基于高分辨地形的秦嶺山地滑坡特征參數(shù)提取分析

郭 帥,胡 勝,馬舒悅,謝婉麗,曹明明

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127;2.西北大學(xué) 地表系統(tǒng)與災(zāi)害研究院,陜西 西安 710127;3.西北大學(xué) 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室,陜西 西安 710127;4.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,大陸動力學(xué)國家重點實驗室,陜西 西安 710069)

滑坡災(zāi)害是世界上造成人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]。在我國,滑坡災(zāi)害發(fā)育也十分廣泛,其中以西部地區(qū)最為嚴(yán)重[2]?，F(xiàn)有的滑坡災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù),例如遙感影像[3]、三維激光掃描儀[4]、InSAR[5]、高分衛(wèi)星影像[6]等,都存在不同程度的缺陷,如價格昂貴、不夠靈活方便等[7]。一般而言,利用航空或衛(wèi)星影像進(jìn)行坡面尺度的滑坡調(diào)查,其獲取的地形模型(DEM)和正射影像(DOM)分辨率較低,無法清楚地識別滑坡紋理特征,如滑坡裂隙結(jié)構(gòu)或小的位移變形,而這些特征信息卻恰恰對于認(rèn)識滑坡的動力學(xué)過程至關(guān)重要[8]。近年來,無人機(jī)攝影技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的野外調(diào)查中[9-11],這個技術(shù)打開了通向獲取高質(zhì)量野外數(shù)據(jù)的大門[12]。與傳統(tǒng)的野外滑坡調(diào)查相比,無人機(jī)攜帶便捷,操作簡單且測量相對精度較高,數(shù)據(jù)處理程序簡單,能較好地提高野外調(diào)查工作的安全性。在無人機(jī)提供的高分辨率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用ArcGIS 10.2，Global Mapper等軟件,提取多項滑坡特征參數(shù),幫助我們從多個角度了解滑坡基本特征和空間格局,對滑坡地貌地形等分析具有重要意義。然而,由于航測精度和機(jī)型等不同,這些無人機(jī)系統(tǒng)價位從數(shù)百美元到十幾萬美元不等。因此,本文主要研究目的就是利用低成本的消費級無人機(jī)DJI Phantom 3 (4k) 進(jìn)行秦嶺山地單體滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,獲取高分辨率的DEM與DOM,提取滑坡的特征參數(shù)并進(jìn)行分析,為秦嶺山區(qū)的滑坡災(zāi)害防治提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

秦嶺位于中國大陸的中部地區(qū),其山巒疊嶂、溝谷縱橫,地形起伏大,切割深,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,巖石破碎,抗風(fēng)化能力差,再加上秦嶺的南坡是中國著名的暴雨區(qū)[13],連陰雨也很常見。同時，近年來人口不斷增長,人類工程活動、移民搬遷加劇,導(dǎo)致人地關(guān)系越來越緊張。由于修建公路、鐵路,在25°以上的斜坡上開荒種地、修建房屋、切挖坡腳等人類活動造成秦嶺地區(qū)的植被逐漸減少,斜坡穩(wěn)定性降低,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境日趨惡化,大暴雨經(jīng)常引發(fā)滑坡災(zāi)害,給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)造成巨大的損失。秦嶺山地是中國地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域[14],這里滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地面塌陷、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害廣泛發(fā)育,危害巨大。因此本文選取陜西省漢中市佛坪縣境內(nèi)的風(fēng)楓溝滑坡展開調(diào)查,該滑坡位于引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐下游1 298m處的公路旁邊。

圖1 三河口水利樞紐下游風(fēng)楓溝滑坡概況圖Fig.1 Overview of Fengfenggou landslide downstream of Sanhekou Water Control Project

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 無人機(jī)精度檢驗

根據(jù)前人的研究成果,基于運動重建(SfM)的無人機(jī)攝影測量技術(shù)生成的滑坡三維模型具有很高的相對精度,在一定程度上能夠滿足野外滑坡初步調(diào)查的需求[15]。但是,我們還是在進(jìn)行野外滑坡調(diào)查之前,對校園的徑流小區(qū)進(jìn)行了無人機(jī)三維重建,并對其生成的DOM和DEM進(jìn)行水平和垂直重復(fù)精度的初步驗證。

