無人機(jī)與國產(chǎn)高分技術(shù)在“6·24”茂縣滑坡災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用

唐 堯，王立娟，馬國超，賈虎軍，靳 曉

（四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院/重大危險(xiǎn)源測控四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川……610045）

關(guān)鍵字：茂縣滑坡 無人機(jī) 國產(chǎn)高分 合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù) 災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測

2017年6月24日凌晨5時(shí)45分，四川茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村新村組富貴山突發(fā)特大型山體高位滑坡，塌方量約800萬m3，災(zāi)害共造成約2km河道被堵塞，40多戶100余人傷亡或失蹤，許多遇難者被掩埋較深。災(zāi)后參與救援人員多達(dá)3200多人，專業(yè)救援車輛有150多輛，備用救援車輛超過200臺(tái)，救援設(shè)備主要有生命探測儀、救援繩索及醫(yī)療設(shè)備等。目前緊張的災(zāi)后救援工作已接近尾聲，救援人員救出了3位幸存者。據(jù)現(xiàn)場參與救援的地質(zhì)專家介紹，高位山體垮塌被掩埋人員生還可能性非常低，特別是現(xiàn)場作業(yè)面狹窄，諸多救援資源難以大規(guī)模運(yùn)用，加之救援現(xiàn)場垮塌量巨大、不時(shí)有山石滾落，還需避免塌方引發(fā)進(jìn)一步垮塌等造成二次災(zāi)害。

滑坡災(zāi)害發(fā)生后，黨中央、國務(wù)院高度重視，指示全力組織搜救被埋人員、防范發(fā)生次生災(zāi)害。災(zāi)害發(fā)生的第二天，即由國土資源部牽頭，成立了有四川省國土及相關(guān)部門和地方人員參加的災(zāi)后災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測3個(gè)工作小組，旨在研究滑坡成因，指導(dǎo)現(xiàn)場搜救，開展應(yīng)急監(jiān)測預(yù)警，避免次生災(zāi)害造成人員傷亡，及在災(zāi)區(qū)附近類似地區(qū)開展全面隱患排查。在此情況下，無人機(jī)航攝技術(shù)與國產(chǎn)高分遙感技術(shù)憑借其響應(yīng)時(shí)間短、地形直觀形象、分辨率高、觀測范圍大的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮了不可替代的作用。

1 滑坡災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)獲取

1.1 無人機(jī)航攝技術(shù)

本次所用航攝無人機(jī)為電動(dòng)固定翼型無人機(jī)，包括飛行平臺(tái)系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。飛行平臺(tái)是實(shí)施飛行任務(wù)的主體，包括機(jī)體、高清相機(jī)、飛行控制系統(tǒng)、降落傘和智能電池裝置等幾部分。地面監(jiān)控系統(tǒng)是向地面工作人員提供飛行監(jiān)控的組合裝置，由電腦、無線電以及監(jiān)控軟件等組成。

無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)獲取流程通常包括任務(wù)受領(lǐng)、航線規(guī)劃、野外控制測量、無人機(jī)組裝測試、飛行實(shí)施、數(shù)據(jù)檢查、室內(nèi)處理等。本次航攝是為采集災(zāi)后應(yīng)急需要數(shù)據(jù)，無人機(jī)在滑坡堆積區(qū)具有較高的地面分辨率，因此航線規(guī)劃時(shí)依據(jù)當(dāng)?shù)氐貏葑兓闆r先后設(shè)置了多個(gè)架次，航攝高度約500～700m，航向重疊度為80%，旁向重疊度超過75%，共設(shè)計(jì)了28條航線，累計(jì)航程121km，涵蓋面積約21km2。無人機(jī)采用手拋起飛、傘降模式回收，航攝過程克服了地形復(fù)雜、海拔高、坡度高等諸多不利因素，先后獲取高分辨率航片900余張共計(jì)6G數(shù)據(jù)量，像片地面分辨率為10～15cm。采用高性能計(jì)算機(jī)集群聯(lián)機(jī)處理并行計(jì)算，快速獲取了滑坡受災(zāi)區(qū)及周邊地區(qū)災(zāi)后高分辨率正射影像地圖，為現(xiàn)場災(zāi)害救援與災(zāi)情分析提供了第一手資料。

