無人機在重大地質災害應急調查中的應用

郭晨 許強 董秀軍 孫濤 寧浩 柏君

我國西南部山區是地質災害的高發區，2017-2018兩年間發生的幾起重大地質災害事件造成了巨大的生命財產損失，引起國內外及社會各界的廣泛關注。應急調查是地質災害應急處置的關鍵和基礎，但傳統的地質災害應急調查受限于復雜的地形條件，不能快速全面地獲取災害的詳細信息，而無人機具有機動性強、時效性高和不受復雜地形影響等特點，在地質災害應急調查中有獨特的優勢。本文以6·24新磨村山體滑坡和10·11白格兩次山體滑坡、堰塞堵江事件為例，闡述無人機地質災害應急調查數據獲取及處理流程，重點介紹無人機三維數字地形產品在地質災害精確描述、定性及定量分析中的應用。

成都理工大學

無人機航攝測量技術可為重大地質災害的應急調查提供更加科學、高效的現場影像采集和遙感成果處理方案，不僅降低了調查人員的勞動強度和作業風險，還大大提高了地質災害應急調查的工作效率，為應急救災工作的分析研判以及順利實施提供了重要數據支撐，科學有效地保證了現場施工救援人員的安全。隨著無人機航攝系統性能的不斷完善，數據處理新方法、新工藝等技術手段的不斷提升，無人機在地質災害應急調查領域將擁有廣闊的應用前景。

研究背景

中國是一個地質災害極為頻繁的國家。據自然資源部資料顯示，僅2017-2018年兩年就發生地質災害超過1萬起，造成464人死亡或失蹤、200多人受傷，直接經濟損失超過50乙元。其中，2017年四川茂縣6.24新磨村滑坡、貴州納雍8-28山體滑坡，以及2018年的金沙江白格10-11、11-03兩次滑坡、堰塞堵江事件等重大地質災害，不僅造成慘重的生命財產損失，還引起國內外及社會各界的廣泛關注。

災害發生后的應急調查作為地質災害應急處置的首要和基礎環節，必須突出快且高效，即需在盡量短的時間內確定減災方案提供盡量準確、完整、詳細的相關信息。而作為地質災害高發的西南地區，由于河谷深切、谷坡高陡、植被茂密，傳統的應急調查靠地質人員進行地面調查，不僅工作強度大、效率低、風險大，甚至個別區域根本無法達到，很難在短時間內將全面的災情信息反饋給救災指揮部供決策支持，對應急處置工作順利有效地開展帶來了嚴重阻礙。無人機具有獨特的非接觸式測量方式、精度高、機動性強、360°全方位無死角航攝等特點，為重大地質災害應急調查提供了更加科學高效的現場影像采集和遙感成果處理方案，能大大提高應急處置效率、確定應急處置方案。在災后的搶險救災、決策支持中發揮著極其重要的作用，不僅為搶險救災、科學決策和指揮提供地理信息保障，也為收集地質災害數據、財產損失評估、災后重建和生產自救提供寶貴的參考資料。

技術路線

在6-24新磨村滑坡、8-28納雍滑坡、10-10白格滑坡以及11-03白格二次滑坡等災害發生后，地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室均在第一時間組織團隊攜帶F1000無人機趕赴現場，參與應急測繪救援工作。

團隊首先對滑坡的位置、相對高差、作業面積等制定相應的航測計劃，保證航拍數據具有較高的精度和分辨率，航線規劃一般根據地形高程變化設置2-3個航拍高程。數據獲取后立即采用高性能計算機集群聯機處理并行計算，利用Pix4d Mapper軟件對獲取的影像數據、POS數據進行無控空三加密，獲得高分辨率數字地表模型（ DSM）和數字正射影像圖（DOM）。同時選用賓利（Bentley）公司的Context Capture Center Master軟件進行聯機計算，得到高分辨率三維實景模型，整體流程圖如圖1所示。

