Trimble UX5在黄土丘陵沟壑区地质灾害调查中的应用

王高峰，王爱军，姚亚辉，张仲林

（1.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051）

Trimble UX5在黄土丘陵沟壑区地质灾害调查中的应用

王高峰1，王爱军1，姚亚辉1，张仲林1

（1.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051）

伴随着无人机在地理信息数据采集领域的迅速发展，Trimble UX5以其灵活性好﹑操作简单﹑能快速获取高精度的正射影像图﹑DEM等优点，逐渐在地质勘查和地质灾害调查中得到广泛应用。以位于泾河流域西北部的干旱黄土丘陵沟壑区为研究对象，通过外业无人航测获取高分辨率遥感影像，并结合实地调查地质灾害特征建立解译标志，分析了地质灾害时空分布规律与成灾模式，提高了地质灾害调查的工作效率，为城镇规划和防灾减灾提供了科学依据。

无人机；地质灾害调查；黄土地区；泾河流域

Trimble UX5无人机航空摄影测量系统以无人机为飞行平台，利用高分辨率相机获取遥感影像，具有体积小﹑携带方便﹑获取影像快速高效﹑成本低廉﹑操作简单等特点，在获取小流域（区域）高分辨率影像方面具有明显优势，特别适用于在对人体有危害的或偏远的无人区开展测绘和地质灾害调查工作；其不足之处在于受电磁干扰大﹑在海量数据对接时会产生延迟性﹑飞行高度具有一定的局限性。2013年我国启动了更加注重孕灾地质背景和工程地质条件调查的崩塌滑坡泥石流灾害调查，在地质灾害高易发区，选择人口密集的中小流域﹑活动构造带﹑重要城镇﹑重大工程区，以1∶5万标准图幅为基本工作单元，需要更高精度的遥感数据来支撑海量数据的处理，并与GIS技术集成，更加快速地计算承灾体属性特征，完成滑坡易损性定量评价[1]，随着无人航测系统的不断改进和技术发展，无人机势必成为新一轮地质灾害调查中不可缺少的工具。位于黄土高原腹地﹑六盘山东麓﹑鄂尔多斯盆地西南缘的泾河流域是我国六盘山连片扶贫区的东部地区，也是我国地质环境脆弱和地质灾害高发区之一，其地质灾害具有分布广﹑多发群发和致灾后果严重等特点。本文通过地面调查，并结合低空无人航测新技术手段，查明了研究区的地质灾害及其隐患分布发育特征和孕灾地质环境背景条件，为区内地质灾害防治﹑重要城镇及重点区段风险评价﹑单点滑坡实时动态风险监测提供了科学技术支撑。

1 研究区概况

研究区位于陇东黄土高原的北部地区，泾河西北部各支流源头附近，属黄土丘陵沟壑区。沟壑区域流水的下切侵蚀活跃，形成了很多陡坡和悬崖，加之黄土质地疏松，极易发生地震崩塌和滑坡。研究区在甘肃环县西部﹑彭阳县北部，干旱少雨，人民生活水平较低，仍以窑洞民居为主，因此房屋损坏较严重。新构造运动以鄂尔多斯盆地西缘隆起带“南北脊梁”为界，东部表现为缓慢抬起，西部活动强烈。

区域黄土滑坡，其形态特征典型，边界轮廓清晰，具有明显的圈椅状形态，后缘滑壁保留一般较完好，表现为多期次和单期次﹑老滑坡和新滑坡相伴而生﹑相互叠加的特征。其中，多期次型滑坡一般滑壁小﹑滑体厚﹑滑距短﹑形态多呈矩形（图1a）；单期次型滑坡一般滑壁大﹑滑体薄﹑滑距长﹑形态多呈舌状，常堵塞沟道（图1b）；老滑坡一般后缘落水洞发育，后壁和侧壁明显，中部凸出，有大型落水洞发育，前缘冲刷临空垮塌（图1c）；新滑坡一般后壁特征不明显，侧壁明显，前缘临空，滑体坑穴﹑落水洞发育，坡面冲刷严重（图1d）。研究区选取卢家湾集镇﹑车道乡镇﹑罗洼乡镇和1条重点沟壑区，总面积为48.5 km2，3处重要城镇人类工程活动强烈，主要表现为修路建房﹑开挖窑洞和烧砖取土，滑坡灾害多以中大型为主且危害性大；1条小流域马家河典型沟段的沟岸两侧多发育小型滑坡﹑崩塌，沟谷内切割较深，沟谷分水岭处落水洞十分发育，多呈串珠状，易因边坡整体失稳破坏而产生滑坡。