在校園內(nèi)的徑流觀測場,我們進(jìn)行了兩次無人機(jī)飛行,獲得了徑流小區(qū)高分辨率的DOM (1.56 cm/pix)和DEM (3.11 cm/pix),通過對比發(fā)現(xiàn),兩次飛行得到的8個特征點(a～h)有一定的偏差,但是水平重復(fù)精度偏差僅僅在0.5m左右(圖2左)。同時,我們也利用剖面線對比的方法來檢驗高分辨率DEM的垂直重復(fù)精度問題,同一個徑流小區(qū)的兩次剖面線起伏程度幾乎一致,大約有0.2m的垂直高程偏差(圖2右)。對于只有5.45m長、21.1m寬、2.88m高這樣如此微小的人造坡面而言,無人機(jī)攝影測量技術(shù)在三維地形重建方面具有優(yōu)異的表現(xiàn),不僅模型的長寬高尺寸幾乎與實測值一樣,而且剖面線能夠客觀地反映出各自徑流小區(qū)的微地表坡面形態(tài)。根據(jù)以上測試結(jié)果,我們認(rèn)為利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)能夠出色地完成野外滑坡的三維模型構(gòu)建。

圖2 無人機(jī)精度初步驗證Fig.2 Preliminary test of UAV′s accuracy

2.2 野外調(diào)查與數(shù)據(jù)處理

本研究采用的無人機(jī)型號為DJI Phantom 3 (4k),拍攝照片分辨率為4 000×3 000,對于同一無人機(jī)和相機(jī)而言,飛行高度會影響照片的空間分辨率,因此需要根據(jù)滑坡周邊的高度和地形設(shè)置合理的飛行高度,便于得到最理想的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。據(jù)此我們在三河口水利樞紐下游風(fēng)楓溝滑坡開展了無人機(jī)飛行拍攝工作,滑坡位置與飛行參數(shù)如表1所示。得到滿意的影像數(shù)據(jù)后,使用攝影制圖軟件Agisoft PhotoScan Professional Edition Version 1.2.5來開展后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。

3 高分辨率滑坡特征參數(shù)提取與分析

3.1 幾何特征參數(shù)提取與分析

在以往的滑坡調(diào)查中,多采用的是宏觀定性描述以及半定量統(tǒng)計分析方法[16],而定量的計算分析與驗證卻十分缺乏,因此我們在ArcGIS 10.2,Global Mapper 17中完成了風(fēng)楓溝滑坡的幾何特征參數(shù)提取和統(tǒng)計(表2),這些特征參數(shù)對于判識滑坡的規(guī)模大小和形態(tài)具有重要參考。風(fēng)楓溝滑坡的幾何特征參數(shù)提取過程如下:根據(jù)無人機(jī)獲取的風(fēng)楓溝滑坡正射影像,首先確定滑坡邊界,然后在ArcGIS軟件中裁剪出滑坡的DEM,利用ArcGIS測量工具量算出滑坡的長度、寬度,在滑坡DEM屬性中計算出相對高差,并用“幾何計算”命令來計算滑坡的周長與面積,依據(jù)確定出的滑坡邊界,以及在ArcGIS中提取的滑坡DEM剖面線來判定該滑坡的平面形態(tài)與剖面形態(tài)。結(jié)果如表2所示,風(fēng)楓溝滑坡的平面形態(tài)為扇形,剖面形態(tài)為凸形,相對高差50m,周長240.3m,滑坡總面積2671.4m2,長寬比和厚長比分別為0.49和0.17。

表1 滑坡位置與飛行參數(shù)Tab.1 Landslides locations and flight parameters

表2 風(fēng)楓溝滑坡幾何特征參數(shù)統(tǒng)計Tab.2 Statistics on geometric characteristics of Fengfenggou landslide

