基于無人機遙感的滑坡幾何參數(shù)測量方法研究

劉 鵬，鄒崇堯，何 雯，肖 聰，熊 濤

（1.湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430074；2.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074）

受強烈地震和極端氣象事件頻發(fā)影響，近年來我國地質災害處于多發(fā)態(tài)勢。據(jù)自然資源部發(fā)布的最新報告，2020年全國共發(fā)生泥石流、地面塌陷、山體滑坡等地質災害7 840起，給人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成了巨大損失。滑坡發(fā)生后，對滑坡形態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測，可為準確分析研判滑坡體變化趨勢，預防次生災害提供有效支撐[1]。然而，滑坡發(fā)生時常伴有大風、雨雪、雷電、冰雹等惡劣天氣，且中心區(qū)域因存在再次滑坡風險禁止人車通行，給應急測繪工作帶來了極大困難。相對于傳統(tǒng)技術手段[2]，無人機遙感技術具有快速高效、機動安全等方面的優(yōu)勢[3-7]，在人員不進入災害現(xiàn)場的前提下，利用多期遙感數(shù)據(jù)進行災害區(qū)域變化發(fā)展情況的對比分析，可快速、準確獲取滑坡體形狀參數(shù)變化量。

2020年7月21 日鄂西某村出現(xiàn)大面積山體滑坡，形成堰塞湖[4]，對清江下游某地城區(qū)人民生命財產(chǎn)造成重大安全隱患。為配合地方政府搶險救援工作，利用無人機對滑坡區(qū)域進行低空、高分辨率、高頻度航空遙感，獲取災害現(xiàn)場多視圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到關鍵時間點的滑坡體形態(tài)參數(shù)。

1 數(shù)據(jù)獲取與預處理

1.1 滑坡前數(shù)據(jù)收集

本文收集滑坡前（2016年）該區(qū)域0.5 m地面分辨率的DOM存檔數(shù)據(jù)和2 m格網(wǎng)DEM歷史數(shù)據(jù)。

1.2 遙感影像獲取

本文選用S200型垂直起降無人機，搭載黑卡相機，并配備后差分系統(tǒng)實施航攝，設置飛行高度為1 690 m，航向重疊度為70%，旁向重疊度為40%，地面分辨率為7 cm?？紤]到后期可能再次滑坡，且滑坡區(qū)域有可能進一步擴大，航攝范圍覆蓋到滑坡區(qū)域外10 km。為保證比對的一致性，在滑坡周邊穩(wěn)固區(qū)域布設地面控制點標志，控制點間隔1 km，且每處均布設了備用點[5]，共布設地面控制點24個。7月19日到達現(xiàn)場后，立即組織首次航攝，后續(xù)每天飛行1～2次，7月25日滑坡區(qū)域有大暴雨，停飛一天，26日雨停后進行最后一次飛行。

1.3 數(shù)據(jù)預處理

無人機攝影測量預處理流程如圖1所示。攝影完成后，首先整理航攝相片文件和POS數(shù)據(jù)，采用PhotoScan軟件導入影像數(shù)據(jù)、POS成果和控制點坐標，完成空中三角測量；然后進行密集影像匹配，生成密集點云[6]；再對點云進行分類，剔除粗差和地物點；最后根據(jù)點云數(shù)據(jù)插值得到2 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，并利用DEM數(shù)據(jù)微分糾正得到DOM影像。

圖1 無人機攝影測量預處理流程圖

2 幾何參數(shù)選擇與測量

滑坡事件發(fā)生前后該滑坡區(qū)域全局影像對比圖如圖2所示。滑坡位于鄂西某村中壩東側約0.8 km的香樹灣組南側，地處清江左岸；平面形態(tài)呈“舌”形，縱向長約為1 500 m，平均橫向寬約為400 m；地形總坡度為12°，前緣高程約為695 m，后緣高程約為920 m，相對高差為225 m；滑體厚10.0～43.0 m，平均厚度為25 m。

本文研究的滑坡區(qū)為圖2中紅線包含的范圍，選取位于滑坡上、中、下區(qū)域的3個橫斷面A1-B1、A2-B2、A3-B3以及滑坡中心縱斷面A4-B4四個特征斷面和土石方量5個參數(shù)作為監(jiān)測滑坡變化的變量，利用ArcGIS軟件，在不同時期2 m間距的DEM上內(nèi)插得到A1-B1、A2-B2、A3-B3、A4-B4斷面數(shù)據(jù)，再通過不同時期的DEM進行填挖方計算，得到所需DEM的差值，獲取土石方的變化量。

圖2 滑坡前后影像對比圖

3 對比結果與分析

3.1 首次滑坡監(jiān)測

為了盡快獲取滑坡厚度、體積等定量數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場分析研判提供數(shù)據(jù)支撐，本文將7月19日的DEM與滑坡前的DEM數(shù)據(jù)進行疊加處理，計算4個特征斷面變化和滑坡土石方量。

3.1.1 特征斷面變化

上、中、下3個特征橫斷面以及滑坡縱斷面滑坡前與7月19日的變化情況如圖3、4所示，可以看出，A1-B1斷面變化最大，滑坡后地面高程明顯降低（最大降低50 m），溝底東側變化量明顯大于溝底西側；A2-B2斷面溝底和西側高程變化較小，且西側上沿局部高程增高，東側變化較大，地面高程降低明顯；A3-B3斷面東西兩側高程變化較小，溝底高程明顯升高；A4-B4斷面上部高程明顯降低，中部高程變化不大，下部高程有所升高。上述情況表明，滑坡主要發(fā)生在A2-B2斷面以上區(qū)域，且東側山體滑坡量大于西側山體，A3-B3斷面溝底高程升高是由于下部巖石山體較穩(wěn)固，上部土石滑落堆積所導致的。

