无人机航测在滑坡快速调查与分析中的应用研究

杜朋召 齐菊梅 罗延婷 牛贝贝

摘 要：为实现滑坡的快速调查与应急影响评价，以某水电站库岸1#滑坡为例，利用无人机航空摄影测量技术，获取滑坡体的高清影像，通过影像处理和地质解译，得到滑坡体的地形与地质数据，进而通过Itascad与Catia三维建模平台构建滑坡体的地质模型和计算模型，最后采用有限元强度折减法对1#滑坡进行了稳定性分析计算。结果表明：基于无人机影像获取的滑坡地形、地质数据是合理的，有限元稳定性分析计算结果与滑坡现场实际变形情况基本一致，无人机航测能够为滑坡灾害的快速调查与应急分析决策提供科学依据。

关键词：无人机;摄影测量;地质灾害;滑坡

中图分类号：P642.2;TU457文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.033

引用格式：杜朋召，齊菊梅，罗延婷，等.无人机航测在滑坡快速调查与分析中的应用研究[J].人民黄河，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

无人机航测通过无人机搭载高分辨率摄影相机，快速获取作业区域的高清影像，通过影像处理和信息提取，得到测区地形与地物数据。无人机航测具有机动灵活、快速高效、作业成本低、使用范围广、操作维护简单等特点，在获取小区域高分辨率影像方面具有明显优势。

随着轻型低空无人机技术的不断发展，利用无人机进行地质调查的研究和应用逐渐增加。其中：高姣姣[1]开展了高精度无人机遥感地质灾害调查应用研究，初步建立了无人机航测遥感数据“获取—处理—应用”的完整作业流程;杨力龙[2]开展了基于轻小型无人机的航空摄影测量技术在高陡边坡几何信息勘查中的应用研究，并对大宁河和永顺隧道危岩体进行稳定性分析评价;张启元[3]、王帅永[4]利用无人机航测技术开展了遥感影像处理与地质灾害解译的研究;黄海峰等[5]提出了引入小型无人机遥感的滑坡应急治理勘查设计方法，在某边坡崩滑项目中开展了实际应用;巨袁臻[6]开展了基于无人机摄影测量技术的黄土滑坡早期识别研究;贾曙光等[7]基于无人机摄影测量技术实现了高陡边坡岩体产状的数字化测量。虽然基于无人机影像的数据处理和地质解译应用较多，但将摄影测量应用于滑坡快速调查和稳定性分析还相对较少，目前还缺乏一套相对完整的方法流程。

笔者基于无人机摄影测量技术，以青海省某水电站库岸滑坡为例，利用无人机摄影测量获取区域高清地表影像，通过影像处理和地质解译，得到滑坡体的地形和地质信息，进而开展三维地质模型构建和稳定性分析计算，实现对滑坡发展趋势的快速评价。

2 滑坡区概况

滑坡区位于青海省某水电站库区右岸，距离大坝约1.4 km。地形为黄河上游峡谷区，是黄土高原与青藏高原的过渡带，地势总体由西南向东北倾斜。区内高程在2 100～3 000 m之间，地形总体为上缓下陡，上部黄土边坡自然坡度在5°～35°之间，局部因公路开挖近乎直立;下部库岸基岩边坡坡度在35°～45°之间，坡高200～300 m，地形地貌见图1。

滑坡区地处祁连地槽褶皱系的祁连中间隆起带南侧，其南界为青海南山—天水断裂带，北靠祁连—海源构造带。滑坡部位地质条件相对简单，构造发育程度较低，地表未见大的断层或构造裂隙，岩体内发育的结构面主要为新近纪泥岩、泥质砂岩的岩层层理和前震旦系片麻岩的原生片麻理面。地下水主要类型为松散层孔隙水，以降雨和林场浇灌补给为主。

