無人機(jī)在重大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用

郭晨 許強(qiáng) 董秀軍 孫濤 寧浩 柏君

我國西南部山區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，2017-2018兩年間發(fā)生的幾起重大地質(zhì)災(zāi)害事件造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，引起國內(nèi)外及社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。應(yīng)急調(diào)查是地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查受限于復(fù)雜的地形條件，不能快速全面地獲取災(zāi)害的詳細(xì)信息，而無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、時(shí)效性高和不受復(fù)雜地形影響等特點(diǎn)，在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中有獨(dú)特的優(yōu)勢。本文以6·24新磨村山體滑坡和10·11白格兩次山體滑坡、堰塞堵江事件為例，闡述無人機(jī)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查數(shù)據(jù)獲取及處理流程，重點(diǎn)介紹無人機(jī)三維數(shù)字地形產(chǎn)品在地質(zhì)災(zāi)害精確描述、定性及定量分析中的應(yīng)用。

成都理工大學(xué)

無人機(jī)航攝測量技術(shù)可為重大地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查提供更加科學(xué)、高效的現(xiàn)場影像采集和遙感成果處理方案，不僅降低了調(diào)查人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，還大大提高了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的工作效率，為應(yīng)急救災(zāi)工作的分析研判以及順利實(shí)施提供了重要數(shù)據(jù)支撐，科學(xué)有效地保證了現(xiàn)場施工救援人員的安全。隨著無人機(jī)航攝系統(tǒng)性能的不斷完善，數(shù)據(jù)處理新方法、新工藝等技術(shù)手段的不斷提升，無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查領(lǐng)域?qū)碛袕V闊的應(yīng)用前景。

研究背景

中國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害極為頻繁的國家。據(jù)自然資源部資料顯示，僅2017-2018年兩年就發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害超過1萬起，造成464人死亡或失蹤、200多人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失超過50乙元。其中，2017年四川茂縣6.24新磨村滑坡、貴州納雍8-28山體滑坡，以及2018年的金沙江白格10-11、11-03兩次滑坡、堰塞堵江事件等重大地質(zhì)災(zāi)害，不僅造成慘重的生命財(cái)產(chǎn)損失，還引起國內(nèi)外及社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急調(diào)查作為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置的首要和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，必須突出快且高效，即需在盡量短的時(shí)間內(nèi)確定減災(zāi)方案提供盡量準(zhǔn)確、完整、詳細(xì)的相關(guān)信息。而作為地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)的西南地區(qū)，由于河谷深切、谷坡高陡、植被茂密，傳統(tǒng)的應(yīng)急調(diào)查靠地質(zhì)人員進(jìn)行地面調(diào)查，不僅工作強(qiáng)度大、效率低、風(fēng)險(xiǎn)大，甚至個(gè)別區(qū)域根本無法達(dá)到，很難在短時(shí)間內(nèi)將全面的災(zāi)情信息反饋給救災(zāi)指揮部供決策支持，對應(yīng)急處置工作順利有效地開展帶來了嚴(yán)重阻礙。無人機(jī)具有獨(dú)特的非接觸式測量方式、精度高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、360°全方位無死角航攝等特點(diǎn)，為重大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查提供了更加科學(xué)高效的現(xiàn)場影像采集和遙感成果處理方案，能大大提高應(yīng)急處置效率、確定應(yīng)急處置方案。在災(zāi)后的搶險(xiǎn)救災(zāi)、決策支持中發(fā)揮著極其重要的作用，不僅為搶險(xiǎn)救災(zāi)、科學(xué)決策和指揮提供地理信息保障，也為收集地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、財(cái)產(chǎn)損失評估、災(zāi)后重建和生產(chǎn)自救提供寶貴的參考資料。

技術(shù)路線

在6-24新磨村滑坡、8-28納雍滑坡、10-10白格滑坡以及11-03白格二次滑坡等災(zāi)害發(fā)生后，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室均在第一時(shí)間組織團(tuán)隊(duì)攜帶F1000無人機(jī)趕赴現(xiàn)場，參與應(yīng)急測繪救援工作。

