無人機與國產高分技術在“6·24”茂縣滑坡災情應急監測中的應用

唐 堯，王立娟，馬國超，賈虎軍，靳 曉

（四川省安全科學技術研究院/重大危險源測控四川省重點實驗室，四川……610045）

關鍵字：茂縣滑坡 無人機 國產高分 合成孔徑雷達數據 災情應急監測

2017年6月24日凌晨5時45分，四川茂縣疊溪鎮新磨村新村組富貴山突發特大型山體高位滑坡，塌方量約800萬m3，災害共造成約2km河道被堵塞，40多戶100余人傷亡或失蹤，許多遇難者被掩埋較深。災后參與救援人員多達3200多人，專業救援車輛有150多輛，備用救援車輛超過200臺，救援設備主要有生命探測儀、救援繩索及醫療設備等。目前緊張的災后救援工作已接近尾聲，救援人員救出了3位幸存者。據現場參與救援的地質專家介紹，高位山體垮塌被掩埋人員生還可能性非常低，特別是現場作業面狹窄，諸多救援資源難以大規模運用，加之救援現場垮塌量巨大、不時有山石滾落，還需避免塌方引發進一步垮塌等造成二次災害。

滑坡災害發生后，黨中央、國務院高度重視，指示全力組織搜救被埋人員、防范發生次生災害。災害發生的第二天，即由國土資源部牽頭，成立了有四川省國土及相關部門和地方人員參加的災后災情應急監測3個工作小組，旨在研究滑坡成因，指導現場搜救，開展應急監測預警，避免次生災害造成人員傷亡，及在災區附近類似地區開展全面隱患排查。在此情況下，無人機航攝技術與國產高分遙感技術憑借其響應時間短、地形直觀形象、分辨率高、觀測范圍大的優點發揮了不可替代的作用。

1 滑坡災區數據獲取

1.1 無人機航攝技術

本次所用航攝無人機為電動固定翼型無人機，包括飛行平臺系統和地面監控系統兩部分。飛行平臺是實施飛行任務的主體，包括機體、高清相機、飛行控制系統、降落傘和智能電池裝置等幾部分。地面監控系統是向地面工作人員提供飛行監控的組合裝置，由電腦、無線電以及監控軟件等組成。

無人機航攝數據獲取流程通常包括任務受領、航線規劃、野外控制測量、無人機組裝測試、飛行實施、數據檢查、室內處理等。本次航攝是為采集災后應急需要數據，無人機在滑坡堆積區具有較高的地面分辨率，因此航線規劃時依據當地地勢變化情況先后設置了多個架次，航攝高度約500～700m，航向重疊度為80%，旁向重疊度超過75%，共設計了28條航線，累計航程121km，涵蓋面積約21km2。無人機采用手拋起飛、傘降模式回收，航攝過程克服了地形復雜、海拔高、坡度高等諸多不利因素，先后獲取高分辨率航片900余張共計6G數據量，像片地面分辨率為10～15cm。采用高性能計算機集群聯機處理并行計算，快速獲取了滑坡受災區及周邊地區災后高分辨率正射影像地圖，為現場災害救援與災情分析提供了第一手資料。

1.2 國產高分衛星遙感技術

近年我國陸續發射了多顆國產高分辨率對地觀測遙感衛星，其中在民用領域應用較多的有高分一號、高分二號、高分三號及高分四號等，國產高分數據兼有“空間分辨率高”、“相機數量多”與“中分辨率遙感視場大”、“多載荷影像拼接融合應用”的特點。隨著國產高分衛星技術的不斷進度，目前獲取的影像空間分辨率已經達到米級。高分二號衛星全色波段空間分辨率最高達到0.8m，多光譜分辨率最高達到3.2m，對災區地物識別及災情分析具有重要作用。高分三號影像為合成孔徑雷達數據（InSAR），對識別山體滑坡區災后地形的起伏或地面沉降的變化作用巨大。

由于受客觀條件限制（災害降雨、災區多云霧），本次共選取了災前的高分二號衛星數據與災前和災后的高分三號遙感衛星數據來開展災區災情應急監測分析。其中，高分二號數據時相為2017年4月8日，經過輻射定標、大氣校正、正射校正、影像配準及影像融合等預處理流程，獲取了災前高分遙感影像地圖；高分三號衛星數據包括災前災后兩景，災前影像時相為2017年3月9日19點15分，災后影像獲取時間為災后的第二天（2017年6月25日）的19點05分。高分衛星遙感數據（包括災前與災后）對評估滑坡災害損失（居民聚居點）、預判災后次生災害（堰塞湖、二次滑坡）發生趨勢及隱患地質災害預防具有十分重要的作用。

2 滑坡成因初步分析

滑坡是斜坡變形的一種形式，常指在一定的地形地質條件下，受各種自然或人為因素的影響，巖體的力學平衡遭到破壞，山坡上的不穩定巖體在重力作用下，沿著一定的軟弱面作整體的、緩慢的、間歇性的向下滑動形成。

