無人機航測系統在滑坡應急中的應用

葉偉林，宿 星，魏萬鴻，吳瑋江，閆 潔

(1. 蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000； 2. 甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000； 3. 蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州 730000)

無人機航測系統在滑坡應急中的應用

葉偉林1,2，宿 星1,2，魏萬鴻2，吳瑋江2，閆 潔3

(1. 蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000； 2. 甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000； 3. 蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州 730000)

2017年2月19日3：45左右，甘肅省永靖縣黑方臺羅家坡發生滑坡。針對滑坡災害應急過程中對滑坡滑體厚度和體積精確計算的難題，本文采用無人機航測系統，獲取滑坡前后的高精度DEM數據源，并結合現場調查，精確計算出滑坡堆積區厚度的分布情況。研究結果表明，羅家坡2#滑坡長525 m，總面積約5.65×104m2，滑坡體總體積約14.7×104m3，最大滑距為368 m，滑坡剪出口位于第四系上更新統沖積粉質黏土頂部，堆積區最大埋深8.35 m，位于滑坡滑舌的西南側。根據DOM影像和現場調查，該滑坡危害對象以農田和水渠為主，無房屋受損和人員傷亡，本文通過引入無人機航測系統為滑坡應急搶險救災提供了一種新的研究方向。

無人機；黑方臺；滑坡；應急搶險

Abstract： At about 3:45 am on February 19，2017，a landslide occurred at Luojiapo in Heifangtai Yongjing County，Gansu Province.In order to solve the problem of landslide thickness and volume calculation in the process of landslide disaster，this paper adopts the Sirius PRO UAV，the high resolution DEM data source before and after the landslide is obtained，and then the distribution of the thickness of the landslide accumulation area is calculated accurately combined with the field investigation.The results show that the length of the Luojiapo 2# landslide is 525 m，the total landslide area is about 5.65×104m2，the total volume of landslide is about 14.7×104m3，the maximum slide distance is 368 m，and the landslide shear outlet is located in the top surface of the silty clay of Upper Pleistocene Quaternary.The maximum buried depth of deposition zone is 8.35 m，located in the southwest side of the landslide tongue.According to the DOM image and the field investigation，the farmland and canal is the landslide hazard object，and there is no housing damage and casualties.This paper introduces a new research direction for the landslide emergency rescue and rescue by UAV.

Keywords： UAV；Heifangtai；landslide；emergency rescue and relief

無人機航測系統是以無人機為飛行平臺搭載傳感器設備獲取地面遙感信息的遙感測量方式。該系統具有作業靈活、高效、精度高、受各類因素影響小等優點，隨著信息技術的發展及各種新型傳感器的問世，無人機的性能和其用于航空攝影測量的精度不斷提高，是傳統遙感手段的重要補充[1]。

中國是一個滑坡災害極為頻繁的國家，尤其是在中國的西部地區[2]。滑坡災害應急搶險救災的過程中，搶救受災人群時需要準確判斷受災區域的滑體厚度和滑坡體積。傳統的滑坡體積主要從以下幾個方面進行計算：①采用平均厚度乘以滑坡的面積，該方法針對厚度較為均勻的滑坡相對適應，在大部分情況下結果與實際相差較大；②通過典型的滑坡剖面和滑坡平面形狀來計算，由于滑坡體的堆積厚度差別較大，通過單一或多條剖面的厚度和形態來代替滑坡整體的幾何形態計算誤差較大[3]；③經驗公式，通過數學統計的方法，建立滑坡的其他指標與體積之間的關系[4]，建立滑坡體積計算經驗公式。滑坡堆積體與滑坡類型、臨空條件及物質組成等均有很大的關系，此類經驗公式受樣本的限制適用性也受到了質疑。傳統的滑坡體積的計算方法不能滿足滑坡災害應急搶險中快速、準確、高效的要求。

近年來，無人機航測系統在地質災害調查中已得到了廣泛地應用。曾濤等[5]于2009年開展了無人機低空遙感影像處理在汶川地震地質災害信息快速勘測中的應用研究，許強等[6]通過低空攝影測量對黑方臺地區開展了黃土滑坡特征和成因機理的研究。滑坡地質災害頻發，嚴重威脅人民群眾的生命和財產安全，且災害損失觸目驚心，阻礙區域經濟的發展。本文嘗試將無人機航測技術引入到滑坡災害應急搶險中，為應急搶險救災提供有力的科學技術支撐。

