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从倾斜摄影测量到三维模型——格陵兰岛东部吉伦岛的结构建模
概要
提出了利用露出倾斜摄影测量建立三维地质模型的工作流程。该工作流用于建立基伦的3D模型，基伦是位于北格陵兰岛东部的一个结构复杂的伪冰原岛。该地区在两个短暂的野外季节被参观，在此则间，一架直升飞机上的手持数码相机拍摄了该地1300张照片。照片被三角化和地理多照，有可见的地质特征，如层理和断层被绘制成3D折线。利用折线计算层理和断层的走向和倾向，产生了大量的构造信息，这些数据与3D 折线、未公布的数字化野外地图、数字高程模型、正射影像和地理参考野外观测数据一起导入到 3D建模软件中，三维建模软件允许我们生成二维截面和三维表面，从而可以通过数据的恢复和外推来测试结构假设．事实证明，该工作流程在提高北极偏远地区的结构知识方而是有效的，这表明倾斜摄测量可以产生高质量的3D 数据，这些数据可以用于3D建模。
1.介绍
用于3D建模的数据传统上要么是由数字高程模型(DEM)插值z坐标的2D数据(地图、剖面等)，要么是原生3D数据(如地球物理数据)。插值会在二维数据和DEM的地理参照、分辨率和质量方面引入一些误差，而原生三维数据通常昂贵且获取和处理相对复杂。
本文描述了一个工作流程，将倾斜摄影测量的三维露头数据集成到三维建模中，并将其应用于位于格陵兰岛东部的一个偏远的伪冰原岛(kien)(图1)，以更好地了解构造演化。由于地理位置偏远、基础设施有限、野外季节短、面积大，对祁连地区的地质知识了解有限。过去，人们对祁连山复杂的构造地质进行了研究(Hakanssonetal.1993;利伯里斯和曼比，1999年;Von Gosen和 Piepjohn，2003)。进一步推进了吉伦的结构知识在相对较短的野外季节，需要一种方法(1)能够提供大量高质量的构造数据，(2)能够将这些数据处理成尊重三维数据质量的地质模型。倾斜摄影测量以前已成功地结合到格陵兰偏远地区的勘探中(Dueholm和 Pedersen,1992年;Sorensen，2011)，并被证明能够为结构分析提供坚实的基础(Pedersen，1981)。此前，这些3D数据被投影到2D区域(Marti n等人，2013;Pedersen和 Dueho lm,1992年;Vos- gerauetal.，2010)，但在这里，它们第一次被保留为3D数据,用于3D建模。
图1所示。基伦的正射影像，显示其摄影测量的飞行线。黄色(2012)和绿色(2013)。吉连的位置在格陵兰岛插入的地图上用一颗红星标记(本图例中对颜色的参考说明，读者可参考本文的网页版本)。
2.地质背景
北格陵兰东部晚古生代至古近系万德尔海盆地与加拿大北极地区、斯瓦尔巴群岛和巴伦海西部中生代沉积盆地具有共同的地质和构造历史(Hakansson and Stemmerik，1989);但由于地理位置偏远，它的开发相对来说还不够。沉积物受到与北大西洋开放和弗拉姆海峡相关的白垩纪后变形的影响(Hakansson和edersen,1982;利伯里斯和曼比，1999年;冯·戈森和皮普约翰2003)。然而，这种变形的性质还存在争议。一些作者将其描述为挤压右旋走滑运动的结果(Hakansson和Pedersen,2015,2001,1982;Von Gosen和Piepjohn，2003年)，而其他人则认为纯粹的压缩(Lyberis和 Manby.1999;Manby和Lyberis，2000年;Soper和Higgins，1991;Soper等人，1982年)。
变形的万德尔海盆地层序在盆地东南部偏远的假nunatakKilen(图1)上暴露得最好。此处,冰原Flade Isblink环绕着断裂、褶皱的中生代硅质碎屑岩和小块的上古生界蒸发岩。前人的工作揭示了在中生代和古近纪的几次变形事件中褶皱、断裂和热影响地层变形的复杂构造地质(Hakanssonetal. 1994,1993;Pedersen和Hakansson，1999;Von Gosen和 Piep john,2003年)。现今作图结果表明，褶皱轴大致为E-W向，适度向西倾伏(10-15”)的直立和园柱形褶皱为主导构造当褶皱与NNW-SSE 走向的正断层相互干扰时，其轴线不同，褶皱变得非圆柱形，三维结构的复杂性增加。与褶皱相关的小型逆冲作用也被观察到，并具有向南北向的一般性构造搬运作用。
3.方法
3.1 数据采集与汇编