图1 研究区滑坡类型

2 主要服务需求和技术流程

2.1 主要服务需求

结合泾河流域地质灾害调查评价项目，利用无人机航测技术快速获取黄土丘陵沟壑区重要城镇和小流域的高分辨率航片﹑DOM和DEM数据，并进行推广应用。无人机航测技术可用于地质灾害调查评价﹑应急监测和灾情快速风险评价工作。

1）重要城镇和小流域灾害信息的快速调查。利用无人机航测技术，获取重要城镇和小流域范围内分辨率优于0.2 m高清航片。通过对航片进行快速处理，得到研究区重要城镇和小流域范围内高分辨率的正射遥感影像和高密度的点云数据；利用点云数据建立重要城镇和小流域的高精度 DEM 数据（2 m×2 m）和沟壑区断面数据；利用高清航片和点云数据快速获取重要城镇和小流域地质灾害和环境地质问题特征﹑地表植被和土地利用类型﹑承灾体等信息数据。

2）地质灾害应急监测。利用无人机航测技术，对局部滑坡﹑崩塌和黄土泥流等地质灾害进行应急监测，快速获取不同灾害区域的连续高清影像和照片。实时分析灾害发展情况，为灾害防治和决策提供依据。

3）灾情的快速风险评价。利用无人机航测技术快速获取发灾区域高清航片，结合灾前卫星遥感影像，快速分析和评估灾情情况，为防灾减灾决策和救援提供数据支撑。

2.2 技术流程

Trimble UX5作为天宝公司最新研发的无人机航测系统，主要由硬件系统﹑外业软件和内业软件3部分组成。其拥有先进的飞行控制技术﹑鲁棒性极强的系统设计和便捷直观的工作流程，且具有单次飞行覆盖面积大﹑效率高，对天气的适应性强，软硬件整体兼容性良好等优点，为快速安全的地质灾害航测数据采集提供了有利保障。其主要技术流程包括数据准备﹑测区概况﹑航测外业和内业处理4部分[2-5]，如图2所示。

2.2.1 数据准备

1）遥感数据信息源：采用2009年美国数字全球公司的WorldView2遥感影像。

2）地形图﹑工程地质资料，崩滑灾害及承灾体信息调查资料等野外调查的相关信息。

图2 技术路线图

3）以1∶1万地形图为基准，采集地面GPS控制点坐标，采用2000国家大地坐标系﹑高斯-克吕格投影。

2.2.2 测区概况

测区位于甘肃环县西部，属典型的黄土梁茆沟壑区。测区内多为村庄，分布有公路﹑沟渠﹑煤矿﹑学校等地物，多发育滑坡﹑崩塌﹑落水洞等地质灾害现象。本次航测飞行相对高度为500 m，影像地面分辨率为0.2 m，成图比例尺为1∶2 000。航测时为西北风，航线按照NEE向设计，航向和旁向重叠度选取推荐的80%，像元大小为4.78 μm，曝光时间为1/2 000 s。无人机选择在净空范围200 m内无电线﹑房屋和高大树木等障碍物的平整场地起降，单次飞行时长为30～40 min。

