Trimble UX5在黃土丘陵溝壑區地質災害調查中的應用

王高峰，王愛軍，姚亞輝，張仲林

（1.中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051）

Trimble UX5在黃土丘陵溝壑區地質災害調查中的應用

王高峰1，王愛軍1，姚亞輝1，張仲林1

（1.中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051）

伴隨著無人機在地理信息數據采集領域的迅速發展，Trimble UX5以其靈活性好﹑操作簡單﹑能快速獲取高精度的正射影像圖﹑DEM等優點，逐漸在地質勘查和地質災害調查中得到廣泛應用。以位于涇河流域西北部的干旱黃土丘陵溝壑區為研究對象，通過外業無人航測獲取高分辨率遙感影像，并結合實地調查地質災害特征建立解譯標志，分析了地質災害時空分布規律與成災模式，提高了地質災害調查的工作效率，為城鎮規劃和防災減災提供了科學依據。

無人機；地質災害調查；黃土地區；涇河流域

Trimble UX5無人機航空攝影測量系統以無人機為飛行平臺，利用高分辨率相機獲取遙感影像，具有體積小﹑攜帶方便﹑獲取影像快速高效﹑成本低廉﹑操作簡單等特點，在獲取小流域（區域）高分辨率影像方面具有明顯優勢，特別適用于在對人體有危害的或偏遠的無人區開展測繪和地質災害調查工作；其不足之處在于受電磁干擾大﹑在海量數據對接時會產生延遲性﹑飛行高度具有一定的局限性。2013年我國啟動了更加注重孕災地質背景和工程地質條件調查的崩塌滑坡泥石流災害調查，在地質災害高易發區，選擇人口密集的中小流域﹑活動構造帶﹑重要城鎮﹑重大工程區，以1∶5萬標準圖幅為基本工作單元，需要更高精度的遙感數據來支撐海量數據的處理，并與GIS技術集成，更加快速地計算承災體屬性特征，完成滑坡易損性定量評價[1]，隨著無人航測系統的不斷改進和技術發展，無人機勢必成為新一輪地質災害調查中不可缺少的工具。位于黃土高原腹地﹑六盤山東麓﹑鄂爾多斯盆地西南緣的涇河流域是我國六盤山連片扶貧區的東部地區，也是我國地質環境脆弱和地質災害高發區之一，其地質災害具有分布廣﹑多發群發和致災后果嚴重等特點。本文通過地面調查，并結合低空無人航測新技術手段，查明了研究區的地質災害及其隱患分布發育特征和孕災地質環境背景條件，為區內地質災害防治﹑重要城鎮及重點區段風險評價﹑單點滑坡實時動態風險監測提供了科學技術支撐。

1 研究區概況

研究區位于隴東黃土高原的北部地區，涇河西北部各支流源頭附近，屬黃土丘陵溝壑區。溝壑區域流水的下切侵蝕活躍，形成了很多陡坡和懸崖，加之黃土質地疏松，極易發生地震崩塌和滑坡。研究區在甘肅環縣西部﹑彭陽縣北部，干旱少雨，人民生活水平較低，仍以窯洞民居為主，因此房屋損壞較嚴重。新構造運動以鄂爾多斯盆地西緣隆起帶“南北脊梁”為界，東部表現為緩慢抬起，西部活動強烈。

區域黃土滑坡，其形態特征典型，邊界輪廓清晰，具有明顯的圈椅狀形態，后緣滑壁保留一般較完好，表現為多期次和單期次﹑老滑坡和新滑坡相伴而生﹑相互疊加的特征。其中，多期次型滑坡一般滑壁小﹑滑體厚﹑滑距短﹑形態多呈矩形（圖1a）；單期次型滑坡一般滑壁大﹑滑體薄﹑滑距長﹑形態多呈舌狀，常堵塞溝道（圖1b）；老滑坡一般后緣落水洞發育，后壁和側壁明顯，中部凸出，有大型落水洞發育，前緣沖刷臨空垮塌（圖1c）；新滑坡一般后壁特征不明顯，側壁明顯，前緣臨空，滑體坑穴﹑落水洞發育，坡面沖刷嚴重（圖1d）。研究區選取盧家灣集鎮﹑車道鄉鎮﹑羅洼鄉鎮和1條重點溝壑區，總面積為48.5 km2，3處重要城鎮人類工程活動強烈，主要表現為修路建房﹑開挖窯洞和燒磚取土，滑坡災害多以中大型為主且危害性大；1條小流域馬家河典型溝段的溝岸兩側多發育小型滑坡﹑崩塌，溝谷內切割較深，溝谷分水嶺處落水洞十分發育，多呈串珠狀，易因邊坡整體失穩破壞而產生滑坡。

