基于无人机遥感技术的汶川震区典型高位泥石流动态监测——以绵竹市文家沟泥石流为例

梁京涛，成余粮，王 军，汪友明，宋 云，张 肃，马晓波，王 猛，刘 彬，杨 磊

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059;2.四川省地质调查院，四川成都 610081)

0 引言

汶川八级地震改变了地震灾区原有的地质环境条件，由地震引发的崩塌、滑坡等松散碎屑物源，使部分原有的老泥石流沟重新复活，同时新激发了大量潜在泥石流沟;根据四川省国土资源厅震后县市灾害详细调查和四川省地质调查院2009年震后地质灾害遥感补充调查，整个汶川地震灾区共发育泥石流沟1675条(遥感补充调查388条)，其中的部分泥石流沟在地震后的几年内异常活跃，形成多次灾害［1-9］。观察这几次严重的泥石流灾害，可以发现一些物源丰富且高位分布、主沟比降较大的泥石流往往致灾更为严重。为了描述和研究地震灾区这种特殊的泥石流灾害，国土资源部地质灾害应急技术指导中心殷跃平博士在国内首先提出“高位泥石流”这一概念。将强震区泥石流中，物源丰富且高位分布，主沟比降较大的沟谷型泥石流定义为高位泥石流。此类泥石流流域内的物源具有分布面积大、类型多、形态不规则的特点，且方量在百万方甚至千万方以上的极端物源单体广泛分布，如文家沟，单个滑坡体积就在7000×104m3以上［10-11］，大光包滑坡体积更是达到11.55～11.99 ×108m3［12-13］;同时，该类泥石流流域上游或分水岭处、山脊线附近分布有大量物源。这种物源分布特点，给传统的泥石流野外调查和监测带来了困难和挑战。

无人机遥感对地观测技术，可以客观、直观的查明物源分布位置、物源面积、物源形态和堆积特征;通过高精度DEM测量，可以快速准确的计算物源量变化;且无人机航摄无周期性时间限制，可以随时根据作业需求，灵活选择起飞场地和起降方式进行航摄，克服云层影响超低空飞行云层下作业，数据获取相对灵活。

基于以上分析，本文以绵竹市文家沟泥石流为例，阐述并讨论了无人机遥感技术在该类泥石流动态变化监测方面的具体应用过程。期望该技术方法能在今后强震区泥石流灾害调查中发挥作用，进一步完善泥石流灾害调查方法。

1 研究区概况

1.1 地质环境条件

文家沟位于四川省绵竹市北部山区清平乡，绵远河左岸，清平乡场镇上游700m处;地貌上属构造侵蚀中切割陡峻低山—中山地貌、山地深切割沟谷地形;整个流域发育5条较大支沟(图1)，沟口海拔高程910m，沟源高程2400m，相对高差 1490m，沟长4900m，整体坡降306‰，汇水面积为7.81km2。

文家沟位于扬子准地台四川台地向斜西北部;在次级构造单元划分［16］上，属四川盆地西北部的龙门山推覆构造带前缘，该区地质构造作用强烈，断裂发育，附近发育清平—白云山活动断裂、板场沟断裂、御军门冲断裂，顶字崖断层从流域中上部穿过;整个流域主要由石炭系、泥盆系、寒武系基岩和第四系松散层组成。

图1 文家沟2010年11月30日无人机航空三维影像Fig．1 The UAV 3-D image of Wenjia Valley on Oct 19th，2010

1.2 泥石流灾害

截止目前，文家沟共发生6次较大规模以上泥石流［15］，总冲出量约 580 ～600 ×104m3，如此大规模泥石流活动，对沟口下游的清平乡场镇造成严重威胁。6次泥石流灾害暴发的时间及过程分别为:

(1)2008年9.24泥石流:2008年9月22日～24日，清平乡镇发生强降雨，日降雨量达到88mm，10min最大降雨量为11.5mm，文家沟暴发特大规模泥石流，泥石流主沟道下游松散堆积体被携带冲出，形成深度在5～20m的沟槽。

