基于無人機(jī)單體黃土滑坡調(diào)查與基本特征分析

閆亞亞 ，李樵民，官瑞芬，吳振宇，魏采用，閆亭廷，邵議

(寧夏回族自治區(qū)遙感調(diào)查院(高分辨率對地觀測系統(tǒng)寧夏數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心)寧夏 銀川750021)

黃土滑坡是黃土地區(qū)最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，其災(zāi)變過程復(fù)雜，嚴(yán)重危害人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。寧夏南部地區(qū)黃土滑坡極具典型性，以彭陽縣黃土滑坡發(fā)育最為密集[2]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，近十年彭陽縣發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害近120起，經(jīng)濟(jì)損失11242萬元[1]。汛期滑坡災(zāi)害多發(fā)，具有突發(fā)性、群發(fā)性強(qiáng)、危害大等特點(diǎn)。利用經(jīng)濟(jì)高效的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查新技術(shù)手段，快速、準(zhǔn)確、高效的開展地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查及次生災(zāi)害評估，對準(zhǔn)確認(rèn)識地質(zhì)災(zāi)害影響范圍和致災(zāi)能力作用顯著，對減輕地質(zhì)災(zāi)害造成的人民生命財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

利用新技術(shù)開展滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查分析，前人在光學(xué)遙感、機(jī)載三維激光掃描、地面三維激光掃描、星載雷達(dá)等方面做了大量研究工作，但利用無人機(jī)低空攝影測量在滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方面的研究仍相對較少。本次研究依托寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“寧南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患綜合遙感識別技術(shù)研究與示范”和自然科學(xué)基金項(xiàng)目“InSAR與高分光學(xué)遙感聯(lián)合的寧南黃土丘陵區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害隱患識別方法研究”，以高分遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，以無人機(jī)低空攝影測量為主要技術(shù)手段，開展項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和單體黃土滑坡調(diào)查工作。無人機(jī)低空攝影測量因具有獨(dú)特的空中鳥瞰視角，覆蓋范圍大，通過航拍照片的后期處理，還能得到測區(qū)的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)等成果[3]；且無人機(jī)低空攝影測量操作簡單、便攜、成本低、數(shù)字化成果豐富，使得該技術(shù)方法在開展小比例區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和單體滑坡調(diào)查等方面相較其他技術(shù)手段更具優(yōu)勢。通過本次利用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)方法在寧南地區(qū)單體地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查過程中所取得的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，為其他區(qū)域使用無人機(jī)攝影測量開展區(qū)域和單體地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查起到示范作用。為該技術(shù)方法在黃土高原、低植被覆蓋區(qū)等地區(qū)的常規(guī)化災(zāi)害防治和預(yù)警預(yù)報(bào)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 無人機(jī)低空攝影

本次研究采用大疆無人機(jī)開展野外航拍工作，搭載高分辨率CCD相機(jī)，能夠隨時隨地獲取所需的影像數(shù)據(jù)；同時可實(shí)現(xiàn)飛行航線規(guī)劃、信息數(shù)據(jù)快速獲取、實(shí)時圖傳等功能，并且操作簡單、穩(wěn)定可靠、高智能化、作業(yè)能力強(qiáng)。

無人機(jī)低空攝影測量利用實(shí)際空間坐標(biāo)系和數(shù)字影像平面坐標(biāo)之間的透視變換，通過不同方向拍攝的多幅二維數(shù)字圖像，采用計(jì)算機(jī)立體視覺技術(shù)，匹配計(jì)算得到被攝影像的大量同名點(diǎn)，以此進(jìn)行空中三角測量得出數(shù)碼相機(jī)的空間參數(shù)，最終通過多光線前方交會及區(qū)域網(wǎng)自由網(wǎng)平差等算法，計(jì)算生成被攝物體的點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由此還可生成網(wǎng)格模型。

1.2 航空影像處理

本次采用航測處理軟件PIX4D，可自動讀取數(shù)碼相片中保存的相機(jī)參數(shù)信息，在內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算中引入“自檢校參數(shù)平差”算法，在計(jì)算過程中不僅得到平差結(jié)果，同時計(jì)算獲得數(shù)碼相機(jī)內(nèi)方位元素參數(shù)和畸變差的精確數(shù)值結(jié)果；避免了傳統(tǒng)算法中因定向不準(zhǔn)而造成的無法繼續(xù)計(jì)算的情況，計(jì)算中空中三角測量結(jié)果全部由軟件組織自動完成“自由網(wǎng)平差”。

