基于新技術新方法在地質災害風險調查評價工作中應用效果的研究

黃偉業

廣東省地質災害應急搶險技術中心 廣東 廣州 510000

1 引言

地質災害防治工程是對自然或人為作用產生的有害地質現象進行防范與治理[1]。地質災害的成因是復雜多樣的，應該注意到人類活動，特別是工程活動誘發的地質災害遠遠比自然作用形成的要多[2]。因此，充分運用當代先進科學技術，靈活運用到地質災害防治與風險調查評價的工作中，具有極其深遠的意義。本文旨在通過自身及時總結經驗、深入研究，進一步發揮新技術新方法的有效作用，充分拓展開展地質災害防治工作的新思路。

2 從化區地質災害基本情況

廣州市從化區位于廣東省中部、廣州市東北部，珠江三角洲到粵北山區的過渡帶，地勢自北向南傾斜，東北高，西南低，呈階梯狀。整體地形起伏較大，地質構造較發育，地質環境條件復雜。最高點為良口鎮東南端天堂頂，海拔1210m，是從化與龍門縣的分界山；最低點在太平鎮太平村，海拔16.2m。從化區地處低緯度地帶，屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫為21.2℃，年降水量2176.3mm，年日照時數1175小時。

截止到2021年12月，廣州市從化區在冊地質災害隱患點總數為122個，其中崩塌99處，占總災害數的81.15%；滑坡23處，占總災害數的18.85%。其中威脅100人以上的地質災害隱患點4個，其余為中小型點，威脅總人數3374人，威脅財產13659.5萬元。

3 主要采用的新技術新方法

本次調查擬采用的新技術新方法主要為無人機航拍（正射）、三維傾斜攝影、激光雷達測量等。這些新技術新方法的運用能很好的輔助地面調查工作，并能有效的識別高位遠程地質災害，對現場調查困難地段也能進行了有效的補充，從而使得本次調查工作更全面、更精確、更有效。

從化區屬丘陵山區，面積約占全區總面積的80%，植被覆蓋率高，部分地段調查人員難于到達，傳統的地質災害調查難免有疏漏。從化區崩塌、滑坡地質災害規模小、變形特征不明顯等特征，傳統的地質調查不能很好的識別地質災害隱患地段。因此在本次風險調查工作中，對地質災害調查方法進行了創新型探索，在傳統地質地面調查的基礎上，創新引入了遙感解譯、無人機航拍、三維傾斜攝影、激光雷達等的新技術新手段，構建了全面、科學、高效的地質災害隱患早期識別技術方法體系，提供真實有效便捷的基礎數據，查明地質災害的孕災地質條件，以便進一步開展地質災害風險評估和區劃、管控等工作。

（一）無人機航拍

無人機調查主要內容包括區域地質災害調（核）查、斜坡地質環境條件調查、地質災害體調查以及承災體調查。

1、區域地質災害調（核）查，主要調查區域地貌類型、地質構造、巖（土）體類型、水文地質現象、地表覆蓋、現有地質災害隱患點以及新發現地質災害隱患點分布。

2、斜坡地質環境調查，主要調查斜坡的地貌類型、地質構造、巖（土）體類型、水文地質現象、地表覆蓋以及可能的災害體類型、范圍等內容。

3、地質災害體調查，調查內容包括識別地質災害體、確定災害體的空間分布特征、解譯地質災害體的類型、邊界、規模、形態特征，分析其位移特征、活動狀態、發展趨勢、并評價其危害范圍和程度。

4、承災體調查，調查內容包括承災體的類型，建筑等級、分布范圍等。

（二）三維傾斜攝影

主要對鄉鎮范圍重點斜坡開展傾斜攝影或貼近攝影測量，調查地質災害隱患點的邊界和范圍。

1、傾斜攝影數據主要采用無人機搭載五鏡頭傾斜云臺或正射云臺獲取高精度影像。根據數據量、處理難易程度，運用運用建模軟件解析空中三角測量，自動DEM匹配，正射糾正制作正射影像，通過三維格網重建，自動紋理映射制作三維模型。