1 無人機航測系統原理和結構

無人機航測系統主要由3部分組成:空中部分、地面控制和數據后處理部分。空中部分包括飛行平臺、飛行控制系統及GPS實時動態差分系統；地面控制包括航線規劃、無人機地面控制及數據顯示系統；數據后處理部分包括數據預處理及相應數據圖件制作。

1.1 飛行平臺

本次采用的無人機攝影測量系統為美國Sirius PRO固定翼無人機，機身為EPO泡沫，機長1.2 m，翼展1.63 m，起飛重量2.7 kg，相機為松下GX1，1600萬像素，焦距為14 mm。

1.2 飛行控制系統

無人機飛行控制系統集成高精度RTK與IMU，在地面假設RTK基站，通過電臺RTK基站將差分改正實時傳輸至無人機，整合精密測時技術及RTK技術來確定每一張照片準確的位置，使相片位置信息實現和地面控制點同樣的功能。具備自動駕駛模塊，能夠自動適應地形飛行，具有多種應急處理措施。

1.3 航線規劃

本文滑坡災害區位于黑方臺南緣斜坡區，地勢開闊、地形平坦，本次采用“之”字形航線設計。在地面控制軟件MAVinci Desktop中設置地面分辨率為8 cm，航向重疊度為60%，旁向重疊度為85%，在航線設計時采用地形匹配，從而提高飛行效率，單次飛行無法覆蓋的區域，飛行計劃能自動對任務進行最佳分割并在后處理中自動合并數據。航向規劃設計好后，通過連接器將航向上傳至飛控系統，無人機由自控系統根據航線對飛機飛行姿態進行控制，并實時將飛行數據傳輸給地面控制平臺。

1.4 數據后處理系統

數據后處理采用Agisoft PhotoScan軟件，無需設置初始值，僅需在軟件中選擇處理精度，其余過程不需要人工干預就能獲取高精度數字高程模型(DEM)、數字地面模型(DTM)、正射影像(DOM)和三維模型數據。開展羅家坡2#滑坡發生前后的體積變化對比分析時，需要計算生成滑坡前后的DEM數據。

2 數據獲取方法及處理原理

2.1 數據獲取方法

采用無人機航測系統獲取羅家坡2#滑坡滑動前和滑動后航攝影像數據，再通過Agisoft PhotoScan對獲取的影像數據、POS數據及基站坐標進行無控空三加密，生成DEM和DOM數據。通過ArcGIS軟件中的挖填方模塊對滑動前后的DEM數據進行疊加運算，生成滑坡滑動前后地貌變化成果圖。整個數據獲取和處理過程如圖1所示。

圖1 無人機滑坡應急應用技術路線

2.2 數據精度分析

周磊[7]、王立陽等[8]通過在丘陵地區和建筑密集區對Sirius PRO無人機攝影航測系統的精度進行檢測，檢測結果為DEM高程點檢測點高程中誤差為0.085～0.186 m，DOM平面檢查點平面中誤差為0.076 2～0.102 m，均能滿足1∶500大比例尺的測圖精度。

2.3 ArcGIS計算滑坡體積的原理

ArcGIS計算滑坡體積是以DEM為基礎，通過DEM疊加找出滑坡塬區和堆積區邊界,再對每個區域通過多次建模求體積差來統計每一個減少和增加的土方量,最后統計分析出整個滑坡的坡體體積[9]。較之傳統的土方量計算法具有簡單、快速和精度高等優勢。

3 實例介紹

3.1 滑坡區區域概況

2017年2月19日3：45左右，甘肅省永靖縣黑方臺羅家坡發生2#滑坡，羅家坡2#滑坡位于黃河北岸的黑方臺南緣斜坡區，屬黃河Ⅳ級基座階地，黑方臺臺面平整開闊，總面積13.44 km2，臺面高程1720 m。其南緣直接與Ⅱ級階地相接，Ⅱ級階地后緣高程1610 m，高差達110 m，上陡下緩，上部坡度為36°～45°，下部為15°，平均坡度約27°。該斜坡近年來滑坡頻發，近5年已經連續發生幾處滑坡，在該滑坡的西側30 m處為2015年4月29日發生的羅家坡1#滑坡(如圖2所示)。

研究區屬半干旱氣候區，年內降水分配不均，7—9月雨季降水量約占全年降水總量的70%～80%，年降水量僅為316 mm，蒸發量為1689 mm。因此，天然條件下地勢較高的黑方臺地區地下水不甚發育，僅在個別溝谷中有少量的咸水泉，年排泄總量約為3.2×104m3。20世紀60年代中期，為安置劉家峽等庫區移民，在黑方臺建成了提水灌溉工程，灌溉面積[10]為753 hm2，年提水量600×104～800×104m3。

