基于無人機(jī)遙感技術(shù)的汶川震區(qū)典型高位泥石流動態(tài)監(jiān)測——以綿竹市文家溝泥石流為例

梁京濤，成余糧，王 軍，汪友明，宋 云，張 肅，馬曉波，王 猛，劉 彬，楊 磊

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川成都 610059;2.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川成都 610081)

0 引言

汶川八級地震改變了地震災(zāi)區(qū)原有的地質(zhì)環(huán)境條件，由地震引發(fā)的崩塌、滑坡等松散碎屑物源，使部分原有的老泥石流溝重新復(fù)活，同時新激發(fā)了大量潛在泥石流溝;根據(jù)四川省國土資源廳震后縣市災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查和四川省地質(zhì)調(diào)查院2009年震后地質(zhì)災(zāi)害遙感補(bǔ)充調(diào)查，整個汶川地震災(zāi)區(qū)共發(fā)育泥石流溝1675條(遙感補(bǔ)充調(diào)查388條)，其中的部分泥石流溝在地震后的幾年內(nèi)異?；钴S，形成多次災(zāi)害［1-9］。觀察這幾次嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，可以發(fā)現(xiàn)一些物源豐富且高位分布、主溝比降較大的泥石流往往致災(zāi)更為嚴(yán)重。為了描述和研究地震災(zāi)區(qū)這種特殊的泥石流災(zāi)害，國土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心殷躍平博士在國內(nèi)首先提出“高位泥石流”這一概念。將強(qiáng)震區(qū)泥石流中，物源豐富且高位分布，主溝比降較大的溝谷型泥石流定義為高位泥石流。此類泥石流流域內(nèi)的物源具有分布面積大、類型多、形態(tài)不規(guī)則的特點，且方量在百萬方甚至千萬方以上的極端物源單體廣泛分布，如文家溝，單個滑坡體積就在7000×104m3以上［10-11］，大光包滑坡體積更是達(dá)到11.55～11.99 ×108m3［12-13］;同時，該類泥石流流域上游或分水嶺處、山脊線附近分布有大量物源。這種物源分布特點，給傳統(tǒng)的泥石流野外調(diào)查和監(jiān)測帶來了困難和挑戰(zhàn)。

無人機(jī)遙感對地觀測技術(shù)，可以客觀、直觀的查明物源分布位置、物源面積、物源形態(tài)和堆積特征;通過高精度DEM測量，可以快速準(zhǔn)確的計算物源量變化;且無人機(jī)航攝無周期性時間限制，可以隨時根據(jù)作業(yè)需求，靈活選擇起飛場地和起降方式進(jìn)行航攝，克服云層影響超低空飛行云層下作業(yè)，數(shù)據(jù)獲取相對靈活。

基于以上分析，本文以綿竹市文家溝泥石流為例，闡述并討論了無人機(jī)遙感技術(shù)在該類泥石流動態(tài)變化監(jiān)測方面的具體應(yīng)用過程。期望該技術(shù)方法能在今后強(qiáng)震區(qū)泥石流災(zāi)害調(diào)查中發(fā)揮作用，進(jìn)一步完善泥石流災(zāi)害調(diào)查方法。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

文家溝位于四川省綿竹市北部山區(qū)清平鄉(xiāng)，綿遠(yuǎn)河左岸，清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)上游700m處;地貌上屬構(gòu)造侵蝕中切割陡峻低山—中山地貌、山地深切割溝谷地形;整個流域發(fā)育5條較大支溝(圖1)，溝口海拔高程910m，溝源高程2400m，相對高差 1490m，溝長4900m，整體坡降306‰，匯水面積為7.81km2。

文家溝位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺四川臺地向斜西北部;在次級構(gòu)造單元劃分［16］上，屬四川盆地西北部的龍門山推覆構(gòu)造帶前緣，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，斷裂發(fā)育，附近發(fā)育清平—白云山活動斷裂、板場溝斷裂、御軍門沖斷裂，頂字崖斷層從流域中上部穿過;整個流域主要由石炭系、泥盆系、寒武系基巖和第四系松散層組成。

圖1 文家溝2010年11月30日無人機(jī)航空三維影像Fig．1 The UAV 3-D image of Wenjia Valley on Oct 19th，2010

1.2 泥石流災(zāi)害

截止目前，文家溝共發(fā)生6次較大規(guī)模以上泥石流［15］，總沖出量約 580 ～600 ×104m3，如此大規(guī)模泥石流活動，對溝口下游的清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)造成嚴(yán)重威脅。6次泥石流災(zāi)害暴發(fā)的時間及過程分別為:

(1)2008年9.24泥石流:2008年9月22日～24日，清平鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生強(qiáng)降雨，日降雨量達(dá)到88mm，10min最大降雨量為11.5mm，文家溝暴發(fā)特大規(guī)模泥石流，泥石流主溝道下游松散堆積體被攜帶沖出，形成深度在5～20m的溝槽。

