测，布置地面摄影测量标志是一个必要条件。
9.而当前使用较多的摄影测量标志多为多环中心式。这类型的摄影测量标志的实质是通过多环捕捉标志，使用中心点定位的单点平面型摄影测量标志。如果遇到中心点遮蔽，那么该点的数据将无法使用。那么，通过设置多角点的方法，既可提高摄影测量标志在影像中的捕捉效率，又可增加多余观测值，从而提高观测精度。
10.已有的研究和观测表明，一条大规模或中等规模以上的区域性断裂带其活动的强
度往往不均匀，从而形成变形局部化形象。这种现象为观测断层活动状态提供了一种新的思路。即通过在断层活动强度大或活动幅度大的地段布设小型区域网，使用无人机多期次观测地面摄影测量标志的点位变化，实现小区域局部动态观测。也可将该小区域网观测数据接入区域变形观测网中解算，作为大型区域网的加密观测网使用。


技术实现要素：

11.为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种用于观测断层活动的地面摄影测量标志及其使用方法。
12.为实现上述目的，本发明提供一种用于观测断层活动的地面摄影测量标志，
13.包括：底板，所述的底板为等腰直角三角形；
14.至少2块形状相同边长相等的等腰直角三角形反射识别平板；所述的2块反射识别平板固定在底板上，2块反射识别平板与1块等腰直角三角形底板具有预先确定的空间位置关系，使得摄影测量标志置于一个空间时，几何中心在所处的空间中的位置能够根据至少1块反射识别平板在所述空间中的位置以及所述的预先确定的空间关系计算获得；
15.连接杆，连接杆与底板相连，使得连接杆的几何中心与底板几何中心具备预设的空间关系，能通过标志上部底板角点或反射板角点位置推算出底部连接杆的几何中心或连接杆特定部位的位置，连接杆与底板对应的位置为地面观测点所在位置；
16.水准器，安装在连接杆或底板上，用于首次观测时整平底板，并使得连接杆处于铅直状态；
17.标志的总体轮廓为上部为三角椎体，下部为连接杆。
18.所述的用于观测断层活动的地面摄影测量标志的使用方法，包括如下步骤：
19.地面摄影测量标志布设：
20.(1)断层活跃地段的确定，通过阅读现有资料或野外调查整理出断层的活动的活跃地段，比如活动强度大或地貌变形明显的地段；
21.(2)地面摄影测量标志的布设，在断层活跃地段中，在断层两盘布设至少4个本发明中的地面摄影测量标志，每一盘至少布设2个标志。标志下部的连接杆需要固定在基岩上，上部遮蔽度低或中等；
22.测量标志的观测与点位识别方法：
23.(1)飞行准备工作，包括：
①
.gnss基准站架设置；
②
.飞机通讯链路电台架设；
③
.飞机组装调试；
④
.任务区航线设计；
⑤
.飞机与地面控制站联调；
24.(2)试飞，确定安全高度与拍摄参数；
25.(3)正射影像的快速dsm制作，飞行准备工作完成后，先在任务区安全高度以上，进行正射影像获取，正射影像获取任务飞行完成后，将gnss基准站数据、飞机机载gnss移动站数据、飞机飞控惯导和拍照信息数据、机载相机拍照的正射照片拷贝至任务现场的计算机内，进行快速dsm制作；
26.(4)倾斜摄影拍摄
27.快速dsm制作完成后，根据获得的任务区域dsm数据，设计高分辨率的倾斜摄影航线，使无人机跟随地面仿地飞行并进行近距离拍摄，通过多个架次的不断飞行，获取任务区域的高分辨率倾斜摄影航拍数。
28.(5)空中三角测量与实景三维数据制作
29.将移动硬盘的数据拷贝至计算机处理集群，使用专业处理软件(smart3d或contextcapture或mirauge3d等)进行处理。首先进行空中三角测量解算，获取每张照片的精确pos信息，然后进行实景三维重建，获得任务区域的实景三维模型数据；
30.(6)正射影像制作
31.根据生产出来的实景三维数据，进行垂直影像获取处理，获得任务区的真正射影像成果；
32.(7)角点的三维坐标：在contextcapture4.4.9.516软件、smart3d中读取测量标志中任意角点的三维坐标；