由于長期大水漫灌，致使大量水體滲入地下，地下水位逐年上升，目前在黃土底部及卵石層形成了厚20～30 m的含水層，并在臺緣一帶以泉的形式排泄。

圖2 滑坡前后的正射影像圖對比圖

3.2 滑坡特征

羅家坡2#滑坡總長525 m，總面積5.65×104m2，滑坡總體積約14.7×104m3，總體呈南北向，寬度變化較大，北部寬65～120 m，中部寬52～90 m，南部寬90～170 m，滑坡平均寬105 m，滑坡后緣高程為1 720.0 m，前緣高程為1 600.5 m，高差119.5 m，滑坡滑動方向為197°，最大滑距368 m，滑坡長寬比達6.7，屬典型的長條形滑坡(如圖2、圖3所示)。

圖3 羅家坡2#滑坡剖面圖

羅家坡2#滑坡發育在黑方臺臺緣斜坡的上部，滑體主要由上更新統馬蘭黃土和粉質黏土組成，較為均一，由于歷史上發生多次滑動的原因，滑坡堆積體上馬蘭黃土和粉質黏土呈多次相間分布的特點，結構破碎和疏松，滑體總體為灰黃色。

在滑坡發生前后通過無人機對該區域進行的地面分辨率為8 cm的航測，獲得了滑動前后兩期高精度的DEM高程模型數據(如圖4所示)，前后兩期的DEM坐標統一為1980西安坐標。周磊[7]、王立陽[8]、狄桂栓[11]及楊堯蘭[12]等學者對Sirius PRO無人機航測系統的不同地面分辨率的精度進行了檢驗，測量精度均滿足《1∶500、1∶1000、1∶2000比例尺地形圖航空攝影規范》(GB/T 6962—2005)的要求。

圖4 滑坡前后的DEM對比

3.3 滑坡體積計算

滑坡發生后，根據滑體體積變化分成滑坡塬區和滑坡堆積區，滑坡塬區的物質在力的作用下滑動至滑坡堆積區，滑坡塬區的體積減小，滑坡堆積區的體積增大，滑坡的體積計算精度關鍵取決于滑坡的地貌數據的精度。

ArcGIS計算滑坡體積基本原理是通過在滑坡區劃分柵格單元，根據前后兩期的高程變化計算出每一個柵格單元的體積變化，最后統計出整個滑坡區的體積變化。其計算精度主要取決于柵格大小，柵格大小由點云數據的精度決定，為了能夠準確計算滑坡的滑體厚度和體積的變化，本文采用面積為0.2 m×0.2 m的柵格對研究區進行計算。

使用ArcGIS軟件中的柵格表面(Surface Analysis)-填挖方(Cut/Fill)工具計算出滑坡前后高度變化圖(如圖5所示)。其中挖填之前柵格表面(Before surface)選擇滑坡滑動前的DEM，挖填之后柵格表面(After surface)選擇滑坡滑動后DEM,Z因子(Zfactor)輸入1。

3.4 滑坡體積變化特征及危害對象

通過計算得出滑坡源區位于北部黑方臺臺面區和斜坡上部，在塬面上形成類似于馬鞍形的凹槽，深12～23.67 m，南北長113 m，東西寬125～170 m，滑坡后壁高度14.5 m，坡度60°～74°，上部近直立。滑坡剪出口位于上更新統沖積粉質黏土頂部，高程1 690.3 m，與后緣高差29.7 m，主滑動面傾角9°左右。通過DEM前后對比計算滑坡塬區體積變化為86 871.0 m3，柵格共360 823個，由于滑坡塬區底部還存在一部分松散堆積體，根據剖面圖(如圖3所示)，計算平均厚度1 m，滑坡塬區面積為14 420 m2。因此滑坡塬區總滑動體積約10.13×104m3，總堆積體積約為14.7×104m3。

圖5 羅家坡2#滑坡前后高度變化

滑坡通道區主要位于剪出口下部斜坡地段，原地形為老滑坡的滑動通道區，長180 m，寬52～90 m狹窄滑動通道區，高差57 m，平均坡度18.3°，為滑坡土體的重要滑動通道和加速地段。滑坡通道區面積為15 984 m2。

