无人机勘测技术在皖南山区地质灾害识别中的应用

郭猛猛，刘海，段涛，梁迪文

(1.安徽省勘查技术院，安徽合肥 230031；2.安徽省公益性地质调查管理中心，安徽合肥 230091）

0 引言

安徽省是中国地质灾害多发省份之一，主要集中在皖南山区和大别山区。皖南山区地形起伏，工程地质环境脆弱，人类工程活动强烈，雨季降雨量大且集中，极端气象事件频发，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发育，给人民群众的生命财产带来巨大威胁。前人在地质灾害的成灾机理、地质灾害的稳定性评价和灾后治理等方面有较为深入的研究。传统地质灾害识别手段主要是通过对地质灾害体进行工程测量方面的野外勘察，其在具体的、典型的地质灾害识别中，目前依然是重要的勘察手段。但是，传统的地质灾害识别方法执行性低、危险性高、工作量较大，不适用于大面积研究区的地质灾害识别，因此急需要自动化、实时监测、高精确度的勘测方法。光学卫星遥感在地质灾害识别中，具有成像覆盖面广和光谱波段丰富的优势，可以实现机器语言的自动或半自动识别，在地质灾害识别中优势明显且应用越来越广泛。

1 研究区概况

皖南山区位于安徽省南部，面积为2.35×10km，地貌以中低山为主，地形切割强烈，地下水径流排泄条件好，水交替强烈；岩石类型复杂多样，工程地质性能各异，地质环境脆弱；每年的4—7 月为滑坡等地质灾害的多发期。皖南山区地质灾害在空间上存在如下特点：①沿控制性山脉、断层分布，具有分带性。受九华山山脉、黄山山脉、白际山山脉影响，沿海拔大于400m 小于800m 区域具有一定的条带性，沿断裂带密集区域滑坡呈条带状分布。②黄山市歙县等地地质灾害分布相对集中。黄山市的南部（如歙县）和北部中低山区，地势高低起伏变化大，高陡临空面普遍存在，且地层多为古老破碎的千枚岩，加上人口密集、筑路、修房多切坡进行，为地质灾害高易发区。易发区主要包括歙县昌溪-金川、歙县长陔-巨川、休宁五城-板桥、祁门彭龙-新安、屯黄公路汤口-琅斯等五个多发地段。特别是沿江南构造带、公路沿线及江河岸坡成带分布滑坡灾害尤为突出，许多特大型滑坡多发于此区域，如阳台滑坡、鸟雀坪滑坡等。另外，因为受到断裂带影响，宣城的宁国县地质灾害发育相对密集，但多为小型地质灾害。③低海拔地区具有不均匀性。在海拔一般小于200m 河谷冲击平原、丘陵等（如池州）地区滑坡零星分布，密度小、规模多样，偶尔可见中型地质灾害。

总的来说，皖南山区地质灾害在空间上具有成带分布、集中出现和不均匀性等特点，受地形、地貌、地质构造及人类活动的影响。

2 方法技术与仪器设备

2.1 技术路线

本次基于皖南山区已知典型特征地质灾害点，以无人机为载体，采用倾斜摄影空中三角测量技术，对典型地质灾害点进行航测，建立地质灾害体的三维影像模型。根据三维影像特征进行地质灾害体识别，针对航测成果进行地面地质灾害勘测工作，对航测影像推断解释的已知的和潜在的地质灾害体进行核查验证；通过航测成果与地面调查成果的对比分析，建立起地质灾害体快速识别标识的影像特征，总结出利用无人机摄影进行地灾调查的流程和地质灾害体的识别方法。