2.2.3 航测外业

航摄前在测区的多个角度和中心布设了标靶，在航飞的同时使用11个GPS控制点，采用 RTK测量标靶的坐标作为像控点。为了后期数据处理方便，结合航测区地形条件，共布设和施测像控点110个。测区共飞行22个架次，各架次飞行区域至少包括6个像控点，飞行区域四角和中心的5个像控点参与平差计算，其他像控点作为检查点，检查最大平面误差为0.14 m，高程误差为0.19 m，平面精度和高程精度均满足本次测量要求。使用拼接好的数字正射影像调绘房屋属性﹑线性工程设施和滑坡灾害点信息等。测区共获取0.2 m分辨率数码影像2 403张，各架次航摄完成后导出相片数据，进行重叠度检查和影像质量检查，并导出POS数据。经过检查，96.02%的相片倾斜角小于5°，航片影像清晰﹑层次丰富﹑反差适中﹑色调柔和鲜艳﹑均匀。

2.2.4 内业处理

首先在Dell工作站上用天宝公司提供的UASMaster5.7.1软件进行空三加密，建好项目后，仅像控点在航片上刺点需人工干预，内定向﹑相对定向﹑绝对定向﹑平差过程﹑生成点云﹑制作正射影像图等过程均为自动完成。面状水域按照水面高程特征和规律进行处理，点云数据编辑完成后生成规则格网DEM，格网尺寸为2 m×2 m。由于一个测区包含多个飞行架次文件，所以最终需把各架次生成的影像按测区镶嵌拼接为完整的正射影像。将生成的正射影像调入CASS成图软件，使用数化功能配合外业定性调绘﹑补测﹑计算机编辑处理形成数字线划地图（DLG）；再根据立体模型，结合1∶1万地形图资料，编辑生成数字高程模型（DEM）和数字正射影像图（DOM）。

3 地质灾害遥感解译标志

地质灾害作为一种不良地质现象，在遥感影像上呈现的形态﹑色调﹑影纹结构等均与周围背景存在一 定的区别[6]。因此，可以无人机航片生成的正射影像图为基础，在ArcGIS平台进行人工目视解译，并提取研究区内已发生的地质灾害点和地质灾害隐患点，查明其空间分布﹑特征﹑规模等；再根据解译结果进行野外复核，验证解译结果的准确性，并完善各灾害点的属性信息，建立地质灾害信息数据库，方便地质灾害的动态监测和风险管理，为防灾减灾提供依据。

研究区内人类工程扰动区和沟壑区是黄土滑坡频繁发生的地区，而沟壑区源头崩塌发育最为严重。在收集前人资料﹑野外踏勘和解剖典型崩滑地质灾害点的基础上，拟定了研究区崩滑地质灾害和落水洞的遥感判别标志，详细解译了区内崩滑地质灾害点和落水洞分布，并归纳了各类型滑坡的遥感影像特征，同时，还对区内部分遥感解译崩滑地质灾害点进行了野外检查验证。

3.1 崩塌地质灾害遥感解译标志

1）崩塌地质灾害多分布在人工切坡﹑沟谷等陡峭边坡地段，以小型为主。

2）崩塌体后缘发育有直线或弧形陡峭山崖与绝壁，在遥感影像上阳坡为灰白色调区块（图3a），阴坡呈浓重的阴影区块（图3b）。

3）崩塌体多沿陡壁连续分布，有的在壁脚形成堆积裙坡，老崩塌体影像粗造，呈灰色或灰绿色，有串珠状落水洞发育，后缘附近常伴有张裂缝，地表植被覆盖往往呈丛状或零星状（图3b）；新崩塌体呈灰白色调，不规则斑块影像，且常常成带，后缘附近常伴有漏斗状落水洞（图3a）。

图3 崩塌地质灾害遥感影像图

3.2 滑坡地质灾害遥感解译标志

1）滑坡地质灾害大多分布在沟谷陡峭边坡的阴面或河道偏移异常部位以及城镇周围人工切坡陡坎处，一般以中﹑小型为主，沟壑区滑坡数量多，具有群发性。

2）滑坡体发育有与邻近区域不协调的网纹状结构，沿滑坡体的边缘或坡体次级滑坡堆积体前缘分布一连串的落水洞等（图4a），后缘发育有弧形异常影像，包括陡坎﹑地形变异线﹑色调异常线，多呈暗色阴影；沟壑区滑坡后壁﹑侧壁明显，中部凸起；城镇周围滑坡侧壁明显，前缘堆积体向开阔地凸出，常有小型崩滑堆积影像；在影像上滑坡体呈弧形﹑马蹄形﹑葫芦形等。