圖1 研究區滑坡類型

2 主要服務需求和技術流程

2.1 主要服務需求

結合涇河流域地質災害調查評價項目，利用無人機航測技術快速獲取黃土丘陵溝壑區重要城鎮和小流域的高分辨率航片﹑DOM和DEM數據，并進行推廣應用。無人機航測技術可用于地質災害調查評價﹑應急監測和災情快速風險評價工作。

1）重要城鎮和小流域災害信息的快速調查。利用無人機航測技術，獲取重要城鎮和小流域范圍內分辨率優于0.2 m高清航片。通過對航片進行快速處理，得到研究區重要城鎮和小流域范圍內高分辨率的正射遙感影像和高密度的點云數據；利用點云數據建立重要城鎮和小流域的高精度 DEM 數據（2 m×2 m）和溝壑區斷面數據；利用高清航片和點云數據快速獲取重要城鎮和小流域地質災害和環境地質問題特征﹑地表植被和土地利用類型﹑承災體等信息數據。

2）地質災害應急監測。利用無人機航測技術，對局部滑坡﹑崩塌和黃土泥流等地質災害進行應急監測，快速獲取不同災害區域的連續高清影像和照片。實時分析災害發展情況，為災害防治和決策提供依據。

3）災情的快速風險評價。利用無人機航測技術快速獲取發災區域高清航片，結合災前衛星遙感影像，快速分析和評估災情情況，為防災減災決策和救援提供數據支撐。

2.2 技術流程

Trimble UX5作為天寶公司最新研發的無人機航測系統，主要由硬件系統﹑外業軟件和內業軟件3部分組成。其擁有先進的飛行控制技術﹑魯棒性極強的系統設計和便捷直觀的工作流程，且具有單次飛行覆蓋面積大﹑效率高，對天氣的適應性強，軟硬件整體兼容性良好等優點，為快速安全的地質災害航測數據采集提供了有利保障。其主要技術流程包括數據準備﹑測區概況﹑航測外業和內業處理4部分[2-5]，如圖2所示。

2.2.1 數據準備

1）遙感數據信息源：采用2009年美國數字全球公司的WorldView2遙感影像。

2）地形圖﹑工程地質資料，崩滑災害及承災體信息調查資料等野外調查的相關信息。

圖2 技術路線圖

3）以1∶1萬地形圖為基準，采集地面GPS控制點坐標，采用2000國家大地坐標系﹑高斯-克呂格投影。

2.2.2 測區概況

測區位于甘肅環縣西部，屬典型的黃土梁茆溝壑區。測區內多為村莊，分布有公路﹑溝渠﹑煤礦﹑學校等地物，多發育滑坡﹑崩塌﹑落水洞等地質災害現象。本次航測飛行相對高度為500 m，影像地面分辨率為0.2 m，成圖比例尺為1∶2 000。航測時為西北風，航線按照NEE向設計，航向和旁向重疊度選取推薦的80%，像元大小為4.78 μm，曝光時間為1/2 000 s。無人機選擇在凈空范圍200 m內無電線﹑房屋和高大樹木等障礙物的平整場地起降，單次飛行時長為30～40 min。

2.2.3 航測外業

航攝前在測區的多個角度和中心布設了標靶，在航飛的同時使用11個GPS控制點，采用 RTK測量標靶的坐標作為像控點。為了后期數據處理方便，結合航測區地形條件，共布設和施測像控點110個。測區共飛行22個架次，各架次飛行區域至少包括6個像控點，飛行區域四角和中心的5個像控點參與平差計算，其他像控點作為檢查點，檢查最大平面誤差為0.14 m，高程誤差為0.19 m，平面精度和高程精度均滿足本次測量要求。使用拼接好的數字正射影像調繪房屋屬性﹑線性工程設施和滑坡災害點信息等。測區共獲取0.2 m分辨率數碼影像2 403張，各架次航攝完成后導出相片數據，進行重疊度檢查和影像質量檢查，并導出POS數據。經過檢查，96.02%的相片傾斜角小于5°，航片影像清晰﹑層次豐富﹑反差適中﹑色調柔和鮮艷﹑均勻。

