天津北部山區典型地質災害遙感監測應用

張志軍，陳 楚*，王 琳，姜興鈺，陳 香

（1.天津市測繪地理信息研究中心，天津 300201；2.中國地質調查局天津地質調查中心（華北地質科技創新中心），天津 300170；3.中國地質調查局海岸帶地質環境重點實驗室，天津 300170；4.天津市海岸帶地質過程與環境安全重點實驗室，天津 300170；5.天津市測繪院有限公司，天津 300381）

地質災害是指在地球的發展演變過程中，由各種自然地質作用和人類活動所形成的災害性地質事件[1]。在自然條件和人為因素的共同作用下，天津市北部山區發育崩塌、滑坡、泥石流突發性地質災害，成為天津市地質環境面臨的重要問題[2，3]。為了在最大程度上減少人民生命財產損失，需要進行有效的監測和防護[4]，動態掌握地質災害發展趨勢，加強風險管控。

遙感技術為地質災害及孕育環境宏觀調查提供先進的技術手段[5-9]，貫穿于地質災害調查、監測、預警、評估的全過程[10]。李捷等[11]將全站儀免棱鏡測量技術應用于三峽庫區地質災害監測，大大降低了全站儀開展監測的工作量，提高了工作效率。梁京濤等[12]采用六期高精度無人機遙感影像數據，分析了文家溝特大泥石流震后的6次泥石流災害過程，闡述并討論了無人機遙感技術在高位泥石流動態變化監測方面的具體應用過程；通過多次動態監測泥石流變化，分析泥石流物源啟動方式和治理方式。李楊[13]、閆馳[14]等人利用無人機傾斜攝影測量技術獲取地質災害點的高精度三維模型和紋理細節，對地質災害調查、現狀評估提供數據支撐。

上述研究采用圖像全站儀和無人機低空遙感技術進行地質災害監測，探索了一套合理、有效的滑坡、泥石流監測方法。本文以上述研究工作為基礎，針對天津市北部山區地質災害的特點，選取薊州區肘各莊崩塌災害點和東窩鋪泥石流災害點作為試驗區域，探索實踐圖像全站儀測量技術和無人機低空遙感技術在天津市地質災害遙感監測的具體應用。實踐結果表明，圖像全站儀的觀測精度能達到mm級，解決了地質災害監測人員對難以到達的監測點的監測；無人機低空遙感技術平面精度達到cm 級，通過獲取的數字正射影像和數字表面模型能準確把握泥石流災害周圍地形情況和松散堆積物的分布情況。本文所做工作形成了遙感技術作為輔助地質災害調查和監測手段的典型示范應用，為工作人員預判地質災害危險性提供數據基礎，對后續開展地質災害調查監測具有一定的借鑒和指導意義。

1 基于圖像全站儀的崩塌點遙感監測應用

1.1 肘各莊地質環境條件

肘各莊崩塌體地處山前傾斜平原與北部山區過渡地帶（圖1、圖2），距離高速公路50 m左右，地貌單元為侵蝕剝蝕低山丘陵區，已有坡面風化巖體崩落。肘各莊崩塌體地形復雜（圖3），崩塌體陡峭，坡高達到65.4 m，坡度為85°，坡寬30 m，坡長70 m。

圖1 肘各莊崩塌體區位圖Fig.1 Map of Jiaogezhuang collapse body

圖2 肘各莊崩塌體遠眺Fig.2 View of Zhougezhuang collapsed body

圖3 肘各莊崩塌體現狀Fig.3 Status of Zhougezhuang collapsed body

1.2 基于圖像全站儀的崩塌體監測方案

1.2.1 監測要點

為了及時掌握崩塌體的發育情況，需要對崩塌體的縫隙進行有效的監測[15-16]，即通過測量沿縫隙走向兩側便于觀測的明顯特征點，分析其坐標變化，當變化達到臨界值時，需引起重視并做好預警工作。

1.2.2 監測思路

圖像全站儀測量原理同軸可見紅色激光相位測量，發出的激光束極為窄小，可以非常精確地打到目標上，保證高精度的距離測量。與有棱鏡測量相比較，其優點是只要測點的反射介質符合免棱鏡測量的條件，就不需要在測點上放置棱鏡，即可測量出該點的三維坐標[15]。

針對崩塌地質災害特點，監測人員因不能到達監測點上，故采用圖像全站儀進行監測[17]，在已知的兩個控制點（A，B）上的一個點上架站，利用極坐標法[18-19]，測出監測點的坐標。利用圖像全站儀，監測人員不需到監測點架設棱鏡，通過激光測距，精確測量出監測點的三維坐標并分析其變化，做好防范工作。

1.2.3 測量儀器

觀測崩塌體的測量儀器為徠卡公司TS15i圖像全站儀，測角精度為1＂，單棱鏡測程為3 500 m，無棱鏡測程為1 000 m，精度為±（2 mm+2×10-6D）。

