無人機在重大地質(zhì)災害應急調(diào)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(qū)是地質(zhì)災害的高發(fā)區(qū)，2017-2018兩年間發(fā)生的幾起重大地質(zhì)災害事件造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，引起國內(nèi)外及社會各界的廣泛關注。應急調(diào)查是地質(zhì)災害應急處置的關鍵和基礎，但傳統(tǒng)的地質(zhì)災害應急調(diào)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(zhì)災害應急調(diào)查中有獨特的優(yōu)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(zhì)災害應急調(diào)查數(shù)據(jù)獲取及處理流程，重點介紹無人機三維數(shù)字地形產(chǎn)品在地質(zhì)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(zhì)災害的應急調(diào)查提供更加科學、高效的現(xiàn)場影像采集和遙感成果處理方案，不僅降低了調(diào)查人員的勞動強度和作業(yè)風險，還大大提高了地質(zhì)災害應急調(diào)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(shù)據(jù)支撐，科學有效地保證了現(xiàn)場施工救援人員的安全。隨著無人機航攝系統(tǒng)性能的不斷完善，數(shù)據(jù)處理新方法、新工藝等技術手段的不斷提升，無人機在地質(zhì)災害應急調(diào)查領域?qū)碛袕V闊的應用前景。

研究背景

中國是一個地質(zhì)災害極為頻繁的國家。據(jù)自然資源部資料顯示，僅2017-2018年兩年就發(fā)生地質(zhì)災害超過1萬起，造成464人死亡或失蹤、200多人受傷，直接經(jīng)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(zhì)災害，不僅造成慘重的生命財產(chǎn)損失，還引起國內(nèi)外及社會各界的廣泛關注。

災害發(fā)生后的應急調(diào)查作為地質(zhì)災害應急處置的首要和基礎環(huán)節(jié)，必須突出快且高效，即需在盡量短的時間內(nèi)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(zhì)災害高發(fā)的西南地區(qū)，由于河谷深切、谷坡高陡、植被茂密，傳統(tǒng)的應急調(diào)查靠地質(zhì)人員進行地面調(diào)查，不僅工作強度大、效率低、風險大，甚至個別區(qū)域根本無法達到，很難在短時間內(nèi)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(zhì)災害應急調(diào)查提供了更加科學高效的現(xiàn)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(fā)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(zhì)災害數(shù)據(jù)、財產(chǎn)損失評估、災后重建和生產(chǎn)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(fā)生后，地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)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(xiàn)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(yè)面積等制定相應的航測計劃，保證航拍數(shù)據(jù)具有較高的精度和分辨率，航線規(guī)劃一般根據(jù)地形高程變化設置2-3個航拍高程。數(shù)據(jù)獲取后立即采用高性能計算機集群聯(lián)機處理并行計算，利用Pix4d Mapper軟件對獲取的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)進行無控空三加密，獲得高分辨率數(shù)字地表模型（ DSM）和數(shù)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(lián)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(shù)字地形產(chǎn)品，可以快速360。無死角地展現(xiàn)地質(zhì)災害體及周圍的真實場景，清晰展現(xiàn)地質(zhì)災害體的類型、規(guī)模、區(qū)域范圍、所處的地形及地貌，準確地辨識出地質(zhì)災害體的形態(tài)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(zhì)災害提供三維參數(shù)，結合地面調(diào)查及監(jiān)測資料，就能快速解譯和評估災害體特征及影響，為現(xiàn)場調(diào)查和分析研判提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

無人機在重大地質(zhì)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(zhèn)新磨村新村組后山山體發(fā)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(nóng)房和1500m道路，堵塞河道1000m，導致10人死亡、73人失蹤，引起國內(nèi)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(shù)據(jù)獲取后立即采用高性能計算機集群聯(lián)機處理并行計算，在數(shù)據(jù)下載完成后3小時獲得高分辨率數(shù)字地表模型DSM）和數(shù)字正射影像圖（DOM）。