33.(8)角点的二维坐标：在arcgis软件下，手工获取地面测量标志上的任一个角点的二维坐标；
34.(9)当标志中的o点被遮挡，可通过识别标志中的其他角点的坐标，如a、b或o1。
35.所述几何中心在所处的空间还可以通过捕捉到放射识别板任何一个角点推导出其余角点的空间位置。
36.所述底板或反射板上预先喷涂有特点的颜色，提高地面测量标志在影像中的识别率。
37.所述的用于观测断层活动的地面摄影测量标志在断层观测中的应用，其特征在于，包括如下步骤：
38.(1)点位识别，上述测量标志的观测与点位识别方法中(1)-(6)可以获得地面摄影测量标志的每一个地面摄影测量标志每一个角点的二维或三维坐标；
39.(2)距离测量：利用两点距离公式计算任意两点间的长度；也可测量不同测量标志相同编号角点之间的边长；
40.(3)距离平差：将(2)中的组合边长进行平差，获得平差后的边长；
41.(4)观测边的方位角测量：由断层的一盘的测量标志与断层的对盘两个测量标志的对应编号角点进行连线，获得多组观测边的方位角；
42.(5)多期观测：通过(1)-(4)步骤后获得一期观测结果，经过一段时间后开展后续的多期观测时需要重复(1)-(4)的步骤，获得每一期后续观测与第一次观测之间的边长变化和观测边的方位角变化，或任意两期之间的边长变化和观测边方位角变化。从而可观测断层在一段时间内的两盘相对活动幅度及相对活动方位。
43.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
44.1、使用的地面摄影测量标志可在一次飞行中提供更多的多余观测值，从而减少地面测量标志的布设，节约了成本的同时还可提高单次测量的解算精度，
45.2、使用无人机作业，作业时间灵活，飞行高度选择度大，复测周期和飞行高度均较insar方法更加灵活。
46.3、基于无人机摄影测量的方式获取测区影像，相比其他地面人工测量方法工作效率大幅度提高。
附图说明
47.图1为本发明所述的地面摄影测量标志的立面图(a)、侧视图(b)、底板(含水准器)
与反射识别板图(c)。
48.图2本发明所述的地面摄影测量标志实物图。
49.图3为本发明所述的测量标志与断层之间的关系图及野外倾斜摄影作业图。
50.图4为本发明所述的正射影像图。
51.图5为本发明所述的测量标志二维点位识别图。
52.图6为本发明所述的测量标志三维点位识别图。
53.图7为本发明所述的断层活动监测方法图。
具体实施方式
54.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
55.实施例1
56.本实施例为本发明所述的用于观测断层活动的地面摄影测量标志，包括：1块底板，2块三角形反射识别板，1根连接杆和1个圆水准器。该标志的整体轮廓为上部三角锥体，下部为方形长杆。即由1块等腰直角三角形底板，2块等腰直角三角形反射识别板，1根截面为正方形的连接杆和1个圆水准器组成。整体轮廓如图1a所示，上部o1oab三角椎体，下部为连接杆。如图1所示。
57.测量标志的焊接。oab为等腰直角三角形底板，o1oa和o1ob为两块等腰直角三角形反射板，oo2为截面正方形的连接杆。o1为标志顶部的一个角点，o为标志的几何中心点，o2为标志的地面点。将等腰直角三角形反射识别板的直角边oa与底板等腰直角三角形的直角边oa进行同名点焊接，将另一块等腰直角三角形反射识别板的直角边ob与底板等腰直角三角形的直角边ob进行同名点焊接，将两块等腰直角三角形反射识别板的同名直角边oo1进行同名直角边焊接。本实施例中的底板和两块反射板的直角边为20cm，斜边为28.28cm，如图2所示。
58.连接杆与上部三角椎体标志的连接方法。本实施例使用截面为正方形边长为2cm，长度1m的不锈钢管，方形不锈钢管的一条楞为oo2，将楞为oo2与标志中两块三角反射识别板的共同直角边oo1处于同一条直线上，图2。使得在获得a、b、o或o1角点时，即可推导出o2的点位。
59.圆水准器，本实施例中的圆水准器使用罗盘的圆水准器，并置于底板上，如图2所示。