圖3 橫斷面變化情況

圖4 縱斷面變化情況

3.1.2 土方量變化

將滑坡前的DEM成果與7月19日的DEM成果作差值計算[8]，得出首次滑坡體積。通過對比滑坡前后DEM發(fā)現(xiàn)，A2-B2與A3-B3斷面之間存在一條不規(guī)則的分界線（圖5），首次滑坡發(fā)生后，分界線以上部分地面高程明顯降低，屬于土方滑落區(qū)域；分界線以下部分地面高程明顯上升，屬于土方堆積區(qū)域，兩部分土方量差值為滑落江中的土方量?；聟^(qū)域滑落總土方量約為3 000 000 m3，堆積區(qū)域土方量約為350 000 m3，滑落江中的土方量約為2 650 000 m3。

圖5 土方滑落區(qū)和堆積區(qū)的分界線

3.2 滑坡變化監(jiān)測

3.2.1 特征斷面變化

從7月19日開始，利用每天的航攝數(shù)據(jù)，觀測上述5個變量（4個特征斷面和土方量）的變化，為滑坡體的穩(wěn)定性監(jiān)測提供參考。由于天氣預報7月25日有大暴雨，可能誘發(fā)再次滑坡，本文以7月19日、7月24日（大雨前）、7月26日（大雨后）為例進行分析。上、中、下3個特征橫斷面以及滑坡縱斷面在19日、24日、26日的變化情況如圖6、7所示，可以看出，7月19日和7月24日監(jiān)測滑槽A1-B1、A2-B2、A3-B3三個斷面的地面高差呈下降趨勢，局部略有上升，整體地面平均高程下降0.385 m，A1-B1斷面靠近滑槽中線的位置高差變化非常小，靠近滑槽東側和西側邊緣處高差變化較大，最大處約為2 m，A2-B2斷面靠近滑槽邊緣處變化較小，地面高差最大處約為1 m，A3-B3斷面西部區(qū)域變化較大，高差變化最大處亦約為2 m，滑槽縱斷面A4-B4基本吻合；7月24日和7月26日滑槽A1-B1、A2-B2、A3-B3三個斷面均變化不大，A1-B1斷面平均高差小于0.2 m，A2-B2斷面平均高差小于0.2 m，局部略大一些，A3-B3斷面西部和中部區(qū)域局部變化較大，橫斷面平均高差不超過0.5 m，滑槽縱斷面A4-B4基本吻合。

圖6 橫斷面變化監(jiān)測情況

圖7 縱斷面變化監(jiān)測情況

3.2.2 土方量變化

本文將19日與24日的DEM成果作差值計算發(fā)現(xiàn)，滑坡區(qū)域土石呈零星下滑趨勢，共滑落土方量約為92 000 m3，每日滑坡約為18 400 m3；再將24日與26日的DEM成果作差值計算，分界線以上區(qū)域滑落的土方量約為15 000 m3，分界線以下區(qū)域堆積土方量約為8 500 m3。

3.2.3 滑坡穩(wěn)定性分析

對比分析19日、24日的特征斷面和DEM可知，滑坡區(qū)域上段A1-B1和下段A3-B3局部最大高差不足2 m，中段A2-B2局部最大高差約為1 m，滑坡區(qū)域整體高程降低0.385 m，說明首次滑坡發(fā)生后至24日，滑槽局部仍有少量土石滑落和堆積的情況發(fā)生，不排除由前期滑坡造成的浮土導致。對比分析24日、26日特征斷面和DEM可知，滑坡區(qū)域各斷面高差進一步縮小，分界線以上滑坡土方量約為15 000 m3，滑坡面積約為160 000 m2，平均高程變化約為0.095 m；分界線以下滑坡土方量約為8 500 m3，滑坡面積約為73 000 m2，平均高程變化約為0.16 m，說明25日滑坡區(qū)發(fā)生暴雨后，監(jiān)測得到的特征斷面變化很小，DEM差值也較小。

自首次滑坡發(fā)生后，通過對比分析無人機多期監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，橫斷面和土方量變化均逐漸變小，可判斷滑槽體基本趨于穩(wěn)定，即便遭受7月25日的暴雨侵襲，槽體內(nèi)土石方變量也未發(fā)生較大變化，可以預測滑槽體周邊發(fā)生二次大滑坡的可能性較小。

4 結語

本次滑坡航攝范圍為29.1 km2，共獲取地面分辨率為7 cm的影像2 022張，合計39.2 GB。每天18：00前處理得到當日滑槽變形數(shù)據(jù)和圖樣，為滑坡監(jiān)測提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，取得了良好效果，驗證了基于無人機遙感的滑坡幾何參數(shù)測量方法的有效性和實用性。通過幾何參數(shù)測量可以發(fā)現(xiàn)，滑坡前后幾何參各項監(jiān)測值差異較大，而在7月26日監(jiān)測值變化很小，則可預判得出滑坡基本穩(wěn)定的結論。

本次無人機搭載的遙感設備均為可見光成像的傳感器，當滑坡上方云霧遮蔽時，無法獲取滑坡影像數(shù)據(jù)，且夜間也無法獲取滑坡影像數(shù)據(jù)，可探索搭載小型LiDAR和SAR等主動遙感設備，以滿足全天24 h提供滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的需求。后期應研究通過三維模型半自動測定滑坡幾何參數(shù)的技術方法，可極大提升滑坡幾何參數(shù)的測定效率和頻度，以便更加高效的開展應急測繪工作，切實提高應急測繪的保障能力。