無人機航測在滑坡快速調查與分析中的應用研究

杜朋召 齊菊梅 羅延婷 牛貝貝

摘 要：為實現滑坡的快速調查與應急影響評價，以某水電站庫岸1#滑坡為例，利用無人機航空攝影測量技術，獲取滑坡體的高清影像，通過影像處理和地質解譯，得到滑坡體的地形與地質數據，進而通過Itascad與Catia三維建模平臺構建滑坡體的地質模型和計算模型，最后采用有限元強度折減法對1#滑坡進行了穩定性分析計算。結果表明：基于無人機影像獲取的滑坡地形、地質數據是合理的，有限元穩定性分析計算結果與滑坡現場實際變形情況基本一致，無人機航測能夠為滑坡災害的快速調查與應急分析決策提供科學依據。

關鍵詞：無人機;攝影測量;地質災害;滑坡

中圖分類號：P642.2;TU457文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.033

引用格式：杜朋召，齊菊梅，羅延婷，等.無人機航測在滑坡快速調查與分析中的應用研究[J].人民黃河，2021，43（1）：161-164.

Landslide Geological Survey and Stability Analysis Based on UAV Photogrammetry

DU Pengzhao， QI Jumei， LUO Yanting， NIU Beibei

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：In order to realize the rapid investigation and emergency impact assessment of landslides， taking No.1 landslide on the bank of a hydropower station as an example， using drone aerial photogrammetry technology， the high-definition images of the landslide were obtained， and the terrain and geological data of the landslide were obtained through image processing and geological interpretation. Then， through the three-dimensional modeling platform of Itascad and Catia， the geological model and calculation model of the landslide were constructed. Finally， the stability of the No.1 landslide was analyzed and calculated by using the finite element strength reduction method. The results show that it is reasonable to obtain landslide terrain and geological data based on UAV images， and the finite element stability analysis results are basically the same as the actual deformation situation on the landslide. UAV aerial survey can provide scientific basis for the rapid investigation and emergency analysis of landslide disasters.

Key words： unmanned aerial vehicle; photogrammetry; geological hazard; landslide

1 引 言

無人機航測通過無人機搭載高分辨率攝影相機，快速獲取作業區域的高清影像，通過影像處理和信息提取，得到測區地形與地物數據。無人機航測具有機動靈活、快速高效、作業成本低、使用范圍廣、操作維護簡單等特點，在獲取小區域高分辨率影像方面具有明顯優勢。

隨著輕型低空無人機技術的不斷發展，利用無人機進行地質調查的研究和應用逐漸增加。其中：高姣姣[1]開展了高精度無人機遙感地質災害調查應用研究，初步建立了無人機航測遙感數據“獲取—處理—應用”的完整作業流程;楊力龍[2]開展了基于輕小型無人機的航空攝影測量技術在高陡邊坡幾何信息勘查中的應用研究，并對大寧河和永順隧道危巖體進行穩定性分析評價;張啟元[3]、王帥永[4]利用無人機航測技術開展了遙感影像處理與地質災害解譯的研究;黃海峰等[5]提出了引入小型無人機遙感的滑坡應急治理勘查設計方法，在某邊坡崩滑項目中開展了實際應用;巨袁臻[6]開展了基于無人機攝影測量技術的黃土滑坡早期識別研究;賈曙光等[7]基于無人機攝影測量技術實現了高陡邊坡巖體產狀的數字化測量。雖然基于無人機影像的數據處理和地質解譯應用較多，但將攝影測量應用于滑坡快速調查和穩定性分析還相對較少，目前還缺乏一套相對完整的方法流程。

筆者基于無人機攝影測量技術，以青海省某水電站庫岸滑坡為例，利用無人機攝影測量獲取區域高清地表影像，通過影像處理和地質解譯，得到滑坡體的地形和地質信息，進而開展三維地質模型構建和穩定性分析計算，實現對滑坡發展趨勢的快速評價。

2 滑坡區概況

滑坡區位于青海省某水電站庫區右岸，距離大壩約1.4 km。地形為黃河上游峽谷區，是黃土高原與青藏高原的過渡帶，地勢總體由西南向東北傾斜。區內高程在2 100～3 000 m之間，地形總體為上緩下陡，上部黃土邊坡自然坡度在5°～35°之間，局部因公路開挖近乎直立;下部庫岸基巖邊坡坡度在35°～45°之間，坡高200～300 m，地形地貌見圖1。

