摘要我们在描述一种低成本的运用商业摄影测量软件和现成的数码照相机拍摄的倾斜相片

　　来得到和建立一系列在2004-2008年圣海伦火山（MSH）喷发期间生成的熔岩穹丘的数字高

　　程模型（DEMs）的数字摄影测量学应用。在圣海伦火山（MSH）重新开展的活动给设计发

　　展和测试这种方法手段提供了一个机会，因为它能够证实这座被严密监控的火山的其他观察

　　和现象。数据表的集合包括了由在直升机上用单反拍摄的倾斜航空相片。12组有重叠的在

　　2004-2007年拍摄的被用来生成数字高程模型（DEMs）和计算穹丘体积以及喷出速率的穹

　　丘数码照片。通过运用摄影测量学的软件来生成3维的在多个照片中被标记出来的点得出了

　　关于数码照片的分析报告。演变中的穹丘形态通过比较连续的数字高程模型（DEMs）被建

　　立起了模型。结果在通过与美国地质调查局的卡德卡斯火山观测站运用传统垂直摄影测量调

　　查得出的体积测量结果进行比较后得到了证实。我们的技术明显比传统的垂直摄影测量技术

　　要来得便宜并且所需的时间也更少。但在此同时，它始终保持着产出体积估计值的计算量在

　　传统方法5%以下的水平。这项技术提供了一种用来追踪熔岩穹丘增长或者其他活动火山的

　　过去在火山喷发期间对熔岩体积以及喷发速率的测量方法常常限制了一些基于其他监测技

　　术比如火山气体排放，地质化学，地震活动以及大地测量学等等的喷发动态模型（Stevens

　　式喷发的速率都是一个火山系统、火山管道系统内部储存了多少岩浆以及持续喷发潜力的重

　　Wadgeetal.2006）。除此以外，监视一个活跃的增长的穹丘体积上的变化和喷发速率为有效

　　的火山危险程度估定提供了决定性的信息（例如，Calderetal.2002）。

　　摄影测量学是通过提供遥感图像里的数量上的以及空间上的信息来测量熔岩体积的一

　　项技术。相比通过GPS，电子测距仪，倾角量测仪以及胁变计获取的对地表面变形的单点测

　　量方法，摄影测量学提供了大范围空间覆盖以及远距离数据获取等优点。在与其他主要测量

　　技术上摄影测量学还提供了相对低廉的价格以及图形处理的简单易操作等优点（例如，合成

　　孔径雷达干涉测量和机载激光扫描测绘或者是LiDAR）。不仅如此，数据获取工作在很长的

　　时间段内会有可调整的弹性。但是，摄影测量学通常会产生比陆基调查技术更低的地表运动

　　的精度和分辨率。由低空飞行物拍摄的垂直航片制作的数字高程模型（DEMs）是在火山学

　　的照片提供的连续的数据构建的数字高程模型（DEMs）之间的比较可以被用来研究和监视

　　地壳变动以及熔岩喷发。由DEMs得出的体积以及喷发速率，变形规律，位移因素为一个火

　　年中，计算机系统以及软件领域的进步使摄影测量技术从模拟转向了数字化。在火山监视中，

　　时间至关重要，数字摄影测量技术允许了接近实时，精准的测量，包括了广大的范围以及当

　　Delgado-Granados(2003)为了降低危险的目的运用数字摄影测量技术成功监测了在火山上的

　　山崩以及冰川。由James和他的同事们(2006,2007)展开的调查运用了陆基摄影测量技术来

　　用了陆基摄影测量技术建立了DEMs来测量坍塌断裂的体积以及Ryanetal.(2010)运用了单

　　组图像得出了喷发的第3阶段的体积以及喷发速率。倾斜相片被用来追踪火山群的3维位移因

　　在这里，我们描述了一种被运用在圣海伦火山（MSH）上的低成本摄影测量方法。j9九游会入口最

　　近的MSH喷发活动通过在一个能接近并且装备建设良好的火山上进行观察提供了发展和测

　　试这种监视火山方法的机会。在为期两年的多个日期我们运用了一个现成的数码相机，商用

　　软件以及一个笔记本电脑来快速生成MSH喷发的熔岩的3维模型。一系列的模型被用来估计

　　穹丘体积以及平均喷发速率并且通过与相同条件下的传统的垂直摄影测量技术作比较得到

　　在2004年10月，MSH在将近18年的喷发等待期后再次开始喷发。2004-2008年MSH喷发期间

　　穹丘的形态发展被挤压和坚固的安英岩山脊所塑造(Scottetal.2008)。这场喷发通过将它们

　　直接从先前喷发出穹丘（1980-1986）的排出孔以及火山口的冰川排出生成了一个系列的共7

