基于無人機遙感影像的滑坡形態變形特征:以隴南白龍江流域瀉流坡滑坡為例

陳遠銘, 葉振南, 陳宗良*, 王高峰

(1.中國建筑材料工業地質勘查中心河北總隊, 保定 071051; 2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心, 保定 071051)

滑坡地質災害不僅會造成巨大的經濟損失,還會導致地表明顯的形變,及時準確地確定滑坡體地表位移,不僅是災害分析和研判的基礎,也是應急搶險及工程治理的決策依據[1-2]。隨著遙感技術的發展,高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率遙感數據解譯滑坡發育特征、形變特征成為眾多學者研究的熱點內容[3-6]。受限于滑坡發生時復雜的地形和環境條件影響,以國產高分系列為代表的高分辨率光學衛星有效數據仍相對匱乏[7],以Sentinel系列和Radarsat系列衛星為代表的SAR(synthetic aperture radar)衛星數據受地形疊掩效應和噪聲的制約[8],使得精細化的滑坡表面位移或高程變化等動態分析難以有序開展。

無人機遙感技術在獲取滑坡災害遙感數據過程中具有快速靈活、數據處理時間短、技術成本低及獲取的遙感影像時空分辨率高等優勢,在滑坡等地質災害調查、應急搶險等工作中應用日益廣泛,取得了良好的效果。郭晨等[9]通過建立白格滑坡多期次無人機影像及豎直位移差分模型分析了該滑坡多次滑動的方量并分析了其動力學特性;余宏明等[10]通過對無人機影像解譯,準確劃分出滑坡體各種形態要素,基于滑坡區域數字高程模型和滑坡體相關物理力學參數建立了GeoStudio 數值模型,利用SEEP/W 和SLOPE/W 模塊分別求解了鹽關滑坡滲流場和穩定性系數變化曲線;周成凱等[11]利用小型無人機合理規劃航線獲取數據,運用邊緣監測等手段識別危巖體結構面,并用赤平投影的方法分析其穩定性;陳天博等[12]利用北京市某滑坡無人機影像,基于模糊分類與SVM(support vector machine)算法的結合,采用面向對象的分類方法實現了研究區內疑似滑坡區域、道路、植被等信息的提取;葉偉林等[13]通過黑方臺羅家坡滑坡滑動前后數據,根據滑坡區內劃分的柵格單元,利用其高程變化計算滑坡的體積變化量,輔助滑坡災害發生后進行定損和災后救援工作。

尤其是通過無人機多次航攝,不僅可以獲得滑坡體各階段災害的基本信息,還可以通過將不同時段的高分辨率DSM(digital surface model)進行差分對比,精確的計算滑坡體的厚度、體積變化量等成果,很好地認識滑坡的滑前、滑后變形跡象和成災過程,為滑坡災害分析研判提供數據支撐。孔嘉旭等[14-15]利用無人機航攝測量技術獲取了黑方臺硅化廠黃土滑坡多期次、高精度點云數據,建立了時間序列點云差分模型,分析了該滑坡地表形態演化過程;彭大雷等[16]以無人機高精度點云數據為基礎,通過建立滑坡區柵格變化量來精確測算滑坡的體積量及體積整體膨脹系數等,該方法與傳統計算方法相比,精確度有了顯著提高;Darven等[17]利用高分辨率影像及高密度點云數據,依據計算機視覺原理,利用特征點云結合運動結構算法來創建滑坡數字表面模型,從而對單體滑坡細部變形演化過程進行研究。因此,在單體滑坡調查研究中,基于無人機攝影測量技術獲取滑坡區多期次地形變化數據,同時結合現場監測,能夠充分認識到滑坡的滑前、滑后變形跡象和成災過程。