1.2.4 實施崩塌體監測

（1）觀測墩布置

為了減少人為操作誤差，確?；A控制的統一，提高觀測精度及穩定性，經過現場踏勘，在現場埋設了三個觀測墩（圖4、圖5）作為已知控制點。由于受到山體的影響，觀測墩二和觀測墩三之間不能通視。經量測，觀測墩一和觀測墩二之間距離為108.061 8 m，觀測墩一和觀測墩三之間距離為111.391 6 m，將觀測墩一作為后視，定為坐標系原點，觀測墩一和觀測墩二之間的連線方向定為X 軸，建立坐標系。三個觀測墩安裝后，能對崩塌體大部分縫隙進行觀測。

圖4 觀測墩布設位置圖Fig.4 Layout of observation pier

圖5 觀測墩現場圖Fig.5 Site map of observation pier

（2）確立監測點

選取經地質專家指定的裂縫，為了監測該縫隙的變化趨勢及方向，在沿縫隙走向兩側選取6個便于觀測的明顯特征點（圖6）作為監測點，每次監測時都觀測這6個監測點的變化。

（3）實施崩塌體監測

為了驗證圖像全站儀的觀測精度，按照《工程測量規范》[20]中二等變形監測的要求，利用圖像全站儀在上午10點左右和下午3點左右分別對上述6個監測點進行觀測。每次觀測都進行了兩個測回。觀測結果如表1所示。從表1可以看出，在無棱鏡的情況下，利用圖像全站儀對崩塌體進行多次觀測，觀測點的相對誤差小于5 mm，滿足《工程測量規范》[20]中三等變形監測的要求。

表1 圖像全站儀觀測結果（單位：m）Table 1 Observation results of image total station (unit:m)

在后續工作中，根據地質災害監測相關要求，按照一定的監測頻次進行觀測。每次監測時，都是在上述三個已知的觀測墩上，對圖6中的6個監測點進行觀測，并對測量數據進行分析，判斷崩塌裂縫是否發生變化，當變化達到臨界值時，需做好預警工作。

1.3 監測效果分析

通過對肘各莊崩塌體的監測實踐，圖像全站儀在崩塌變形監測中具有以下特點：

（1）解決了地質災害監測人員對難以到達的陡峭石崖、危巖、高空物等監測點的監測，在確保了監測人員安全的同時，提高了作業效率。

（2）圖像全站儀測量精度滿足《工程測量規范》[20]中三等變形監測的要求。利用圖像全站儀對地質災害體多次持續監測，通過多期測量數據可采集地質災害體變化信息數據，了解地質災害演變特征，發現地質災害體開裂等微觀變化，為地質災害危險性的預判提供數據基礎。

2 基于無人機的泥石流點遙感監測應用

2.1 東臥鋪地質環境條件

東窩鋪泥石流位于天津市薊州區許家臺鄉（圖7），處于盤山旅游風景區西側，東起盤山主峰掛月峰，西至寶平公路，南自盤山索道，北到北山梁，面積約2.0 km2。泥石流溝地勢總體東高西低，最高點在泥石流溝東邊界，高程為345.7 m；最低處沿寶平公路，高程為190.8 m。坡度15～25°，相對高差約155 m。地形多梯田呈階坎狀，坎邊為人工壘石，表部多為耕地及經濟林種植，上覆為第四系坡洪積層松散堆積物，厚度0.5～4.0 m。

圖7 東窩鋪泥石流三維遙感影像圖Fig.7 Three dimensional remote sensing image of Dongwopu debris flow

東窩鋪泥石流經長期的生物及工程治理已基本消除隱患，但由于該地區球狀風化較強烈，隨著時間推移，風化產生的堆積物將會逐漸增多，仍應長期進行泥石流穩定性動態長期監測。

2.2 基于無人機的泥石流監測方案

2.2.1 監測要點

泥石流的形成需要豐富的物源，堆積而成的大量固體松散物質為泥石流的形成提供了物源。物源的增加會改變泥石流危險范圍，甚至超出防治工程的設計防治能力。因此，對泥石流域內物源變化進行監測，對物源變化后的泥石流災害做危險性評價，預測堆積范圍，預估災害危險范圍，對域內防治工程能力做出評估，可以為地質災害監測部門提供決策支持，減少生命財產損失[21]。

2.2.2 監測思路

東窩鋪泥石流災害點具有以下環境特點：①涉及區域較大；②山勢陡峭，樹木茂密，人工不易到達，且不易看清山形特征和走勢。無人機遙感具有時效性高，數據精度高，操作方便快捷的特點?；谝陨戏治?，為準確把握泥石流災害周圍地形情況和松散堆積物的分布情況，利用無人機低空遙感技術[21-23]對東窩鋪泥石流局部地區進行航攝，根據空三加密成果及其區域內的正射影像圖和數字表面模型獲取如下信息：①快速獲取泥石流災害點一定區域內的地貌形態；②準確把握泥石流的運動軌跡；③準確獲取泥石流區域內建構筑物的分布情況，以便于進行災后評估。