“6·24”茂縣特大山體滑坡，堵塞河道2km，掩埋農房46戶，傷亡或失蹤人員上百，1600余米道路被掩埋。災情發生后，當地緊急啟動Ⅰ級特大型地質災害險情和災情應急響應，并組織精干救援力量趕赴現場實施應急救援。現場經地質專家初步踏勘表明，這是一起降雨誘發的高位遠程崩滑碎屑流災害。

本次滑坡體所在的新磨村位于茂縣西北部的疊溪鎮松坪溝富貴山，溝內山體在歷史上曾發生過多次地震作用，影響較大的有疊溪地震（1933年）、平武松潘地震（1976年）與汶川映秀地震（2008年），其中又以疊溪地震影響為最大（當時垮塌的山體阻斷了岷江，形成了堰塞湖）。歷次地震對溝內地質結構、巖土結構及坡石穩定性都造成嚴重創傷，尤對深層巖體為最甚，該類巖體“內傷”隱蔽性較強，不易查明（即使現場地面調查也不易識別），巖體在長期重力作用下，內部被震裂巖層的力學幾何場與應力場遭受破壞。在災前長時間持續降雨等因素的觸發下，位于新磨村后山高程約3404m處的震裂松動巖體突然以一個長矩形模塊啟動，瞬間撞擊了巖體中下部覆蓋層，形成扇形碎屑流。滑坡體最大落差約1118m，最大水平滑動距離約2658m，堆積物幾乎覆蓋了整個新磨村及松坪溝鄉鎮府所在地，整個滑坡過程僅有短短的幾分鐘，歷時極短。

3 滑坡災情應急監測分析

滑坡災害是一種不良地質現象，利用無人機與衛星遙感技術可克服地形、氣候并觀測條件的限制，能夠實現大范圍的滑坡災害調查并針對滑坡不同階段實行動態監測，因此利用無人機與衛星遙感技術開展滑坡災后應急監測意義重大。

3.1 滑坡災情對比分析

滑坡災害嚴重威脅著人民的生命財產安全，阻礙社會經濟的可持續發展，且多始發于人跡罕至的山區頂部或山腰，這些地區交通不便或遠離城鎮，災害發生時多為暴雨等惡劣天氣。“6·24”茂縣滑坡即是如此，滑坡山體富貴山海拔高達3455m，滑坡后緣巖土斑駁裸露，生態脆弱異常。突發的災害奪走了山體下方100余人的無辜生命，掩埋房屋46家，堵塞下方河道逾2km，造成了巨大的人員生命及財產損失，形成的堰塞湖對下游已有的水電站、水庫及疊溪鎮團結村居民聚集區造成了潛在的重大安全隱患（圖1）。

圖1 茂縣山體滑坡災害后現場照片

運用災后時相為2017年6月25日的無人機航攝影像，迅速獲取了滑坡區富貴山災情正射影像及地形信息等第一手資料。如圖2所示，本次滑坡區整體呈現北東-南西向展布，始滑區海拔高度約3404m，下部覆蓋層位置海拔高度約2646m，最低處（河床位置）海拔高度約2286m，最大高差約1118m，最大水平滑動距離約2658m，整體坡度落差約50°～60°，滑坡形成的堰塞湖上下游高差約4m。在無人機航攝圖上，可清晰看到滑坡區域上部的西北角位置有明顯的滑坡后緣與滑坡裂縫條帶（圖2中橢圓圈中所示），最大裂縫寬度達26m，可見本次滑坡規模之大。如此之大的裂縫寬度，隱孕了再次發生滑坡等地質災害的可能性，如若遇持續降雨或大規模震動，極易成災，建議加強此處裂縫位置的后續監測。

圖2 茂縣山體滑坡災情分析示意圖

結合災前（2017年4月8日）國產高分二號衛星遙感數據，深入對比分析滑坡災害受災區災情。如圖3所示，圖中A區域在災前的高分影像上主要顯示為紋理清晰的新磨村的40余戶居民聚集區及規則狀的道路穿越而過，但突發的高位山體滑坡災害將這些瞬間毀于一旦，新磨村在災后的無人機航攝影像上完全被滑坡碎屑堆所覆蓋。滑坡始滑區為圖3中B區域，災后影像上表現為大面積的亮白色，表明為新出現的大規模裸露巖體群，間接說明此次滑坡起始時物源量之大；在災前的高分影像上B區表現為有一定的裸露巖體分布，但規模不大、致災跡象不甚明顯。圖3中C地區為災后滑坡后緣區域，見有明顯的滑坡后緣與滑坡撕裂帶（裂縫條帶），最寬處約26m（詳見圖2）；該區域在災前的高分影像上為清晰的羽狀條紋，紋理清晰，表現為零星的疏林分布，隱約見有一條北東-西南向展布的脈狀影紋，推測該處或為災前病變帶。