通過無人機航拍獲取的影像數(shù)據(jù)，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(qū)所在位置東經(jīng)103°39′46″，北緯32°4′47″，垮塌區(qū)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(fā)生后，為確保搶險救援工做在黃金時間內(nèi)順利開展，現(xiàn)場應急專家組的主要任務之一就是強化監(jiān)測預警，確保不發(fā)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(qū)東、西兩側還分別殘留存在新變形裂縫的欠穩(wěn)定巖體見圖3，在滑坡區(qū)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(wěn)定性最差，對下游現(xiàn)場救援人員造成極大威脅，因而得到相關部門和現(xiàn)場專家組的高度重視，成為現(xiàn)場監(jiān)測預警的主要對象。

（1）西側欠穩(wěn)定巖體。

滑源區(qū)西側的欠穩(wěn)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(wèi)星影像、滑坡后航拍數(shù)據(jù)均顯示該部位在滑坡發(fā)生前后均產(chǎn)生過變形裂縫。短時間內(nèi)失穩(wěn)可能性較小見圖4左圖。

（2）東側欠穩(wěn)定巖體。

在滑源區(qū)東側上部也殘留有一個欠穩(wěn)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(wěn)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(lián)結。綜合判斷易發(fā)生局部掉塊，整體失穩(wěn)可能性不大。

（3）西側變形體。

西側變形體平面形態(tài)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(xiàn)場應急搶險過程中，西側變形體被認為是整個滑坡區(qū)穩(wěn)定性最差，對下游現(xiàn)場救援人員安全威脅最大的巖體，因此得到相關部門和現(xiàn)場專家組的高度重視。

金沙江白格滑坡

雖然無人機在地質(zhì)災害應急調(diào)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(xù)進行，單次飛行數(shù)據(jù)將無法準確獲取滑坡體積等關鍵數(shù)據(jù)，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(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室相關人員立即趕赴現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)場分析研判提供了重要數(shù)據(jù)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(qū)和鏟刮區(qū)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(qū)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(nèi)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(qū)兩側及后緣斜坡產(chǎn)生了大量新生裂縫，在導流槽開挖過程中滑坡區(qū)經(jīng)常發(fā)生小規(guī)模垮塌。11月5-8日，滑坡后緣產(chǎn)生了abc三個強烈形變區(qū)，均存在明顯的垮塌和堆積現(xiàn)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(fā)現(xiàn)斜坡后緣的形變區(qū)域并且能定量表征變形區(qū)域的形變量，為斜坡的形變監(jiān)測提供靶點，從而有針對性地布設專業(yè)監(jiān)測儀器。現(xiàn)場專家組通過對現(xiàn)場實時傳回的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行不斷的分析研判，一旦預判某部位可能發(fā)生較大規(guī)模的垮塌，就立即發(fā)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(xiàn)場監(jiān)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(tǒng)獲取的高精度、高分辨率DSM、DEM和DOM，可對地質(zhì)災害的體形態(tài)分布特征及所處區(qū)域的微地貌特征實現(xiàn)精確描述，精確提取地質(zhì)災害體的屬性信息，不僅降低了調(diào)查人員的勞動強度和作業(yè)風險，也大大提高了地質(zhì)災害應急調(diào)查的工作效率。

另外，通過連續(xù)航拍獲得的影像及三維模型，不僅可以對災害體進行監(jiān)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(fā)現(xiàn)斜坡后緣存在的形變區(qū)域并且能定量表征形變區(qū)域的形變量，為專業(yè)監(jiān)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(shù)據(jù)支撐。

習近平總書記在2018年10月中央財經(jīng)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(diào)加強地質(zhì)災害隱患排查和監(jiān)控的重要性。而無人機在地質(zhì)災害隱患的早期識別、隱患排查、應急調(diào)查、搶險救災等方面表現(xiàn)卓越，同時其航攝系統(tǒng)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(fā)展，未來將會更加適應惡劣天氣、復雜地形的作業(yè)環(huán)境;數(shù)據(jù)處理的新技術也在不斷提升，預示著無人機在地災領域?qū)碛袕V闊的市場前景。