用于生成基伦的3D模型的数据包括:(1)野外观察,(2)从斜摄影测量数字地质特征的映射,民主党(3).(4)正色摄影,(5)数字化出版地质图(1989年Pedersen)(图2)。该软件使用Socet 设置5.5(英国宇航系统公司(BAE Systems)设 置照片,提取三维折线和建立DEM,ArcMap (Esri)数据库和3 d折线的注释,并将版本2014.2(米德兰山谷)编制的各种数据,随后构建和操纵三维模型。
3.1.1 倾斜摄影测量的制图
该方法是由丹麦和格陵兰地质调查局(GEUS)开发的，以支持在格陵兰难以进入的地区绘制地图(Dueholm,1981年;Dueholm等人，1993 年)，因此被认为很适合于绘制基伦的地图。其他近期在地球科学中实施摄影测量的工作包括Sorensen (2011)，James和Robson (2012)，Mart1n 等人(2013)，Saunders (2014) ，Vosgerau等人(2014)和Svennevig(2014)。
本研究在2012年8月和2013年8月的两个短季节采集了斜向摄影测量数据。第一季用于建立摄影测量覆盖率，需要生成一个吉伦的一般结构模型。在第二季，结构模型在现场进行了验证，并获得了额外的摄影测量数据。
图2所示 数据采集和处理工作流程，建立三维模型。
相机使用的是一个配备了校准佳能EF35毫米f/1.4L USM镜头的手持数字单镜头反射(SLR)佳能EOS-1DsMark lI。用胶带将镜头的焦距固定到无穷大，以确保所有的照片都是用相同的焦距拍摄的,整个场景都是清晰的。这些照片是在 2100万像素(5616 ?3744) RAW格式的分辨率。在相机房下安装了XsensMTI-G 惯性测量单元(IMU)，记录相对定向数据。绝对位置由IMU内的集成 GPS单元通过固定在IMU上的外部天线记录照相机的顶部，利用卡尔曼滤波对定向数据进行组合，得到了p?2.5 m的精度。同时，IMU记录相机的偏航、俯仰和滚转，角度精度优于1°。为了避免驾驶舱弯曲窗口的光学畸变，拍摄的照片大致垂直于飞行方向的轴由于发散轴在摄影测量中不起作用，所以照片保持平行于稍微收斂(当照片线弯曲时)。像素中心之间的距离，即地面采样距离(GSD)，由于照片的倾斜度而变化。在离露头900米的地方，GSD从场景前景的16厘米到地平线的无穷远处变化。这些照片的足迹也各不相同，这既是由于它们被记录的倾斜，也是由于场景的地形。他们通常有一个梯形的形状，从相机打开。从直升机上总共拍摄了1293张重叠的倾斜照片来覆盖裸露的基岩区域(图3)。大约159公里photo-lines 被空运在飞行高度从125到900,平均480米(图1)。 60%的最小重叠相邻的照片在照片需要获得摄影报道如每个点(在地图上能露头)在任何一张照片是由至少两个照片。然而，在这次活动中，80%的重叠被用来确保足够的覆盖。这些照片随后在GEUS摄影测量实验室使用Socet Set软件，借助IMU在飞行期间记录的空间数据进行三角测量和地理参照。通过在一.组先前的1:15 .000 比例尺的三角测量控制点进一步提高了照片线的精度
图4所示。基伦的正射影像显示了映射的折线。不同的颜色代表映射的层理、解释的地层边界和断层。图6中的橙色线为横截面。中部和南部的祁连都被第四纪沉积物所覆盖(本图传说中对颜色的解释，读者可参考本文的网页版本)。
黑白航拍照片(Bengtsson, 1983)。这也确保了映射在一个照片线中的数据相对于其他照片线的数据是正确的。经过三角测量和地理参照后，这些照片可以在计算机上的3D屏幕上以立体对的形式查看，然后可以使用3D鼠标在套集上绘制出3D可见的地质特征。Socet Set连接到ArcMap， 数字化的3D多线直接添加到GIS数据库。折线在ArcMap 的属性表中标注为层理的地层名称或断层的断层分类。在斜视照片未覆盖的区域，采用同样的方法从1:15000比例的黑白天线立体对中提取地质特征。提取了4287 条代表层理和断层的三维折线(图4)。由于折线为形状文件格式，可以方便地导入到各种三维建模软件中。
3.1.2。结构数据
根据Dueholm(1981年)和Pedersen(1981年)的三维折线，利用GEUS开发的内部脚本，生成了走向和倾角的测量结果。这个例程通过最小二乘调整使用相邻顶点计算3D折线的每个顶点的走向和倾角值。计算的走向和倾角被分配到用于计算平面的中心顶点。需要3个顶点才能产生一个平面;当计算中使用5个或5个以上的顶点时，就可以确定平面的质量。这可以用走向和倾角的标准偏差来表示，也可以用5个(或更多)顶点在一个平面上的适合程度来表示，例如，从观测顶点到计算平面的最大距离是多少(Dueholm, 1981)。 由于制图错误或地质复杂(小型褶皱、断层)，从折线中得出的走向和倾角并不代表一个单一的平面被移除。