(2)2010年7.31泥石流:2010年7月31日，绵竹市暴发强降雨，3h降雨量达到92.6mm，文家沟再次暴发大规模泥石流，本次泥石流启动位置始于“二级平台”处，泥石流侵蚀下切沟道，对下游堆积体进行冲刷和掏蚀，将下游已建的谷坊坝快速的填满。本次泥石流冲出量约 30 ×104m3［2］。

(3)2010年8.13泥石流:2010年8月12日，清平乡局部发生大暴雨，从12日下午18时至晚22时，雨量较小，晚22:30至13日凌晨1:30时左右，雨量增大，进而演变为大到暴雨。在12日23:45时左右文家沟暴发泥石流，至13日凌晨1时规模最大，持续至13日凌晨4时，持续时间约4h。本次泥石流共计冲出固体物质450×104m3，沟内已建防治工程被完全毁坏，泥石流将绵远河完全堵塞，造成重大财产损失和人员伤亡［17］。

(4)2010年8.19泥石流:2010年8月18日22时文家沟流域开始降雨，在19日的2～6时雨量增大，到19日上午11时总降雨量为172.6mm;文家沟19日凌晨暴发泥石流，部分民房被掩埋，冲出固体物质月 30 ×104m3［3］。

(5)2010年9.18泥石流:2010年9月18日上午9时，文家沟流域开始降雨。本次强降雨日降雨量为52.0mm，30min最大降雨量为18.5mm，5min最大降雨量为12.5mm，文家沟流域于10:05至11:40暴发泥石流，冲出固体物质为16.9×104m3。

(6)2012年8.18泥石流:2012年8月17日至8月18日，清平乡发生强降雨，文家沟流域主沟上游4、5号支沟暴发泥石流。根据文家沟流域内7处雨量站的观测结果，韩家大坪北端24h最大降雨量为243mm;1h最大降雨量达100mm，最大10min达26mm。

2 数据源及研究方法

2.1 采用的数据源

汶川地震后，四川省地质调查院等单位，对文家沟开展了无人机航摄工作，获取了6期次遥感数据(表1，图2);此外，还收集了汶川地震前全流域1∶10000和部分1∶2000(航测数据)精度的地形图，汶川地震后四川省地质工程集团公司2009年测绘的部分(二级平台及以下区域)1∶2000精度的实测地形图和2010年11月测绘的1∶2000地形图。

表1 采用的遥感数据源Table 1 The remote sensing dataset used in the research

2.2 无人机航空遥感数据处理

无人机航空遥感系统主要由飞行器系统、飞控及信息传输系统、测绘系统、数据后处理系统和保障系统组成。影像处理主要基于无人机数字摄影测量系统进行。利用外业控制点进行空三加密，作为控制基础;根据外业像控点分布情况进行加密分区，并对各区域网进行空中三角测量，通过光束区域网整体平差，得到加密点成果;然后生产DOM(数字正射影像图)成果。数据处理流程如图3所示。

2.3 泥石流动态变化监测方法

2.3.1 泥石流一次冲出量计算

该方法通过建立一次泥石流过程前后高精度数字地面模型，采用对比分析方法，利用GIS软件对两期DEM进行叠加分析计算，确定物源移动变化量。

图2 文家沟遥感影像Fig．2 The remote sensing image of Wenjia Valley

图3DOM制作流程图Fig．3 Flow chart for DOM production process

2.3.2 泥石流发展阶段监测

泥石流的遥感监测工作，是在对观测对象进行多期次遥感影像获取的基础上开展的。通过对观测对象进行多期次遥感解译、野外调查验证，对每一期泥石流暴发前后发育特征进行对比分析，从而达到对观测对象进行持续监测的目的。