2020年8—9月,隴南區域發生強降雨,瀉流坡滑坡滑源區及中部狹口段發生較大變形,存在老滑坡復活跡象,滑坡一旦發生,將直接威脅坡腳企事業單位、居民、道路交通安全,并存在堵塞白龍江的風險。期間,監測儀器GNSS(global navigation satellite system)部分損壞,加之監測數據不明朗,為預警信息發布帶來很大困擾,為此中國地質調查局水文地質環境地質調查中心組織專家攜帶無人機等設備開展了應急測繪工作,采集了滑坡滑動后的無人機數據?，F結合滑動前無人機數據,利用COSI-Corr(co-registration of optically sensed images and correlation,由加利福尼亞大學開發集成在ENVI中的軟件模塊)偏移量追蹤及DSM差分技術,精確地獲取了滑坡表面位移、體積變化等信息,為現場分析研判提供了重要的數據支撐。

1 滑坡概況及數據獲取

1.1 滑坡概況

瀉流坡滑坡位于隴南市武都區江南街道辦趙戶壩村,地理坐標:104°55′42.8″E,33°22′15.2″N,見圖1。該滑坡位于白龍江右岸,武都城區南山,平面上呈“沙漏”型,滑坡長約578 m,寬164 m,后緣高程1 310 m,前緣高程約975 m,高差335 m,平面面積8.5×104m2,平均坡度31°。瀉流坡滑坡主要物質成分為碎石土,土體松散干燥,碎石含量80%～90%,分選性差,碎石主要為片狀千枚巖碎屑和棱角狀灰巖塊碎石,粒徑2～10 cm,偶夾直徑達1 m的漂石顆粒,多呈棱角狀,其余部分由粉土、砂土填充。下伏地層為志留系千枚巖、板巖,坡腳碎石土堆覆在白龍江右岸Ⅱ級階地之上。瀉流坡滑坡是受迭部-白龍江斷裂控制、地震誘發形成的滑坡-碎屑流災害[18-19]。2009年、2011年、2018年、2021年,當地國土部門先后對該滑坡災害實施了局部治理工程,主要治理措施包括截排水、坡腳支擋、坡面整修、坡面綠化、防護網工程和抗滑樁。

1.2 數據獲取

于2020年6月14日(第一期)和2020年9月26日(第二期)使用FLB_80A型八旋翼無人機系統對瀉流坡滑坡采集了2期影像數據。FLB_80A無人機系統由飛行平臺、A3飛控系統、任務設備、地面站及數據鏈系統組成,任務設備為SONY α7全畫幅相機,鏡頭焦距35 mm?？紤]到滑坡高差較大,測區高差近400 m,為保證后期數據處理的精準性及成圖分辨率的一致性,采用橫切滑坡體精準地形跟隨飛行模式,相對航高300 m,地面分辨率5 cm,從上至下共布設10條航線,航線間隔120 m,航向重疊度80%,旁向重疊度60%,兩次飛行按同樣航線執行,共獲取有效相片1 936張。

2 研究方法

滑坡形變分析流程主要包括:無人機數據處理、COSI-Corr位移計算、數據后處理、DSM差分,見圖2。

2.1 無人機數據處理

利用飛馬UAV Manager軟件對第一期次獲取的原始數據、機載POS(position and orientation system)數據進行快速質檢和差分解算,將解算后的高精度POS數據轉化為平面坐標,將預處理好的影像及參數導入飛馬軟件,進行自由網平差解算及控制點解算,得到空三結果[10]。最后生成數字表面模型DSM及DOM(digital orthophoto map),數據分辨率5 cm。因瀉流坡滑坡地勢陡峭,較難實地布設控制點。為降低系統誤差,以第一期數據為基準,選擇滑坡體外圍的穩定地物,并精準量測地物的坐標值作為第二期的像控點完成空三解算,重建DSM,并重采樣至5 cm分辨率。

2.2 COSI-Corr位移計算

利用COSI-Corr軟件對已校正的兩期影像進行相關性分析(correlation)[20],采用頻率域算法,參考窗口設為32,搜索步長設為16,計算得到初步位移數據,包括三個圖層,南北向位移(North/South)、東西向位移(East/ West)和信噪比(signal noise ratio, SNR)。

2.3 數據后處理

信噪比(SNR)表示兩幅影像的相關程度,其值范圍為0～1,值越大表示相關性越好,計算的位移量越可信。本次處理選擇SNR≥0.98的部分[21],并對南北向位移圖層、東西向位移圖層進行濾波,并在vector field中制作滑移矢量圖。剔除與滑坡主滑方向偏差超過20°的部分[22],即可得到滑坡表面特征點的偏移量信息。