低空攝影測量成圖基本過程包括現(xiàn)場踏勘、控制點(diǎn)布置、航線規(guī)劃、相機(jī)參數(shù)選擇、地面測量、低空攝影測量、畸變校正、初始化處理、影像匹配、空中三角測量、正射影像。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯

本次地質(zhì)災(zāi)害解譯采用無人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)，以高分二號數(shù)據(jù)、以往地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果資料等為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)地形地貌、地質(zhì)等相關(guān)資料，通過人機(jī)交互解譯和野外調(diào)查驗(yàn)證等手段，完成研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害解譯。滑坡災(zāi)害點(diǎn)分布如圖1所示。

2 黃土滑坡的基本類型

我國西北黃土高原地區(qū)，受區(qū)域地層巖性條件組合的控制，除不同時期的黃土屬易滑地層，發(fā)育純黃土滑坡外，廣泛分布第四系、白堊系及侏羅系等泥巖地層，因膠結(jié)程度差，半成巖狀，力學(xué)強(qiáng)度低，也屬易滑地層。所以該地區(qū)特別是一些大型滑坡的滑體常是由黃土和下伏泥巖巖組共同組成，屬混合型滑坡，已超出狹義的由純黃土組成的黃土滑坡概念[4]。滑動面的發(fā)育位置及與巖層的相互關(guān)系，廣義的黃土滑坡系指發(fā)生在黃土地區(qū)主要由黃土或黃土和下伏中、新生界泥巖巖組組成的滑坡。根據(jù)滑坡體

圖1 彭陽縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布圖

物質(zhì)組成及滑面發(fā)育位置，將其進(jìn)一步劃分為黃土層內(nèi)滑坡、黃土接觸面滑坡、黃土-泥巖順層滑坡和黃土-泥巖切層滑坡4種基本類型，其基本特征見表1。

表1 黃土滑坡基本類型表

3 黃土滑坡發(fā)育調(diào)查

3.1 調(diào)查方法

本文主要以高分遙感數(shù)據(jù)調(diào)查為基礎(chǔ)，采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、災(zāi)害點(diǎn)集中分布區(qū)以及地質(zhì)災(zāi)害單體的地形地貌、地表變形破壞跡象乃至巖體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害單體隱患點(diǎn)的詳查。最后，通過地表觀測與地面調(diào)查相結(jié)合，甄別并確認(rèn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害單體的核查。

3.2 區(qū)域滑坡調(diào)查結(jié)果

彭陽縣境內(nèi)黃土堆積厚度大(最厚處可達(dá)200余m)，結(jié)構(gòu)疏松，水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致黃土丘陵區(qū)溝壑縱橫，地形破碎，黃土滑坡災(zāi)害頻發(fā)，共發(fā)育793處[6]。主要分布于南部地區(qū)，多發(fā)育于紅河與茹河的沖蝕岸邊及支流或支溝中下游兩側(cè)，多集中在晚更新統(tǒng)黃土較厚的地區(qū)及人類活動強(qiáng)度較大地區(qū)，具有典型的群發(fā)性和群體性分布特征。

3.3 S202南山村黃土滑坡基本情況

2022年3月至4月采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)(無人機(jī)飛行高度100 m)開展彭陽縣地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查工作，彭陽縣白陽鎮(zhèn)南山村S202旁發(fā)現(xiàn)新發(fā)育黃土滑坡1處?；挛挥邳S土梁峁區(qū)，地形復(fù)雜，地勢起伏較大，上部覆蓋中晚更新統(tǒng)黃土，溝底部下部新近紀(jì)泥巖少量出露。植被較少，草地覆蓋率約40%。地下水類型為松散類孔隙水，溝底可見地下水出露。根據(jù)調(diào)查和解譯結(jié)果，清晰可見滑坡影響范圍、形態(tài)特征等。且該滑坡具有再次滑動的可能性，威脅到周圍公路、水渠以及電網(wǎng)線路等安全，威脅周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

通過高分遙感影像及無人機(jī)航攝影像解譯顯示，S202南山村滑坡后緣裂縫發(fā)育，距離S202南側(cè)僅6.5m，后緣上方急流槽分布，土質(zhì)疏松。前緣發(fā)育大量黃土落水洞，深淺不一，最深可達(dá)4m，呈集群發(fā)育，裂縫和落水洞的發(fā)育與滑坡邊界在空間上具有一定的相關(guān)性。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，該滑坡存在較大隱患?；掠跋袢鐖D2。