60.为在倾斜摄影测量过程中能快速地识别出地面摄影测量标志，本实施例对标志的底板涂成红色，两块等腰直角三角形反射识别板涂成绿色和黄色，图2。
61.实施例2
62.本实施例为本发明所述的地面摄影测量标志布设的一个实例。经过现场考察后，选择遮蔽度中等的区域，以钢卷尺代表断层地面迹线，分别在假定断层两盘埋设摄影测量标志，每一盘埋设2个规格相同的标志，如图3所示。
63.实施例3
64.本实施例为本发明中所述的测量标志的观测与点位识别方法，包括以下步骤：
65.(1)飞行准备工作
66.飞行前，选择静风、薄云遮挡，光照均匀的天气开展野外作业。本实施例使用了大
疆精灵4rtk单镜头无人机。在野外进行了飞机组装调试、任务区航线设计、飞机与地面控制站联调等工作。
67.(2)试飞
68.经2次试飞后，选定安全航高设为7.5m，光圈2.8，快门速度1/160s，iso100,规划航线为井字形航线，倾斜摄影拍摄模式。
69.(3)正射影像的快速dsm制作
70.正射影像获取任务飞行完成后，将飞机机载gnss移动站数据、飞机飞控惯导和拍照信息数据、机载相机拍照的正射照片拷贝至任务现场的计算机内，进行快速dsm制作；
71.(4)倾斜摄影拍摄
72.倾斜摄影航拍快速dsm制作完成后，根据获得的任务区域dsm数据，设计高分辨率的倾斜摄影航线，使无人机跟随地面仿地飞行并进行近距离拍摄，如图3所示。
73.(5)空中三角测量解算与三维模型重建
74.航拍完成后，将飞机机载gnss移动站数据、飞机飞控惯导和拍照信息数据、机载相机获取的照片拷贝至移动硬盘内存放。将移动硬盘的数据拷贝至计算机处理集群，使用smart3d进行空中三角测量解算，获取每张照片的精确pos信息，然后进行实景三维重建，获得任务区域的实景三维模型数据。
75.(6)正射影像制作
76.根据生产出来的实景三维数据，进行垂直影像获取处理，获得任务区的正射影像成果，图4。
77.(7)测量标志角点的二维坐标读取
78.将正射影像导入arcgis或其他遥感软件中，将影像中某一个角点放大至一个像元读取其二维坐标；如图5所示。
79.(8)测量标志角点的三维坐标读取
80.将dsm影像导入smart3d或其他软件中，将影像中某一个角点放大后，读取其三维坐标，如图6所示。
81.(9)重复(7)和(8)步骤量取地面测量标志中其他任意角点的二维或三维坐标，之后进行二维或三维坐标平差，获得测量标志的中心o的坐标，或根据角点与中心点o的预设几何关系推导出中心点的坐标。
82.这里提供了一次飞行任务后的测量结果。如果需要断层活动观测，需要重复实施例3中(1)-(8)步骤，然后进行数据比较，即可获得两侧飞行任务时间间隔里的每一个标志自身的点位变化，以及点位之间的相对变化，从而可推算出断层两盘的相对运动方式与幅度。
83.实施例4
84.本实施例为本发明所述的用于观测断层活动的地面摄影测量标志在断层观测中的应用，包括如下步骤：
85.如图1所示，将实施例3中的4个测量标志分别命名为t1、t2、t3和t4,每个标志的各角点和连接杆编号，
86.(1)首期观测后，可获得每一个标志的o点的二维坐标或三维坐标，通过两点间坐标公式可计算得到首期各标志间的边长，如图7中的点虚线所示。假定在间隔一段时间后，
由于断层的一盘发生左旋活动，导致t3和t4相对向左发生变位；
87.(2)二期飞行重复实施例3中(1)-(8)的步骤，获得t1、t2、t3和t4,的二期o点的二维坐标或三维坐标。通过两点间坐标公式可计算得到二期各标志间的边长，如图7中的短虚线所示；
88.(3)边长变化。通过比较(1)和(2)同名线的边长，可获得边长的变化值，如图7中s1和s2；
89.(4)高程变化。可通过各标志o点的三维坐标对比获得各标志两期观测时间间隔中高程变化，图7中曲线示意两期观测时间间隔间断层活动引起t4的高程变化；
90.(5)方位角变化。在(1)中确定首期两点间线段的方位角(图7中α)，经(2)观测后再确定两点间线段的方位角(图7中β)，通过对比两期同名线段的方位角变化，可获得断层两盘相对运动的方位变化。