天津北部山區(qū)典型地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測應(yīng)用

張志軍，陳 楚*，王 琳，姜興鈺，陳 香

（1.天津市測繪地理信息研究中心，天津 300201；2.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心（華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），天津 300170；3.中國地質(zhì)調(diào)查局海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點實驗室，天津 300170；4.天津市海岸帶地質(zhì)過程與環(huán)境安全重點實驗室，天津 300170；5.天津市測繪院有限公司，天津 300381）

地質(zhì)災(zāi)害是指在地球的發(fā)展演變過程中，由各種自然地質(zhì)作用和人類活動所形成的災(zāi)害性地質(zhì)事件[1]。在自然條件和人為因素的共同作用下，天津市北部山區(qū)發(fā)育崩塌、滑坡、泥石流突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，成為天津市地質(zhì)環(huán)境面臨的重要問題[2，3]。為了在最大程度上減少人民生命財產(chǎn)損失，需要進(jìn)行有效的監(jiān)測和防護(hù)[4]，動態(tài)掌握地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢，加強(qiáng)風(fēng)險管控。

遙感技術(shù)為地質(zhì)災(zāi)害及孕育環(huán)境宏觀調(diào)查提供先進(jìn)的技術(shù)手段[5-9]，貫穿于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警、評估的全過程[10]。李捷等[11]將全站儀免棱鏡測量技術(shù)應(yīng)用于三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，大大降低了全站儀開展監(jiān)測的工作量，提高了工作效率。梁京濤等[12]采用六期高精度無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)，分析了文家溝特大泥石流震后的6次泥石流災(zāi)害過程，闡述并討論了無人機(jī)遙感技術(shù)在高位泥石流動態(tài)變化監(jiān)測方面的具體應(yīng)用過程；通過多次動態(tài)監(jiān)測泥石流變化，分析泥石流物源啟動方式和治理方式。李楊[13]、閆馳[14]等人利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取地質(zhì)災(zāi)害點的高精度三維模型和紋理細(xì)節(jié)，對地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、現(xiàn)狀評估提供數(shù)據(jù)支撐。

上述研究采用圖像全站儀和無人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，探索了一套合理、有效的滑坡、泥石流監(jiān)測方法。本文以上述研究工作為基礎(chǔ)，針對天津市北部山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的特點，選取薊州區(qū)肘各莊崩塌災(zāi)害點和東窩鋪泥石流災(zāi)害點作為試驗區(qū)域，探索實踐圖像全站儀測量技術(shù)和無人機(jī)低空遙感技術(shù)在天津市地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測的具體應(yīng)用。實踐結(jié)果表明，圖像全站儀的觀測精度能達(dá)到mm級，解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測人員對難以到達(dá)的監(jiān)測點的監(jiān)測；無人機(jī)低空遙感技術(shù)平面精度達(dá)到cm 級，通過獲取的數(shù)字正射影像和數(shù)字表面模型能準(zhǔn)確把握泥石流災(zāi)害周圍地形情況和松散堆積物的分布情況。本文所做工作形成了遙感技術(shù)作為輔助地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測手段的典型示范應(yīng)用，為工作人員預(yù)判地質(zhì)災(zāi)害危險性提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對后續(xù)開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

1 基于圖像全站儀的崩塌點遙感監(jiān)測應(yīng)用

1.1 肘各莊地質(zhì)環(huán)境條件

肘各莊崩塌體地處山前傾斜平原與北部山區(qū)過渡地帶（圖1、圖2），距離高速公路50 m左右，地貌單元為侵蝕剝蝕低山丘陵區(qū)，已有坡面風(fēng)化巖體崩落。肘各莊崩塌體地形復(fù)雜（圖3），崩塌體陡峭，坡高達(dá)到65.4 m，坡度為85°，坡寬30 m，坡長70 m。

圖1 肘各莊崩塌體區(qū)位圖Fig.1 Map of Jiaogezhuang collapse body

圖2 肘各莊崩塌體遠(yuǎn)眺Fig.2 View of Zhougezhuang collapsed body

圖3 肘各莊崩塌體現(xiàn)狀Fig.3 Status of Zhougezhuang collapsed body

1.2 基于圖像全站儀的崩塌體監(jiān)測方案

1.2.1 監(jiān)測要點

為了及時掌握崩塌體的發(fā)育情況，需要對崩塌體的縫隙進(jìn)行有效的監(jiān)測[15-16]，即通過測量沿縫隙走向兩側(cè)便于觀測的明顯特征點，分析其坐標(biāo)變化，當(dāng)變化達(dá)到臨界值時，需引起重視并做好預(yù)警工作。