2.2.4 內業處理

首先在Dell工作站上用天寶公司提供的UASMaster5.7.1軟件進行空三加密，建好項目后，僅像控點在航片上刺點需人工干預，內定向﹑相對定向﹑絕對定向﹑平差過程﹑生成點云﹑制作正射影像圖等過程均為自動完成。面狀水域按照水面高程特征和規律進行處理，點云數據編輯完成后生成規則格網DEM，格網尺寸為2 m×2 m。由于一個測區包含多個飛行架次文件，所以最終需把各架次生成的影像按測區鑲嵌拼接為完整的正射影像。將生成的正射影像調入CASS成圖軟件，使用數化功能配合外業定性調繪﹑補測﹑計算機編輯處理形成數字線劃地圖（DLG）；再根據立體模型，結合1∶1萬地形圖資料，編輯生成數字高程模型（DEM）和數字正射影像圖（DOM）。

3 地質災害遙感解譯標志

地質災害作為一種不良地質現象，在遙感影像上呈現的形態﹑色調﹑影紋結構等均與周圍背景存在一 定的區別[6]。因此，可以無人機航片生成的正射影像圖為基礎，在ArcGIS平臺進行人工目視解譯，并提取研究區內已發生的地質災害點和地質災害隱患點，查明其空間分布﹑特征﹑規模等；再根據解譯結果進行野外復核，驗證解譯結果的準確性，并完善各災害點的屬性信息，建立地質災害信息數據庫，方便地質災害的動態監測和風險管理，為防災減災提供依據。

研究區內人類工程擾動區和溝壑區是黃土滑坡頻繁發生的地區，而溝壑區源頭崩塌發育最為嚴重。在收集前人資料﹑野外踏勘和解剖典型崩滑地質災害點的基礎上，擬定了研究區崩滑地質災害和落水洞的遙感判別標志，詳細解譯了區內崩滑地質災害點和落水洞分布，并歸納了各類型滑坡的遙感影像特征，同時，還對區內部分遙感解譯崩滑地質災害點進行了野外檢查驗證。

3.1 崩塌地質災害遙感解譯標志

1）崩塌地質災害多分布在人工切坡﹑溝谷等陡峭邊坡地段，以小型為主。

2）崩塌體后緣發育有直線或弧形陡峭山崖與絕壁，在遙感影像上陽坡為灰白色調區塊（圖3a），陰坡呈濃重的陰影區塊（圖3b）。

3）崩塌體多沿陡壁連續分布，有的在壁腳形成堆積裙坡，老崩塌體影像粗造，呈灰色或灰綠色，有串珠狀落水洞發育，后緣附近常伴有張裂縫，地表植被覆蓋往往呈叢狀或零星狀（圖3b）；新崩塌體呈灰白色調，不規則斑塊影像，且常常成帶，后緣附近常伴有漏斗狀落水洞（圖3a）。

圖3 崩塌地質災害遙感影像圖

3.2 滑坡地質災害遙感解譯標志

1）滑坡地質災害大多分布在溝谷陡峭邊坡的陰面或河道偏移異常部位以及城鎮周圍人工切坡陡坎處，一般以中﹑小型為主，溝壑區滑坡數量多，具有群發性。

2）滑坡體發育有與鄰近區域不協調的網紋狀結構，沿滑坡體的邊緣或坡體次級滑坡堆積體前緣分布一連串的落水洞等（圖4a），后緣發育有弧形異常影像，包括陡坎﹑地形變異線﹑色調異常線，多呈暗色陰影；溝壑區滑坡后壁﹑側壁明顯，中部凸起；城鎮周圍滑坡側壁明顯，前緣堆積體向開闊地凸出，常有小型崩滑堆積影像；在影像上滑坡體呈弧形﹑馬蹄形﹑葫蘆形等。