滑坡區地處祁連地槽褶皺系的祁連中間隆起帶南側，其南界為青海南山—天水斷裂帶，北靠祁連—海源構造帶。滑坡部位地質條件相對簡單，構造發育程度較低，地表未見大的斷層或構造裂隙，巖體內發育的結構面主要為新近紀泥巖、泥質砂巖的巖層層理和前震旦系片麻巖的原生片麻理面。地下水主要類型為松散層孔隙水，以降雨和林場澆灌補給為主。

已有勘測資料表明，區內地層主要為前震旦系變質巖，三疊系與白堊系砂巖、板巖，新近系砂巖、泥巖及第四系風成黃土等。其中，第四系風成黃土厚度約40 m，是滑坡發育的主要地層，黃土層內垂直節理發育，具有一定的滲透性，地表降雨及人工灌溉易沿黃土節理下滲，于相對隔水的泥巖頂面富集，附近已有的黃土滑坡滑面多位于該部位。

水電站建成運行以來，受庫水位升降、降雨、人工灌溉及庫區道路修建等因素的影響，壩前右岸出現多處規模不等的滑坡體。其中，1#滑坡體規模較大，前緣已發生多次垮塌，后緣張拉裂縫顯著，且距離大壩較近，一旦發生整體失穩滑動，產生的壅浪將對大壩構成嚴重威脅。為快速實現滑坡體應急影響評價，利用無人機攝影測量技術，通過無人機航測與影像處理，快速獲取滑坡體地形、地質數據，并開展滑坡穩定性分析計算，為工程應急決策提供科學依據。

3 無人機航測與影像處理

3.1 高清影像獲取

為了快速獲取1#滑坡體地形數據及高清地表影像，采用小型四旋翼電動無人機進行攝影測量。該無人機搭載2 000萬像素影像傳感器，像元尺寸為2.53 μm。為了保證航拍影像具有較高的地面分辨率，根據地形高程變化，設置航拍高度為150 m，平均地面分辨率為3～5 cm。航測設置航向重疊率為80%，航帶間重疊率為70%，共計22條航線，飛行距離約14 km，航拍面積為2.1 km2，共獲取航拍照片412張。

3.2 影像數據處理

獲取1#滑坡體航測影像之后，利用影像資料進行數據處理，影像數據處理包括數據預處理和數據后處理兩部分。首先，對影像數據進行預處理，預處理包括影像數據下載、飛行質量檢查、相機標定等;預處理完成后，將影像導入無人機影像處理軟件，進行圖像拼接處理，生成滑坡區DEM與DOM，結果見圖2和圖3。

利用滑坡體DEM數據，在三維建模軟件中生成地形面，用于滑坡體地形建模。利用滑坡體DOM影像，通過影像地質解譯可快速開展滑坡地質調查，獲取滑坡特征及相關地質數據，用于滑坡體地質建模與穩定性分析。

3.3 影像地質解譯

根據影像處理結果可知，1#滑坡體整體呈“長齒”狀，長度約580 m，寬度約310 m，后緣高程約2 710 m，前緣高程約2 580 m，高差約130 m。滑坡體按地表滑動跡象，可分為A、B兩個區域，其中：前緣A區長約300 m，自然坡度10°～35°，滑動跡象顯著，地表存在大量張拉裂縫;后緣B區長約280 m，地形相對較緩，自然坡度10°～15°，地表裂縫零星出露，見圖4。

A區前緣臨近沖溝附近，存在一處滑塌區，滑塌區長度約80 m，寬度約50 m，分布高程2 530～2 580 m。滑塌區的物質成分主要為風積黃土，下部泥巖滑床相對穩定。從滑塌斷面出露地層推測，上覆黃土厚度為20～30 m。A區黃土表面存在大量下錯裂縫，裂縫寬度3～20 cm，深度0.1～0.8 m，裂縫總體呈弧形分布。A區前緣至后緣，裂縫長度逐級擴大，深度有所減小。

B區滑動跡象相對不明顯，地表僅局部地區存在細小裂縫，裂縫寬度0.5～3.0 cm，深度0.1～0.3 m。B區前緣部分裂隙密度相對較大，后緣裂縫密度較小，裂縫長度與規模均有減小趨勢。