圖3 茂縣山體滑坡災害前后對比圖

本次滑坡災情對比是依據災前國產高分衛星遙感數據、災后無人機航攝及高分影像數據的形式來具體實現，包括災前研判和統計分析等內容，同時結合茂縣既有地質資料，借遙感技術助力災區抗災、救災及重建工作。新磨村滑坡點早在2016年即被國土部門列為新增地災隱患點，按“群防群測”的方式安排人員進行定期定點監測，并設有地災預定撤離路線，但此次滑坡災害屬于高位山體垮塌，已超出了此前排查出的監控范圍。通常國土部門會針對一些地災多發地區做出重點的統計與監測，對于一些規模較大的裂縫等顯性地質災害，但滑坡災區地質狀況復雜、山高坡陡，暫不能做到監測全面覆蓋。

3.2 受災區周邊地災隱患判識

目前干涉雷達監測也是滑坡應急監測的重要手段，通過采用兩幅合成孔徑雷達圖像中的相位信息以獲取大范圍、高精度的地表三維與形變信息。具體過程為：利用獲取的地面控制點改進地理編碼和高程值，獲取地理編碼垂直高程變化圖，借此辨識出滑坡災害邊坡的位移，從滑坡堆積帶的影像中，分別選出主要為粗略紋理、中等紋理以及細碎片的不同區域，進行局部直方圖分析，量測影像紋理，進一步確定滑坡碎片的大小及分布。該方法具有周期短、覆蓋廣、成本低的優勢。

利用茂縣疊溪鎮災前與災后國產高分三號衛星遙感數據，采用永久散射體（PS）干涉雷達技術方法，經過數據預處理、主影像選擇、干涉相位計算、地形相位去除、干涉圖濾波及相位解纏等步驟獲取了茂縣疊溪滑坡災區及周邊地形變化信息。如圖4所示，圖中災后（2017年6月26日）影像的滑坡區域較之災前（2017年3月9日）表現出明顯的地形變化信息，從災后影像可清晰看出滑坡堆積物覆蓋區域，足見滑坡破壞力之大、影響之深。通過分析疊溪滑坡災前災后在高分三號影像上影紋及色調等表現出的地形信息變化特征，把它推廣至茂縣滑坡受災區周邊區域，初步判譯出4處地形形變較大區域，推測為茂縣滑坡災后形成或災前即已存在的地質災害隱患點區域（圖4中紅線區域），其中A處北距疊溪鎮約1.8km，居岷江北岸山體上部，B處則位于校場電站壩體東北側山體中上部，二者地勢均較高，一旦發生滑坡等次生災害，將有砸壩堵江的可能，建議當地政府及災害隱患排查部門將其作為重點巡排查對象，并開展定期跟蹤監測。

圖4 茂縣山體滑坡災害前后地形變化及周邊地災隱患判識圖

4 結論與建議

通過介紹低空無人機航攝與國產高分衛星遙感技術優勢，運用“6 · 24”茂縣滑坡區災后無人機及災前災后國產高分衛星數據獲取了災區災前災后影像數據，初步探討了本次特大型滑坡形成的原因及過程。利用滑坡事故后應用無人機與國產高分數據分析的災情對比情況，結合國產高分衛星的地形變化信息，嘗試判譯災區周邊地災隱患點。結果表明，無人機與國產高分技術的結合，可實現災區應急地形生成與形變監測，對地災潛在隱患的早期識別、發現及滑坡災后災情應急監測具有一定的指導意義。

通過分析茂縣滑坡災害的成因及災區受災情況，提出如下山區地災高發區的防災避險措施及建議：①積極避險，加強地質災害危險區管理，預先制定并及時啟動實施應急預案，果斷撤離高強度降雨期和地質災害隱患點受威脅人員，必要時采取強制避讓措施；②加強應急值守，完善災情速判速報、專報指定，確保通信暢通；③特別加強雨季旅游人員安全管理，對旅游區及交通要道地區的地質災害防控工作加強監督管理，嚴防死守，全力避免或減少地災造成的人員財物損失；④加強山區地災高發區隱患排查，對類似茂縣滑坡區的區域開展既有巡排查災害點及新增上報災害點全面排查，特別是地勢高、坡度高、物源量大的災害隱患點要加強監測預警，必要時做好人員疏散安置工作。

近年來國家有關部門多次強調加強地質災害隱患點的排查和監控，做好安全防治工作。茂縣滑坡事故無疑敲響了一個警鐘，即很多滑坡、泥石流、地面塌陷等地質災害隱患區開展的傳統地災巡排查，調查技術滯后，較難滿足類似茂縣滑坡這種高位、特大型地災隱患的排查需求。因此，我們迫切需要建立一套新的地質災害應急監測技術體系，而無人機航攝技術的普及和國產高分衛星遙感技術的發展，無疑為新的地災應急監測體系的建設提供了保障。無人機與國產高分技術無疑具有較大的應用前景與推廣性、普及性。