　　外力和内力作用下持续增长到2008年的3月也就是喷发结束。（Majoretal.2009）。紧接着

　　和4向南喷出，直到与火山口壁相撞使得脊状物分散开来（在2004年10月的晚些时候到2005

　　插图. 1a–c）在2005年4月到8月期间，脊状物5分散开来（图表.1c）。脊状物6紧接着在2005

　　年10月喷发但随后就被脊状物7取代；一个有好几个脊状物组合而成的组合体被转化成内生

　　发展并形成了一个宽广的组合团块（Vallance et al. 2008; 插图. 1d）脊状物7继续发展直到

　　2004-2008 年MSH的喷发被既包括传统又包括前沿在内的一整套技术很好的监测了下来。

　　摄影测量技术被证明在随着时间确定穹丘发展特点时至关重要。延时摄像机被安装在火山口

　　传统的航空摄影测量技术在喷发期间被用来估计穹丘的体积以及喷出的速率。一共有

　　2008）。这项工作对我们的研究进行比较提供了一个重要的基准线 一系列的从直升机上拍摄的倾斜相片显示穹丘正在以一系列熔岩脊的形式在MSH发

　　展。a 脊状物3 的西-西南方向景观 b 凌驾在脊状物3 残余物上的脊状物4 并且还在不断推

　　挤着南边的火山口壁。这个景观是朝向西-西南的 c 脊状物5 发展的中期阶段其中还杂含着

　　脊状物3 和4 的残余物并朝向东面活动着的熔岩喷出口，这个景观是朝向南面的。d 最后一

　　组在2007 年4 月的倾斜相片（朝南）；脊状物7 的广大的混合物团块耸立在1980-1986 年穹

　　图像数据表集合在2004 年的11 月到2007 年的4 月的12 个日期采集。拍摄倾斜摄影测量相

　　片的直升机的飞行日期与拍摄垂直航空相片的飞机飞行日期保持一致,最多也会在几天之内,

　　这样做来确保对这两种用来测量穹丘增长的方法进行直接比较（见讨论）。获取图像用的是

　　一款数码单反相机（尼康 D70 6000 左右的像素），它带有17-55mm 的镜头，我们把它调到

　　最大焦距，并且对焦到无限远的一点来提供一张范围十分大的视角，并且在获取图像时始终

　　保持着这样的设置。直升机在火山上空按着一条矩形路线来走，每个来回都会提升一下飞行

　　的海拔高度。这种技术提供了多系列的相片，每个系列都与各不同的视角和一张全景照。相

　　片保持着 60%的重叠用来进行相片间特点的对比。相机的校准都通过内置的图像软件扩展

　　分以及一大堆大地控制点（GCPs）（插图.2a）。每个模型都最少有4 个大地控制点来获取每

　　张相片在获取时相机的外部几何信息（空间位置以及方向）。由于火山地区的危险的条件，

　　的DEM抽取出来，这个DEM上很好的标注了一些从相邻图片上清楚标示的自然特点。每

　　个模型的相对方向都通过识别用来计算图像投影中心的6 个一致的联结点来建立。大地控制

　　点的识别以及联结点的使每个模型从一个随意的空间坐标系统向一个精准的 3 维坐标框架

　　进行转化。每一个摄影测量模型都是从一大堆3 位坐标点创建而来的（指向相应的点）。这

　　些点被从一组或者一系列的相片中人工的进行识别，并且这些点都是非常经典的容易识别的

　　特征点比如裂缝的交叉点，大块碎石堆的边缘以及细槽等等。随着这些穹丘相对应的点的密

　　表格1 从2004 年的11 月到2007 年的4 月计算好的MSH 喷出物的体积以及熔岩流出率

　　我们首要的目标是对每个日期的倾斜相片中的喷发出的物质体积进行定量并且在连续的体

　　积估计中产生出平均喷发速率的时间序列。摄影测量模型被以 ASCII 码的形式导出到 text

　　文件（每个点有 x，y，z 坐标），然后导入到地理信息系统 GIS。运用 GIS，我们给每个模

　　型通过Delaunay 三角剖分产生出了不规则三角网（TIN），这三角网中每个相应的点都是

　　三角面的顶点。这些不规则三角网（TINs）被插入到2mx2m的光栅数字高程模型中（DEMs），

　　这种精度等同于美国地质调查局的1986 以及2004-2007 的水平（插图 2b）。

　　一个1986 年以前喷发过的地表的DEM被用作计算体积的基准面因为这个DEM的制造