3 结果分析

3.1 2008年5月18日遥感调查

2008年5月18日航空影像图2-A显示，文家沟滑坡产生的碎屑物主要堆积于“一级平台”(韩家大坪)、二级平台(海拔1300m以下)及流域下游主沟道内。

利用汶川地震前研究区1∶10000精度地形图和“8.13”泥石流发生前1∶2000精度地形图，分别构建“二级平台”及以下区域“震前DEM”、“震后DEM”可知，汶川地震后，顶子崖断层以下区域，共新增滑坡堆积物源4988×104m3，最大滑坡堆积深度达174m(图4)。

图4 汶川地震前后文家沟主沟滑坡堆积地面高程变化Fig．4 The surface height change of landslide accumulation of the main groove in Wenjia Valley before and after Wenchuan earthquake

3.2 2009年10月13日遥感调查

2009年10月13日法国SPOT4影像显示图2-B，2008年“9.24”泥石流使文家沟主沟下游(二级平台以下区域)沟道两侧首次出现“拉槽”效应，形成的长约1750m的沟槽，“二级平台”以上区域未发现明显“拉槽”现象;沟口形成长约200m，宽约500m，面积约12.2×104m2的堆积扇;对比本次泥石流发生前后1∶2000精度的DEM，沟口高程增加约10m，整个堆积扇平均厚约7～8m，由此估算冲出方量约80～90×104m3;堆积扇保留较为完整，影像纹形细腻，扇形堆积特征明显，沟口未见明显大块石堆积;1号～5号支沟均未形成泥石流。

3.3 2010年8月17日遥感调查

2010年8月17日无人机航空影像图2-C显示，“7.31”、“8.13”泥石流沟冲出大量松散物质，形成的泥石流将整个清平乡场镇农田、学校、桥梁、房屋大面积淤埋。

遥感解译显示(图5)，清平乡除文家沟大规模发生泥石流之外，走马岭、罗家沟等6条沟也发生泥石流。经统计，清平场镇走马岭沟口至莹家沟段共损毁农田 2.652ha，房屋 76118m2，掩埋公路2650m，桥梁一座(长637m)，河堤约1km，损毁河道长约3.5km。整个研究区泥石流堆积面积达81.6×104m2，占研究区面积的23.5%。“8.13”群发性泥石流灾害对清平场镇基础设施及人民生活造成了严重影响。

图5 “8.13”泥石流灾害损失图Fig．5 The damage map of“8.13”debris flow hazard①—走马岭沟;②—罗家沟;③—洞子沟;④—滴洞沟;⑤—娃娃沟;⑥—文家沟;⑦—莹家沟

3.4 2010年11月23日遥感调查

2010年10月13日无人机航空影像图2-D显示，2010 年“7.31”、“8.13”、“8.19”、“9.18”四次泥石流使文家沟主沟下游(“二级平台”以下)沟道两侧“拉槽”效应进一步扩大，表现为漕谷宽度增大，深度增加，4次泥石流过程使“深切拉槽区”物源减少了478×104m3，最大下切深度达54.5m(图6);下切侵蚀物源经泥石流运动过程，大部分堆积于泥石流沟口，在前期“9.24”泥石流堆积的基础上，泥石流堆积扇(图7)进一步扩大，新增加堆积464×104m3，并使文家沟沟口由震后海拔880m，经”9.24”泥石流抬升为890m后，进一步抬升为905m;文家沟1号～5号支沟均形成泥石流，冲出的泥石流堆积于“二级平台”处，方量约174×104m3，“二级平台”处平均堆积厚度约5m。

图6 “8.13”泥石流前后文家沟主沟地面高程变化Fig．6 The surface height change of main groove in Wenjia Valley before and after“8.13”debris flow

3.5 2011年9月29日遥感调查

2011年9月29日无人机航空影像图2-E显示，经过工程治理，文家沟在2011年汛期主沟未见明显泥石流活动，但4号、5号支沟在强降雨作用下，均发生了明显泥石流过程，其中，4号支沟规模相对较大;4号支沟形成的泥石流堆积于5号坝内，淤积面积约8000m2，淤埋第一层排水孔，平均淤积厚度约3m，由此估算体积约2.4×104m3。泥石流拦砂坝、截排水沟、导流槽、排水沟等治理工程未见变形及损毁情况，整体运行良好，治理效果初步显现。