1.2.2 監(jiān)測思路

圖像全站儀測量原理同軸可見紅色激光相位測量，發(fā)出的激光束極為窄小，可以非常精確地打到目標(biāo)上，保證高精度的距離測量。與有棱鏡測量相比較，其優(yōu)點是只要測點的反射介質(zhì)符合免棱鏡測量的條件，就不需要在測點上放置棱鏡，即可測量出該點的三維坐標(biāo)[15]。

針對崩塌地質(zhì)災(zāi)害特點，監(jiān)測人員因不能到達(dá)監(jiān)測點上，故采用圖像全站儀進(jìn)行監(jiān)測[17]，在已知的兩個控制點（A，B）上的一個點上架站，利用極坐標(biāo)法[18-19]，測出監(jiān)測點的坐標(biāo)。利用圖像全站儀，監(jiān)測人員不需到監(jiān)測點架設(shè)棱鏡，通過激光測距，精確測量出監(jiān)測點的三維坐標(biāo)并分析其變化，做好防范工作。

1.2.3 測量儀器

觀測崩塌體的測量儀器為徠卡公司TS15i圖像全站儀，測角精度為1＂，單棱鏡測程為3 500 m，無棱鏡測程為1 000 m，精度為±（2 mm+2×10-6D）。

1.2.4 實施崩塌體監(jiān)測

（1）觀測墩布置

為了減少人為操作誤差，確?；A(chǔ)控制的統(tǒng)一，提高觀測精度及穩(wěn)定性，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，在現(xiàn)場埋設(shè)了三個觀測墩（圖4、圖5）作為已知控制點。由于受到山體的影響，觀測墩二和觀測墩三之間不能通視。經(jīng)量測，觀測墩一和觀測墩二之間距離為108.061 8 m，觀測墩一和觀測墩三之間距離為111.391 6 m，將觀測墩一作為后視，定為坐標(biāo)系原點，觀測墩一和觀測墩二之間的連線方向定為X 軸，建立坐標(biāo)系。三個觀測墩安裝后，能對崩塌體大部分縫隙進(jìn)行觀測。

圖4 觀測墩布設(shè)位置圖Fig.4 Layout of observation pier

圖5 觀測墩現(xiàn)場圖Fig.5 Site map of observation pier

（2）確立監(jiān)測點

選取經(jīng)地質(zhì)專家指定的裂縫，為了監(jiān)測該縫隙的變化趨勢及方向，在沿縫隙走向兩側(cè)選取6個便于觀測的明顯特征點（圖6）作為監(jiān)測點，每次監(jiān)測時都觀測這6個監(jiān)測點的變化。

（3）實施崩塌體監(jiān)測

為了驗證圖像全站儀的觀測精度，按照《工程測量規(guī)范》[20]中二等變形監(jiān)測的要求，利用圖像全站儀在上午10點左右和下午3點左右分別對上述6個監(jiān)測點進(jìn)行觀測。每次觀測都進(jìn)行了兩個測回。觀測結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在無棱鏡的情況下，利用圖像全站儀對崩塌體進(jìn)行多次觀測，觀測點的相對誤差小于5 mm，滿足《工程測量規(guī)范》[20]中三等變形監(jiān)測的要求。

表1 圖像全站儀觀測結(jié)果（單位：m）Table 1 Observation results of image total station (unit:m)

在后續(xù)工作中，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測相關(guān)要求，按照一定的監(jiān)測頻次進(jìn)行觀測。每次監(jiān)測時，都是在上述三個已知的觀測墩上，對圖6中的6個監(jiān)測點進(jìn)行觀測，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷崩塌裂縫是否發(fā)生變化，當(dāng)變化達(dá)到臨界值時，需做好預(yù)警工作。

1.3 監(jiān)測效果分析

通過對肘各莊崩塌體的監(jiān)測實踐，圖像全站儀在崩塌變形監(jiān)測中具有以下特點：

（1）解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測人員對難以到達(dá)的陡峭石崖、危巖、高空物等監(jiān)測點的監(jiān)測，在確保了監(jiān)測人員安全的同時，提高了作業(yè)效率。

（2）圖像全站儀測量精度滿足《工程測量規(guī)范》[20]中三等變形監(jiān)測的要求。利用圖像全站儀對地質(zhì)災(zāi)害體多次持續(xù)監(jiān)測，通過多期測量數(shù)據(jù)可采集地質(zhì)災(zāi)害體變化信息數(shù)據(jù)，了解地質(zhì)災(zāi)害演變特征，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體開裂等微觀變化，為地質(zhì)災(zāi)害危險性的預(yù)判提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 基于無人機(jī)的泥石流點遙感監(jiān)測應(yīng)用

