基于无人机单体黄土滑坡调查与基本特征分析

闫亚亚 ，李樵民，官瑞芬，吴振宇，魏采用，闫亭廷，邵议

(宁夏回族自治区遥感调查院(高分辨率对地观测系统宁夏数据与应用中心)宁夏 银川750021)

黄土滑坡是黄土地区最为严重的地质灾害，其灾变过程复杂，严重危害人类的生命财产安全。宁夏南部地区黄土滑坡极具典型性，以彭阳县黄土滑坡发育最为密集[2]。据相关统计，近十年彭阳县发生滑坡等地质灾害近120起，经济损失11242万元[1]。汛期滑坡灾害多发，具有突发性、群发性强、危害大等特点。利用经济高效的地质灾害调查新技术手段，快速、准确、高效的开展地质灾害详细调查及次生灾害评估，对准确认识地质灾害影响范围和致灾能力作用显著，对减轻地质灾害造成的人民生命财产损失具有重要意义。

利用新技术开展滑坡地质灾害调查分析，前人在光学遥感、机载三维激光扫描、地面三维激光扫描、星载雷达等方面做了大量研究工作，但利用无人机低空摄影测量在滑坡地质灾害调查方面的研究仍相对较少。本次研究依托宁夏回族自治区重点研发项目“宁南地区地质灾害隐患综合遥感识别技术研究与示范”和自然科学基金项目“InSAR与高分光学遥感联合的宁南黄土丘陵区斜坡地质灾害隐患识别方法研究”，以高分遥感技术为基础，以无人机低空摄影测量为主要技术手段，开展项目区内地质灾害调查和单体黄土滑坡调查工作。无人机低空摄影测量因具有独特的空中鸟瞰视角，覆盖范围大，通过航拍照片的后期处理，还能得到测区的三维空间坐标数据、三维模型数据和正射影像数据等成果[3]；
且无人机低空摄影测量操作简单、便携、成本低、数字化成果丰富，使得该技术方法在开展小比例区域地质调查和单体滑坡调查等方面相较其他技术手段更具优势。通过本次利用无人机低空摄影测量技术方法在宁南地区单体地质灾害调查过程中所取得的经验和研究成果，为其他区域使用无人机摄影测量开展区域和单体地质灾害调查起到示范作用。为该技术方法在黄土高原、低植被覆盖区等地区的常规化灾害防治和预警预报应用提供了理论依据。

1.1 无人机低空摄影

本次研究采用大疆无人机开展野外航拍工作，搭载高分辨率CCD相机，能够随时随地获取所需的影像数据；
同时可实现飞行航线规划、信息数据快速获取、实时图传等功能，并且操作简单、稳定可靠、高智能化、作业能力强。

无人机低空摄影测量利用实际空间坐标系和数字影像平面坐标之间的透视变换，通过不同方向拍摄的多幅二维数字图像，采用计算机立体视觉技术，匹配计算得到被摄影像的大量同名点，以此进行空中三角测量得出数码相机的空间参数，最终通过多光线前方交会及区域网自由网平差等算法，计算生成被摄物体的点云坐标数据，由此还可生成网格模型。

1.2 航空影像处理

本次采用航测处理软件PIX4D，可自动读取数码相片中保存的相机参数信息，在内部区域网平差计算中引入“自检校参数平差”算法，在计算过程中不仅得到平差结果，同时计算获得数码相机内方位元素参数和畸变差的精确数值结果；
避免了传统算法中因定向不准而造成的无法继续计算的情况，计算中空中三角测量结果全部由软件组织自动完成“自由网平差”。

低空摄影测量成图基本过程包括现场踏勘、控制点布置、航线规划、相机参数选择、地面测量、低空摄影测量、畸变校正、初始化处理、影像匹配、空中三角测量、正射影像。

1.3 地质灾害遥感解译

本次地质灾害解译采用无人机航拍影像数据，以高分二号数据、以往地质灾害调查成果资料等为基础，结合研究区地形地貌、地质等相关资料，通过人机交互解译和野外调查验证等手段，完成研究区地质灾害解译。滑坡灾害点分布如图1所示。

我国西北黄土高原地区，受区域地层岩性条件组合的控制，除不同时期的黄土属易滑地层，发育纯黄土滑坡外，广泛分布第四系、白垩系及侏罗系等泥岩地层，因胶结程度差，半成岩状，力学强度低，也属易滑地层。所以该地区特别是一些大型滑坡的滑体常是由黄土和下伏泥岩岩组共同组成，属混合型滑坡，已超出狭义的由纯黄土组成的黄土滑坡概念[4]。滑动面的发育位置及与岩层的相互关系，广义的黄土滑坡系指发生在黄土地区主要由黄土或黄土和下伏中、新生界泥岩岩组组成的滑坡。根据滑坡体

