無(wú)人機(jī)航測(cè)在滑坡快速調(diào)查與分析中的應(yīng)用研究

杜朋召 齊菊梅 羅延婷 牛貝貝

摘 要：為實(shí)現(xiàn)滑坡的快速調(diào)查與應(yīng)急影響評(píng)價(jià)，以某水電站庫(kù)岸1#滑坡為例，利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，獲取滑坡體的高清影像，通過(guò)影像處理和地質(zhì)解譯，得到滑坡體的地形與地質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)Itascad與Catia三維建模平臺(tái)構(gòu)建滑坡體的地質(zhì)模型和計(jì)算模型，最后采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)1#滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)算。結(jié)果表明：基于無(wú)人機(jī)影像獲取的滑坡地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)是合理的，有限元穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果與滑坡現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際變形情況基本一致，無(wú)人機(jī)航測(cè)能夠?yàn)榛聻?zāi)害的快速調(diào)查與應(yīng)急分析決策提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);攝影測(cè)量;地質(zhì)災(zāi)害;滑坡

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.2;TU457文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.033

引用格式：杜朋召，齊菊梅，羅延婷，等.無(wú)人機(jī)航測(cè)在滑坡快速調(diào)查與分析中的應(yīng)用研究[J].人民黃河，2021，43（1）：161-164.

Landslide Geological Survey and Stability Analysis Based on UAV Photogrammetry

DU Pengzhao， QI Jumei， LUO Yanting， NIU Beibei

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：In order to realize the rapid investigation and emergency impact assessment of landslides， taking No.1 landslide on the bank of a hydropower station as an example， using drone aerial photogrammetry technology， the high-definition images of the landslide were obtained， and the terrain and geological data of the landslide were obtained through image processing and geological interpretation. Then， through the three-dimensional modeling platform of Itascad and Catia， the geological model and calculation model of the landslide were constructed. Finally， the stability of the No.1 landslide was analyzed and calculated by using the finite element strength reduction method. The results show that it is reasonable to obtain landslide terrain and geological data based on UAV images， and the finite element stability analysis results are basically the same as the actual deformation situation on the landslide. UAV aerial survey can provide scientific basis for the rapid investigation and emergency analysis of landslide disasters.

Key words： unmanned aerial vehicle; photogrammetry; geological hazard; landslide

1 引 言

無(wú)人機(jī)航測(cè)通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載高分辨率攝影相機(jī)，快速獲取作業(yè)區(qū)域的高清影像，通過(guò)影像處理和信息提取，得到測(cè)區(qū)地形與地物數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)航測(cè)具有機(jī)動(dòng)靈活、快速高效、作業(yè)成本低、使用范圍廣、操作維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在獲取小區(qū)域高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

隨著輕型低空無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查的研究和應(yīng)用逐漸增加。其中：高姣姣[1]開(kāi)展了高精度無(wú)人機(jī)遙感地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查應(yīng)用研究，初步建立了無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感數(shù)據(jù)“獲取—處理—應(yīng)用”的完整作業(yè)流程;楊力龍[2]開(kāi)展了基于輕小型無(wú)人機(jī)的航空攝影測(cè)量技術(shù)在高陡邊坡幾何信息勘查中的應(yīng)用研究，并對(duì)大寧河和永順?biāo)淼牢r體進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià);張啟元[3]、王帥永[4]利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)開(kāi)展了遙感影像處理與地質(zhì)災(zāi)害解譯的研究;黃海峰等[5]提出了引入小型無(wú)人機(jī)遙感的滑坡應(yīng)急治理勘查設(shè)計(jì)方法，在某邊坡崩滑項(xiàng)目中開(kāi)展了實(shí)際應(yīng)用;巨袁臻[6]開(kāi)展了基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的黃土滑坡早期識(shí)別研究;賈曙光等[7]基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高陡邊坡巖體產(chǎn)狀的數(shù)字化測(cè)量。雖然基于無(wú)人機(jī)影像的數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)解譯應(yīng)用較多，但將攝影測(cè)量應(yīng)用于滑坡快速調(diào)查和穩(wěn)定性分析還相對(duì)較少，目前還缺乏一套相對(duì)完整的方法流程。

筆者基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，以青海省某水電站庫(kù)岸滑坡為例，利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲取區(qū)域高清地表影像，通過(guò)影像處理和地質(zhì)解譯，得到滑坡體的地形和地質(zhì)信息，進(jìn)而開(kāi)展三維地質(zhì)模型構(gòu)建和穩(wěn)定性分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡發(fā)展趨勢(shì)的快速評(píng)價(jià)。