2.1 東臥鋪地質(zhì)環(huán)境條件

東窩鋪泥石流位于天津市薊州區(qū)許家臺鄉(xiāng)（圖7），處于盤山旅游風(fēng)景區(qū)西側(cè)，東起盤山主峰掛月峰，西至寶平公路，南自盤山索道，北到北山梁，面積約2.0 km2。泥石流溝地勢總體東高西低，最高點在泥石流溝東邊界，高程為345.7 m；最低處沿寶平公路，高程為190.8 m。坡度15～25°，相對高差約155 m。地形多梯田呈階坎狀，坎邊為人工壘石，表部多為耕地及經(jīng)濟(jì)林種植，上覆為第四系坡洪積層松散堆積物，厚度0.5～4.0 m。

圖7 東窩鋪泥石流三維遙感影像圖Fig.7 Three dimensional remote sensing image of Dongwopu debris flow

東窩鋪泥石流經(jīng)長期的生物及工程治理已基本消除隱患，但由于該地區(qū)球狀風(fēng)化較強(qiáng)烈，隨著時間推移，風(fēng)化產(chǎn)生的堆積物將會逐漸增多，仍應(yīng)長期進(jìn)行泥石流穩(wěn)定性動態(tài)長期監(jiān)測。

2.2 基于無人機(jī)的泥石流監(jiān)測方案

2.2.1 監(jiān)測要點

泥石流的形成需要豐富的物源，堆積而成的大量固體松散物質(zhì)為泥石流的形成提供了物源。物源的增加會改變泥石流危險范圍，甚至超出防治工程的設(shè)計防治能力。因此，對泥石流域內(nèi)物源變化進(jìn)行監(jiān)測，對物源變化后的泥石流災(zāi)害做危險性評價，預(yù)測堆積范圍，預(yù)估災(zāi)害危險范圍，對域內(nèi)防治工程能力做出評估，可以為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測部門提供決策支持，減少生命財產(chǎn)損失[21]。

2.2.2 監(jiān)測思路

東窩鋪泥石流災(zāi)害點具有以下環(huán)境特點：①涉及區(qū)域較大；②山勢陡峭，樹木茂密，人工不易到達(dá)，且不易看清山形特征和走勢。無人機(jī)遙感具有時效性高，數(shù)據(jù)精度高，操作方便快捷的特點?；谝陨戏治觯瑸闇?zhǔn)確把握泥石流災(zāi)害周圍地形情況和松散堆積物的分布情況，利用無人機(jī)低空遙感技術(shù)[21-23]對東窩鋪泥石流局部地區(qū)進(jìn)行航攝，根據(jù)空三加密成果及其區(qū)域內(nèi)的正射影像圖和數(shù)字表面模型獲取如下信息：①快速獲取泥石流災(zāi)害點一定區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)；②準(zhǔn)確把握泥石流的運動軌跡；③準(zhǔn)確獲取泥石流區(qū)域內(nèi)建構(gòu)筑物的分布情況，以便于進(jìn)行災(zāi)后評估。

2.2.3 具體實施泥石流監(jiān)測過程

（1）監(jiān)測現(xiàn)場布設(shè)

按照低空攝影測量的需要，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布設(shè)29個標(biāo)志點（圖8），其中25個控制點（紅色），4個檢查點（藍(lán)色），具體分布如圖9所示。

圖8 標(biāo)志點現(xiàn)場Fig.8 Landmark site

圖9 標(biāo)志點分布圖Fig.9 Distribution of landmark

（2）無人機(jī)飛行攝影和數(shù)據(jù)處理

利用六旋翼無人機(jī)進(jìn)行低空攝影，飛行高度為300 m。建立自由坐標(biāo)系，利用全站儀對各標(biāo)志點量測三維坐標(biāo)。低空攝影時，使用索尼NEX7相機(jī)，相機(jī)主要參數(shù)為：主距18.75 mm，像元大小為3.9 um，航攝高度為300 m，像素分辨率為5～6 cm。攝影區(qū)域內(nèi)的高差50 m。

數(shù)據(jù)處理基于SVS數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行。利用外業(yè)控制點進(jìn)行空三加密，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差[24-25]得到加密點（含檢查點）平面和高程坐標(biāo)；然后生產(chǎn)制作DSM和DOM，獲取區(qū)域內(nèi)地形特征和遙感影像。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計與分析