(2)2010年7.31泥石流:2010年7月31日，綿竹市暴發(fā)強(qiáng)降雨，3h降雨量達(dá)到92.6mm，文家溝再次暴發(fā)大規(guī)模泥石流，本次泥石流啟動位置始于“二級平臺”處，泥石流侵蝕下切溝道，對下游堆積體進(jìn)行沖刷和掏蝕，將下游已建的谷坊壩快速的填滿。本次泥石流沖出量約 30 ×104m3［2］。

(3)2010年8.13泥石流:2010年8月12日，清平鄉(xiāng)局部發(fā)生大暴雨，從12日下午18時至晚22時，雨量較小，晚22:30至13日凌晨1:30時左右，雨量增大，進(jìn)而演變?yōu)榇蟮奖┯?。?2日23:45時左右文家溝暴發(fā)泥石流，至13日凌晨1時規(guī)模最大，持續(xù)至13日凌晨4時，持續(xù)時間約4h。本次泥石流共計沖出固體物質(zhì)450×104m3，溝內(nèi)已建防治工程被完全毀壞，泥石流將綿遠(yuǎn)河完全堵塞，造成重大財產(chǎn)損失和人員傷亡［17］。

(4)2010年8.19泥石流:2010年8月18日22時文家溝流域開始降雨，在19日的2～6時雨量增大，到19日上午11時總降雨量為172.6mm;文家溝19日凌晨暴發(fā)泥石流，部分民房被掩埋，沖出固體物質(zhì)月 30 ×104m3［3］。

(5)2010年9.18泥石流:2010年9月18日上午9時，文家溝流域開始降雨。本次強(qiáng)降雨日降雨量為52.0mm，30min最大降雨量為18.5mm，5min最大降雨量為12.5mm，文家溝流域于10:05至11:40暴發(fā)泥石流，沖出固體物質(zhì)為16.9×104m3。

(6)2012年8.18泥石流:2012年8月17日至8月18日，清平鄉(xiāng)發(fā)生強(qiáng)降雨，文家溝流域主溝上游4、5號支溝暴發(fā)泥石流。根據(jù)文家溝流域內(nèi)7處雨量站的觀測結(jié)果，韓家大坪北端24h最大降雨量為243mm;1h最大降雨量達(dá)100mm，最大10min達(dá)26mm。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 采用的數(shù)據(jù)源

汶川地震后，四川省地質(zhì)調(diào)查院等單位，對文家溝開展了無人機(jī)航攝工作，獲取了6期次遙感數(shù)據(jù)(表1，圖2);此外，還收集了汶川地震前全流域1∶10000和部分1∶2000(航測數(shù)據(jù))精度的地形圖，汶川地震后四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司2009年測繪的部分(二級平臺及以下區(qū)域)1∶2000精度的實測地形圖和2010年11月測繪的1∶2000地形圖。

表1 采用的遙感數(shù)據(jù)源Table 1 The remote sensing dataset used in the research

2.2 無人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)主要由飛行器系統(tǒng)、飛控及信息傳輸系統(tǒng)、測繪系統(tǒng)、數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)和保障系統(tǒng)組成。影像處理主要基于無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行。利用外業(yè)控制點進(jìn)行空三加密，作為控制基礎(chǔ);根據(jù)外業(yè)像控點分布情況進(jìn)行加密分區(qū)，并對各區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行空中三角測量，通過光束區(qū)域網(wǎng)整體平差，得到加密點成果;然后生產(chǎn)DOM(數(shù)字正射影像圖)成果。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

2.3 泥石流動態(tài)變化監(jiān)測方法

2.3.1 泥石流一次沖出量計算

該方法通過建立一次泥石流過程前后高精度數(shù)字地面模型，采用對比分析方法，利用GIS軟件對兩期DEM進(jìn)行疊加分析計算，確定物源移動變化量。

圖2 文家溝遙感影像Fig．2 The remote sensing image of Wenjia Valley

圖3DOM制作流程圖Fig．3 Flow chart for DOM production process

2.3.2 泥石流發(fā)展階段監(jiān)測

泥石流的遙感監(jiān)測工作，是在對觀測對象進(jìn)行多期次遙感影像獲取的基礎(chǔ)上開展的。通過對觀測對象進(jìn)行多期次遙感解譯、野外調(diào)查驗證，對每一期泥石流暴發(fā)前后發(fā)育特征進(jìn)行對比分析，從而達(dá)到對觀測對象進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測的目的。

3 結(jié)果分析

3.1 2008年5月18日遙感調(diào)查

2008年5月18日航空影像圖2-A顯示，文家溝滑坡產(chǎn)生的碎屑物主要堆積于“一級平臺”(韓家大坪)、二級平臺(海拔1300m以下)及流域下游主溝道內(nèi)。