2、傾斜攝影數據處理成果主要有正射影像、高程模型、數字線劃圖、傾斜三維模型，通過傾斜數據成果可以精確展現現場特征。

3、利用數據處理結果對災害體調查，內容應包括：位置、范圍、形狀、形變方向、長度、寬度、高度、各點位坐標、面積、體積、形變量、土石方量、形變部位以及潛在威脅范圍等。

（三）激光雷達測量（LiDAR）

對鄉鎮為重點的典型斜坡開展激光雷達掃描，以調查現有地質災害隱患點變形情況。

1、LiDAR觀測數據主要來源為機載激光雷達掃描數據，數據形式包括Las格式點云數據和影像數據 。

2、根據對點云數據進行濾波、分類，提取激光點云單位距離的表層數據，制作出數字表面模型DSM；通過篩選過濾出真實地面高程點，制作出數字高程模型DEM。

3、LiDAR數據處理成果主要有分類點云、數字高程模型、數字表面模型。

利用數據處理結果對災害體調查，內容應包括：位置、范圍、形狀、形變方向、形變量、形變部位、面積等。

4 新技術新方法術在地質災害風險調查評價中的運用

本次風險調查工作，是在以往地質災害詳細調查的基礎上，開展以孕災地質條件、承災體調查及地質災害隱患判識為主的地質災害風險調查，深化地質災害早期識別、形成機理和規律認識，總結成災模式，開展不同層次地質災害風險區劃，提出綜合防治對策建議。

為了更全面地排查地質災害風險隱患，準確進行風險調查與區劃，切實提高該地區的綜合防治能力，尤其是采用傳統手段難以排查的高位、隱蔽性的隱患點情況下，本次調查充分利用高新技術、新方法，采用無人機正射+三維傾斜攝影+機載激光雷達+地面調查核實+地質雷達探測+地質勘查共同組成的天-空-地多種手段融合技術（如圖1），從不同角度和尺度來提前識別和發現地質災害隱患。

圖1 多種手段融合技術概念圖

本次風險調查創新性的采用了“空-天-地”一體化調查方法，運用先進的技術手段，獲取更多的地質災害信息。本次主要選取了13個典型隱患點及災點密度相對較大的三個區域進行無人機正射影像拍攝及傾斜攝影，其中無人機航拍面積實際完成量為35.62km2， 三維傾斜攝影完成量為11.42km2，見表1。

表1 采用新技術新方法完成工作量表

通過使用多旋翼高精度航測無人機，通過無人機上搭載的RTK模塊連接具備厘米級定位精度的CORS網絡，獲取了典型隱患點的坡體及周邊情況高精度航測傾斜攝影影像，并通過后期軟件拼接及建模處理，形成三維實景模型，相當于建立了隱患點的三維立體電子沙盤；同時，利用無人機搭載專業攝影鏡頭對上述典型隱患點及周邊情況進行了實時全景圖制作（如圖2），可為應急指揮提供真實準確的數據支撐，為后期回遷可行性論證提供更為全面且直觀的隱患點坡體信息。此外，還開展了大型隱患點無人機機載激光雷達(Lidar)系統掃描工作，獲取了隱患點坡體及周邊情況的三維數據并建立了點云模型（如圖3），為應急處置工作提供了快速準確、可量測的三維模型數據。

圖2 江埔街海塱村大灶佛南東側邊坡無人機航拍全景圖

圖3 溫泉鎮中田村沈山下社南側邊坡傾斜攝影三維模型和點云模型

為輔助從化區地質災害風險調查評價，本項目還收集了本單位在從化區地質災害防治規劃中運用的InSAR地表形變監測技術報告。報告結合了全區經濟建設發展規劃，利用InSAR技術開展從化區內范圍地表形變監測，主要監測災種為區域性的地面沉降，初步研究分析從化區地表變化特征以及主要成因，分析從化區地質環境變化發展趨勢。