通過無人機航攝測量方法獲取的各類數字地形產品，可以快速360。無死角地展現地質災害體及周圍的真實場景，清晰展現地質災害體的類型、規模、區域范圍、所處的地形及地貌，準確地辨識出地質災害體的形態特征。從圖像上可直接讀取任一點的高程值及任兩點間的高差、坡度和坡向等信息，為研究大型地質災害提供三維參數，結合地面調查及監測資料，就能快速解譯和評估災害體特征及影響，為現場調查和分析研判提供理論依據和數據支撐。

無人機在重大地質災害事件中的應用

茂縣新磨村滑坡

2017年6月24日，四川省茂縣疊溪鎮新磨村新村組后山山體發生高位滑坡（下稱6-24新磨村滑坡），瞬間摧毀坡腳的新磨村，掩埋64戶農房和1500m道路，堵塞河道1000m，導致10人死亡、73人失蹤，引起國內外廣泛關注。此次航拍平均地面分辨率為10-15cm，航帶間重疊率75%，航向重疊率80%，航拍離地高度500-700m，共28條航線，飛行距離121km，航拍面積21 km₂，共獲取航拍照片924張。數據獲取后立即采用高性能計算機集群聯機處理并行計算，在數據下載完成后3小時獲得高分辨率數字地表模型DSM）和數字正射影像圖（DOM）。

通過無人機航拍獲取的影像數據，第一時間為救災指揮部提供災后高分辨率正射影像和三維實景模型，從而較為全面地了解滑坡的基本情況。6-24新磨村滑坡源區所在位置東經103°39′46″，北緯32°4′47″，垮塌區長約200m，寬約300m，平均厚度約70m，體積約450×104m₃。最終形成順滑坡運動方向1600m，順河長1000m，平均厚度大于10m，體積約為1300×10₄m₃的滑坡堆積體，幾乎將新磨村全部掩埋見圖2。

災害發生后，為確保搶險救援工做在黃金時間內順利開展，現場應急專家組的主要任務之一就是強化監測預警，確保不發生二次災害。無人機航拍的三維實景模型顯示，受主滑體高速滑動和運動過程中牽引、拖拽作用的影響，在滑源區東、西兩側還分別殘留存在新變形裂縫的欠穩定巖體見圖3，在滑坡區西側還存在一塊主要由松散堆積物構成的變形體。其中，西側變形體穩定性最差，對下游現場救援人員造成極大威脅，因而得到相關部門和現場專家組的高度重視，成為現場監測預警的主要對象。

（1）西側欠穩定巖體。

滑源區西側的欠穩定巖體在地形上三面臨空，其后緣高程分布在3351-3266m，前緣高程3073m，高約230m、寬220m、厚度35m，整體呈巨厚層塊狀，巖體較完整，估算方量177×10₄m₃。歷史遙感衛星影像、滑坡后航拍數據均顯示該部位在滑坡發生前后均產生過變形裂縫。短時間內失穩可能性較小見圖4左圖。

（2）東側欠穩定巖體。

在滑源區東側上部也殘留有一個欠穩定巖體，其后緣高程3465m、前緣高程在3403-3371m之間，高約106m、寬90m、厚度20m左右，估算方量19×10₄m₃。高清航拍影像顯示，東側欠穩定巖體呈厚層板狀，表部有幾條裂縫分布，較西側塊體破碎見圖4右圖，其前緣和西側已臨空，但東側仍與圍巖保持很好地聯結。綜合判斷易發生局部掉塊，整體失穩可能性不大。

（3）西側變形體。

西側變形體平面形態呈倒梯形，上寬250m、下寬100m、高450m、平均厚度58m，估算方量455×10₄m₃見圖5。西側變形體后緣存在一個拉陷槽，展布方向與巖層走向相一致，延伸長度250m，水平拉開寬度43m，垂向下錯20m。在其前部還存在另一條裂縫，延伸長達540m，拉開寬度近10m。在現場應急搶險過程中，西側變形體被認為是整個滑坡區穩定性最差，對下游現場救援人員安全威脅最大的巖體，因此得到相關部門和現場專家組的高度重視。