3）在遙感影像上，新滑坡體顯示為較均勻的灰白色（圖4b），土體植被覆蓋度較差，滑體保存較好；老滑坡體顯示為較均勻的深綠色，植被覆蓋較好，滑體由于長時間的雨水侵蝕或多次復活保存較少，復活滑坡具有明顯的反差色調分界線（圖4c）。

圖4 滑坡地質災害遙感影像圖

3.3 落水洞遙感解譯標志

黃土落水洞本身是一種地質災害，具有分布廣泛﹑危害嚴重﹑隱蔽性強等特點，對黃土地區各類工業與民用建筑構成不同程度威脅，還可能促使其他地質災害的發生和發展，惡化黃土高原地區的生態環境和地質環境[7]。區內黃土落水洞主要發育在老滑坡堆積體﹑溝壑或溝谷岸坡和河谷階地平臺上。其中，在表層有黃土崩滑堆積物邊緣地帶以及與沖溝之間斜坡地帶的地形變化強烈的微地貌上黃土落水洞發育最為強烈。根據遙感影像和實地調查，區內黃土落水洞主要包括3 種類型：

1）蝶形狀，直徑可達數十 m，落水洞洞口邊緣線明顯，呈橢圓形，底部呈黑色紋理，邊緣坡較陡，一 般為一定厚度的自重濕陷性黃土在較大面積長時間浸水的情況下而形成（圖5a）。

2）豎井狀，直徑數 m不等，在影像上顯示為從洞口中心向邊緣顏色由深黑色向淺黑色過渡，主要是因為水流沿節理下滲﹑潛蝕而成，形如水井，口徑不大，深可達15 m，多產生于階地邊緣徑流匯集處，由于陷穴底部堆積著崩塌下的土塊，隨著水的進一步沖刷搬運逐漸加深（圖5b）。

3）漏斗狀，多成群分布，口徑一般小于1 m，底部有時還散布著小孔穴，形狀呈圓形﹑不規則圖形，影像顯示洞口中心顏色較深，邊緣外側呈淺灰色，因坡面徑流匯集，水流沿節理下滲﹑潛蝕而成，多產生于臺地邊緣及谷坡附近（圖5c）。

圖5 黃土落水洞遙感影像圖

4 地質災害解譯結果與實例

由于黃土溝壑區深切坡陡，受交通條件的限制，本次野外驗證工作以3個重要城鎮周邊及可通行的溝壑區作為驗證的重點區域，選取野外待驗證災害點134 個（其中滑坡45處﹑崩塌7處﹑落水洞102個）。野外校驗結果表明，在已初步解譯出的134個災害點中，43個是實地勘查確認的已發生滑坡事件或滑坡隱患點，2個為誤判，驗證準確率達95.6%；7個是實地勘查確認的已發生崩塌事件，驗證準確率達100%；86 個是現場確認的落水洞，16個為誤判，驗證準確率達84.3%。滑坡誤判的主要原因是居民點及公路兩側受人為改造的影響，包括人工廢棄物堆放﹑人工切坡﹑已發生窯洞垮塌堆積物清理后堆積于坡角處形成與滑坡體特征相似的情況；還有由于正常的坡體改造為梯田，造成裸地，形態特征與滑坡體極為相似，從而造成誤判。落水洞誤判的主要原因是在黃土梁茆區植被零星發育，影像特征與落水洞特征極為相似，容易造成對目標信息的誤判；同時在滑坡體上有些落水洞被植被覆蓋，洞口直徑較小，在影像上無法判別。另外，由于受無人機拍攝視角﹑太陽高度角﹑天氣情況等因素的影響，在野外調查中還發現一些影像中災害體特征不明顯的漏判滑坡體。