4 模型構建與穩定性分析

4.1 模型構建

在上述工作的基礎上，利用無人機影像處理得到滑坡體DEM數據，在Itascad三維地質建模平臺中構建地表模型。利用從影像中解譯的滑坡邊界數據及推測的黃土厚度，結合已有勘測資料，構建黃土底界面模型，實現滑坡三維地質模型的快速構建。

基于滑坡體三維地質模型，在Catia平臺上通過布爾運算構建滑坡體模型，并通過網格剖分，形成用于有限元計算的網格模型。滑坡體三維有限元計算模型構建流程見圖5。

4.2 計算模型與參數取值

根據構建的滑坡體計算模型，采用Flac3d軟件開展滑坡穩定性分析。計算模型范圍取順坡向長900 m，垂直滑坡向長1 000 m，模型底高程取2 100 m。模型網格采用四節點四面體單元，劃分后的單元總數為512 891，節點總數為102 197。為重點突出分析對象，滑坡范圍內模型分黃土、滑帶和基巖三層，滑坡范圍以外視為穩定基巖區。

依據原有試驗結果與相關工程經驗，計算參數取值見表1。有限元計算時，材料本構模型采用摩爾-庫侖理想彈塑性模型。

4.3 結果分析

在滑坡體變形穩定分析時，選擇有限元強度折減法進行計算[8-9]，計算中主要考慮土體自重應力，天然工況下滑坡三維穩定性分析結果見圖6。從圖6可知，滑坡變形主要集中于A區及以上局部區域，受地形控制，A區上部和下部地形較陡，變形較大，中間部分區域地形相對平緩，變形較小。

采用強度折減法自動搜索最不利滑面，得到滑坡穩定性系數為0.97，整體處于欠穩定狀態。計算過程中，變形首先出現在A區前緣臨近沖溝部位，然后向上逐漸發展;B區整體處于穩定狀態，僅臨近A區部位存在局部變形。

由計算結果可知，滑坡體的滑動模式并非前后變形一致的整體滑動，而是在蠕滑變形過程中，由陡向緩、由表及里逐級滑動，這與滑坡實際變形情況基本一致。

5 結 論

（1）以某水電站庫岸1#滑坡體為例，利用無人機攝影測量技術，實現了滑坡體高清地表影像的快速獲取，然后通過影像處理和地質解譯，便捷、快速地獲取了滑坡的地形與地質信息。

（2）利用無人機影像獲取的滑坡體數據，通過三維建模平臺Itascad與Catia，構建滑坡體地質模型和計算模型，形成了基于無人機航測快速生成滑坡分析計算模型的數據流程。

（3）基于影像數據構建的滑坡體計算模型，采用有限元強度折減法，進行了穩定性分析計算，結果與滑坡實際變形情況基本一致，表明無人機航測在滑坡快速調查與分析中的應用是可行的，能夠為滑坡災害的應急決策提供科學依據。

參考文獻：

[1] 高姣姣.高精度無人機遙感地質災害調查應用研究[D].北京：北京交通大學，2010：31-35.

[2] 楊力龍.基于輕小型無人機的航空攝影測量技術在高陡邊坡幾何信息勘察中的應用研究[D].成都：西南交通大學，2017：76-88.

[3] 張啟元.無人機航測技術在青藏高原地質災害調查中的應用[J].青海大學學報，2015，33（2）：67-72.

[4] 王帥永.無人機在強震區地質災害精細調查中的應用研究[J].工程地質學報，2016，24（4）：713-719.

[5] 黃海峰，武易，張國棟，等.引入小型無人機遙感的滑坡應急治理勘查設計方法[J].防災減災工程學報，2017，37（1）：99-104.

[6] 巨袁臻.基于無人機攝影測量技術的黃土滑坡早期識別研究[D].成都：成都理工大學，2017：27-36.

[7] 賈曙光，金愛兵，趙怡晴.無人機攝影測量在高陡邊坡地質調查中的應用[J].巖土力學，2018，39（3）：1130-1136.

[8] 鄭穎人，張玉芳，趙尚毅，等.有限元強度折減法在元磨高速公路高邊坡工程中的應用[J].巖石力學與工程學報，2005，24（21）：14-19.

[9] 劉明維，鄭穎人.基于有限元強度折減法確定滑坡多滑動面方法[J].巖石力學與工程學報，2006，25（8）：1544-1549.

【責任編輯 張 帥】