已有勘测资料表明，区内地层主要为前震旦系变质岩，三叠系与白垩系砂岩、板岩，新近系砂岩、泥岩及第四系风成黄土等。其中，第四系风成黄土厚度约40 m，是滑坡发育的主要地层，黄土层内垂直节理发育，具有一定的渗透性，地表降雨及人工灌溉易沿黄土节理下渗，于相对隔水的泥岩顶面富集，附近已有的黄土滑坡滑面多位于该部位。

水电站建成运行以来，受库水位升降、降雨、人工灌溉及库区道路修建等因素的影响，坝前右岸出现多处规模不等的滑坡体。其中，1#滑坡体规模较大，前缘已发生多次垮塌，后缘张拉裂缝显著，且距离大坝较近，一旦发生整体失稳滑动，产生的壅浪将对大坝构成严重威胁。为快速实现滑坡体应急影响评价，利用无人机摄影测量技术，通过无人机航测与影像处理，快速获取滑坡体地形、地质数据，并开展滑坡稳定性分析计算，为工程应急决策提供科学依据。

3 无人机航测与影像处理

3.1 高清影像获取

为了快速获取1#滑坡体地形数据及高清地表影像，采用小型四旋翼电动无人机进行摄影测量。该无人机搭载2 000万像素影像传感器，像元尺寸为2.53 μm。为了保证航拍影像具有较高的地面分辨率，根据地形高程变化，设置航拍高度为150 m，平均地面分辨率为3～5 cm。航测设置航向重叠率为80%，航带间重叠率为70%，共计22条航线，飞行距离约14 km，航拍面积为2.1 km2，共获取航拍照片412张。

3.2 影像数据处理

获取1#滑坡体航测影像之后，利用影像资料进行数据处理，影像数据处理包括数据预处理和数据后处理两部分。首先，对影像数据进行预处理，预处理包括影像数据下载、飞行质量检查、相机标定等;预处理完成后，将影像导入无人机影像处理软件，进行图像拼接处理，生成滑坡区DEM与DOM，结果见图2和图3。

利用滑坡体DEM数据，在三维建模软件中生成地形面，用于滑坡体地形建模。利用滑坡体DOM影像，通过影像地质解译可快速开展滑坡地质调查，获取滑坡特征及相关地质数据，用于滑坡体地质建模与稳定性分析。

3.3 影像地质解译

根据影像处理结果可知，1#滑坡体整体呈“长齿”状，长度约580 m，宽度约310 m，后缘高程约2 710 m，前缘高程约2 580 m，高差约130 m。滑坡体按地表滑动迹象，可分为A、B两个区域，其中：前缘A区长约300 m，自然坡度10°～35°，滑动迹象显著，地表存在大量张拉裂缝;后缘B区长约280 m，地形相对较缓，自然坡度10°～15°，地表裂缝零星出露，见图4。

A区前缘临近冲沟附近，存在一处滑塌区，滑塌区长度约80 m，宽度约50 m，分布高程2 530～2 580 m。滑塌区的物质成分主要为风积黄土，下部泥岩滑床相对稳定。从滑塌断面出露地层推测，上覆黄土厚度为20～30 m。A区黄土表面存在大量下错裂缝，裂缝宽度3～20 cm，深度0.1～0.8 m，裂缝总体呈弧形分布。A区前缘至后缘，裂缝长度逐级扩大，深度有所减小。

B区滑动迹象相对不明显，地表仅局部地区存在细小裂缝，裂缝宽度0.5～3.0 cm，深度0.1～0.3 m。B区前缘部分裂隙密度相对较大，后缘裂缝密度较小，裂缝长度与规模均有减小趋势。

4 模型构建与稳定性分析

4.1 模型构建

在上述工作的基础上，利用无人机影像处理得到滑坡体DEM数据，在Itascad三维地质建模平台中构建地表模型。利用从影像中解译的滑坡边界数据及推测的黄土厚度，结合已有勘测资料，构建黄土底界面模型，实现滑坡三维地质模型的快速构建。