金沙江白格滑坡

雖然無人機在地質災害應急調查中的應用越來越廣泛，無人機影像提取的DEM可以滿足快速定性判斷的需求，但隨著搶險救災工作的持續進行，單次飛行數據將無法準確獲取滑坡體積等關鍵數據，可能會直接影響應急處置定量評價。金沙江在2018年10月11日第一次滑坡后，地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室相關人員立即趕赴現場，采集了10月12日第一次滑坡后、10月16日第一次泄洪后、11月5日第二次滑坡后、11月8日、11月14日第二次泄洪前后等關鍵事件以及其間一系列多期次的無人機數據見圖6。不僅獲得了應急搶險各階段滑坡的基本信息，而且將不同時間的無人機高分辨率DSM進行差分對比，可以精確獲取滑坡厚度、體積變化量等一系列成果，為現場分析研判提供了重要數據支撐。

滑坡體滑動前后的豎直位移變化，可以將帶有三維空間信息的兩期點云或三維模型（DEM或DSM）進行高程差分測量，如圖7a所示。通過計算得出，10·11主滑坡最大滑動深度約90m，位于滑坡中后部，滑動土體平均厚度約50m，滑坡形成的堰塞壩最大堆積厚度約80m，平均厚度約40m;另外，通過豎直位移差分計算，能大致推測滑坡剪出口位置高程約3000m，高出金沙江江面高程2860m約200m，具有明顯高位剪出的特點;11-03二次滑坡存在明顯的滑源區和鏟刮區見圖7b，最大滑動深度約60m，最大堆積高度約80m（相比第一次泄洪后），方量約312×10₄m₃，基本與滑源區土體相當。加上10·11第一次滑坡堰塞壩泄流后形成的泄洪槽較為狹長，上寬約200m，底寬約60m，大量松散土體高速下滑，短時間內就將其填滿并堆覆其上，形成的堰塞壩比第一次高出約50m，造成比主滑坡更為嚴重的二次堵江事件。

金沙江白格二次滑坡后，滑源區兩側及后緣斜坡產生了大量新生裂縫，在導流槽開挖過程中滑坡區經常發生小規模垮塌。11月5-8日，滑坡后緣產生了abc三個強烈形變區，均存在明顯的垮塌和堆積現象見圖8，最大下錯高度約10m，在坡腳堆積最大厚度約9m。通過兩期無人機DSM差分測量，可以精準地發現斜坡后緣的形變區域并且能定量表征變形區域的形變量，為斜坡的形變監測提供靶點，從而有針對性地布設專業監測儀器。現場專家組通過對現場實時傳回的監測數據進行不斷的分析研判，一旦預判某部位可能發生較大規模的垮塌，就立即發布預警信息到前線指揮部，指揮部會及時將預警信息傳達到現場監測預警人員和每一個挖掘機操作人員，并按照預案立即組織撤離。不僅保障泄流工程的順利實施，同時還通過科學手段有效地保證了人員安全。

無人機低空航攝測量系統獲取的高精度、高分辨率DSM、DEM和DOM，可對地質災害的體形態分布特征及所處區域的微地貌特征實現精確描述，精確提取地質災害體的屬性信息，不僅降低了調查人員的勞動強度和作業風險，也大大提高了地質災害應急調查的工作效率。

另外，通過連續航拍獲得的影像及三維模型，不僅可以對災害體進行監測，掌握其隨時間變化的特征，而且將不同時間序列的DSM/DEM進行差分對比，可以精確獲取滑坡厚度、體積變化量等一系列成果，精準發現斜坡后緣存在的形變區域并且能定量表征形變區域的形變量，為專業監測儀器的布設提供靶點，從而為應急搶險工作的順利實施以及分析研判提供重要數據支撐。

習近平總書記在2018年10月中央財經委員會第三次會議上提出，要建立高效科學的自然災害防治體系，提高全社會自然災害防治能力，著重強調加強地質災害隱患排查和監控的重要性。而無人機在地質災害隱患的早期識別、隱患排查、應急調查、搶險救災等方面表現卓越，同時其航攝系統性能正不斷完善，整體技術向重量輕、體積小、精度高、抗干擾性強的方向發展，未來將會更加適應惡劣天氣、復雜地形的作業環境;數據處理的新技術也在不斷提升，預示著無人機在地災領域將擁有廣闊的市場前景。