3.2 地形特征參數(shù)提取與分析

同樣地,我們在ArcGIS 10.2、Global Mapper 17中完成了對風(fēng)楓溝滑坡地形特征參數(shù)的統(tǒng)計(表3),這些參數(shù)可以幫助我們很好的解析滑坡的特征(高程分布、坡度陡緩、地形起伏以及滑動方向)。根據(jù)表3和圖3顯示,風(fēng)楓溝滑坡的內(nèi)部坡度在0°～89.4°之間,平均值41.9°,在33×33的分析窗口下,滑坡內(nèi)部平均起伏度最小為0.2m,最大為18.2m,平均起伏度為3.7m?；碌闹骰较蚺c它所處斜坡的方位有直接關(guān)系,由于本次調(diào)查為單體滑坡調(diào)查,受樣本數(shù)量的局限無法從統(tǒng)計學(xué)上給出在哪個方位發(fā)生滑坡的可能性最大。當(dāng)然,我們也在不斷地積累和豐富秦嶺山地滑坡的三維地形數(shù)據(jù)庫,以便今后更好地進(jìn)行統(tǒng)計分析。

表3 風(fēng)楓溝滑坡地形特征參數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Statistics on topographic characteristics of Fengfenggou landslide

注：起伏度鄰域分析窗口大小33×33。

在微觀層次上,高分辨率DEM能很好地表現(xiàn)滑坡內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征和空間分布規(guī)律。以本文研究的風(fēng)楓溝滑坡為例,從高分辨率的DEM數(shù)據(jù)中統(tǒng)計出該滑坡的高程頻率分布、坡向頻率分布、坡度頻率分布和地形起伏度頻率分布(圖4)。對于滑坡而言,坡頂一般高程最高,滑坡后緣坡度較陡,高程頻率變化平緩。滑坡主體部分的厚度最大,各種滑坡微地貌較多,高程頻率變化劇烈。坡腳一般高程最低,地形起伏平緩。依據(jù)以上判識標(biāo)準(zhǔn),通過分析該滑坡的高程頻率分布曲線(圖4a),我們可以識別出滑坡的坡腳、滑坡主體和滑坡后壁結(jié)構(gòu)及其高程分布范圍。根據(jù)此曲線,我們在GIS中對滑坡高程進(jìn)行了相應(yīng)的分類,可以很好地識別出其外部結(jié)構(gòu)(圖5),這與影像中解譯出來的滑坡外部結(jié)構(gòu)幾乎一致?；碌钠孪蝾l率分布(圖4c)表明高分辨率的DEM可以清楚地展示滑坡內(nèi)部坡向分布,這是傳統(tǒng)調(diào)查方法難以做到的。風(fēng)楓溝滑坡的主滑方向控制了滑坡內(nèi)部的坡向分布,滑坡內(nèi)部的坡向也主要集中在WNW-W-WSW方位。與高程頻率分布相似,滑坡的坡度頻率分布也具有一定的滑坡地形區(qū)分能力(圖4b),根據(jù)坡度頻率分布曲線雖然無法區(qū)分出平地中的滑坡坡頂和坡腳部分,但它對滑坡后緣非常敏感,該部分的坡度雖然很大(在65°～85°之間),但是頻率較小。在5m×5m的分析窗口下,起伏度頻率分布曲線的變化趨勢與坡度頻率分布曲線基本一致,表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。滑坡內(nèi)部的起伏度范圍在0～18.2m之間變動,主要集中分布在0～5m,2～4m的起伏度變化占絕對優(yōu)勢(圖4d)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

本文主要展示了如何利用低成本的四旋翼無人機(jī)獲取高分辨率的地形數(shù)據(jù),并將該技術(shù)應(yīng)用于滑坡三維模型重建,獲得了比較滿意的效果。在此基礎(chǔ)上,我們利用無人機(jī)獲取的高分辨率DEM對秦嶺山地風(fēng)楓溝單體滑坡進(jìn)行幾何特征參數(shù)、地形特征參數(shù)的提取與分析。主要結(jié)論如下:

圖3 風(fēng)楓溝滑坡地形因子空間分布Fig.3 Spatial distribution of topographic factors of Fengfenggou landslide