基于滑坡体三维地质模型，在Catia平台上通过布尔运算构建滑坡体模型，并通过网格剖分，形成用于有限元计算的网格模型。滑坡体三维有限元计算模型构建流程见图5。

4.2 计算模型与参数取值

根据构建的滑坡体计算模型，采用Flac3d软件开展滑坡稳定性分析。计算模型范围取顺坡向长900 m，垂直滑坡向长1 000 m，模型底高程取2 100 m。模型网格采用四节点四面体单元，划分后的单元总数为512 891，节点总数为102 197。为重点突出分析对象，滑坡范围内模型分黄土、滑带和基岩三层，滑坡范围以外视为稳定基岩区。

依据原有试验结果与相关工程经验，计算参数取值见表1。有限元计算时，材料本构模型采用摩尔-库仑理想弹塑性模型。

4.3 结果分析

在滑坡体变形稳定分析时，选择有限元强度折减法进行计算[8-9]，计算中主要考虑土体自重应力，天然工况下滑坡三维稳定性分析结果见图6。从图6可知，滑坡变形主要集中于A区及以上局部区域，受地形控制，A区上部和下部地形较陡，变形较大，中间部分区域地形相对平缓，变形较小。

采用强度折减法自动搜索最不利滑面，得到滑坡稳定性系数为0.97，整体处于欠稳定状态。计算过程中，变形首先出现在A区前缘临近冲沟部位，然后向上逐渐发展;B区整体处于稳定状态，仅临近A区部位存在局部变形。

由计算结果可知，滑坡体的滑动模式并非前后变形一致的整体滑动，而是在蠕滑变形过程中，由陡向缓、由表及里逐级滑动，这与滑坡实际变形情况基本一致。

5 结 论

（1）以某水电站库岸1#滑坡体为例，利用无人机摄影测量技术，实现了滑坡体高清地表影像的快速获取，然后通过影像处理和地质解译，便捷、快速地获取了滑坡的地形与地质信息。

（2）利用无人机影像获取的滑坡体数据，通过三维建模平台Itascad与Catia，构建滑坡体地质模型和计算模型，形成了基于无人机航测快速生成滑坡分析计算模型的数据流程。

（3）基于影像数据构建的滑坡体计算模型，采用有限元强度折减法，进行了稳定性分析计算，结果与滑坡实际变形情况基本一致，表明无人机航测在滑坡快速调查与分析中的应用是可行的，能够为滑坡灾害的应急决策提供科学依据。

参考文献：

[1] 高姣姣.高精度无人机遥感地质灾害调查应用研究[D].北京：北京交通大学，2010：31-35.

[2] 杨力龙.基于轻小型无人机的航空摄影测量技术在高陡边坡几何信息勘察中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2017：76-88.

[3] 张启元.无人机航测技术在青藏高原地质灾害调查中的应用[J].青海大学学报，2015，33（2）：67-72.

[4] 王帅永.无人机在强震区地质灾害精细调查中的应用研究[J].工程地质学报，2016，24（4）：713-719.

[5] 黄海峰，武易，张国栋，等.引入小型无人机遥感的滑坡应急治理勘查设计方法[J].防灾减灾工程学报，2017，37（1）：99-104.

[6] 巨袁臻.基于无人机摄影测量技术的黄土滑坡早期识别研究[D].成都：成都理工大学，2017：27-36.

[7] 贾曙光，金爱兵，赵怡晴.无人机摄影测量在高陡边坡地质调查中的应用[J].岩土力学，2018，39（3）：1130-1136.

[8] 郑颖人，张玉芳，赵尚毅，等.有限元强度折减法在元磨高速公路高边坡工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，2005，24（21）：14-19.

[9] 劉明维，郑颖人.基于有限元强度折减法确定滑坡多滑动面方法[J].岩石力学与工程学报，2006，25（8）：1544-1549.

【责任编辑 张 帅】