1.2 國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感技術(shù)

近年我國陸續(xù)發(fā)射了多顆國產(chǎn)高分辨率對地觀測遙感衛(wèi)星，其中在民用領(lǐng)域應(yīng)用較多的有高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分三號(hào)及高分四號(hào)等，國產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)兼有“空間分辨率高”、“相機(jī)數(shù)量多”與“中分辨率遙感視場大”、“多載荷影像拼接融合應(yīng)用”的特點(diǎn)。隨著國產(chǎn)高分衛(wèi)星技術(shù)的不斷進(jìn)度，目前獲取的影像空間分辨率已經(jīng)達(dá)到米級(jí)。高分二號(hào)衛(wèi)星全色波段空間分辨率最高達(dá)到0.8m，多光譜分辨率最高達(dá)到3.2m，對災(zāi)區(qū)地物識(shí)別及災(zāi)情分析具有重要作用。高分三號(hào)影像為合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)（InSAR），對識(shí)別山體滑坡區(qū)災(zāi)后地形的起伏或地面沉降的變化作用巨大。

由于受客觀條件限制（災(zāi)害降雨、災(zāi)區(qū)多云霧），本次共選取了災(zāi)前的高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)與災(zāi)前和災(zāi)后的高分三號(hào)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)來開展災(zāi)區(qū)災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測分析。其中，高分二號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)相為2017年4月8日，經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、影像配準(zhǔn)及影像融合等預(yù)處理流程，獲取了災(zāi)前高分遙感影像地圖；高分三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括災(zāi)前災(zāi)后兩景，災(zāi)前影像時(shí)相為2017年3月9日19點(diǎn)15分，災(zāi)后影像獲取時(shí)間為災(zāi)后的第二天（2017年6月25日）的19點(diǎn)05分。高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（包括災(zāi)前與災(zāi)后）對評估滑坡災(zāi)害損失（居民聚居點(diǎn)）、預(yù)判災(zāi)后次生災(zāi)害（堰塞湖、二次滑坡）發(fā)生趨勢及隱患地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防具有十分重要的作用。

2 滑坡成因初步分析

滑坡是斜坡變形的一種形式，常指在一定的地形地質(zhì)條件下，受各種自然或人為因素的影響，巖體的力學(xué)平衡遭到破壞，山坡上的不穩(wěn)定巖體在重力作用下，沿著一定的軟弱面作整體的、緩慢的、間歇性的向下滑動(dòng)形成。

“6·24”茂縣特大山體滑坡，堵塞河道2km，掩埋農(nóng)房46戶，傷亡或失蹤人員上百，1600余米道路被掩埋。災(zāi)情發(fā)生后，當(dāng)?shù)鼐o急啟動(dòng)Ⅰ級(jí)特大型地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情和災(zāi)情應(yīng)急響應(yīng)，并組織精干救援力量趕赴現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)急救援?，F(xiàn)場經(jīng)地質(zhì)專家初步踏勘表明，這是一起降雨誘發(fā)的高位遠(yuǎn)程崩滑碎屑流災(zāi)害。