利用汶川地震前研究區(qū)1∶10000精度地形圖和“8.13”泥石流發(fā)生前1∶2000精度地形圖，分別構(gòu)建“二級平臺”及以下區(qū)域“震前DEM”、“震后DEM”可知，汶川地震后，頂子崖斷層以下區(qū)域，共新增滑坡堆積物源4988×104m3，最大滑坡堆積深度達(dá)174m(圖4)。

圖4 汶川地震前后文家溝主溝滑坡堆積地面高程變化Fig．4 The surface height change of landslide accumulation of the main groove in Wenjia Valley before and after Wenchuan earthquake

3.2 2009年10月13日遙感調(diào)查

2009年10月13日法國SPOT4影像顯示圖2-B，2008年“9.24”泥石流使文家溝主溝下游(二級平臺以下區(qū)域)溝道兩側(cè)首次出現(xiàn)“拉槽”效應(yīng)，形成的長約1750m的溝槽，“二級平臺”以上區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯“拉槽”現(xiàn)象;溝口形成長約200m，寬約500m，面積約12.2×104m2的堆積扇;對比本次泥石流發(fā)生前后1∶2000精度的DEM，溝口高程增加約10m，整個堆積扇平均厚約7～8m，由此估算沖出方量約80～90×104m3;堆積扇保留較為完整，影像紋形細(xì)膩，扇形堆積特征明顯，溝口未見明顯大塊石堆積;1號～5號支溝均未形成泥石流。

3.3 2010年8月17日遙感調(diào)查

2010年8月17日無人機(jī)航空影像圖2-C顯示，“7.31”、“8.13”泥石流溝沖出大量松散物質(zhì)，形成的泥石流將整個清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)農(nóng)田、學(xué)校、橋梁、房屋大面積淤埋。

遙感解譯顯示(圖5)，清平鄉(xiāng)除文家溝大規(guī)模發(fā)生泥石流之外，走馬嶺、羅家溝等6條溝也發(fā)生泥石流。經(jīng)統(tǒng)計，清平場鎮(zhèn)走馬嶺溝口至瑩家溝段共損毀農(nóng)田 2.652ha，房屋 76118m2，掩埋公路2650m，橋梁一座(長637m)，河堤約1km，損毀河道長約3.5km。整個研究區(qū)泥石流堆積面積達(dá)81.6×104m2，占研究區(qū)面積的23.5%?！?.13”群發(fā)性泥石流災(zāi)害對清平場鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施及人民生活造成了嚴(yán)重影響。

圖5 “8.13”泥石流災(zāi)害損失圖Fig．5 The damage map of“8.13”debris flow hazard①—走馬嶺溝;②—羅家溝;③—洞子溝;④—滴洞溝;⑤—娃娃溝;⑥—文家溝;⑦—瑩家溝

3.4 2010年11月23日遙感調(diào)查

2010年10月13日無人機(jī)航空影像圖2-D顯示，2010 年“7.31”、“8.13”、“8.19”、“9.18”四次泥石流使文家溝主溝下游(“二級平臺”以下)溝道兩側(cè)“拉槽”效應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大，表現(xiàn)為漕谷寬度增大，深度增加，4次泥石流過程使“深切拉槽區(qū)”物源減少了478×104m3，最大下切深度達(dá)54.5m(圖6);下切侵蝕物源經(jīng)泥石流運動過程，大部分堆積于泥石流溝口，在前期“9.24”泥石流堆積的基礎(chǔ)上，泥石流堆積扇(圖7)進(jìn)一步擴(kuò)大，新增加堆積464×104m3，并使文家溝溝口由震后海拔880m，經(jīng)”9.24”泥石流抬升為890m后，進(jìn)一步抬升為905m;文家溝1號～5號支溝均形成泥石流，沖出的泥石流堆積于“二級平臺”處，方量約174×104m3，“二級平臺”處平均堆積厚度約5m。

圖6 “8.13”泥石流前后文家溝主溝地面高程變化Fig．6 The surface height change of main groove in Wenjia Valley before and after“8.13”debris flow

3.5 2011年9月29日遙感調(diào)查

2011年9月29日無人機(jī)航空影像圖2-E顯示，經(jīng)過工程治理，文家溝在2011年汛期主溝未見明顯泥石流活動，但4號、5號支溝在強(qiáng)降雨作用下，均發(fā)生了明顯泥石流過程，其中，4號支溝規(guī)模相對較大;4號支溝形成的泥石流堆積于5號壩內(nèi)，淤積面積約8000m2，淤埋第一層排水孔，平均淤積厚度約3m，由此估算體積約2.4×104m3。泥石流攔砂壩、截排水溝、導(dǎo)流槽、排水溝等治理工程未見變形及損毀情況，整體運行良好，治理效果初步顯現(xiàn)。