2.2.3 具體實施泥石流監測過程

（1）監測現場布設

按照低空攝影測量的需要，在監測區域內布設29個標志點（圖8），其中25個控制點（紅色），4個檢查點（藍色），具體分布如圖9所示。

圖8 標志點現場Fig.8 Landmark site

圖9 標志點分布圖Fig.9 Distribution of landmark

（2）無人機飛行攝影和數據處理

利用六旋翼無人機進行低空攝影，飛行高度為300 m。建立自由坐標系，利用全站儀對各標志點量測三維坐標。低空攝影時，使用索尼NEX7相機，相機主要參數為：主距18.75 mm，像元大小為3.9 um，航攝高度為300 m，像素分辨率為5～6 cm。攝影區域內的高差50 m。

數據處理基于SVS數字攝影測量系統進行。利用外業控制點進行空三加密，通過光束法區域網平差[24-25]得到加密點（含檢查點）平面和高程坐標；然后生產制作DSM和DOM，獲取區域內地形特征和遙感影像。

（3）監測數據精度統計與分析

經過內業幾何數據處理，計算得到控制點和檢查點的精度統計分別如表2和表3所示。

表2 空三加密過程中控制點精度統計表（單位：m）Table 2 Accuracy statistics of control points in aerial triangulation process (unit:m)

表3 空三加密過程中檢查點精度統計表（單位：m）Table 3 Accuracy statistics of check points in aerial triangulation process (unit:m)

通過對比控制點和檢查點的精度，可以得到：平面中誤差保持在0.06 m 左右，高程中誤差在0.2 m內，滿足1/500DOM制作要求，能達到監測泥石流的需要。

2.3 監測成果應用及分析

通過對東窩鋪泥石流災害點的監測實踐，低空無人機遙感技術在泥石流監測中具有以下特點及應用：

（1）控制點及檢查點的平面中誤差保持在6 cm左右，滿足1/500DOM制作要求。

（2）利用無人機低空遙感，可快速獲取區域的低空遙感影像（圖10），以便快速分析區域地形特點，準確獲取泥石流區域內建構筑物的分布情況。

圖10 無人機低空遙感獲取的影像Fig.10 Images acquired by UAV low altitude remote sensing

（3）通過對低空遙感影像進行解譯，快速確定物源的分布位置及范圍（圖11）。通過多次觀測，根據空中三角測量后的高精度DEM測量，可計算形成物源區的體積變化。

圖11 利用無人機獲取的影像分析得到的物源區Fig.11 Provenance obtained by UAV image analysis

（4）通過區域內布設的標志點（圖12），根據監測需要連續多次觀測，可快速發現該物源的遷移距離和方向。

圖12 監測布設標志點分析物源運動軌跡Fig.12 Provenance movement analyzed by monitoring the change of landmark

3 結論與建議

本文選取天津市北部山區崩塌和泥石流兩種典型的地質災害點，分別運用圖像全站儀和無人機低空遙感技術對其監測。通過具體應用及其效果分析，得到以下兩點認識：

（1）圖像全站儀對崩塌體的監測，監測精度達到mm級，解決了地質災害監測人員對難以到達的監測點的監測。通過多次持續監測獲取地質災害體變化信息數據，了解地質災害演變特征，為地質災害危險性的預判提供數據基礎。

（2）無人機低空遙感技術對泥石流區域監測，監測精度達到cm級，可一次性覆蓋整個泥石流影響區域，能夠直觀、客觀查明物源分布位置、物源范圍及面積。通過多次飛行獲取遙感影像等基礎地理信息數據，實現對被監測體的整體面域監測，快速把握被監測體的整體變化趨勢和運動軌跡。

通過具體實踐，圖像全站儀和無人機等遙感技術在地質災害監測方面有其特有的優勢和應用前景，可為地質災害監測提供更加精準的信息，但也有一定的局限性。圖像全站儀和無人機等遙感技術容易受到天氣等自然因素的影響，有時可能會出現遮擋現象等。隨著測繪技術及多學科融合的發展，為更好服務于地質災害調查與監測，建議在后續工作中從以下幾個方面開展研究：

（1）開展星載InSAR（星載合成孔徑雷達干涉測量）技術在地質災害監測領域的應用研究。星載In-SAR 通過定期監測，有效反映地表形變的發展趨勢和規律性，為長時間序列下地面沉降問題提供良好的技術監測手段。

（2）開展傾斜攝影、水下地形、三維激光掃描等研究，積極探索自然資源三維立體“一張圖”的建設，探索三維數據在地質災害防治和治理方面的應用。

（3）融合集成地球物理、基礎測繪、GIS、遙感、地質勘查等各方面技術力量[26]，增強地質調查發現隱患的技術能力和完善監測預警體系。