【类型】期刊

【作者】张盈松，刘时银，上官冬辉（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室）

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室

【刊名】冰川冻土

【关键词】 地面多基线数字摄影测量；DEM；博格达峰；冰川测量；高分辨率

【资助项】中国科学院知识创新工程重要方向项目资助　　（KZCX2-YW-GJ04）

【ISSN号】1000-0240

【页码】P1184-1189

【年份】2019

【期号】第5期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】冰川的监测一直是冰川学研究的重要内容,2008年对天山东段博格达峰南坡的黑沟8号冰川末端进行了地面多基线数字摄影测量,获取了该冰川末端的影像,以及与之相配套的控制信息.在Lensphoto多基线数字摄影测量系统中,测得了冰川末端的0.11km2 DEM数据.采用同期测量的GPS数据检验得知,摄影测量所得DEM数据在高程上的平均误差为1.92m,标准偏差为3.47m.地面旋转多基线数字摄影测量是一种非常有效的冰川测量手段,可以在典型冰川测量和冰川重要部位(例如冰川末端、冰崖等)的测量中发挥作用.

【全文】 文献传递

地面多基线数字摄影测量在冰川测量中的应用
——以博格达峰黑沟8号冰川为例

张盈松，刘时银，上官冬辉

（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州 730000）

摘 要：冰川的监测一直是冰川学研究的重要内容，2008年对天山东段博格达峰南坡的黑沟8号冰川末端进行了地面多基线数字摄影测量，获取了该冰川末端的影像，以及与之相配套的控制信息.在Lensphoto多基线数字摄影测量系统中，测得了冰川末端的0.11km2DEM数据.采用同期测量的GPS数据检验得知，摄影测量所得DEM数据在高程上的平均误差为1.92m，标准偏差为3.47m.地面旋转多基线数字摄影测量是一种非常有效的冰川测量手段，可以在典型冰川测量和冰川重要部位（例如冰川末端、冰崖等）的测量中发挥作用.

关键词：地面多基线数字摄影测量；DEM；博格达峰；冰川测量；高分辨率

0 引言

冰川冰温度非常接近冰的融点，所以冰川对气候变化十分敏感，是气候变化最好的指示器和最直观的证明之一［1－2］.从全球尺度看，冰川对海平面上升有着重大贡献，最新研究表明，近年来冰冻圈融化产生的水量已超过海水热膨胀，成为全球海平面上升最大的贡献者，而山地冰川和冰帽的贡献又排在了冰冻圈中第一位［3］；从区域角度看，冰川有“固体水库”之称，山地冰川是区域水资源的重要组成部分，尤其是在干旱半干旱地区，冰川融水在河流补给中占据了相当大比重.在近几十年中，山地冰川的变化已经显著影响到了区域水资源的变化［4－6］.此外，气候变暖引起的冰川消融，大大增加了如冰湖溃决洪水和冰川泥石流等与冰川相关的地质灾害发生的可能性，对当地经济、环境等产生了显著影响［7－8］.鉴于冰川的重要意义，冰川及其变化的精确监测已经变得越来越迫切.

对冰川的监测一直是冰川学研究的重要内容，但是恶劣的自然环境、昂贵的人力和物力大大限制了冰川观测数据的获取，全球范围内也仅仅只有有限的几十条冰川有全面、连续的观测数据［9］.随着科学技术的不断进步，遥感、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）以及各种平台的摄影测量等技术都被引入到冰川监测领域，大大减小了冰川数据获取的难度，并增强了数据的准确性和精度［10－15］.在冰川监测中，冰川表面高程测量是一项非常重要的内容.通过冰川表面高程数据以及在此基础上产生的数字高程模型（DEM），可以获取冰川面积、冰量等变化信息，并为进一步更深入的研究提供支持.目前，获取大面积高精度冰面高程信息的主要手段是GPS－RTK（real－time kinematic，实时动态差分法），这种测量技术施测速度快、精度高，是非常高效的冰川测量方法［16－17］.但是GPS－RTK技术在冰川测量中也受到很大的限制，由于该测量方法需要实地接触，受地形限制很大.然而，冰川表面地形起伏剧烈，陡坡、冰崖以及裂隙等难以到达地形较多，这样就会在在测量过程中形成数据空洞，或大面积无法测量.而地面数字摄影测量正好可以弥补这种不足，摄影测量是一种非接触测量，可以快速的对一些陡坡、冰崖进行测量，在地形条件较好的情况下更是可以实施大面积测量［18］.地面摄影测量方法在减少工作量的同时还会降低工作强度，并大大减少冰面作业的风险，相较于GPSRTK人工逐点测量，摄影测量是以照片的方式来获取测量目标信息，测得数据会更加详尽，可以在最大程度上获取冰川表面地形信息.