2 滑坡區(qū)概況

滑坡區(qū)位于青海省某水電站庫(kù)區(qū)右岸，距離大壩約1.4 km。地形為黃河上游峽谷區(qū)，是黃土高原與青藏高原的過(guò)渡帶，地勢(shì)總體由西南向東北傾斜。區(qū)內(nèi)高程在2 100～3 000 m之間，地形總體為上緩下陡，上部黃土邊坡自然坡度在5°～35°之間，局部因公路開(kāi)挖近乎直立;下部庫(kù)岸基巖邊坡坡度在35°～45°之間，坡高200～300 m，地形地貌見(jiàn)圖1。

滑坡區(qū)地處祁連地槽褶皺系的祁連中間隆起帶南側(cè)，其南界為青海南山—天水?dāng)嗔褞В笨科钸B—海源構(gòu)造帶?；虏课坏刭|(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，構(gòu)造發(fā)育程度較低，地表未見(jiàn)大的斷層或構(gòu)造裂隙，巖體內(nèi)發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要為新近紀(jì)泥巖、泥質(zhì)砂巖的巖層層理和前震旦系片麻巖的原生片麻理面。地下水主要類(lèi)型為松散層孔隙水，以降雨和林場(chǎng)澆灌補(bǔ)給為主。

已有勘測(cè)資料表明，區(qū)內(nèi)地層主要為前震旦系變質(zhì)巖，三疊系與白堊系砂巖、板巖，新近系砂巖、泥巖及第四系風(fēng)成黃土等。其中，第四系風(fēng)成黃土厚度約40 m，是滑坡發(fā)育的主要地層，黃土層內(nèi)垂直節(jié)理發(fā)育，具有一定的滲透性，地表降雨及人工灌溉易沿黃土節(jié)理下滲，于相對(duì)隔水的泥巖頂面富集，附近已有的黃土滑坡滑面多位于該部位。

水電站建成運(yùn)行以來(lái)，受庫(kù)水位升降、降雨、人工灌溉及庫(kù)區(qū)道路修建等因素的影響，壩前右岸出現(xiàn)多處規(guī)模不等的滑坡體。其中，1#滑坡體規(guī)模較大，前緣已發(fā)生多次垮塌，后緣張拉裂縫顯著，且距離大壩較近，一旦發(fā)生整體失穩(wěn)滑動(dòng)，產(chǎn)生的壅浪將對(duì)大壩構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為快速實(shí)現(xiàn)滑坡體應(yīng)急影響評(píng)價(jià)，利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)與影像處理，快速獲取滑坡體地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)，并開(kāi)展滑坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，為工程應(yīng)急決策提供科學(xué)依據(jù)。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)與影像處理

3.1 高清影像獲取

為了快速獲取1#滑坡體地形數(shù)據(jù)及高清地表影像，采用小型四旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行攝影測(cè)量。該無(wú)人機(jī)搭載2 000萬(wàn)像素影像傳感器，像元尺寸為2.53 μm。為了保證航拍影像具有較高的地面分辨率，根據(jù)地形高程變化，設(shè)置航拍高度為150 m，平均地面分辨率為3～5 cm。航測(cè)設(shè)置航向重疊率為80%，航帶間重疊率為70%，共計(jì)22條航線，飛行距離約14 km，航拍面積為2.1 km2，共獲取航拍照片412張。

3.2 影像數(shù)據(jù)處理

獲取1#滑坡體航測(cè)影像之后，利用影像資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，影像數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)后處理兩部分。首先，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括影像數(shù)據(jù)下載、飛行質(zhì)量檢查、相機(jī)標(biāo)定等;預(yù)處理完成后，將影像導(dǎo)入無(wú)人機(jī)影像處理軟件，進(jìn)行圖像拼接處理，生成滑坡區(qū)DEM與DOM，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

利用滑坡體DEM數(shù)據(jù)，在三維建模軟件中生成地形面，用于滑坡體地形建模。利用滑坡體DOM影像，通過(guò)影像地質(zhì)解譯可快速開(kāi)展滑坡地質(zhì)調(diào)查，獲取滑坡特征及相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)，用于滑坡體地質(zhì)建模與穩(wěn)定性分析。

3.3 影像地質(zhì)解譯

根據(jù)影像處理結(jié)果可知，1#滑坡體整體呈“長(zhǎng)齒”狀，長(zhǎng)度約580 m，寬度約310 m，后緣高程約2 710 m，前緣高程約2 580 m，高差約130 m?；麦w按地表滑動(dòng)跡象，可分為A、B兩個(gè)區(qū)域，其中：前緣A區(qū)長(zhǎng)約300 m，自然坡度10°～35°，滑動(dòng)跡象顯著，地表存在大量張拉裂縫;后緣B區(qū)長(zhǎng)約280 m，地形相對(duì)較緩，自然坡度10°～15°，地表裂縫零星出露，見(jiàn)圖4。