　　年限在冰川（1996-当前；Schilling et al. 2004）形成之前，这个面作为火山口地表地形。

　　插图2 a 在2005 年2 月22 拍摄的用来进行摄影测量分析的一系列倾斜相片 b 摄影测量结果在20052 月22

　　的DEM 中以阴影部分表示出来（蓝色区域）1986 年的（灰色部分）则代表当地的火山口壁以及1980-1986

　　体积估算就是从2004-2007 年每一年的摄影测量DEM中减去1986 年的DEM来进行计算。

　　海拔的区别在相应 DEMs 的栅格中被计算出来，并且这种差异还在每个栅格区域放大了

　　）。这些栅格计算的总值产出了喷出熔岩的总的体积估计值。而基于时间的平均喷出

　　当 2004-2008 年的熔岩穹丘形成时使得体积估计变得复杂起来。那些分散分布的喷出岩

　　石被现有的冰川所掩盖起来，这一点或许是在计算喷出岩石体积时最大的潜在误差。为了保

　　持一致，我们这里所报告的体积是突出在1986 年基准面上的垂直向下的可见喷出熔岩的边

　　我们通过均方根（RMS）的残值来保证每个模型中摄影测量的精度。RMS 代表的是这个软

　　件所计算的对应操作点与它的期望值的差异。被该软件计算的地点被用投影点以及控制点所

　　标示。如果被用来提升模型的大地控制出现错误，那么这个错误将会在组成模型的对应点的

　　残值中继续出现。在确定 GCPs 以及航空三角测量时估计的不确定性是 0.17m RMS 残值

　　（Schilling et al. 2008）。RMS 残值被摄影测量软件通过估计地面采样距离（GSD）报告出来，

　　涵盖了从像素到米的单位。精准的GSD 估计值很难从倾斜相片中得知，因为在前景和背景

　　的比例尺之间存在着很大的差异。结果，同样一个像素在一张图上的不同的位置代表的地上

　　区域大小会很不一样（例如：长x 宽）。为了产生一个给定的DEM的一级平均GSD 的估计

　　值，我们将 GSDs 平均到从每一个模型上获取的相关区域的像素上。我们将像素上的 RMS

　　值和平均GSD 相乘来估计以m 为单位的RMS 残值。我们为这个研究得出的DEMs 的平均

　　估计RMS 残值是1.3m。这个估计是基于摄影测量软件的输出结果上的，并且不包括由于从

　　我们通过计算将 RMS 残值以及不确定性传递到 GSD 的估计值中来估计穹丘体积以及

　　体积的1%)。值与值的不同提高了相关的误差。我们估计在连续DEMs 间的平均体积误差变

　　(大约为平均体积变化的6%)。Schilling 和他的同事们 (2008)估计在他们的

　　误差以及由每个 DEM 的体积估计值得出来的喷出率的值被以标准误差传递规律计算

　　（例如：Stoer and Bulirsch 2002）。计算中的时间误差是每张相片获取时的持续时间。平均

　　20 号之间拍摄的倾斜相片而制作的（插图3a-1）。在这期间，穹丘是在不断增长的。这种方

　　法同样被用来追踪穹丘的形态演变。穹丘的发展可以被分类成两个不一样的阶段；第一个阶

　　段是被快速的外部的增长以及喷出的向东迁移的脊状物主导的。第二个阶段则是被缓慢持续

　　直到我们获取了第一套倾斜相片，穹丘的发展已经变成了两个小脊状物，并且第三个还

　　在喷出中。倾斜相片拍摄的第一个日期，2004 年 11 月20 号，我们得出了一个穹丘体积估

　　(插图 3a 和 4)。不断从空中冒出的火山蒸汽阻碍了穹丘的整个西面以及南

　　面的视野，并且在穹丘南部末端没能拍摄到图像。由于有限的视野覆盖，这个日子的体积估

　　计很可能低估了。九天后的11 月29 号，倾斜相片覆盖了整个穹丘，并且我们的体积估计为

　　（插图3b 和4）。先前的体积过低估计导致了后来在这段时间内喷出率的过高估计

　　/s；表1）。2005 年4 月10 号的照片拍到了 4 号脊状物的最后分裂（插图 3g）。到

　　在五条脊状物的发展下穹丘高度已经到达了高出1986 年火山口地表371m的顶峰（插图 3h）。

　　插图 3 由倾斜摄影测量生成的一序列的 DEM 中表示出来的阴影部分(蓝色区域)(a-1)覆盖在了有垂直摄影

　　插图 4 基于时间序列的穹丘体积（增长）以及由倾斜摄影测量和垂直摄影测量得出的喷出速率的对比（表

