无人机与国产高分技术在“6·24”茂县滑坡灾情应急监测中的应用

唐 尧，王立娟，马国超，贾虎军，靳 晓

（四川省安全科学技术研究院/重大危险源测控四川省重点实验室，四川……610045）

关键字：茂县滑坡 无人机 国产高分 合成孔径雷达数据 灾情应急监测

2017年6月24日凌晨5时45分，四川茂县叠溪镇新磨村新村组富贵山突发特大型山体高位滑坡，塌方量约800万m3，灾害共造成约2km河道被堵塞，40多户100余人伤亡或失踪，许多遇难者被掩埋较深。灾后参与救援人员多达3200多人，专业救援车辆有150多辆，备用救援车辆超过200台，救援设备主要有生命探测仪、救援绳索及医疗设备等。目前紧张的灾后救援工作已接近尾声，救援人员救出了3位幸存者。据现场参与救援的地质专家介绍，高位山体垮塌被掩埋人员生还可能性非常低，特别是现场作业面狭窄，诸多救援资源难以大规模运用，加之救援现场垮塌量巨大、不时有山石滚落，还需避免塌方引发进一步垮塌等造成二次灾害。

滑坡灾害发生后，党中央、国务院高度重视，指示全力组织搜救被埋人员、防范发生次生灾害。灾害发生的第二天，即由国土资源部牵头，成立了有四川省国土及相关部门和地方人员参加的灾后灾情应急监测3个工作小组，旨在研究滑坡成因，指导现场搜救，开展应急监测预警，避免次生灾害造成人员伤亡，及在灾区附近类似地区开展全面隐患排查。在此情况下，无人机航摄技术与国产高分遥感技术凭借其响应时间短、地形直观形象、分辨率高、观测范围大的优点发挥了不可替代的作用。

1 滑坡灾区数据获取

1.1 无人机航摄技术

本次所用航摄无人机为电动固定翼型无人机，包括飞行平台系统和地面监控系统两部分。飞行平台是实施飞行任务的主体，包括机体、高清相机、飞行控制系统、降落伞和智能电池装置等几部分。地面监控系统是向地面工作人员提供飞行监控的组合装置，由电脑、无线电以及监控软件等组成。

无人机航摄数据获取流程通常包括任务受领、航线规划、野外控制测量、无人机组装测试、飞行实施、数据检查、室内处理等。本次航摄是为采集灾后应急需要数据，无人机在滑坡堆积区具有较高的地面分辨率，因此航线规划时依据当地地势变化情况先后设置了多个架次，航摄高度约500～700m，航向重叠度为80%，旁向重叠度超过75%，共设计了28条航线，累计航程121km，涵盖面积约21km2。无人机采用手抛起飞、伞降模式回收，航摄过程克服了地形复杂、海拔高、坡度高等诸多不利因素，先后获取高分辨率航片900余张共计6G数据量，像片地面分辨率为10～15cm。采用高性能计算机集群联机处理并行计算，快速获取了滑坡受灾区及周边地区灾后高分辨率正射影像地图，为现场灾害救援与灾情分析提供了第一手资料。

1.2 国产高分卫星遥感技术

近年我国陆续发射了多颗国产高分辨率对地观测遥感卫星，其中在民用领域应用较多的有高分一号、高分二号、高分三号及高分四号等，国产高分数据兼有“空间分辨率高”、“相机数量多”与“中分辨率遥感视场大”、“多载荷影像拼接融合应用”的特点。随着国产高分卫星技术的不断进度，目前获取的影像空间分辨率已经达到米级。高分二号卫星全色波段空间分辨率最高达到0.8m，多光谱分辨率最高达到3.2m，对灾区地物识别及灾情分析具有重要作用。高分三号影像为合成孔径雷达数据（InSAR），对识别山体滑坡区灾后地形的起伏或地面沉降的变化作用巨大。

由于受客观条件限制（灾害降雨、灾区多云雾），本次共选取了灾前的高分二号卫星数据与灾前和灾后的高分三号遥感卫星数据来开展灾区灾情应急监测分析。其中，高分二号数据时相为2017年4月8日，经过辐射定标、大气校正、正射校正、影像配准及影像融合等预处理流程，获取了灾前高分遥感影像地图；高分三号卫星数据包括灾前灾后两景，灾前影像时相为2017年3月9日19点15分，灾后影像获取时间为灾后的第二天（2017年6月25日）的19点05分。高分卫星遥感数据（包括灾前与灾后）对评估滑坡灾害损失（居民聚居点）、预判灾后次生灾害（堰塞湖、二次滑坡）发生趋势及隐患地质灾害预防具有十分重要的作用。

2 滑坡成因初步分析

滑坡是斜坡变形的一种形式，常指在一定的地形地质条件下，受各种自然或人为因素的影响，岩体的力学平衡遭到破坏，山坡上的不稳定岩体在重力作用下，沿着一定的软弱面作整体的、缓慢的、间歇性的向下滑动形成。