團(tuán)隊(duì)首先對滑坡的位置、相對高差、作業(yè)面積等制定相應(yīng)的航測計(jì)劃，保證航拍數(shù)據(jù)具有較高的精度和分辨率，航線規(guī)劃一般根據(jù)地形高程變化設(shè)置2-3個(gè)航拍高程。數(shù)據(jù)獲取后立即采用高性能計(jì)算機(jī)集群聯(lián)機(jī)處理并行計(jì)算，利用Pix4d Mapper軟件對獲取的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)進(jìn)行無控空三加密，獲得高分辨率數(shù)字地表模型（ DSM）和數(shù)字正射影像圖（DOM）。同時(shí)選用賓利（Bentley）公司的Context Capture Center Master軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)計(jì)算，得到高分辨率三維實(shí)景模型，整體流程圖如圖1所示。

通過無人機(jī)航攝測量方法獲取的各類數(shù)字地形產(chǎn)品，可以快速360。無死角地展現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體及周圍的真實(shí)場景，清晰展現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體的類型、規(guī)模、區(qū)域范圍、所處的地形及地貌，準(zhǔn)確地辨識出地質(zhì)災(zāi)害體的形態(tài)特征。從圖像上可直接讀取任一點(diǎn)的高程值及任兩點(diǎn)間的高差、坡度和坡向等信息，為研究大型地質(zhì)災(zāi)害提供三維參數(shù)，結(jié)合地面調(diào)查及監(jiān)測資料，就能快速解譯和評估災(zāi)害體特征及影響，為現(xiàn)場調(diào)查和分析研判提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

無人機(jī)在重大地質(zhì)災(zāi)害事件中的應(yīng)用

茂縣新磨村滑坡

2017年6月24日，四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村新村組后山山體發(fā)生高位滑坡（下稱6-24新磨村滑坡），瞬間摧毀坡腳的新磨村，掩埋64戶農(nóng)房和1500m道路，堵塞河道1000m，導(dǎo)致10人死亡、73人失蹤，引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。此次航拍平均地面分辨率為10-15cm，航帶間重疊率75%，航向重疊率80%，航拍離地高度500-700m，共28條航線，飛行距離121km，航拍面積21 km₂，共獲取航拍照片924張。數(shù)據(jù)獲取后立即采用高性能計(jì)算機(jī)集群聯(lián)機(jī)處理并行計(jì)算，在數(shù)據(jù)下載完成后3小時(shí)獲得高分辨率數(shù)字地表模型DSM）和數(shù)字正射影像圖（DOM）。

通過無人機(jī)航拍獲取的影像數(shù)據(jù)，第一時(shí)間為救災(zāi)指揮部提供災(zāi)后高分辨率正射影像和三維實(shí)景模型，從而較為全面地了解滑坡的基本情況。6-24新磨村滑坡源區(qū)所在位置東經(jīng)103°39′46″，北緯32°4′47″，垮塌區(qū)長約200m，寬約300m，平均厚度約70m，體積約450×104m₃。最終形成順滑坡運(yùn)動(dòng)方向1600m，順河長1000m，平均厚度大于10m，體積約為1300×10₄m₃的滑坡堆積體，幾乎將新磨村全部掩埋見圖2。

災(zāi)害發(fā)生后，為確保搶險(xiǎn)救援工做在黃金時(shí)間內(nèi)順利開展，現(xiàn)場應(yīng)急專家組的主要任務(wù)之一就是強(qiáng)化監(jiān)測預(yù)警，確保不發(fā)生二次災(zāi)害。無人機(jī)航拍的三維實(shí)景模型顯示，受主滑體高速滑動(dòng)和運(yùn)動(dòng)過程中牽引、拖拽作用的影響，在滑源區(qū)東、西兩側(cè)還分別殘留存在新變形裂縫的欠穩(wěn)定巖體見圖3，在滑坡區(qū)西側(cè)還存在一塊主要由松散堆積物構(gòu)成的變形體。其中，西側(cè)變形體穩(wěn)定性最差，對下游現(xiàn)場救援人員造成極大威脅，因而得到相關(guān)部門和現(xiàn)場專家組的高度重視，成為現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警的主要對象。