經(jīng)過內(nèi)業(yè)幾何數(shù)據(jù)處理，計算得到控制點和檢查點的精度統(tǒng)計分別如表2和表3所示。

表2 空三加密過程中控制點精度統(tǒng)計表（單位：m）Table 2 Accuracy statistics of control points in aerial triangulation process (unit:m)

表3 空三加密過程中檢查點精度統(tǒng)計表（單位：m）Table 3 Accuracy statistics of check points in aerial triangulation process (unit:m)

通過對比控制點和檢查點的精度，可以得到：平面中誤差保持在0.06 m 左右，高程中誤差在0.2 m內(nèi)，滿足1/500DOM制作要求，能達(dá)到監(jiān)測泥石流的需要。

2.3 監(jiān)測成果應(yīng)用及分析

通過對東窩鋪泥石流災(zāi)害點的監(jiān)測實踐，低空無人機(jī)遙感技術(shù)在泥石流監(jiān)測中具有以下特點及應(yīng)用：

（1）控制點及檢查點的平面中誤差保持在6 cm左右，滿足1/500DOM制作要求。

（2）利用無人機(jī)低空遙感，可快速獲取區(qū)域的低空遙感影像（圖10），以便快速分析區(qū)域地形特點，準(zhǔn)確獲取泥石流區(qū)域內(nèi)建構(gòu)筑物的分布情況。

圖10 無人機(jī)低空遙感獲取的影像Fig.10 Images acquired by UAV low altitude remote sensing

（3）通過對低空遙感影像進(jìn)行解譯，快速確定物源的分布位置及范圍（圖11）。通過多次觀測，根據(jù)空中三角測量后的高精度DEM測量，可計算形成物源區(qū)的體積變化。

圖11 利用無人機(jī)獲取的影像分析得到的物源區(qū)Fig.11 Provenance obtained by UAV image analysis

（4）通過區(qū)域內(nèi)布設(shè)的標(biāo)志點（圖12），根據(jù)監(jiān)測需要連續(xù)多次觀測，可快速發(fā)現(xiàn)該物源的遷移距離和方向。

圖12 監(jiān)測布設(shè)標(biāo)志點分析物源運動軌跡Fig.12 Provenance movement analyzed by monitoring the change of landmark

3 結(jié)論與建議

本文選取天津市北部山區(qū)崩塌和泥石流兩種典型的地質(zhì)災(zāi)害點，分別運用圖像全站儀和無人機(jī)低空遙感技術(shù)對其監(jiān)測。通過具體應(yīng)用及其效果分析，得到以下兩點認(rèn)識：

（1）圖像全站儀對崩塌體的監(jiān)測，監(jiān)測精度達(dá)到mm級，解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測人員對難以到達(dá)的監(jiān)測點的監(jiān)測。通過多次持續(xù)監(jiān)測獲取地質(zhì)災(zāi)害體變化信息數(shù)據(jù)，了解地質(zhì)災(zāi)害演變特征，為地質(zhì)災(zāi)害危險性的預(yù)判提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）無人機(jī)低空遙感技術(shù)對泥石流區(qū)域監(jiān)測，監(jiān)測精度達(dá)到cm級，可一次性覆蓋整個泥石流影響區(qū)域，能夠直觀、客觀查明物源分布位置、物源范圍及面積。通過多次飛行獲取遙感影像等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對被監(jiān)測體的整體面域監(jiān)測，快速把握被監(jiān)測體的整體變化趨勢和運動軌跡。

通過具體實踐，圖像全站儀和無人機(jī)等遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面有其特有的優(yōu)勢和應(yīng)用前景，可為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測提供更加精準(zhǔn)的信息，但也有一定的局限性。圖像全站儀和無人機(jī)等遙感技術(shù)容易受到天氣等自然因素的影響，有時可能會出現(xiàn)遮擋現(xiàn)象等。隨著測繪技術(shù)及多學(xué)科融合的發(fā)展，為更好服務(wù)于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測，建議在后續(xù)工作中從以下幾個方面開展研究：

（1）開展星載InSAR（星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量）技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究。星載In-SAR 通過定期監(jiān)測，有效反映地表形變的發(fā)展趨勢和規(guī)律性，為長時間序列下地面沉降問題提供良好的技術(shù)監(jiān)測手段。

（2）開展傾斜攝影、水下地形、三維激光掃描等研究，積極探索自然資源三維立體“一張圖”的建設(shè)，探索三維數(shù)據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害防治和治理方面的應(yīng)用。

（3）融合集成地球物理、基礎(chǔ)測繪、GIS、遙感、地質(zhì)勘查等各方面技術(shù)力量[26]，增強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)隱患的技術(shù)能力和完善監(jiān)測預(yù)警體系。