2.4 DSM差分

利用Arcgis軟件,對兩個期次DSM數據進行差分處理,找出滑坡塬區范圍和堆積范圍,再對每個區域進行建模求取體積差,并統計每一個區域增加和減少的土方量,最后統計整個滑坡體的滑動方量。

3 結果與分析

3.1 滑坡平面變化

本文實驗提取的瀉流坡滑坡平面位移及垂向位移量如圖3(a)所示。由圖3(a)可知,滑坡體滑源區右側(A區)滑動后的平面形態呈長條狀,總體呈南西-北東向,主滑方向46°,該滑坡已順坡向產生整體滑移變形,變形區域長228 m,平均寬度45 m,滑動長寬比5.07,為縱展型滑坡?；潞缶壋蕡A弧狀展布,后緣在平面上向上方侵蝕后退最大距離2.3 m,根據COSI-Corr計算結果,滑坡上部特征點滑動直線距離最大30.64 m,中部整體水平位移6.32 m,下部整體水平位移2.72 m,呈現出推移式的運動特征。該滑源區面積10 598 m2,坡體形變區域63.3%?；w在斜坡底部(狹口段上方)形成鼓脹堆積微地貌,堆積體前緣形成高8.2 m、坡度65°的高陡坎,陡坎處伴有小方量崩滑溜坍現象?；禄瑒雍笃旅嫔嫌跋窦y理雜亂,拉張、擠壓作用形成的裂縫遍布坡體,后緣及側緣滑床滑移跡象明顯,后緣處已溜滑形成長10 m、高差7 m、坡度42°的陡坡,坡面光滑,呈亮白色調,擦劃痕跡明顯,表層碎石顆粒粒徑較小,呈粉土化狀態。兩側緣界限明顯,滑床裸露,揭露寬度0.5～2 m,沿滑坡周界修建的排水渠因滑坡的變形已錯斷受損?；麦w左側滑源區上部有小范圍形變(B區),最大平面滑移量5.1 m,為陡坡局部塌滑所致,中部平均平面位移0.30 m,整體穩定,基本未出現平面位移,下部(C區)平均平面位移2.94 m,道路上發育張裂縫,影像上判讀延伸約8 m,走向142°,前緣巖土體松散,局部坍塌,左前緣發育小型滑坡。

圖3 2020年6月14日—2020年9月26日期間瀉流坡滑坡滑動量Fig.3 The sliding amount of Xieliupe landslide during the period from June 14, 2020 to September 26, 2020

滑坡流通區(D區)平均水平位移15.46 m,坡體已順坡向產生整體滑移變形,坡體已順坡向產生整體滑移變形,拉張、擠壓作用形成的裂縫遍布坡體,后壁處因溜滑形成長10 m、高差7 m、坡度42°的陡坡。

滑坡堆積區變形表現以局部發育的滑坡和沖溝侵蝕為主。E區次級滑坡最大水平位移11.37 m,坡面土體大面積裸露,局部土體溜滑現象普遍,受坡面匯水沖刷形成的細小沖溝遍布坡面,斜坡整體變形較強烈。F區沖溝兩側局部變形較為強烈,最大水平位移8.83 m,坡角有碎石堆積,主要為坡體淺表層水流沖蝕而成。

3.2 滑坡剖面變化

為了分析滑坡剖面形態變化過程,選取了縱剖面G-G′,剖面位置如圖3(b)所示。利用高程差分圖,提取了瀉流坡滑坡滑動前后的垂向變化,負值代表地表下降高度(即物質被侵蝕或向下移動),正值代表地表上升高度(即物質在此堆積),剖面變化曲線如圖4所示?？梢钥闯鲎冃螀^①后緣高程值下降4.18 m,存在明顯向后臺源內部侵蝕后退趨勢,松散土體整體呈滑落趨勢,高程值下降平均2.20 m,最大4.21 m;變形區②受變形區①④擠壓鼓脹呈堆積狀態,高程值平均增加0.77 m,最大處4.19 m。