滑坡堆積區位于南部Ⅱ級階地區，南北長255 m，東西寬度90～170 m，滑體表面平均坡度7.8°。堆積區體積變化為132 602.7 m3，堆積區柵格共651 379個，面積為26 043 m2。滑舌沖出扇形滑體后，受西側坡體的限制，滑體向東側擴散，南部滑體寬度明顯增加。長舌形滑坡堆積區與扇形滑坡堆積區兩側的剪切邊界非常明顯，延伸很長而且方向穩定。堆積區最大埋深位于滑坡的滑舌的西南側，埋深厚度在4～8.35 m，平均厚度為5.2 m，該區危害對象主要以農田為主，農田約為1.2 hm2；堆積區東側埋深厚度為1.5～3.9 m，平均厚度2.2 m，危害對象以農田和排水渠為主，農田約為0.47 hm2，水渠長290 m。堆積區無房屋受損和人員傷亡。

4 結 語

無人機航測系統具有作業靈活、高效、精度高、受各類因素影響小等優點。通過滑坡前后的高精度DEM數據源，對羅家坡2#滑坡滑動前后地形地貌進行了對比分析，結合野外現場調查，對滑坡塬區、滑動通道區和滑坡堆積區進行了詳細研究。研究結果表明，羅家坡2#滑坡是在老滑坡的基礎上產生滑動，滑坡總長525 m，總面積5.65×104m2，滑坡總體積約14.7×104m3，最大滑距368 m，剪出口位于上更新統沖積粉質黏土頂部，堆積區最大埋深8.35 m，位于滑坡的滑舌的西南側。

滑坡發生后，通過無人機航測系統可以快速生成災害現場高分辨率DOM影像圖,借助無人機DOM影像可以輔助滑坡災害發生后進行定損和災后救援工作，彌補了傳統線畫圖的可視化效果不佳的缺陷，能夠滿足災后救援工作快速、準確、高效的要求。

[1] 趙星濤，胡奎，盧曉攀，等.無人機低空航攝的礦山地質災害精細探測方法[J].測繪科學，2014，39(6):49-52.

[2] 黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發生機制[J].巖石力學與工程學報，2007，26(3):433-454.

[3] 殷躍平，成余糧，王軍，等.汶川地震觸發大光包巨型滑坡遙感研究[J].工程地質學報，2011，19(5):674-684.

[4] 杜娟，殷坤龍，王佳佳.基于有限體積法的滑坡-碎屑流三維運動過程模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2015，34(3):480-488.

[5] 曾濤，楊武年，簡季.無人機低空遙感影像處理在汶川地震地質災害信息快速勘測中的應用[J].測繪科學，2009，34(S2):57-67.

[6] 許強，彭大雷，亓星，等.2015年4.29甘肅黑方臺黨川2～#滑坡基本特征與成因機理研究[J].工程地質學報，2016，24(2):167-180.

[7] 周磊，梁爽，李海泉，等.無人機航攝系統在復雜地形應用的關鍵技術試驗[J].測繪通報，2017(4):85-88.

[8] 王立陽.天狼星航空測圖系統在高速公路帶狀地形圖測繪的應用研究[J].礦山測量，2017，45(1):91-94.

[9] 李春梅，景海濤.基于ArcGIS的土方量計算及可視化[J].測繪科學，2010，35(2):186-187.

[10] 吳瑋江，葉偉林，姚正學，等.甘肅永靖黑方臺4·29羅家坡黃土滑坡的特征[J].冰川凍土，2016，38(3):662-670.

[11] 狄桂栓，沈彪群，高波，等.免像控無人機航攝系統在公路帶狀地形測量中的應用與精度分析[J].測繪通報，2017(2):159-160.

[12] 楊堯蘭.天狼星無人機攝影測量系統在大比例尺成圖中的應用研究[D].昆明：昆明理工大學，2016.

ApplicationofUAVAerialPhotographSysteminEmergencyRescueandReliefforLandslide

YE Weilin1,2，SU Xin1,2，WEI Wanhong2，WU Weijiang2，YAN Jie3

(1. College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China; 2. Geological Hazards Prevention Institute，Gansu Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China； 3. Lanzhou Resources and Environment Voc-Tech College，Lanzhou 730000，China)

P23

A

0494-0911(2017)09-0070-05

2017-08-07

甘肅省科學院青年基金(2013QN-13)；甘肅省科學院應用研發項目(2014JK-04)；甘肅省青年基金(145RJYA314)；國家自然科學基金(41362014)；甘肅省科技廳民生計劃項目(1209FCMA012)

葉偉林(1986—)，男，博士生，助理研究員，研究方向為地質災害防治。E-mail:yeweilin@vip.qq.com

宿 星。E-mail: geocity@163.com

葉偉林，宿星，魏萬鴻，等.無人機航測系統在滑坡應急中的應用[J].測繪通報，2017(9)：70-74.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0290.