3.6 2013年1月5日遙感調(diào)查

2013年1月5日無人機(jī)航空影像圖2-F顯示，文家溝在2012年汛期主溝溝口沖出少量堆積物，主要為洪水過后留下的粗化層物質(zhì)，形成的洪積扇形態(tài)不規(guī)則;文家溝上游4號、5號支溝再次發(fā)生泥石流，其中5號支溝發(fā)生規(guī)模相對較大，5號支溝形成的泥石流堆積于5號壩內(nèi)，淤積面積約10000m2，平均淤積厚度約3m，由此估算方量約3×104m3。泥石流攔砂壩、截排水溝、導(dǎo)流槽、排水溝等治理工程未見變形及損毀情況，整體運行良好，治理工程發(fā)揮效益。

圖7 文家溝泥石流堆積扇三維影像圖Fig．7 The debris flow fans at different stages in Wenjia Valley

4 結(jié)論及存在的問題

4.1 結(jié)論

(1)文家溝泥石流物源豐富，汶川地震使“頂子崖斷層”以下區(qū)域，新增物源4988×104m3，最大堆積厚度達(dá)174m;“二級平臺”以下溝道松散堆積物，在震后的4a時間內(nèi)，形成6次較大規(guī)模及以上泥石流過程，一年最大下切侵蝕深度達(dá)54.5m(2010年)，幾次泥石流過程共沖出物源約580～600×104m3;文家溝泥石流發(fā)生頻率高、沖出量大、主溝比降較大，是汶川地震災(zāi)區(qū)典型的特大型高頻高位泥石流。

(2)水動力條件、地形坡度和堆積物顆粒大小是文家溝泥石流物源啟動的三個主要制約因素。相比于“二級平臺”以下溝道堆積物深切拉槽，形成多次泥石流，“韓家大坪”處松散堆積物4a間未見明顯變化，“二級平臺”處，地形坡度較緩，未見明顯物源啟動現(xiàn)象，受上游支溝泥石流影響，該區(qū)域以堆積淤高為主。

(3)不同降雨條件下，文家溝泥石流具有復(fù)合型物源啟動方式，先主溝下游溝道松散堆積啟動形成泥石流，進(jìn)而演變?yōu)橄掠沃鳒蠝系篮土饔蛏嫌伪阑镌聪嗬^啟動，全流域形成泥石流。

(4)工程約束條件下，文家溝泥石流暴發(fā)規(guī)模、破壞模式和成災(zāi)形式均發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。工程治理前，全流域大規(guī)模暴發(fā)泥石流，轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ讨卫砗笾鳒喜话l(fā)生泥石流，支溝小規(guī)模發(fā)生泥石流;破壞模式由工程治理前，主溝大規(guī)模深切拉槽為主，轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ讨卫砗螅闲∫?guī)模堆積為主;成災(zāi)模式由工程治理前，泥石流沖出溝口淤埋基礎(chǔ)設(shè)施，轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍髦闲∫?guī)模淤積庫容的發(fā)生發(fā)展過程。

(5)發(fā)展趨勢上，文家溝“韓家大坪”和“二級平臺”處兩個物源集中分布區(qū)，受顆粒組成及地形坡度條件的制約，難以啟動;“二級平臺”以下區(qū)域，由于采取了逐級削坡、修建截排水溝、排導(dǎo)槽、攔砂壩等工程治理措施，該部分堆積物質(zhì)相對穩(wěn)定;因此，在非極端氣候條件及工程治理設(shè)施繼續(xù)發(fā)揮效力情況下，未來幾年內(nèi)，文家溝泥石流仍然是以上游處3號、4號、5號支溝繼續(xù)形成小規(guī)模泥石流為主，危害方式主要是淤埋4號壩和5號，壩，并逐步減少庫容;因此，應(yīng)對文家溝4號壩和5號壩進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，及時清理庫容，防止泥石流對集水沉砂池造成淤埋，進(jìn)而威脅到引水隧洞引水效果。

4.2 存在的問題

泥石流的動態(tài)變化遙感監(jiān)測方法，是在多期次高精度遙感影像和大比例地形圖獲取的基礎(chǔ)上開展的，雖然無人機(jī)在數(shù)據(jù)獲取方面更為靈活，但，同樣受到天氣因素的影響，如果兩次泥石流過程期間不能成功獲取數(shù)據(jù)源，動態(tài)監(jiān)測效果將受到很大影響。另外，本次研究中，采用的地形圖，均為震前航攝及震后工程治理單位的實測地形數(shù)據(jù)，地面測繪周期較長。能否在兩期泥石流間隔期間，快速生成大比例尺地形圖，并將其較好的應(yīng)用到物源變化量的計算上，仍然是廣大工作者急需解決的主要問題，需要進(jìn)一步深入開展此方面的研究。

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