圖4 剖面G-G′高程變化曲線Fig.4 The change curve in elevation of profile G-G′

變形區③為滑源區后壁臺砍物質剝落引起的形變,最大值6.12 m,下方坡體整體較穩定;變形區④為瀉流坡滑坡左側滑源區前緣,高程值下降最大2.93 m。變形區⑤為滑坡狹口處,受降雨影響,中部受侵蝕產生流滑,侵蝕深度最大3.64 m,破壞面深度平均1.99 m。變形區⑥～⑨為受降雨影響斜坡前緣出現小型流滑和垮塌現象,大部分破壞面深度在0.3～1.6 m。

3.3 滑坡三維空間(體積)變化

通過DSM差分模型獲取到滑坡垂向的變形量,根據柵格象元統計獲得滑坡體及不同滑源區形變變化結果及體積方量,結果見表1。滑坡體滑動體積33 871 m3,堆積體積10 215 m3,物質侵蝕23 656 m3。

表1 滑坡體及不同變形區體積變化量Table 1 Volume change of different deformation areas of landslide

3.4 精度評估

瀉流坡滑坡監測系統于2020年6月中旬建成并開始運行,共布設4個GNSS點,由圖5可知,8月15日前,各監測點處于基本穩定狀態,累積位移量均在30 mm以內。至9月26日,G02、G03、G04水平累計位移為5 738.7、2 535.3、2.4 mm,垂直累計位移為-2 208、-1 259、-40.9 mm。G01點8月18日之后因立桿倒塌,數據缺失。G02、G03、G04點通過COSI-Corr計算的水平位移量分別為5 930、2 940、30 mm,通過DSM差分計算的垂直位移量分別為-2 535.3、-1 284.9、-46.4 mm,見表2。水平位移差最大0.40 m,垂直位移差最大0.33 m,相對誤差整體在15%以內。2期次無人機影像處理結果誤差為5.9 cm,高程誤差14.9 cm,COSI-Corr及DSM差分計算的水平誤差及垂直誤差均小于無人機影像處理誤差,數據精度能夠滿足定量化評估瀉流坡滑坡變形演化過程的基本要求。

表2 監測點誤差統計表Table 2 Statistical table of monitoring point error

4 瀉流坡滑坡變形機制分析

白龍江流域復雜的地質條件使瀉流坡滑坡具有復雜的形成條件與運動破壞過程,結合滑源區變形破壞現象,總結滑坡的成因破壞因素如下。

4.1 影響因素

4.1.1 地形因素

瀉流坡滑坡呈典型啞鈴狀,上段為“漏斗”狀低洼地形,有利于殘坡積等松散堆積物與水體的匯集,當水量達到一定程度,在地形條件影響下,滑坡體原有平衡被破壞。加之坡體上裂縫發育,雨水不但可以降低巖土體的力學強度,還能沿裂縫及形成的徑流甬道不斷下滲至基覆界面,起到“潤滑”作用,加速滑坡的形變。其次,滑源區發生多次滑動后,滑坡堆積體在狹口段不斷堆積,下方流通區變窄,雨水侵蝕作用加強,加之流通區整體較為順直,在滑源區前緣形成高陡臨空面,為滑坡的剪出提供有利地形條件。

4.1.2 地震因素

滑坡區歷史上發生過多次7.0級以上地震,據以往調查資料,受2008年汶川地震、2017年九寨溝地震影響,滑坡體堆積區及滑源區左側次級滑坡前緣發生過較大變形。地震作用改變了碎石土斜坡巖土體的結構和物理力學性質,加速裂縫發育,在降雨條件下,雨水入滲速度加快,飽和區域擴大,降低斜坡的整體穩定性質,為滑坡變形提供物質、結構基礎。

4.1.3 降雨因素

監測數據表明,2020年8月11—17日,隴南區域發生強降雨,7日累計降雨量達206.4 mm,17日日降雨量達77 mm(圖5),均刷新了歷史極值。由于滑源區低洼地形的匯水作用,雨水的入滲提高了滑坡體土體的含水率和重度,降低土體的抗剪切強度,強風化千枚巖飽和后泥化,強度迅速降低形成塑流狀滑帶,坡體逐步失穩,形成推移式滑動。G01點于8月16日位移開始加速,G02、G03點于8月17日位移開始加速,其滑動變形明顯與強降雨有關且有明顯的滯后性。