图1 彭阳县滑坡地质灾害点分布图

物质组成及滑面发育位置，将其进一步划分为黄土层内滑坡、黄土接触面滑坡、黄土-泥岩顺层滑坡和黄土-泥岩切层滑坡4种基本类型，其基本特征见表1。

表1 黄土滑坡基本类型表

3.1 调查方法

本文主要以高分遥感数据调查为基础，采用无人机低空摄影测量技术对地质灾害高风险区、灾害点集中分布区以及地质灾害单体的地形地貌、地表变形破坏迹象乃至岩体结构等进行详细调查，实现对地质灾害单体隐患点的详查。最后，通过地表观测与地面调查相结合，甄别并确认结果，实现对地质灾害单体的核查。

3.2 区域滑坡调查结果

彭阳县境内黄土堆积厚度大(最厚处可达200余m)，结构疏松，水土流失严重，导致黄土丘陵区沟壑纵横，地形破碎，黄土滑坡灾害频发，共发育793处[6]。主要分布于南部地区，多发育于红河与茹河的冲蚀岸边及支流或支沟中下游两侧，多集中在晚更新统黄土较厚的地区及人类活动强度较大地区，具有典型的群发性和群体性分布特征。

3.3 S202南山村黄土滑坡基本情况

2022年3月至4月采用无人机低空摄影测量技术(无人机飞行高度100 m)开展彭阳县地质灾害野外调查工作，彭阳县白阳镇南山村S202旁发现新发育黄土滑坡1处。滑坡位于黄土梁峁区，地形复杂，地势起伏较大，上部覆盖中晚更新统黄土，沟底部下部新近纪泥岩少量出露。植被较少，草地覆盖率约40%。地下水类型为松散类孔隙水，沟底可见地下水出露。根据调查和解译结果，清晰可见滑坡影响范围、形态特征等。且该滑坡具有再次滑动的可能性，威胁到周围公路、水渠以及电网线路等安全，威胁周围居民的生命财产安全。

通过高分遥感影像及无人机航摄影像解译显示，S202南山村滑坡后缘裂缝发育，距离S202南侧仅6.5m，后缘上方急流槽分布，土质疏松。前缘发育大量黄土落水洞，深浅不一，最深可达4m，呈集群发育，裂缝和落水洞的发育与滑坡边界在空间上具有一定的相关性。根据现场调查情况，该滑坡存在较大隐患。滑坡影像如图2。

图2 S202南山村滑坡影像图(左图为高分2号正射影像 右图为无人机航拍影像)

3.4 S202南山村黄土滑坡发育特征

S202南山村滑坡平面呈不规则形态，滑坡体积约2.3×103m3，滑坡长约118.45m，宽约24.03m，坡度86°，坡向225°，前后缘高差约43m。(图3、图4)。滑坡剪出口在粉质黄土内，滑坡后壁滑动面较大，高度约25m，坡度约90°。滑动面完整、新鲜，后壁下部可见到由于下错而形成的洼地。滑坡前缘临空高度约18m，处于不稳定状态，据研究计算，滑坡前缘临空高度大于15m时，滑坡体容易失稳，其稳定系数在0.703-1.151[10](图5)。后壁中部的坡体高度较大，基本呈对称式向两侧弧形弯曲并依次减小。

图3 S202南山村黄土滑坡地形地貌影像特征

图4 S202南山村黄土滑坡后壁、滑体

图5 滑坡稳定系数与前缘临空高度关系曲线

4.1 地形地貌

彭阳县境内属于残塬沟壑区和黄土丘陵沟壑区过渡带。地形复杂，地貌破碎，梁峁起伏，沟壑纵横。黄土堆积厚度一般在百余米，结构疏松，岩土侵蚀强烈。以茹河、红河及安家川河为主流，支流支沟密布，地形破碎，为滑坡的发育提供了地形地貌条件。如图6。

斜坡的几何形态决定着斜坡体内应力的大小和分布，控制着斜坡的稳定性与变形破坏模式。滑坡在0°～135°和225°～360°的坡向区间相对集中，即在阴坡和近似阴坡的斜坡上较发育。地貌主要包括黄土丘陵、河谷平原、红岩丘陵和中低山地，各自面积分别占总面积的58.2%、20.1%、19.4%和2.3%，又细分为冲积平原、塬、塬梁、梁、梁峁、流水侵蚀丘陵、流水侵蚀褶皱山。

4.2 地层岩性

彭阳县地层出露中元古界、寒武系、奥陶系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。前第四系零星出露于各大冲沟中，第四系广泛分布，其中古近系与新近系岩系遇水易崩解软化，强度降低，常形成滑动面和滑床，表2。第四系黄土广泛分布于黄土丘陵上和各大冲沟内，较高的渗透性、中等压缩性、崩解性和湿陷性是影响滑坡稳定性的关键因素，其节理裂隙发育、结构疏松多孔、稳定性差及遇水软化等特性决定了黄土层是主要的易滑地层。另外，黄土特有的颗粒组成、化学成分及骨架链接形式、排列方式等[6]，使其遇水容易湿陷，抗剪强度迅速降低，极易导致滑坡变形破坏甚至产生滑坡。