（1）西側(cè)欠穩(wěn)定巖體。

滑源區(qū)西側(cè)的欠穩(wěn)定巖體在地形上三面臨空，其后緣高程分布在3351-3266m，前緣高程3073m，高約230m、寬220m、厚度35m，整體呈巨厚層塊狀，巖體較完整，估算方量177×10₄m₃。歷史遙感衛(wèi)星影像、滑坡后航拍數(shù)據(jù)均顯示該部位在滑坡發(fā)生前后均產(chǎn)生過變形裂縫。短時(shí)間內(nèi)失穩(wěn)可能性較小見圖4左圖。

（2）東側(cè)欠穩(wěn)定巖體。

在滑源區(qū)東側(cè)上部也殘留有一個(gè)欠穩(wěn)定巖體，其后緣高程3465m、前緣高程在3403-3371m之間，高約106m、寬90m、厚度20m左右，估算方量19×10₄m₃。高清航拍影像顯示，東側(cè)欠穩(wěn)定巖體呈厚層板狀，表部有幾條裂縫分布，較西側(cè)塊體破碎見圖4右圖，其前緣和西側(cè)已臨空，但東側(cè)仍與圍巖保持很好地聯(lián)結(jié)。綜合判斷易發(fā)生局部掉塊，整體失穩(wěn)可能性不大。

（3）西側(cè)變形體。

西側(cè)變形體平面形態(tài)呈倒梯形，上寬250m、下寬100m、高450m、平均厚度58m，估算方量455×10₄m₃見圖5。西側(cè)變形體后緣存在一個(gè)拉陷槽，展布方向與巖層走向相一致，延伸長度250m，水平拉開寬度43m，垂向下錯(cuò)20m。在其前部還存在另一條裂縫，延伸長達(dá)540m，拉開寬度近10m。在現(xiàn)場應(yīng)急搶險(xiǎn)過程中，西側(cè)變形體被認(rèn)為是整個(gè)滑坡區(qū)穩(wěn)定性最差，對下游現(xiàn)場救援人員安全威脅最大的巖體，因此得到相關(guān)部門和現(xiàn)場專家組的高度重視。

金沙江白格滑坡

雖然無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用越來越廣泛，無人機(jī)影像提取的DEM可以滿足快速定性判斷的需求，但隨著搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的持續(xù)進(jìn)行，單次飛行數(shù)據(jù)將無法準(zhǔn)確獲取滑坡體積等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可能會(huì)直接影響應(yīng)急處置定量評價(jià)。金沙江在2018年10月11日第一次滑坡后，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員立即趕赴現(xiàn)場，采集了10月12日第一次滑坡后、10月16日第一次泄洪后、11月5日第二次滑坡后、11月8日、11月14日第二次泄洪前后等關(guān)鍵事件以及其間一系列多期次的無人機(jī)數(shù)據(jù)見圖6。不僅獲得了應(yīng)急搶險(xiǎn)各階段滑坡的基本信息，而且將不同時(shí)間的無人機(jī)高分辨率DSM進(jìn)行差分對比，可以精確獲取滑坡厚度、體積變化量等一系列成果，為現(xiàn)場分析研判提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