　　1）。由Schilling et al. （2008）的报告得出这些点线%的误差，并且在他们的流体速率报告中有20%

　　的变动。由Schilling et al. （2008）估计的报告中的流体速率误差大致在图中呈现了出来。

　　2005 年的 6 到 10 月间，6 号脊状物在喷发活动的主导下在之前的脊状物上呈现出了超过

　　200m 的西-西南走向的内部增长（通过吞并小石堆来发展自己，比如：变得膨大）。七个月

　　过后，直到在2006年5月30号的另一次倾斜摄影测量飞行，我们拍到了脊状物7（插图 3k）。

　　这个新的穹丘已经几乎填满了火山口地表的整个区域也就是1980-1986 年穹丘的南部；这个

　　一组倾斜航空相片显示内部增长仍占主导。在演变中这个穹丘的西部区域减少了超过 60m

　　但还是继续以 500m 直径的圆形发展（插图 31）两年半的穹丘增长形成了一个总体积达

　　（插图31 和4）插复合的熔岩穹丘体，这个复合体较1980-1986 年的穹丘要稍微大

　　我们能够通过同一时间段内与传统技术下的体积估计与喷出率比较来知晓这项快速，低成本

　　摄影测量技术的精度。插图4 显示了两种技术下计算得出熔岩体积与喷出速率的直接比较。

　　当与传统摄影测量技术相比较时，每一个DEM生成了合理的穹丘增长的估计值。

　　这两项技术测量的总穹丘体积估计值都在各自误差范围内除了3 个特列。2004 年 11 月

　　20 号2005 年2 月3 号以及2005 年6 月15 号之间的差异可以归结为不利的大气因素导致的

　　对两种方法都不充分的摄影测量覆盖率。平均下来，倾斜摄影测量 DEMs 的计算量不到垂

　　直摄影测量DEMs 计算量的5%。这两种技术方法的体积估计的小小差异可以导致喷出率估

　　计值的巨大差异。在插图4 中平均喷出率的波长变化很可能是没有意义的，但是从头到尾的

　　倾斜摄影测量技术在一个像活动的火山这样的快速变化的危险情况下能够很快而且相对

　　安全的产生出体积和喷出率估计值。一个新的DEM仅仅需要几个小时就可以通过一组倾斜

　　相片创建出来。这其中最需要人力的地方就是需要在每组或一系列的图像中人工识别出相应

　　的点。随着穹丘的增长变大，每一个3 维模型需要更多的3 维空间的点来精准地表示出它的

　　外形。对于一个体积和喷出率十分快速的估定工作来说，相应的所需要的点也会更少：一个

　　好的边界（圈出所选区域）和只需穹丘内部的一个点（最高海拔）。这种方法很大程度上取

　　决于所要建立模型的区域的地形，范围，以及项目要求的精度。一个更好的穹丘模型表现以

　　及更精确的体积测算需要更密集的点集合（例如：更多的点能提高给定区域的分辨率）。

　　这项研究成功地将倾斜摄影测量技术应用在MSH的穹丘增长测量上。这项技术运用倾斜航

　　空相片来为2004-2008 年喷发的定量描述建立了连续的DEMs。这些DEMs 被用来计算穹丘

　　体积与喷出速率，并且用来追踪这些数据在这段时间内数量上的变化。我们显示了喷出率从

　　考虑到在摄影技术没有任何进展，商业软件解决方案以及计算机运算速率，这种倾斜摄

　　影测量方法不失为一种对火山监测的省时省钱的高效有潜力的工具。它能够快速简单地进行

　　调查活动来为那些大量的大范围在火山喷发期间发生的地表变形以及熔岩喷发提供高效精

　　准的监测。倾斜摄影测量技术在为那些不易接近的地方进行调查时，或者是需要快速进行数

　　据处理，抑或是在只有一台笔记本电脑的办公地点，还有十分需要及时地降低风险的信息时

　　鸣谢 作者们希望感谢美国地质调查局火山危险项目组，Cascades 火山观测站以及西华盛顿

　　本提供意见表示感谢，并对R. Herd 具有洞察力的讨论表示感谢。这篇手稿在经P. Baldi,，

　　A. Stinton 过目后做了改进，感谢受到来自美国地质调查局 Cascades 火山观测站的 Jack

　　基金组织K-12 团体，来自Mazamas 的毕业生研究基金会，以及西华盛顿大学地理部和毕业

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