3）在遥感影像上，新滑坡体显示为较均匀的灰白色（图4b），土体植被覆盖度较差，滑体保存较好；老滑坡体显示为较均匀的深绿色，植被覆盖较好，滑体由于长时间的雨水侵蚀或多次复活保存较少，复活滑坡具有明显的反差色调分界线（图4c）。

图4 滑坡地质灾害遥感影像图

3.3 落水洞遥感解译标志

黄土落水洞本身是一种地质灾害，具有分布广泛﹑危害严重﹑隐蔽性强等特点，对黄土地区各类工业与民用建筑构成不同程度威胁，还可能促使其他地质灾害的发生和发展，恶化黄土高原地区的生态环境和地质环境[7]。区内黄土落水洞主要发育在老滑坡堆积体﹑沟壑或沟谷岸坡和河谷阶地平台上。其中，在表层有黄土崩滑堆积物边缘地带以及与冲沟之间斜坡地带的地形变化强烈的微地貌上黄土落水洞发育最为强烈。根据遥感影像和实地调查，区内黄土落水洞主要包括3 种类型：

1）蝶形状，直径可达数十 m，落水洞洞口边缘线明显，呈椭圆形，底部呈黑色纹理，边缘坡较陡，一 般为一定厚度的自重湿陷性黄土在较大面积长时间浸水的情况下而形成（图5a）。

2）竖井状，直径数 m不等，在影像上显示为从洞口中心向边缘颜色由深黑色向浅黑色过渡，主要是因为水流沿节理下渗﹑潜蚀而成，形如水井，口径不大，深可达15 m，多产生于阶地边缘径流汇集处，由于陷穴底部堆积着崩塌下的土块，随着水的进一步冲刷搬运逐渐加深（图5b）。

3）漏斗状，多成群分布，口径一般小于1 m，底部有时还散布着小孔穴，形状呈圆形﹑不规则图形，影像显示洞口中心颜色较深，边缘外侧呈浅灰色，因坡面径流汇集，水流沿节理下渗﹑潜蚀而成，多产生于台地边缘及谷坡附近（图5c）。

图5 黄土落水洞遥感影像图

4 地质灾害解译结果与实例

由于黄土沟壑区深切坡陡，受交通条件的限制，本次野外验证工作以3个重要城镇周边及可通行的沟壑区作为验证的重点区域，选取野外待验证灾害点134 个（其中滑坡45处﹑崩塌7处﹑落水洞102个）。野外校验结果表明，在已初步解译出的134个灾害点中，43个是实地勘查确认的已发生滑坡事件或滑坡隐患点，2个为误判，验证准确率达95.6%；7个是实地勘查确认的已发生崩塌事件，验证准确率达100%；86 个是现场确认的落水洞，16个为误判，验证准确率达84.3%。滑坡误判的主要原因是居民点及公路两侧受人为改造的影响，包括人工废弃物堆放﹑人工切坡﹑已发生窑洞垮塌堆积物清理后堆积于坡角处形成与滑坡体特征相似的情况；还有由于正常的坡体改造为梯田，造成裸地，形态特征与滑坡体极为相似，从而造成误判。落水洞误判的主要原因是在黄土梁茆区植被零星发育，影像特征与落水洞特征极为相似，容易造成对目标信息的误判；同时在滑坡体上有些落水洞被植被覆盖，洞口直径较小，在影像上无法判别。另外，由于受无人机拍摄视角﹑太阳高度角﹑天气情况等因素的影响，在野外调查中还发现一些影像中灾害体特征不明显的漏判滑坡体。