A區(qū)前緣臨近沖溝附近，存在一處滑塌區(qū)，滑塌區(qū)長(zhǎng)度約80 m，寬度約50 m，分布高程2 530～2 580 m?；鷧^(qū)的物質(zhì)成分主要為風(fēng)積黃土，下部泥巖滑床相對(duì)穩(wěn)定。從滑塌斷面出露地層推測(cè)，上覆黃土厚度為20～30 m。A區(qū)黃土表面存在大量下錯(cuò)裂縫，裂縫寬度3～20 cm，深度0.1～0.8 m，裂縫總體呈弧形分布。A區(qū)前緣至后緣，裂縫長(zhǎng)度逐級(jí)擴(kuò)大，深度有所減小。

B區(qū)滑動(dòng)跡象相對(duì)不明顯，地表僅局部地區(qū)存在細(xì)小裂縫，裂縫寬度0.5～3.0 cm，深度0.1～0.3 m。B區(qū)前緣部分裂隙密度相對(duì)較大，后緣裂縫密度較小，裂縫長(zhǎng)度與規(guī)模均有減小趨勢(shì)。

4 模型構(gòu)建與穩(wěn)定性分析

4.1 模型構(gòu)建

在上述工作的基礎(chǔ)上，利用無(wú)人機(jī)影像處理得到滑坡體DEM數(shù)據(jù)，在Itascad三維地質(zhì)建模平臺(tái)中構(gòu)建地表模型。利用從影像中解譯的滑坡邊界數(shù)據(jù)及推測(cè)的黃土厚度，結(jié)合已有勘測(cè)資料，構(gòu)建黃土底界面模型，實(shí)現(xiàn)滑坡三維地質(zhì)模型的快速構(gòu)建。

基于滑坡體三維地質(zhì)模型，在Catia平臺(tái)上通過(guò)布爾運(yùn)算構(gòu)建滑坡體模型，并通過(guò)網(wǎng)格剖分，形成用于有限元計(jì)算的網(wǎng)格模型?；麦w三維有限元計(jì)算模型構(gòu)建流程見(jiàn)圖5。

4.2 計(jì)算模型與參數(shù)取值

根據(jù)構(gòu)建的滑坡體計(jì)算模型，采用Flac3d軟件開(kāi)展滑坡穩(wěn)定性分析。計(jì)算模型范圍取順坡向長(zhǎng)900 m，垂直滑坡向長(zhǎng)1 000 m，模型底高程取2 100 m。模型網(wǎng)格采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元，劃分后的單元總數(shù)為512 891，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為102 197。為重點(diǎn)突出分析對(duì)象，滑坡范圍內(nèi)模型分黃土、滑帶和基巖三層，滑坡范圍以外視為穩(wěn)定基巖區(qū)。

依據(jù)原有試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1。有限元計(jì)算時(shí)，材料本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖理想彈塑性模型。

4.3 結(jié)果分析

在滑坡體變形穩(wěn)定分析時(shí)，選擇有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算[8-9]，計(jì)算中主要考慮土體自重應(yīng)力，天然工況下滑坡三維穩(wěn)定性分析結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可知，滑坡變形主要集中于A區(qū)及以上局部區(qū)域，受地形控制，A區(qū)上部和下部地形較陡，變形較大，中間部分區(qū)域地形相對(duì)平緩，變形較小。

采用強(qiáng)度折減法自動(dòng)搜索最不利滑面，得到滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.97，整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算過(guò)程中，變形首先出現(xiàn)在A區(qū)前緣臨近沖溝部位，然后向上逐漸發(fā)展;B區(qū)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅臨近A區(qū)部位存在局部變形。

由計(jì)算結(jié)果可知，滑坡體的滑動(dòng)模式并非前后變形一致的整體滑動(dòng)，而是在蠕滑變形過(guò)程中，由陡向緩、由表及里逐級(jí)滑動(dòng)，這與滑坡實(shí)際變形情況基本一致。

5 結(jié) 論

（1）以某水電站庫(kù)岸1#滑坡體為例，利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了滑坡體高清地表影像的快速獲取，然后通過(guò)影像處理和地質(zhì)解譯，便捷、快速地獲取了滑坡的地形與地質(zhì)信息。

（2）利用無(wú)人機(jī)影像獲取的滑坡體數(shù)據(jù)，通過(guò)三維建模平臺(tái)Itascad與Catia，構(gòu)建滑坡體地質(zhì)模型和計(jì)算模型，形成了基于無(wú)人機(jī)航測(cè)快速生成滑坡分析計(jì)算模型的數(shù)據(jù)流程。

（3）基于影像數(shù)據(jù)構(gòu)建的滑坡體計(jì)算模型，采用有限元強(qiáng)度折減法，進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)算，結(jié)果與滑坡實(shí)際變形情況基本一致，表明無(wú)人機(jī)航測(cè)在滑坡快速調(diào)查與分析中的應(yīng)用是可行的，能夠?yàn)榛聻?zāi)害的應(yīng)急決策提供科學(xué)依據(jù)。

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【責(zé)任編輯 張 帥】