滑坡體滑動(dòng)前后的豎直位移變化，可以將帶有三維空間信息的兩期點(diǎn)云或三維模型（DEM或DSM）進(jìn)行高程差分測量，如圖7a所示。通過計(jì)算得出，10·11主滑坡最大滑動(dòng)深度約90m，位于滑坡中后部，滑動(dòng)土體平均厚度約50m，滑坡形成的堰塞壩最大堆積厚度約80m，平均厚度約40m;另外，通過豎直位移差分計(jì)算，能大致推測滑坡剪出口位置高程約3000m，高出金沙江江面高程2860m約200m，具有明顯高位剪出的特點(diǎn);11-03二次滑坡存在明顯的滑源區(qū)和鏟刮區(qū)見圖7b，最大滑動(dòng)深度約60m，最大堆積高度約80m（相比第一次泄洪后），方量約312×10₄m₃，基本與滑源區(qū)土體相當(dāng)。加上10·11第一次滑坡堰塞壩泄流后形成的泄洪槽較為狹長，上寬約200m，底寬約60m，大量松散土體高速下滑，短時(shí)間內(nèi)就將其填滿并堆覆其上，形成的堰塞壩比第一次高出約50m，造成比主滑坡更為嚴(yán)重的二次堵江事件。

金沙江白格二次滑坡后，滑源區(qū)兩側(cè)及后緣斜坡產(chǎn)生了大量新生裂縫，在導(dǎo)流槽開挖過程中滑坡區(qū)經(jīng)常發(fā)生小規(guī)?？逅?1月5-8日，滑坡后緣產(chǎn)生了abc三個(gè)強(qiáng)烈形變區(qū)，均存在明顯的垮塌和堆積現(xiàn)象見圖8，最大下錯(cuò)高度約10m，在坡腳堆積最大厚度約9m。通過兩期無人機(jī)DSM差分測量，可以精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)斜坡后緣的形變區(qū)域并且能定量表征變形區(qū)域的形變量，為斜坡的形變監(jiān)測提供靶點(diǎn)，從而有針對性地布設(shè)專業(yè)監(jiān)測儀器?，F(xiàn)場專家組通過對現(xiàn)場實(shí)時(shí)傳回的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的分析研判，一旦預(yù)判某部位可能發(fā)生較大規(guī)模的垮塌，就立即發(fā)布預(yù)警信息到前線指揮部，指揮部會(huì)及時(shí)將預(yù)警信息傳達(dá)到現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警人員和每一個(gè)挖掘機(jī)操作人員，并按照預(yù)案立即組織撤離。不僅保障泄流工程的順利實(shí)施，同時(shí)還通過科學(xué)手段有效地保證了人員安全。

無人機(jī)低空航攝測量系統(tǒng)獲取的高精度、高分辨率DSM、DEM和DOM，可對地質(zhì)災(zāi)害的體形態(tài)分布特征及所處區(qū)域的微地貌特征實(shí)現(xiàn)精確描述，精確提取地質(zhì)災(zāi)害體的屬性信息，不僅降低了調(diào)查人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，也大大提高了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的工作效率。

另外，通過連續(xù)航拍獲得的影像及三維模型，不僅可以對災(zāi)害體進(jìn)行監(jiān)測，掌握其隨時(shí)間變化的特征，而且將不同時(shí)間序列的DSM/DEM進(jìn)行差分對比，可以精確獲取滑坡厚度、體積變化量等一系列成果，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)斜坡后緣存在的形變區(qū)域并且能定量表征形變區(qū)域的形變量，為專業(yè)監(jiān)測儀器的布設(shè)提供靶點(diǎn)，從而為應(yīng)急搶險(xiǎn)工作的順利實(shí)施以及分析研判提供重要數(shù)據(jù)支撐。

習(xí)近平總書記在2018年10月中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第三次會(huì)議上提出，要建立高效科學(xué)的自然災(zāi)害防治體系，提高全社會(huì)自然災(zāi)害防治能力，著重強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害隱患排查和監(jiān)控的重要性。而無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害隱患的早期識別、隱患排查、應(yīng)急調(diào)查、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面表現(xiàn)卓越，同時(shí)其航攝系統(tǒng)性能正不斷完善，整體技術(shù)向重量輕、體積小、精度高、抗干擾性強(qiáng)的方向發(fā)展，未來將會(huì)更加適應(yīng)惡劣天氣、復(fù)雜地形的作業(yè)環(huán)境;數(shù)據(jù)處理的新技術(shù)也在不斷提升，預(yù)示著無人機(jī)在地災(zāi)領(lǐng)域?qū)碛袕V闊的市場前景。