4.1.4 人類工程活動

滑源區下方道路的修建為其變形提供了良好的臨空面;坡體上墾殖活動將坡體改成臺地,不僅改變了坡體的微地貌形態,還加大了降雨入滲;坡角建房、建廠,人工開挖導致堆積區前緣坡面土體大面積裸露,受坡面匯水沖刷形成的細小沖溝遍布坡面,甚至水流灌入坡體內,產生局部溜滑現象,對斜坡的穩定型產生不利影響。

4.2 變形機制

綜合無人機數據及監測數據分析,瀉流坡滑坡滑源區左側中下部和右側次級滑坡是主要變形區,也是滑坡主要的物質來源。根據前述地形、地震、降雨及人類工程活動堆滑坡穩定性的影響,認為滑坡為傾倒拉裂-蠕滑復合變形破壞機理。主要表現為以下3個階段。

(1)初始傾倒拉裂階段。滑坡滑源區A區后緣分布多條張裂縫,斜坡邊界臨空條件較好,在降雨入滲“潤滑”的條件下,坡體淺表層出現較為強烈的傾倒拉裂變形,后緣高程值下降4.18 m,越靠近臨空面的變形量越大,下方強卸荷區巖土體發生了大量的墜覆和滑移,坡體呈散體結構。

(2)推移-蠕滑-變形加速階段?；磪^松散物質的滑落,使得坡體在自重推力作用下發生形變,在降雨條件影響下,形成剪切滑動面,坡體上典型特征點平均位移6.32 m,局部達到了30.64 m。

(3)鎖固-停止階段。受到鎖固段(D區)收口的地形限制,滑坡滑源區的傾倒滑移體滑動受阻,據現場調查,滑坡側界鎖固段上方的塊石沒有發生滾動,多為平面摩擦狀態,這使得鎖固段保持住了抗剪強度,并在此處擠壓堆積,并在前緣形成高8.2 m的陡坎,滑坡停止運動。受到滑源區漏斗地形匯水的影響,鎖固段下方及兩側沖溝侵蝕劇烈,產生坡面滑溜,使得上方坡體仍處于不穩定狀態,應及時進行綜合治理。

5 結論

本文基于高分辨率無人機影像提取了瀉流坡滑坡滑動前后(2020年6月14日和9月26日)的正射影像和數字地表模型,利用COSI-Corr軟件對滑動前后的兩期影像進行相關性分析,采用頻率域算法,選擇SNR≥0.98的部分進行濾波,計算得到滑坡表面特征點的偏移量信息,并通過DSM差分的方法獲取垂直向的變化量,最后對瀉流坡滑坡的運動和物質變化進行了解譯和分析,探討了中高山峽谷區堆積層滑坡形成演化過程及破壞機制。

實驗結果表明:

(1)瀉流坡滑坡整體可分為上部(滑源區)、中部(流通區)、下部(堆積區)三段區域。

(2)變形區主要為滑源區左側中下部和右側次級滑坡,垂向最下滑移量5.89 m,平均水平位移6.24 m,滑源區近42%區域發生了形變;滑坡中部鎖固段平均水平位移15.23 m,侵蝕深度最大3.64 m,破壞面深度平均1.99 m,破壞模式為侵蝕流滑;堆積區平均形變量小于0.32 m,沖溝兩側及堆積體前緣有局部垮塌,變形量較大。

(3)2020年6月14日至2020年9月26日期間,瀉流坡滑坡滑動體積33 871 m3,堆積體積10 215 m3,降雨侵蝕23 656 m3。

(4)瀉流坡滑坡在地形、地震、降雨、人類工程活動等影響下,滑源區沿軟弱面產生滑移,并在滑源區下方堆積,流通區狹口收緊,在降雨條件下,物質侵蝕加劇,形成傾倒拉裂-蠕滑復合型滑坡。