在野外驗證的基礎上，對解譯標志做了進一步修改和完善，在研究區范圍內進行了補充修正性解譯。依據野外調查資料，對滑坡體和落水洞信息進行誤判糾正和漏判添加等，最后確認研究區解譯的滑坡體等地質災害總數為183處（個），包括62處滑坡體﹑8處崩塌體和113個落水洞。滑坡主要沿溝壑區右岸分布，多為黃土型滑坡，以小型為主，其次為中型，極少數構成大型滑坡；崩塌主要發育在溝左岸，以小型為主；落水洞主要發育在滑坡堆積體上及邊緣﹑崩塌后緣和溝岸中上部地形突變處，以漏斗狀為主，其次為豎井狀，極少數為蝶形狀。有21處（個）滑坡﹑崩塌﹑落水洞對居民和公路存在不同程度的危害，危害大的有5處，危害中等的有8處，其中1個巨型蝶形落水洞已填埋。

在上述解譯滑坡中，車道鄉政府后山滑坡城鎮危害極大，因而對這一滑坡采用無人機航測正射影像進行詳細解譯。該滑坡位于鄉鎮府后山斜坡，威脅到約0.04 km2的建筑物﹑300余人口生命及財產安全。在正射影像圖上，滑坡體發育在折線型的斜坡上，平面上構成橫長的扇形，后緣以小陡坎組成的亮色調與堆積體分割，影紋圖案以細斑點狀為主，中前部形成大塊的灰白色花斑狀，縱向側壁較為明顯，沖溝不發育，次級滑體與側壁顏色明暗相間，側壁呈淺灰色，滑體為暗色調。滑坡體長為200 m，寬約為400 m，主滑動方向為S向，整體平面形態呈圓弧狀，右側滑坡平面呈“幾”字形，中間呈扁弧狀，左側呈舌狀，影像上左側滑坡體顏色均勻，植被發育較好，后緣處滑面角度較大。滑坡整體坡體較陡，坡上發育有多個落水洞，且滑體上修建有窯洞和蓄水池，坡壁發生多次小規模的滑塌，現場勘察滑體及滑壁有裂縫存在，前緣被人工削坡形成高約13 m的臨空面且上部滑體土結構松散，目前坡腳處窯洞面上已有變形跡象。在降雨或其他因素的誘發作用下易使其復活造成滑動，危害性大（圖6）。

圖6 車道鄉政府后山滑坡遙感影像圖

5 結 語

1）利用Trimble UX5系統可方便地對測區進行航攝，快速獲取影像完成數據處理，生成DOM﹑3D點云數據和DEM。在ArcGIS軟件平臺下，可快速得到滿足精度要求的大比例尺地形圖。采用遙感解譯與野外調查相結合的方法，在短時間內，準確而迅速地查明了研究區地質災害的類型﹑數量﹑分布及危害程度等。野外調查結果驗證了解譯精度的可靠性和解譯方法的可行性﹑科學性，為該區域地質災害調查工作提供了基礎資料和防災減災科學依據，提高了地質災害調查的效率和精度。

2）鑒于涇河西北部黃土溝壑地區氣候條件良好﹑植被覆蓋差﹑地形高差小的特點，利用無人航測影像在該區域進行滑坡調查研究，能獲得高質量的遙感數據。本文是對無人航測影像在黃土溝壑區小流域地質災害的區域調查方面應用的一個有益探索。

[1] 朱靜,唐川.遙感技術在我國滑坡研究中的應用綜述[J].遙感技術與應用,2012,27(3):458-464

[2] 胡茂林,唐相川.Trimble UX5航空影像系統用于1∶1 000地形圖的探討[J].測繪通報,2014(7):136-137

[3] 徐以廳.Trimble UX5在地理信息數據采集中的優勢分析[J].測繪通報,2014(10):133-134

[4] 張啟元.無人機航測技術在青藏高原地質災害調查中的應用[J].青海大學學報(自然科學版),2015,33(2):67-72

[5] 高姣姣,顏宇森,盛新蒲,等.無人機遙感在西氣東輸管道地質災害調查中的應用[J].水文地質工程地質,2010,37(6):126-129

[6] 濮靜娟.遙感圖像目視解譯原理與方法[M].北京:測繪出版社,1992:104-110

[7] 彭建兵,李喜安,孫萍,等.黃土洞穴的環境災害效應[J].地球與環境,2005,33(4):1-7

P231

B

1672-4623（2017）09-0069-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.022

2016-06-06。

項目來源：中國地質調查局地質調查資助項目（12120113008700）。

王高峰，碩士，工程師，主要從事地質災害調查及GIS研究。