本次局部分析范圍位于從化區街口街道北部（如圖4），主要為石礦坑、居城鎮居民、城鎮居民及垃圾填埋場。地表形變分析結果表明，該區域主要表現為抬升，雷達視線方向平均抬升速率約18mm/yr。

圖4 街口街道北部雷達視線方向形變速率圖

5 新技術新方法術應用效果評價

筆者通過將無人機航拍、三維傾斜攝影、激光雷達測量等新技術新方法應用于本次開展1:5萬地質災害風險調查評價的工作實踐中，取得了良好的應用效果，但也發現了一些缺陷，結合前人的研究成果，總結如下：

利用機載 LiDAR 不僅可以獲取高分辨率、高精度的數字高程模型，而且利用去除植被后的真實地形很容易識別和發現滑坡崩塌堆積體和其他各種成因的松散堆積體，以及歷史上受長期重力作用而發生明顯開裂、移位的斜坡巖體，這些都是山區斜坡最脆弱的部位，也是最容易發生地質災害的潛在隱患區。但目前搭載 LiDAR 的飛行平臺受到較多限制，無人機攝影測量也面臨同樣的問題。下一步工作將開展相關方面的示范應用，增強 LiDAR適應復雜環境的能力，降低成本，同時積累相關方面的經驗，努力提高掃描和解譯精度，提升基于 LiDAR 的地質災害隱患識別能力。

InSAR 具有全天候、全天時工作的特點，尤其是具有大范圍連續跟蹤觀測微小地表形變的能力，是識別和發現正在變形的地質災害隱患的非常有效和重要的手段，近年來的示范應用效果顯著。但 InSAR 也有一定的局限性，如只能用于識別目前正在發生緩慢變形的地質災害隱患，對于未變形的地質災害并不具備識別能力。另外，由于 InSAR主要利用相干性原理監測地表形變，復雜地形、植被等都會影響相干性，甚至造成失相干現象。

光學遙感、InSAR、LiDAR、無人機攝影測量等現代遙感技術都有獨自的優勢和能力，但也都有各自的條件限制和缺點，所以不能靠單一的技術手段來解決災害隱患識別問題。地質災害調查監測體系遵照從宏觀到微觀，從區域到區段和單體，分層次分步驟逐步實現復雜山區的地質災害隱患早期識別和提前發現，為破解“隱患在哪里”這一科技難題提供了解決方案，但這一“技防”措施主要適用于高位隱蔽性的大型地質災害。

地質災害具有“三性”特征：一是存在的客觀性，地質災害會一直存在，人類要學會與災害共生共處。二是認知的局限性，人類還無法發現所有隱患，更無法徹底消除災害隱患。三是防災的長期性，地質災害防治是一場持久戰，很難一勞永逸，只能踏踏實實做好防災減災工作，不斷降低災害風險[3]。

綜述，地質災害是地球物質運動的產物,是伴隨地球運動而生并與人類共存的現象，其發生是多元因素作用的結果。地質災害的發生與地形地貌、區域地質構造密切相關，所以在一些山區地區，地質災害往往也具有高位性和隱蔽性，這也是以往我們在平時的巡查排查中無法發現的原因之一。但在實際開展風險調查過程中，通過靈活運用無人機正射、三維傾斜攝影、機載激光雷達等新技術新方法手段，可以有效彌補傳統地面調查、地質勘查方法的局限性，能更真實反映地質災害隱患點現場實際情況，取得了積極的效果。

我們也應該意識到，無論是無人機攝影測量，還是利用機載 LiDAR 、光學遙感、InSAR等手段，仍然存在一定的局限性，應該客觀看待此類問題。為此，我們應該通過努力不斷改進技術、完善功能，傳統與現代科技相結合，爭取更準確更高效更全面地實現早期識別，提高開展地質災害風險調查評價工作成果的科學性和準確性，提供直觀的數據模型，為地方政府制定地質災害應急預案、有序有效開展地質災害防災減災和應急管理工作提供權威的災害風險信息和科學決策依據，進一步提升地區地質災害綜合防災減災能力。