我国的地面冰川摄影测量起步于20世纪50年代末60年代初，从开始的小区域试验，到后来的大面积摄影测量的成功，到20世纪80年代结合航空摄影测量、卫星影像等多手段联合测量和制图，经历了从初创到成熟的过程.20世纪80年代之后，由于传统摄影测量中，仪器昂贵复杂、对操作人员技术要求高、测量周期长和工作量大等特点对推广应用限制，以及卫星影像等数据对摄影测量数据产生的替代作用，国内的地面冰川摄影测量进入了沉寂时期，自此至今冰川摄影测量工作几乎没有再进行过.目前，经济、简单、易用和处理快速地面数字摄影测量系统的出现，以及冰川研究对冰川数据更精细的需求，使得地面冰川摄影测量再次成为冰川监测的有效手段.

黑沟8号冰川位于天山东段博格达峰南坡黑沟河源头，是博格达峰南坡最长的冰川，1959年中国科学院高山冰雪研究队就对包括本区域的天山现代冰川做了全面考察，1981年中日联合进行天山博格达峰地区冰川考察.考察期间，科考队对黑沟8号冰川进行了物质平衡、冰川温度、成冰作用、冰川的积累消融、气候、冰川沉积、地貌第四纪冰川作用等多项研究［19－23］.但是至今，还没有涉及该冰川高程及体积的研究报道.本文主要是利用最新的多基线地面数字摄影测量技术对黑沟8号冰川末端进行了测量，并对结果进行了评估.

1 研究区概况

黑沟8号冰川位于天山山脉内，天山共计有冰川15 953条，面积15 416.41km2，估计冰储量1 048.247km3，是世界山地冰川集中分布的山系之一，也是我国开展现代冰川研究较早的区域之一［24－26］.黑沟8号冰川（43°46′N，88°23′E）坐落在天山山脉东段著名的博格达峰南坡.根据中国冰川目录［27］，黑沟8号冰川目录编号为5Y813B8，长7.1km，面积5.61km2，冰川最高海拔5 445m，雪线在海拔4 050m左右（图1）.黑沟8号冰川属于雪崩补给类型，其冰川融水汇入白杨河流域，水文划分上属于天山东部散流内流区.冰川所在区域内，环流主要受西风环流和青藏高原环流等影响，其中，西风环流是主要的水汽携带者，遇山体抬升而形成降水.在降水时间分配上，5—9月暖季降水占了全年降水的绝大部分，据估算海拔4 000m以上山区，年降水量可以达到700～750mm［24，28］.

2 数据

2.1 原理

为了采集黑沟8号冰川末端陡坡的表面高程信息，我们采用了武汉朗视软件公司的多基线数字摄影测量系统软件——Lensphoto.该系统以计算机视觉理论为基础，一改传统摄影测量的双片立体模式，采用短基线，多摄站，旋转摄影的模式（图2），实现了多片立体匹配［29－30］.测量过程中，影像每个点的坐标不再是由两条光线，而是由多条光线前方交会得到.这种测量方式，有效解决了交会角小测量精度低，交会角大影像匹配难的矛盾.与此同时，大大降低了对摄影相机的要求，可以使用消费型相机取代昂贵的测量型相机来进行精密的摄影测量.

Lensphoto系统有一整套的数据处理流程：首先是对原始影像进行筛选管理，创建数据处理工程，在此过程中，会引人现场拍摄之前，测得的相机方位元素和镜头参数；然后进行影像匹配，量测照片控制点，然后编辑生成DEM.具体流程如图3.

2.2 实地测量及结果

本文中所用摄影测量数据，实地测量时间为2008年8月.为了建立精确的测区控制点，我们使用多台合众思壮公司E650测量型GPS，采用静态联测的方法，在测量区域内建立了多个精确的测量控制点.控制点测量完成之后，根据测区的实际情况，布设了次一级的照片控制点.由于本次作业的测区比较陡峭，难以布设人工控制点，因而选取测区内明显特征点作为次级控制点.次级控制点的空间坐标是采用拓普康GPT－7002L全站仪量取.测量时，采用免棱镜测量模式，每个控制点分别采用盘左、盘右模式测量两次，经计算后取得每个点空间坐标.经过内业解算后次级控制点平差精度如表1所示.