2.2 仪器设备

皖南山区地质条件复杂，地质灾害发生的同时可能还会伴有强降雨、台风等极端天气，因此在皖南山区进行无人机航测时，对飞行性能、功能、易用性等方面有一定要求。

（1）要求无人机低空飞行灵活，具有一定的抗风防雨能力，能够稳定悬停，且要有一定的载荷能力。

（2）无人机在手动遥控飞行的同时必须具备自主飞行的能力，且需按照预设任务自主完成飞行任务并安全降落。

（3）为了适用于皖南山区复杂环境的地质灾害勘测工作，尽量选择具有操作简单、维护便捷等特点的多旋翼无人机。

（4）在地形起伏不大的区域，适合选用八旋翼搭配五镜头的方案进行数据采集。在地形起伏较大的区域，适合选用单镜头多旋翼飞机进行立体交叉航线飞行。

3 地质灾害影像识别

皖南山区山高坡陡，是安徽省崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害高发、频发、易发地区，也是安徽省地质灾害危害最严重的地区。皖南地区地形地貌非常复杂，山高谷深、坡陡，脆弱岩层广泛分布，风化强烈。本文主要对皖南山区滑坡、崩塌和泥石流典型灾害点影像进行识别。

3.1 滑坡识别

皖南山区的滑坡规模较大，滑坡产生的影响范围也较广，因此相比传统的人工勘察，采用无人机进行滑坡地灾勘察更具优势。

3.1.1 周边植被分布和地形地貌差异

滑坡使原本的地形地貌发生明显的变化，与周边形成明显的差异，其中主要包括植被差异、地形差异等。

3.1.1.1 植被差异识别

滑坡发生处，出现大面积的植被缺失，与周围植被形成强烈反差（图1），且植被缺失部分多数以松散土质或砂石为主，表明此处出现地质灾害。

图1 滑坡灾害植被差异识别Figure 1.Identification of a landslide from difference in vege⁃tation

3.1.1.2 地形地貌识别

皖南山区发生滑坡的规模相对较大，若某处地形地貌出现强大反差，可以先作为目标体，再采用其他依据来确定该处是否存在大面积滑坡。

3.1.2 裂缝

裂缝是在滑坡发生前、中、后期均伴随的一种现象，裂缝的大小（长、宽和深度）在滑坡的不同时期表现不一。裂缝的存在位置也不固定，多数存在于滑坡的后缘及中部。此外，在滑坡发生地若有居民房屋，房屋出现裂缝的可能性也会增加。裂缝是发生灾害的标识，在无人机影像上也有明显的反映，因此可以作为无人机对滑坡地质灾害的识别标识之一。

3.1.3 “马刀树”和“醉汉林”

“马刀树”与“醉汉林”在无人机影像识别上比较容易，且是滑坡发生后出现的明显特征之一，是滑坡灾害的无人机影像识别标识之一。

3.1.4 滑坡舌

皖南山区滑坡发生的规模相对较大，无人机影像可以提供滑坡舌的典型识别标志（图2），然后再根据其他滑坡特征对目标进行判断。

图2 皖南山区滑坡舌识别Figure 2.Landslide tongue identification in the southern mountainous area of Anhui Province

3.1.5 双沟同源

双沟同源是指滑坡体两侧有沟谷发育，并且有两个沟谷的源头起源于同一位置。皖南山区滑坡发生的规模相对较大，出现双沟同源现象几率比较高（图3），把双沟同源作为滑坡识别标识，利用无人机的俯视视角，为双沟同源特征的识别查找提供了良好的基础，也为地质灾害的特征识别提供了基础平台，增加滑坡灾害点识别的准确度。

图3 皖南山区滑坡双沟同源识别Figure 3.Identification of a landslide from two gullies start⁃ing from a same source in the southern mountainous area of Anhui Province

3.2 崩塌识别

3.2.1 岩体裂隙

岩体发生裂隙是由于地面各类型塌陷引起的。在地表水或地下水的冲刷、浸蚀作用下，裂隙中的物质被水带走，裂隙向上开启、贯通形成隐伏裂隙。由于无人机具有全角度无盲区的勘查特点，对发现岩体裂隙有着很大的优势（图4）。岩体发生裂隙也预示着具有崩塌危害，因此把岩体裂隙作为崩塌地质灾害的无人机影像识别标识具有较大的意义。

图4 皖南山区崩塌裂隙识别Figure 4.Identification of collapse fractures in the southern mountainous area of Anhui Province