“6·24”茂县特大山体滑坡，堵塞河道2km，掩埋农房46户，伤亡或失踪人员上百，1600余米道路被掩埋。灾情发生后，当地紧急启动Ⅰ级特大型地质灾害险情和灾情应急响应，并组织精干救援力量赶赴现场实施应急救援。现场经地质专家初步踏勘表明，这是一起降雨诱发的高位远程崩滑碎屑流灾害。

本次滑坡体所在的新磨村位于茂县西北部的叠溪镇松坪沟富贵山，沟内山体在历史上曾发生过多次地震作用，影响较大的有叠溪地震（1933年）、平武松潘地震（1976年）与汶川映秀地震（2008年），其中又以叠溪地震影响为最大（当时垮塌的山体阻断了岷江，形成了堰塞湖）。历次地震对沟内地质结构、岩土结构及坡石稳定性都造成严重创伤，尤对深层岩体为最甚，该类岩体“内伤”隐蔽性较强，不易查明（即使现场地面调查也不易识别），岩体在长期重力作用下，内部被震裂岩层的力学几何场与应力场遭受破坏。在灾前长时间持续降雨等因素的触发下，位于新磨村后山高程约3404m处的震裂松动岩体突然以一个长矩形模块启动，瞬间撞击了岩体中下部覆盖层，形成扇形碎屑流。滑坡体最大落差约1118m，最大水平滑动距离约2658m，堆积物几乎覆盖了整个新磨村及松坪沟乡镇府所在地，整个滑坡过程仅有短短的几分钟，历时极短。

3 滑坡灾情应急监测分析

滑坡灾害是一种不良地质现象，利用无人机与卫星遥感技术可克服地形、气候并观测条件的限制，能够实现大范围的滑坡灾害调查并针对滑坡不同阶段实行动态监测，因此利用无人机与卫星遥感技术开展滑坡灾后应急监测意义重大。

3.1 滑坡灾情对比分析

滑坡灾害严重威胁着人民的生命财产安全，阻碍社会经济的可持续发展，且多始发于人迹罕至的山区顶部或山腰，这些地区交通不便或远离城镇，灾害发生时多为暴雨等恶劣天气。“6·24”茂县滑坡即是如此，滑坡山体富贵山海拔高达3455m，滑坡后缘岩土斑驳裸露，生态脆弱异常。突发的灾害夺走了山体下方100余人的无辜生命，掩埋房屋46家，堵塞下方河道逾2km，造成了巨大的人员生命及财产损失，形成的堰塞湖对下游已有的水电站、水库及叠溪镇团结村居民聚集区造成了潜在的重大安全隐患（图1）。

图1 茂县山体滑坡灾害后现场照片

运用灾后时相为2017年6月25日的无人机航摄影像，迅速获取了滑坡区富贵山灾情正射影像及地形信息等第一手资料。如图2所示，本次滑坡区整体呈现北东-南西向展布，始滑区海拔高度约3404m，下部覆盖层位置海拔高度约2646m，最低处（河床位置）海拔高度约2286m，最大高差约1118m，最大水平滑动距离约2658m，整体坡度落差约50°～60°，滑坡形成的堰塞湖上下游高差约4m。在无人机航摄图上，可清晰看到滑坡区域上部的西北角位置有明显的滑坡后缘与滑坡裂缝条带（图2中椭圆圈中所示），最大裂缝宽度达26m，可见本次滑坡规模之大。如此之大的裂缝宽度，隐孕了再次发生滑坡等地质灾害的可能性，如若遇持续降雨或大规模震动，极易成灾，建议加强此处裂缝位置的后续监测。

图2 茂县山体滑坡灾情分析示意图

结合灾前（2017年4月8日）国产高分二号卫星遥感数据，深入对比分析滑坡灾害受灾区灾情。如图3所示，图中A区域在灾前的高分影像上主要显示为纹理清晰的新磨村的40余户居民聚集区及规则状的道路穿越而过，但突发的高位山体滑坡灾害将这些瞬间毁于一旦，新磨村在灾后的无人机航摄影像上完全被滑坡碎屑堆所覆盖。滑坡始滑区为图3中B区域，灾后影像上表现为大面积的亮白色，表明为新出现的大规模裸露岩体群，间接说明此次滑坡起始时物源量之大；在灾前的高分影像上B区表现为有一定的裸露岩体分布，但规模不大、致灾迹象不甚明显。图3中C地区为灾后滑坡后缘区域，见有明显的滑坡后缘与滑坡撕裂带（裂缝条带），最宽处约26m（详见图2）；该区域在灾前的高分影像上为清晰的羽状条纹，纹理清晰，表现为零星的疏林分布，隐约见有一条北东-西南向展布的脉状影纹，推测该处或为灾前病变带。