对5个顶点的平面和13个顶点的平面分别进行了计算。这导致5个顶点计算的走向和倾角值为3138， 在删除错误值后的13个顶点计算的走向和倾角值为1064。新的构造数据与Pedersen(1989)未发表的55个野外测量数据以及von Gosen和Piepjohn(2003)的数据相一致(图5)。
3.1.3。摄影测量数据的准确性
地理坐标的绝对精度和从摄影测量中提取的特征的相对精度都是需要考虑的重要因素(Dueholmetal，1993)。相对精度是在一个立体对中获得的点或折线相对于另一个立体对中的不同点或折线的精度。与其他区域的数据相比，绝对精度是重要的，而相对精度对三维模型的内部几何形状是重要的。
角精度是绝对精度中最重要的组成部分，因为它影响褶皱轴的走向/倾角和趋势。通过斜向摄影测量法获得的特征，如层理和简单断层等明确的特征的精度估计为1-2° (Serensen, 2011)。亚水平地层的构造测量已经证明其精度约为0,1° (Dueholm,1981)。从这个意义上说，吉伦上的地层很明确，大多数断裂带都很窄，很容易被描述为单一的折线。Kilen 的角度误差很小，可能在1-2°左右，完全在实地测量的不确定范围内(Wood-cock,1976)。就空间精度(x、y、z坐标)而言，提取的数据相对于构成格陵兰岛地貌图基础的1:15 万比例黑白天线的绝对误差小于5米(Bengts- son, 1983)。 以往采用类似尺度的倾斜照片的项目中，模型中各点的标准偏差为平面内5米(x.y)和高度内3米(2)(Pedersen和Dueholm, 1992)。然而，当比较相邻的立体对时，相对精度几乎是一个数量级，约为0.3 m (Dueholmetal.，1993) 。精度取决于比例，在前景的倾斜照片，地质细节也更清楚得多。照片的分辨率，相机的质量和光学和光条件拍照时也对准确性很重要。
3.1.4。数字高程模型(DEM)
格陵兰岛北部现有DEM的质量并不适合于Kilen 所需的3D建模细节。一个新的25米网格DEM和该地区的正射影像来自1:15万比例尺的黑白航空照片，使用Socet Set并遵循
Serensen(2011)的程序。将DEM和正射影像导入到建模软件Move中，正射影像覆盖在DEM上。
3.1.5。地面要求
使用的是2012年野外工作时拍摄的倾斜照片，为确定下一年实地工作的有趣目标，编制了一份带注释的点清单，并通过其GPS设备分发给实地小组。POI列表包含了“以前未映射”、“检查地层id'和“适合记录”等条目。对未知区域进行了访问和进一步的检查，得出了新的发现，经典野外调查的有效性显著提高。在2013 年的野外工作中，摄影测量数据集中识别出的关键故障是运动学分析的目标，现场数据用于改进最终建模。
图5所示，波状的和倾角测量来自斜摄影测量(a和b)和实地测量(c).从5顶点计算,b是顶点计算，C是一个未发表的地图(1989)获得的波兰实地测量。等高线间距为1%。为了清楚起见，a和b中省略了极点。
3.1.6。先前地质图的数字化
一份1:10 万未发表的地质图(Pedersen, 1989 年)基于实地和1:15万比例尺天线测绘，被扫描、地理参照并导入到移动段。它覆盖在DEM上，以获得z值。地图上55个走向倾角的测数据用于建模和控制计算机生成的走向和倾角的质量(图5)。该地图被用作建模的背景，并与倾斜摄影测量的数据进比较。Pedersen(1989 年)地图与目前的摄影测量数据就曝光好的边界一致。然而，在Kilen Fjelde 地区，两数据对结构理解的重要细节存在差异。例如，先前被认为是垂直的主断层的精细制图结果证明是次水平的。Kilen以前的地图上,外沿海地区覆盖稀少，但新的摄影映射显示Solverbek曝光露头规模(X在无花果。4和在一个大的公里范围的一系列褶皱和信托的结构Gaseslette域(图6 b)。在Gaseslette 的东部，在安度因河有几个新的露头以前没有测绘过。
旧地图和现在的基于摄影测量的地图之间的不一致反映了新的数据集比以前的测绘运动更详细、更准确地覆盖了更多的吉伦。突出了斜向摄影测量方法的优点。
3.2。建立三维模型
将上述各种数据集，3D折线、结构测量、栅格地图(旧地图、正射影像)和DEM导入到3D建模软件Move version 中。在移动中，根据数据集和地质的复杂性，以及待解决的
地质问题的性
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