表2 彭阳县主要滑坡地层一览表

4.3 地质构造

彭阳县大地构造位置跨鄂尔多斯台拗陷带。以西属鄂尔多斯西缘拗陷带，中条运动使基底拉张形成裂谷，长城-蓟县纪具碎屑岩、碳酸盐岩建造。在晋宁运动影响下裂谷消失。早古生代寒武纪-奥陶纪为裂谷主要活动期，具碎屑岩、碳酸盐及复理石建造。中奥陶世后，加里东期运动使裂谷逐渐消失，降升为陆。燕山运动使拗陷带褶皱回返，伴随断块的差异升降断裂对白垩纪断陷盆地的形成起着控制作用。以东地区为鄂尔多斯台拗，各期构造运动的构造变形极微弱，主要表现为缓和的整体隆升或沉陷，主要拗陷时期为中生代，呈大型内陆拗陷盆地，沉积了巨厚的中生代地层。燕山末期运动，台拗全面隆升，经受长期剥蚀缺失晚白垩纪至中新世沉积。区内地质构造条件比较复杂。其地质构造越发育的地段恰是构造应力集中的地段，岩土体的变形、破坏就越严重，这使得滑坡越容易发生。图7。

图7 彭阳县地质构造图Fig 7.Geologic Structure Map of Pengyang

4.4 水文作用

彭阳县年均降水量441.9mm，高发期在7月至9月，常以连阴雨和暴雨形式出现。长期连阴雨和暴雨是境内滑坡形成的主要诱发因素之一。降雨量对浅层局部土体的破坏更为敏感，主要是降低斜坡土体的抗剪强度，并改变土体的容重，地表水的入渗有可能引起地下水位的上升，促使浮托力增大，有利于边坡变形破坏的进一步发展。综合分析彭阳县内已发生滑坡的频次，基本与多年月平均降水量存在明显的正相关关系。

该黄土滑坡发生在黄土丘陵地带，而黄土主要由粉土组成，透水性较差，降雨一般不易渗入。但S202南山村黄土滑坡发育在黄土构造节理、裂隙及落水洞等部位，降雨极易灌入，外加公路一侧急流槽常年排水，地表水沿黄土节理入渗在粘性土层形成条带状、旋涡状地下水，地下水沿层理面流出形成下降泉，造成孔隙水压力，边土层看着泛红，黏粒含量比较高，降低了岩体强度，从而触发了滑坡的发生。图8。

图8 S202南山村黄土滑地上水与地下水现状图

4.5 人类工程活动

近年来开荒造田，削坡取土建房挖窑，兴修水利矿业开发及修建公路等工程活动，改变了地质环境状态和应力条件，打破原有平衡状态，使斜坡产生卸荷、拉张和风化裂隙[8]，引发了一系列的滑坡[9]。虽然现在不断开展农田基本建设，也推行过水土保持措施，但从整体上看，人类工程经济活动的深度和广度都得到了增加，伴随而来的种种不合理的开发和利用自然界的行为也正在以前所未有的速度破坏着地质环境，使滑坡的发生呈现出增加的趋势。南山村滑坡所处位置修建公路，削、挖堆积物较松散，破坏了其稳定性。

本文选取位于黄土高原的宁夏固原市彭阳县项目区新发育的黄土滑坡为研究对象，以无人机低空摄影测量为主要技术手段，开展示范区内的地质灾害调查和单体滑坡调查工作，根据研究团队使用无人机低空摄影测量这一技术方法在彭阳县黄土滑坡研究区调查黄土滑坡过程中所取得的经验和研究成果，为其他区域使用低空无人机摄影测量开展区域地质灾害调查和单体地质灾害调查起到示范作用，取得成果如下。

(1)黄土丘陵区的深切沟谷、黄土与泥岩易滑地层耦合、落水洞集群发育以及降水集中等特征是S202南山村黄土滑坡发生的内在条件，其中降水是最主要的诱发因素；

(2)无人机低空摄影测量可对单体滑坡进行精细测绘，是研究滑坡变形和发育特征的重要技术手段；

(3)将无人机低空摄影测量引入黄土滑坡调查是对传统地质调查方法的扩展与补充，在极大地提高工作效率的同时进一步提高了地质灾害调查的精度，并且提供了传统方法难以获取的数据资料；

(4)S202南山村滑坡周围地质环境复杂，土质松散，落水洞集群发育，并有急流槽常年排水，极有可能形成二次灾发，从而破坏周围的公路、农田、电网管线等，严重危害当地居民的人生财产安全。

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