本次滑坡體所在的新磨村位于茂縣西北部的疊溪鎮(zhèn)松坪溝富貴山，溝內(nèi)山體在歷史上曾發(fā)生過多次地震作用，影響較大的有疊溪地震（1933年）、平武松潘地震（1976年）與汶川映秀地震（2008年），其中又以疊溪地震影響為最大（當(dāng)時(shí)垮塌的山體阻斷了岷江，形成了堰塞湖）。歷次地震對溝內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土結(jié)構(gòu)及坡石穩(wěn)定性都造成嚴(yán)重創(chuàng)傷，尤對深層巖體為最甚，該類巖體“內(nèi)傷”隱蔽性較強(qiáng)，不易查明（即使現(xiàn)場地面調(diào)查也不易識(shí)別），巖體在長期重力作用下，內(nèi)部被震裂巖層的力學(xué)幾何場與應(yīng)力場遭受破壞。在災(zāi)前長時(shí)間持續(xù)降雨等因素的觸發(fā)下，位于新磨村后山高程約3404m處的震裂松動(dòng)巖體突然以一個(gè)長矩形模塊啟動(dòng)，瞬間撞擊了巖體中下部覆蓋層，形成扇形碎屑流?；麦w最大落差約1118m，最大水平滑動(dòng)距離約2658m，堆積物幾乎覆蓋了整個(gè)新磨村及松坪溝鄉(xiāng)鎮(zhèn)府所在地，整個(gè)滑坡過程僅有短短的幾分鐘，歷時(shí)極短。

3 滑坡災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測分析

滑坡災(zāi)害是一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，利用無人機(jī)與衛(wèi)星遙感技術(shù)可克服地形、氣候并觀測條件的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的滑坡災(zāi)害調(diào)查并針對滑坡不同階段實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，因此利用無人機(jī)與衛(wèi)星遙感技術(shù)開展滑坡災(zāi)后應(yīng)急監(jiān)測意義重大。

3.1 滑坡災(zāi)情對比分析

滑坡災(zāi)害嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，且多始發(fā)于人跡罕至的山區(qū)頂部或山腰，這些地區(qū)交通不便或遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，災(zāi)害發(fā)生時(shí)多為暴雨等惡劣天氣?！?·24”茂縣滑坡即是如此，滑坡山體富貴山海拔高達(dá)3455m，滑坡后緣巖土斑駁裸露，生態(tài)脆弱異常。突發(fā)的災(zāi)害奪走了山體下方100余人的無辜生命，掩埋房屋46家，堵塞下方河道逾2km，造成了巨大的人員生命及財(cái)產(chǎn)損失，形成的堰塞湖對下游已有的水電站、水庫及疊溪鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)村居民聚集區(qū)造成了潛在的重大安全隱患（圖1）。

圖1 茂縣山體滑坡災(zāi)害后現(xiàn)場照片

運(yùn)用災(zāi)后時(shí)相為2017年6月25日的無人機(jī)航攝影像，迅速獲取了滑坡區(qū)富貴山災(zāi)情正射影像及地形信息等第一手資料。如圖2所示，本次滑坡區(qū)整體呈現(xiàn)北東-南西向展布，始滑區(qū)海拔高度約3404m，下部覆蓋層位置海拔高度約2646m，最低處（河床位置）海拔高度約2286m，最大高差約1118m，最大水平滑動(dòng)距離約2658m，整體坡度落差約50°～60°，滑坡形成的堰塞湖上下游高差約4m。在無人機(jī)航攝圖上，可清晰看到滑坡區(qū)域上部的西北角位置有明顯的滑坡后緣與滑坡裂縫條帶（圖2中橢圓圈中所示），最大裂縫寬度達(dá)26m，可見本次滑坡規(guī)模之大。如此之大的裂縫寬度，隱孕了再次發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能性，如若遇持續(xù)降雨或大規(guī)模震動(dòng)，極易成災(zāi)，建議加強(qiáng)此處裂縫位置的后續(xù)監(jiān)測。