圖4 風(fēng)楓溝滑坡地形特征參數(shù)頻率分布Fig.4 The frequency distribution of characteristic parameters in Fengfenggou landslide

圖5 利用高程頻率曲線識別滑坡外部結(jié)構(gòu)Fig.5 Identifying external structure of the landslide according to the elevation frequency curve

1)在校園的徑流小區(qū)進(jìn)行了無人機(jī)精度檢驗,其生成的DOM和DEM水平重復(fù)精度偏差為0.5m左右,垂直高程偏差為0.2m左右,根據(jù)測試結(jié)果,我們認(rèn)為利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)能夠出色地完成野外滑坡的三維模型構(gòu)建。

2)利用三維模型重建技術(shù)和GIS空間分析技術(shù),提取了秦嶺山地風(fēng)楓溝滑坡的高精度幾何與地形特征參數(shù),結(jié)果顯示風(fēng)楓溝滑坡的平面形態(tài)為扇形,剖面形態(tài)為凸形,相對高差50m,周長240.3m,滑坡總面積2 671.4m2,長寬比和厚長比分別為0.49和0.17;滑坡的內(nèi)部坡度在0°～89.4°之間,平均值41.9°,內(nèi)部平均起伏度最小為0.2m,最大為18.2m,平均起伏度為3.7m。這些參數(shù)可以幫助我們很好地解析滑坡高程分布、坡度陡緩、地形起伏以及滑動方向等特征,具有很高價值。

3)對秦嶺山地單體滑坡的高程頻率分布、坡向頻率分布、坡度頻率分布和地形起伏度頻率分布進(jìn)行統(tǒng)計分析,結(jié)果表明,根據(jù)這些頻率分布曲線識別出的滑坡外部結(jié)構(gòu)與影像中解譯出來的滑坡外部結(jié)構(gòu)幾乎一致。因此，我們認(rèn)為在一定程度上,可以利用這些頻率曲線來識別潛在滑坡區(qū)域。

4.2 討 論

由于我們的主要目的是進(jìn)行高分辨率的滑坡空間分析,并不涉及滑坡位移監(jiān)測。如果要進(jìn)行不同時期滑坡對比監(jiān)測,那么就需要地面控制點來提高數(shù)據(jù)精度,因為GCP坐標(biāo)可以被用于生成更加精確的、具有絕對坐標(biāo)的模型[17]。事實上,對于秦嶺山地滑坡而言,在坡面尺度的滑坡進(jìn)行控制點布設(shè)也存在一定的挑戰(zhàn),如有的滑坡體高差起伏很大,人員無法到達(dá)某一點進(jìn)行控制點放置,有的滑坡是最近發(fā)生的,仍然存在二次滑坡的隱患,對人員人身安全不利。但是無論如何,這種新的非接觸測量技術(shù)具有低成本、安全、快速、高分辨率的優(yōu)勢,使用無人機(jī)系統(tǒng)這個現(xiàn)代化工具可以輕松獲取地形地貌數(shù)據(jù)。通過本文的研究,證實無人機(jī)技術(shù)可以被更多地應(yīng)用到滑坡等地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查中,利用低成本的消費級無人機(jī)可以避免傳統(tǒng)野外調(diào)查人員需求量大、時間長、花費高、危險系數(shù)大等弊端,得到更多高分辨率的DEM與DOM數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)低分辨率地形滑坡特征,本文在參數(shù)提取和分析方面程序更簡單快捷,測量精度更高。當(dāng)然,無人機(jī)野外飛行也需要注意一些事項:首先,要遵守相關(guān)法律法規(guī),不能在機(jī)場或軍事敏感區(qū)域飛行；其次,野外工作要配備10塊左右的飛行電池,要根據(jù)滑坡地形和海拔規(guī)劃合理的飛行航線,既要保證較高的分辨率,又要兼顧飛行安全；第三,天氣的選擇也至關(guān)重要,最好在晴朗、無風(fēng)或風(fēng)速較小的天氣進(jìn)行飛行；最后,富有飛行經(jīng)驗的無人機(jī)操作者也是不可或缺的重要因素[8]。