图3 茂县山体滑坡灾害前后对比图

本次滑坡灾情对比是依据灾前国产高分卫星遥感数据、灾后无人机航摄及高分影像数据的形式来具体实现，包括灾前研判和统计分析等内容，同时结合茂县既有地质资料，借遥感技术助力灾区抗灾、救灾及重建工作。新磨村滑坡点早在2016年即被国土部门列为新增地灾隐患点，按“群防群测”的方式安排人员进行定期定点监测，并设有地灾预定撤离路线，但此次滑坡灾害属于高位山体垮塌，已超出了此前排查出的监控范围。通常国土部门会针对一些地灾多发地区做出重点的统计与监测，对于一些规模较大的裂缝等显性地质灾害，但滑坡灾区地质状况复杂、山高坡陡，暂不能做到监测全面覆盖。

3.2 受灾区周边地灾隐患判识

目前干涉雷达监测也是滑坡应急监测的重要手段，通过采用两幅合成孔径雷达图像中的相位信息以获取大范围、高精度的地表三维与形变信息。具体过程为：利用获取的地面控制点改进地理编码和高程值，获取地理编码垂直高程变化图，借此辨识出滑坡灾害边坡的位移，从滑坡堆积带的影像中，分别选出主要为粗略纹理、中等纹理以及细碎片的不同区域，进行局部直方图分析，量测影像纹理，进一步确定滑坡碎片的大小及分布。该方法具有周期短、覆盖广、成本低的优势。

利用茂县叠溪镇灾前与灾后国产高分三号卫星遥感数据，采用永久散射体（PS）干涉雷达技术方法，经过数据预处理、主影像选择、干涉相位计算、地形相位去除、干涉图滤波及相位解缠等步骤获取了茂县叠溪滑坡灾区及周边地形变化信息。如图4所示，图中灾后（2017年6月26日）影像的滑坡区域较之灾前（2017年3月9日）表现出明显的地形变化信息，从灾后影像可清晰看出滑坡堆积物覆盖区域，足见滑坡破坏力之大、影响之深。通过分析叠溪滑坡灾前灾后在高分三号影像上影纹及色调等表现出的地形信息变化特征，把它推广至茂县滑坡受灾区周边区域，初步判译出4处地形形变较大区域，推测为茂县滑坡灾后形成或灾前即已存在的地质灾害隐患点区域（图4中红线区域），其中A处北距叠溪镇约1.8km，居岷江北岸山体上部，B处则位于校场电站坝体东北侧山体中上部，二者地势均较高，一旦发生滑坡等次生灾害，将有砸坝堵江的可能，建议当地政府及灾害隐患排查部门将其作为重点巡排查对象，并开展定期跟踪监测。

图4 茂县山体滑坡灾害前后地形变化及周边地灾隐患判识图

4 结论与建议

通过介绍低空无人机航摄与国产高分卫星遥感技术优势，运用“6 · 24”茂县滑坡区灾后无人机及灾前灾后国产高分卫星数据获取了灾区灾前灾后影像数据，初步探讨了本次特大型滑坡形成的原因及过程。利用滑坡事故后应用无人机与国产高分数据分析的灾情对比情况，结合国产高分卫星的地形变化信息，尝试判译灾区周边地灾隐患点。结果表明，无人机与国产高分技术的结合，可实现灾区应急地形生成与形变监测，对地灾潜在隐患的早期识别、发现及滑坡灾后灾情应急监测具有一定的指导意义。

通过分析茂县滑坡灾害的成因及灾区受灾情况，提出如下山区地灾高发区的防灾避险措施及建议：①积极避险，加强地质灾害危险区管理，预先制定并及时启动实施应急预案，果断撤离高强度降雨期和地质灾害隐患点受威胁人员，必要时采取强制避让措施；②加强应急值守，完善灾情速判速报、专报指定，确保通信畅通；③特别加强雨季旅游人员安全管理，对旅游区及交通要道地区的地质灾害防控工作加强监督管理，严防死守，全力避免或减少地灾造成的人员财物损失；④加强山区地灾高发区隐患排查，对类似茂县滑坡区的区域开展既有巡排查灾害点及新增上报灾害点全面排查，特别是地势高、坡度高、物源量大的灾害隐患点要加强监测预警，必要时做好人员疏散安置工作。

近年来国家有关部门多次强调加强地质灾害隐患点的排查和监控，做好安全防治工作。茂县滑坡事故无疑敲响了一个警钟，即很多滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害隐患区开展的传统地灾巡排查，调查技术滞后，较难满足类似茂县滑坡这种高位、特大型地灾隐患的排查需求。因此，我们迫切需要建立一套新的地质灾害应急监测技术体系，而无人机航摄技术的普及和国产高分卫星遥感技术的发展，无疑为新的地灾应急监测体系的建设提供了保障。无人机与国产高分技术无疑具有较大的应用前景与推广性、普及性。