圖2 茂縣山體滑坡災(zāi)情分析示意圖

結(jié)合災(zāi)前（2017年4月8日）國產(chǎn)高分二號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，深入對比分析滑坡災(zāi)害受災(zāi)區(qū)災(zāi)情。如圖3所示，圖中A區(qū)域在災(zāi)前的高分影像上主要顯示為紋理清晰的新磨村的40余戶居民聚集區(qū)及規(guī)則狀的道路穿越而過，但突發(fā)的高位山體滑坡災(zāi)害將這些瞬間毀于一旦，新磨村在災(zāi)后的無人機(jī)航攝影像上完全被滑坡碎屑堆所覆蓋?；率蓟瑓^(qū)為圖3中B區(qū)域，災(zāi)后影像上表現(xiàn)為大面積的亮白色，表明為新出現(xiàn)的大規(guī)模裸露巖體群，間接說明此次滑坡起始時(shí)物源量之大；在災(zāi)前的高分影像上B區(qū)表現(xiàn)為有一定的裸露巖體分布，但規(guī)模不大、致災(zāi)跡象不甚明顯。圖3中C地區(qū)為災(zāi)后滑坡后緣區(qū)域，見有明顯的滑坡后緣與滑坡撕裂帶（裂縫條帶），最寬處約26m（詳見圖2）；該區(qū)域在災(zāi)前的高分影像上為清晰的羽狀條紋，紋理清晰，表現(xiàn)為零星的疏林分布，隱約見有一條北東-西南向展布的脈狀影紋，推測該處或?yàn)闉?zāi)前病變帶。

圖3 茂縣山體滑坡災(zāi)害前后對比圖

本次滑坡災(zāi)情對比是依據(jù)災(zāi)前國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、災(zāi)后無人機(jī)航攝及高分影像數(shù)據(jù)的形式來具體實(shí)現(xiàn)，包括災(zāi)前研判和統(tǒng)計(jì)分析等內(nèi)容，同時(shí)結(jié)合茂縣既有地質(zhì)資料，借遙感技術(shù)助力災(zāi)區(qū)抗災(zāi)、救災(zāi)及重建工作。新磨村滑坡點(diǎn)早在2016年即被國土部門列為新增地災(zāi)隱患點(diǎn)，按“群防群測”的方式安排人員進(jìn)行定期定點(diǎn)監(jiān)測，并設(shè)有地災(zāi)預(yù)定撤離路線，但此次滑坡災(zāi)害屬于高位山體垮塌，已超出了此前排查出的監(jiān)控范圍。通常國土部門會(huì)針對一些地災(zāi)多發(fā)地區(qū)做出重點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測，對于一些規(guī)模較大的裂縫等顯性地質(zhì)災(zāi)害，但滑坡災(zāi)區(qū)地質(zhì)狀況復(fù)雜、山高坡陡，暫不能做到監(jiān)測全面覆蓋。

3.2 受災(zāi)區(qū)周邊地災(zāi)隱患判識(shí)

目前干涉雷達(dá)監(jiān)測也是滑坡應(yīng)急監(jiān)測的重要手段，通過采用兩幅合成孔徑雷達(dá)圖像中的相位信息以獲取大范圍、高精度的地表三維與形變信息。具體過程為：利用獲取的地面控制點(diǎn)改進(jìn)地理編碼和高程值，獲取地理編碼垂直高程變化圖，借此辨識(shí)出滑坡災(zāi)害邊坡的位移，從滑坡堆積帶的影像中，分別選出主要為粗略紋理、中等紋理以及細(xì)碎片的不同區(qū)域，進(jìn)行局部直方圖分析，量測影像紋理，進(jìn)一步確定滑坡碎片的大小及分布。該方法具有周期短、覆蓋廣、成本低的優(yōu)勢。