在野外验证的基础上，对解译标志做了进一步修改和完善，在研究区范围内进行了补充修正性解译。依据野外调查资料，对滑坡体和落水洞信息进行误判纠正和漏判添加等，最后确认研究区解译的滑坡体等地质灾害总数为183处（个），包括62处滑坡体﹑8处崩塌体和113个落水洞。滑坡主要沿沟壑区右岸分布，多为黄土型滑坡，以小型为主，其次为中型，极少数构成大型滑坡；崩塌主要发育在沟左岸，以小型为主；落水洞主要发育在滑坡堆积体上及边缘﹑崩塌后缘和沟岸中上部地形突变处，以漏斗状为主，其次为竖井状，极少数为蝶形状。有21处（个）滑坡﹑崩塌﹑落水洞对居民和公路存在不同程度的危害，危害大的有5处，危害中等的有8处，其中1个巨型蝶形落水洞已填埋。

在上述解译滑坡中，车道乡政府后山滑坡城镇危害极大，因而对这一滑坡采用无人机航测正射影像进行详细解译。该滑坡位于乡镇府后山斜坡，威胁到约0.04 km2的建筑物﹑300余人口生命及财产安全。在正射影像图上，滑坡体发育在折线型的斜坡上，平面上构成横长的扇形，后缘以小陡坎组成的亮色调与堆积体分割，影纹图案以细斑点状为主，中前部形成大块的灰白色花斑状，纵向侧壁较为明显，冲沟不发育，次级滑体与侧壁颜色明暗相间，侧壁呈浅灰色，滑体为暗色调。滑坡体长为200 m，宽约为400 m，主滑动方向为S向，整体平面形态呈圆弧状，右侧滑坡平面呈“几”字形，中间呈扁弧状，左侧呈舌状，影像上左侧滑坡体颜色均匀，植被发育较好，后缘处滑面角度较大。滑坡整体坡体较陡，坡上发育有多个落水洞，且滑体上修建有窑洞和蓄水池，坡壁发生多次小规模的滑塌，现场勘察滑体及滑壁有裂缝存在，前缘被人工削坡形成高约13 m的临空面且上部滑体土结构松散，目前坡脚处窑洞面上已有变形迹象。在降雨或其他因素的诱发作用下易使其复活造成滑动，危害性大（图6）。

图6 车道乡政府后山滑坡遥感影像图

5 结 语

1）利用Trimble UX5系统可方便地对测区进行航摄，快速获取影像完成数据处理，生成DOM﹑3D点云数据和DEM。在ArcGIS软件平台下，可快速得到满足精度要求的大比例尺地形图。采用遥感解译与野外调查相结合的方法，在短时间内，准确而迅速地查明了研究区地质灾害的类型﹑数量﹑分布及危害程度等。野外调查结果验证了解译精度的可靠性和解译方法的可行性﹑科学性，为该区域地质灾害调查工作提供了基础资料和防灾减灾科学依据，提高了地质灾害调查的效率和精度。

2）鉴于泾河西北部黄土沟壑地区气候条件良好﹑植被覆盖差﹑地形高差小的特点，利用无人航测影像在该区域进行滑坡调查研究，能获得高质量的遥感数据。本文是对无人航测影像在黄土沟壑区小流域地质灾害的区域调查方面应用的一个有益探索。

[1] 朱静,唐川.遥感技术在我国滑坡研究中的应用综述[J].遥感技术与应用,2012,27(3):458-464

[2] 胡茂林,唐相川.Trimble UX5航空影像系统用于1∶1 000地形图的探讨[J].测绘通报,2014(7):136-137

[3] 徐以厅.Trimble UX5在地理信息数据采集中的优势分析[J].测绘通报,2014(10):133-134

[4] 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(自然科学版),2015,33(2):67-72

[5] 高姣姣,颜宇森,盛新蒲,等.无人机遥感在西气东输管道地质灾害调查中的应用[J].水文地质工程地质,2010,37(6):126-129

[6] 濮静娟.遥感图像目视解译原理与方法[M].北京:测绘出版社,1992:104-110

[7] 彭建兵,李喜安,孙萍,等.黄土洞穴的环境灾害效应[J].地球与环境,2005,33(4):1-7

P231

B

1672-4623（2017）09-0069-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.022

2016-06-06。

项目来源：中国地质调查局地质调查资助项目（12120113008700）。

王高峰，硕士，工程师，主要从事地质灾害调查及GIS研究。