本次测量中，测量基线位置选取在冰川末端稳固的边坡上，测量过程中，共设立4个摄站，使用佳能EOS 5D单反相机、135mm定焦镜头，采取旋转摄影的方式，每个摄站拍摄6张照片，使其覆盖整个测量区域，如图4所示.本次测量所用设备信息见表2.

在以上工作的基础上，最后得到黑沟8号冰川末端的摄影测量数据，共测得冰川表面三维点70 000多个，在ArcGIS地理信息系统的辅助下制作1m×1mDEM.经统计，最终测得黑沟8号冰川末端0.11km2的DEM数据，如图5所示.

2.3 精度评估

GPS－RTK测量精度非常高，水平和垂直方向的精度大约在0.1～0.3m之间［16］.因此，本文采用与摄影测量同步进行的GPS－RTK数据作为真值，对摄影测量结果进行检验.在测量区域内，共选取检验点17个，计算同一点上GPS高程值与摄影测量结果之间的差值.最后结果显示二者之间的差值的平均值为1.92m，标准偏差为3.47m，具体数据如图6所示.检验结果显示，我们通过地面数字摄影测量所得到的DEM数据在垂直方向上较高的精度.同时也可以看出，存在个别点上精度不高，偏差很大的问题，可能主要由以下几方面的原因造成：首先，地面摄影测量由于拍摄者所处位置的限制，总会有一些区域会受到地物阻挡，而无法被相机拍摄到，因而在最后的结果中形成数据空洞，这些区域的信息只能通过空间差值得到，可能会产生较大误差；其次，在拍摄得到的影像数据中，在拍摄的边缘地区由于重叠的影像相对较少，误差相应也会比较大.还有距离摄站远近不同引起单位面积内的像素密度不同等原因也会造成区域误差差异.

3 结论

地面旋转多基线数字摄影测量可以快速的对冰川区一些适合进行摄影测量的地区实测，并且可以解决许多地区通达性差，难以实施接触测量的困难，还可以降低冰川测量的劳动强度和冰面作业的风险.而且，不同于卫星测量在山区的高程测量存在误差大的缺憾［31－32］，地面数字摄影测量的精度和分辨率都非常高，可以获取丰富的冰川高程及表面形态特征变化信息.因此，本文认为地面旋转多基线数字摄影测量是一种有效的冰川测量手段，可以在典型冰川测量和冰川重要部位（例如冰川末端、冰崖等）的测量中发挥重要作用.

致谢：本研究在实地测量阶段得到了赵井东博士、武震博士等人的大力帮助；在写作过程中郭万钦博士提供了非常有帮助的资料，在此一并感谢.

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Ground Multi－Baseline Digital Photogrammetry for Surveying the Heigou Glacier No.8in the Mt.Bogda，Tianshan Mountains

ZHANG Ying－song，LIU Shi－yin，SHANGGUAN Dong－hui
（State Key Laboratory of Cryospheric Science，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 73000，China）

Abstract：Ground photogrammetry is a traditional and important glacier surveying method.Because of satellite remote sensing technology arising，glacier ground photogrammetry was immersed in trough for a time.However，with the increase in demand of high precision topographic data and the digital photogrammetry technology evolving，ground photogrammetry again becomes an effective means of glacier surveying.In August 2008，a ground multi－baseline photogramdmetry test was carried out on the terminus of Heigou Glacier No.8 in the south slopes of the Mt.Bogda，eastern Tianshan Mountains.Using dozens of images ob－tained from four camera stations and the corresponding ground control information，by the assistant of Lensphoto digital photogrammetric system and non－metric digital camera，a DEM was constructed with an area of 0.11km2and 1m×1m resolution.RTK－GPS measurements were used to assess the accuracy of the photogrammetry DEM；The DEM shows an average error of 1.92mand a standard deviation of 3.47m.The precision is sufficient for most glaciological studies；it＇s a beneficial try to make a high resolution digital elevation model within a limited area in China.

Key words：ground multi－baseline digital photogrammetry；DEM；Mt.Bogda；glacier survey；high resolution

中图分类号：P343.6

文献标识码：A

文章编号：1000－0240（2012）05－1184－06

收稿日期：2012－04－18；

修订日期：2012－07－20

基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2－YW－GJ04）资助

作者简介：张盈松（1981—），男，山东临沂人，2012年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所博士学位，主要从事冰川变化与测量研究.E－mail zhanglaosan322＠163.com