利用茂縣疊溪鎮(zhèn)災(zāi)前與災(zāi)后國產(chǎn)高分三號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用永久散射體（PS）干涉雷達(dá)技術(shù)方法，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、主影像選擇、干涉相位計(jì)算、地形相位去除、干涉圖濾波及相位解纏等步驟獲取了茂縣疊溪滑坡災(zāi)區(qū)及周邊地形變化信息。如圖4所示，圖中災(zāi)后（2017年6月26日）影像的滑坡區(qū)域較之災(zāi)前（2017年3月9日）表現(xiàn)出明顯的地形變化信息，從災(zāi)后影像可清晰看出滑坡堆積物覆蓋區(qū)域，足見滑坡破壞力之大、影響之深。通過分析疊溪滑坡災(zāi)前災(zāi)后在高分三號(hào)影像上影紋及色調(diào)等表現(xiàn)出的地形信息變化特征，把它推廣至茂縣滑坡受災(zāi)區(qū)周邊區(qū)域，初步判譯出4處地形形變較大區(qū)域，推測為茂縣滑坡災(zāi)后形成或?yàn)?zāi)前即已存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)區(qū)域（圖4中紅線區(qū)域），其中A處北距疊溪鎮(zhèn)約1.8km，居岷江北岸山體上部，B處則位于校場電站壩體東北側(cè)山體中上部，二者地勢均較高，一旦發(fā)生滑坡等次生災(zāi)害，將有砸壩堵江的可能，建議當(dāng)?shù)卣盀?zāi)害隱患排查部門將其作為重點(diǎn)巡排查對象，并開展定期跟蹤監(jiān)測。

圖4 茂縣山體滑坡災(zāi)害前后地形變化及周邊地災(zāi)隱患判識(shí)圖

4 結(jié)論與建議

通過介紹低空無人機(jī)航攝與國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感技術(shù)優(yōu)勢，運(yùn)用“6 · 24”茂縣滑坡區(qū)災(zāi)后無人機(jī)及災(zāi)前災(zāi)后國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取了災(zāi)區(qū)災(zāi)前災(zāi)后影像數(shù)據(jù)，初步探討了本次特大型滑坡形成的原因及過程。利用滑坡事故后應(yīng)用無人機(jī)與國產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)分析的災(zāi)情對比情況，結(jié)合國產(chǎn)高分衛(wèi)星的地形變化信息，嘗試判譯災(zāi)區(qū)周邊地災(zāi)隱患點(diǎn)。結(jié)果表明，無人機(jī)與國產(chǎn)高分技術(shù)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)應(yīng)急地形生成與形變監(jiān)測，對地災(zāi)潛在隱患的早期識(shí)別、發(fā)現(xiàn)及滑坡災(zāi)后災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測具有一定的指導(dǎo)意義。

通過分析茂縣滑坡災(zāi)害的成因及災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況，提出如下山區(qū)地災(zāi)高發(fā)區(qū)的防災(zāi)避險(xiǎn)措施及建議：①積極避險(xiǎn)，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)管理，預(yù)先制定并及時(shí)啟動(dòng)實(shí)施應(yīng)急預(yù)案，果斷撤離高強(qiáng)度降雨期和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)受威脅人員，必要時(shí)采取強(qiáng)制避讓措施；②加強(qiáng)應(yīng)急值守，完善災(zāi)情速判速報(bào)、專報(bào)指定，確保通信暢通；③特別加強(qiáng)雨季旅游人員安全管理，對旅游區(qū)及交通要道地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防控工作加強(qiáng)監(jiān)督管理，嚴(yán)防死守，全力避免或減少地災(zāi)造成的人員財(cái)物損失；④加強(qiáng)山區(qū)地災(zāi)高發(fā)區(qū)隱患排查，對類似茂縣滑坡區(qū)的區(qū)域開展既有巡排查災(zāi)害點(diǎn)及新增上報(bào)災(zāi)害點(diǎn)全面排查，特別是地勢高、坡度高、物源量大的災(zāi)害隱患點(diǎn)要加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警，必要時(shí)做好人員疏散安置工作。

近年來國家有關(guān)部門多次強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的排查和監(jiān)控，做好安全防治工作。茂縣滑坡事故無疑敲響了一個(gè)警鐘，即很多滑坡、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)開展的傳統(tǒng)地災(zāi)巡排查，調(diào)查技術(shù)滯后，較難滿足類似茂縣滑坡這種高位、特大型地災(zāi)隱患的排查需求。因此，我們迫切需要建立一套新的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)體系，而無人機(jī)航攝技術(shù)的普及和國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，無疑為新的地災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測體系的建設(shè)提供了保障。無人機(jī)與國產(chǎn)高分技術(shù)無疑具有較大的應(yīng)用前景與推廣性、普及性。