3.6 2013年1月5日遥感调查

2013年1月5日无人机航空影像图2-F显示，文家沟在2012年汛期主沟沟口冲出少量堆积物，主要为洪水过后留下的粗化层物质，形成的洪积扇形态不规则;文家沟上游4号、5号支沟再次发生泥石流，其中5号支沟发生规模相对较大，5号支沟形成的泥石流堆积于5号坝内，淤积面积约10000m2，平均淤积厚度约3m，由此估算方量约3×104m3。泥石流拦砂坝、截排水沟、导流槽、排水沟等治理工程未见变形及损毁情况，整体运行良好，治理工程发挥效益。

图7 文家沟泥石流堆积扇三维影像图Fig．7 The debris flow fans at different stages in Wenjia Valley

4 结论及存在的问题

4.1 结论

(1)文家沟泥石流物源丰富，汶川地震使“顶子崖断层”以下区域，新增物源4988×104m3，最大堆积厚度达174m;“二级平台”以下沟道松散堆积物，在震后的4a时间内，形成6次较大规模及以上泥石流过程，一年最大下切侵蚀深度达54.5m(2010年)，几次泥石流过程共冲出物源约580～600×104m3;文家沟泥石流发生频率高、冲出量大、主沟比降较大，是汶川地震灾区典型的特大型高频高位泥石流。

(2)水动力条件、地形坡度和堆积物颗粒大小是文家沟泥石流物源启动的三个主要制约因素。相比于“二级平台”以下沟道堆积物深切拉槽，形成多次泥石流，“韩家大坪”处松散堆积物4a间未见明显变化，“二级平台”处，地形坡度较缓，未见明显物源启动现象，受上游支沟泥石流影响，该区域以堆积淤高为主。

(3)不同降雨条件下，文家沟泥石流具有复合型物源启动方式，先主沟下游沟道松散堆积启动形成泥石流，进而演变为下游主沟沟道和流域上游崩滑物源相继启动，全流域形成泥石流。

(4)工程约束条件下，文家沟泥石流暴发规模、破坏模式和成灾形式均发生重大转变。工程治理前，全流域大规模暴发泥石流，转变为工程治理后主沟不发生泥石流，支沟小规模发生泥石流;破坏模式由工程治理前，主沟大规模深切拉槽为主，转变为工程治理后，支沟小规模堆积为主;成灾模式由工程治理前，泥石流冲出沟口淤埋基础设施，转变为泥石流支沟小规模淤积库容的发生发展过程。

(5)发展趋势上，文家沟“韩家大坪”和“二级平台”处两个物源集中分布区，受颗粒组成及地形坡度条件的制约，难以启动;“二级平台”以下区域，由于采取了逐级削坡、修建截排水沟、排导槽、拦砂坝等工程治理措施，该部分堆积物质相对稳定;因此，在非极端气候条件及工程治理设施继续发挥效力情况下，未来几年内，文家沟泥石流仍然是以上游处3号、4号、5号支沟继续形成小规模泥石流为主，危害方式主要是淤埋4号坝和5号，坝，并逐步减少库容;因此，应对文家沟4号坝和5号坝进行持续监测，及时清理库容，防止泥石流对集水沉砂池造成淤埋，进而威胁到引水隧洞引水效果。

4.2 存在的问题

泥石流的动态变化遥感监测方法，是在多期次高精度遥感影像和大比例地形图获取的基础上开展的，虽然无人机在数据获取方面更为灵活，但，同样受到天气因素的影响，如果两次泥石流过程期间不能成功获取数据源，动态监测效果将受到很大影响。另外，本次研究中，采用的地形图，均为震前航摄及震后工程治理单位的实测地形数据，地面测绘周期较长。能否在两期泥石流间隔期间，快速生成大比例尺地形图，并将其较好的应用到物源变化量的计算上，仍然是广大工作者急需解决的主要问题，需要进一步深入开展此方面的研究。

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