圖2 S202南山村滑坡影像圖(左圖為高分2號正射影像 右圖為無人機(jī)航拍影像)

3.4 S202南山村黃土滑坡發(fā)育特征

S202南山村滑坡平面呈不規(guī)則形態(tài)，滑坡體積約2.3×103m3，滑坡長約118.45m，寬約24.03m，坡度86°，坡向225°，前后緣高差約43m。(圖3、圖4)?；录舫隹谠诜圪|(zhì)黃土內(nèi)，滑坡后壁滑動面較大，高度約25m，坡度約90°?；瑒用嫱暾?、新鮮，后壁下部可見到由于下錯而形成的洼地?；虑熬壟R空高度約18m，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，據(jù)研究計(jì)算，滑坡前緣臨空高度大于15m時，滑坡體容易失穩(wěn)，其穩(wěn)定系數(shù)在0.703-1.151[10](圖5)。后壁中部的坡體高度較大，基本呈對稱式向兩側(cè)弧形彎曲并依次減小。

圖3 S202南山村黃土滑坡地形地貌影像特征

圖4 S202南山村黃土滑坡后壁、滑體

圖5 滑坡穩(wěn)定系數(shù)與前緣臨空高度關(guān)系曲線

4 黃土滑坡形成條件

4.1 地形地貌

彭陽縣境內(nèi)屬于殘塬溝壑區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)過渡帶。地形復(fù)雜，地貌破碎，梁峁起伏，溝壑縱橫。黃土堆積厚度一般在百余米，結(jié)構(gòu)疏松，巖土侵蝕強(qiáng)烈。以茹河、紅河及安家川河為主流，支流支溝密布，地形破碎，為滑坡的發(fā)育提供了地形地貌條件。如圖6。

斜坡的幾何形態(tài)決定著斜坡體內(nèi)應(yīng)力的大小和分布，控制著斜坡的穩(wěn)定性與變形破壞模式。滑坡在0°～135°和225°～360°的坡向區(qū)間相對集中，即在陰坡和近似陰坡的斜坡上較發(fā)育。地貌主要包括黃土丘陵、河谷平原、紅巖丘陵和中低山地，各自面積分別占總面積的58.2%、20.1%、19.4%和2.3%，又細(xì)分為沖積平原、塬、塬梁、梁、梁峁、流水侵蝕丘陵、流水侵蝕褶皺山。

4.2 地層巖性

彭陽縣地層出露中元古界、寒武系、奧陶系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。前第四系零星出露于各大沖溝中，第四系廣泛分布，其中古近系與新近系巖系遇水易崩解軟化，強(qiáng)度降低，常形成滑動面和滑床，表2。第四系黃土廣泛分布于黃土丘陵上和各大沖溝內(nèi)，較高的滲透性、中等壓縮性、崩解性和濕陷性是影響滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，其節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松多孔、穩(wěn)定性差及遇水軟化等特性決定了黃土層是主要的易滑地層。另外，黃土特有的顆粒組成、化學(xué)成分及骨架鏈接形式、排列方式等[6]，使其遇水容易濕陷，抗剪強(qiáng)度迅速降低，極易導(dǎo)致滑坡變形破壞甚至產(chǎn)生滑坡。

表2 彭陽縣主要滑坡地層一覽表

4.3 地質(zhì)構(gòu)造

彭陽縣大地構(gòu)造位置跨鄂爾多斯臺拗陷帶。以西屬鄂爾多斯西緣拗陷帶，中條運(yùn)動使基底拉張形成裂谷，長城-薊縣紀(jì)具碎屑巖、碳酸鹽巖建造。在晉寧運(yùn)動影響下裂谷消失。早古生代寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)為裂谷主要活動期，具碎屑巖、碳酸鹽及復(fù)理石建造。中奧陶世后，加里東期運(yùn)動使裂谷逐漸消失，降升為陸。燕山運(yùn)動使拗陷帶褶皺回返，伴隨斷塊的差異升降斷裂對白堊紀(jì)斷陷盆地的形成起著控制作用。以東地區(qū)為鄂爾多斯臺拗，各期構(gòu)造運(yùn)動的構(gòu)造變形極微弱，主要表現(xiàn)為緩和的整體隆升或沉陷，主要拗陷時期為中生代，呈大型內(nèi)陸拗陷盆地，沉積了巨厚的中生代地層。燕山末期運(yùn)動，臺拗全面隆升，經(jīng)受長期剝蝕缺失晚白堊紀(jì)至中新世沉積。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜。其地質(zhì)構(gòu)造越發(fā)育的地段恰是構(gòu)造應(yīng)力集中的地段，巖土體的變形、破壞就越嚴(yán)重，這使得滑坡越容易發(fā)生。圖7。