3.2.2 临空空间

临空空间一般形成于岩体较陡处，由于裂缝发育，下方岩体受到外界因素或坡角支撑力不足而发生崩塌，但上方岩体未发生崩塌，从而形成一种宏观的临空空间。坡体存在临空空间说明此处曾发生过崩塌，今后还可能再次发生，是不稳定因素的一种表现。根据皖南山区地貌特点，出现临空空间现象比较多，并不是所有出现临空空间现象就会发生崩塌，因此不能把临空空间单独列出来判断是否发生崩塌。但临空空间的出现，依旧预示着此处存在安全隐患，需要结合崩塌发生的其他条件加以判断。临空空间的发现，依旧可为皖南山区崩塌地质灾害的识别（图5）提供良好的依据。因此，可把临空空间作为无人机影像对皖南山区崩塌地质灾害的识别标识之一。

图5 皖南山区崩塌临空空间识别Figure 5.Identification of a collapse from a free space in the southern mountainous area of Anhui Province

3.2.3 倒石堆

倒石堆是崩落下来的大量石块、碎屑物或土体堆积在陡崖的坡脚或较开阔的山麓地带所形成的。在皖南山区崩塌发生后倒石堆形成及可见度比较高，采用无人机影像技术对崩塌物倒石堆进行分析识别，可以达到快速准确效果。经过对几处影像模型的分析识别，可以从崩塌灾害体堆积物所形成的倒石堆现象（图6），判断此处发生过崩塌地质灾害，因此可把倒石堆作为无人机影像识别崩塌地质灾害的标识之一。

图6 皖南山区崩塌倒石堆三个阶段影像识别Figure 6.Image recognition of three stages of a rock ava⁃lanche in the southern mountainous area of Anhui Province

3.3 泥石流识别

泥石流影像解译主要通过对引起或诱发泥石流发生的环境地质背景条件（山坡坡度，岩石破碎状况，松散物质情况，植被覆盖情况，人类活动痕迹和滑坡崩塌地质现象等）的解译和综合分析，从泥石流的总体形态及色调识别着手，确定泥石流沟，并圈定泥石流发生的位置、形态和分布范围。

3.3.1 泥石流堆积形态

堆积区形态常呈扇形，位于沟谷出口处。扇形大小不一，轮廓比较清晰。堆积区基本无植被，老堆积区为耕地，沿沟道两侧植被较少，坡面中上部植被发育，堆积区分布有河流及道路，在无人机影像上容易辨别，松散堆积物影像特征明显（图7），成为无人机影像对泥石流灾害的主要识别标志。

图7 皖南山区泥石流堆积形态识别Figure 7.Recognition of debris flow accumulation pattern in the southern mountainous area of Anhui Province

3.3.2 沟谷不良地质现象的影像色调及形态

坡面泥石流总体影像特征表现为：沟内不良地质现象颜色上表现为浅棕色、灰白色，与周围颜色影纹特征有明显区别。如同一块补斑，表面凸凹不平，顺山坡线性影像纵向，部分呈树枝状排列（图8）。

图8 皖南山区泥石流沟谷不良地质现象颜色识别Figure 8.Color recognition of adverse geological phenomena in a debris flow gully in the southern mountainous area of Anhui Province

4 结论

（1）无人机倾斜摄影建模技术具有直观、立体、细节保留等优点，可以对常规手段难以勘测的地质灾害体进行直观性、多角度表征，量化灾害体长度、宽度、体积等参数特征的描述。

（2）通过采用无人机倾斜摄影实景建模技术，对皖南山区典型灾害点进行摄影测量，建立地质灾害体的三维影像模型。通过三维影像模型和野外调查，识别出滑坡的植被分布、地形地貌差异、裂缝、“马刀树和醉汉林”、滑坡舌和双沟同源等多个特征，崩塌的岩体裂隙、临空空间和倒石堆的3 个特征以及泥石流的堆积形态和沟谷不良的两个特征。总结归纳了皖南山区主要地质灾害无人机影像识别标志，为皖南山区突发性地质灾害精准识别和快速勘查、救援等工作提供了数据支持，为地质灾害防治工作和规划提供了参考依据。