圖7 彭陽縣地質(zhì)構(gòu)造圖Fig 7.Geologic Structure Map of Pengyang

4.4 水文作用

彭陽縣年均降水量441.9mm，高發(fā)期在7月至9月，常以連陰雨和暴雨形式出現(xiàn)。長期連陰雨和暴雨是境內(nèi)滑坡形成的主要誘發(fā)因素之一。降雨量對淺層局部土體的破壞更為敏感，主要是降低斜坡土體的抗剪強(qiáng)度，并改變土體的容重，地表水的入滲有可能引起地下水位的上升，促使浮托力增大，有利于邊坡變形破壞的進(jìn)一步發(fā)展。綜合分析彭陽縣內(nèi)已發(fā)生滑坡的頻次，基本與多年月平均降水量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

該黃土滑坡發(fā)生在黃土丘陵地帶，而黃土主要由粉土組成，透水性較差，降雨一般不易滲入。但S202南山村黃土滑坡發(fā)育在黃土構(gòu)造節(jié)理、裂隙及落水洞等部位，降雨極易灌入，外加公路一側(cè)急流槽常年排水，地表水沿黃土節(jié)理入滲在粘性土層形成條帶狀、旋渦狀地下水，地下水沿層理面流出形成下降泉，造成孔隙水壓力，邊土層看著泛紅，黏粒含量比較高，降低了巖體強(qiáng)度，從而觸發(fā)了滑坡的發(fā)生。圖8。

圖8 S202南山村黃土滑地上水與地下水現(xiàn)狀圖

4.5 人類工程活動

近年來開荒造田，削坡取土建房挖窯，興修水利礦業(yè)開發(fā)及修建公路等工程活動，改變了地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)和應(yīng)力條件，打破原有平衡狀態(tài)，使斜坡產(chǎn)生卸荷、拉張和風(fēng)化裂隙[8]，引發(fā)了一系列的滑坡[9]。雖然現(xiàn)在不斷開展農(nóng)田基本建設(shè)，也推行過水土保持措施，但從整體上看，人類工程經(jīng)濟(jì)活動的深度和廣度都得到了增加，伴隨而來的種種不合理的開發(fā)和利用自然界的行為也正在以前所未有的速度破壞著地質(zhì)環(huán)境，使滑坡的發(fā)生呈現(xiàn)出增加的趨勢。南山村滑坡所處位置修建公路，削、挖堆積物較松散，破壞了其穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文選取位于黃土高原的寧夏固原市彭陽縣項(xiàng)目區(qū)新發(fā)育的黃土滑坡為研究對象，以無人機(jī)低空攝影測量為主要技術(shù)手段，開展示范區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和單體滑坡調(diào)查工作，根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)使用無人機(jī)低空攝影測量這一技術(shù)方法在彭陽縣黃土滑坡研究區(qū)調(diào)查黃土滑坡過程中所取得的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，為其他區(qū)域使用低空無人機(jī)攝影測量開展區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和單體地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查起到示范作用，取得成果如下。

(1)黃土丘陵區(qū)的深切溝谷、黃土與泥巖易滑地層耦合、落水洞集群發(fā)育以及降水集中等特征是S202南山村黃土滑坡發(fā)生的內(nèi)在條件，其中降水是最主要的誘發(fā)因素；

(2)無人機(jī)低空攝影測量可對單體滑坡進(jìn)行精細(xì)測繪，是研究滑坡變形和發(fā)育特征的重要技術(shù)手段；

(3)將無人機(jī)低空攝影測量引入黃土滑坡調(diào)查是對傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查方法的擴(kuò)展與補(bǔ)充，在極大地提高工作效率的同時進(jìn)一步提高了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的精度，并且提供了傳統(tǒng)方法難以獲取的數(shù)據(jù)資料；

(4)S202南山村滑坡周圍地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，土質(zhì)松散，落水洞集群發(fā)育，并有急流槽常年排水，極有可能形成二次災(zāi)發(fā)，從而破壞周圍的公路、農(nóng)田、電網(wǎng)管線等，嚴(yán)重危害當(dāng)?shù)鼐用竦娜松?cái)產(chǎn)安全。