閆亞亞 ，李樵民，官瑞芬，吳振宇，魏采用，閆亭廷，邵議

(寧夏回族自治區(qū)遙感調(diào)查院(高分辨率對地觀測系統(tǒng)寧夏數(shù)據(jù)與應用中心)寧夏 銀川750021)

黃土滑坡是黃土地區(qū)最為嚴重的地質(zhì)災害，其災變過程復雜，嚴重危害人類的生命財產(chǎn)安全。寧夏南部地區(qū)黃土滑坡極具典型性，以彭陽縣黃土滑坡發(fā)育最為密集[2]。據(jù)相關統(tǒng)計，近十年彭陽縣發(fā)生滑坡等地質(zhì)災害近120起，經(jīng)濟損失11242萬元[1]。汛期滑坡災害多發(fā)，具有突發(fā)性、群發(fā)性強、危害大等特點。利用經(jīng)濟高效的地質(zhì)災害調(diào)查新技術手段，快速、準確、高效的開展地質(zhì)災害詳細調(diào)查及次生災害評估，對準確認識地質(zhì)災害影響范圍和致災能力作用顯著，對減輕地質(zhì)災害造成的人民生命財產(chǎn)損失具有重要意義。

利用新技術開展滑坡地質(zhì)災害調(diào)查分析，前人在光學遙感、機載三維激光掃描、地面三維激光掃描、星載雷達等方面做了大量研究工作，但利用無人機低空攝影測量在滑坡地質(zhì)災害調(diào)查方面的研究仍相對較少。本次研究依托寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)項目“寧南地區(qū)地質(zhì)災害隱患綜合遙感識別技術研究與示范”和自然科學基金項目“InSAR與高分光學遙感聯(lián)合的寧南黃土丘陵區(qū)斜坡地質(zhì)災害隱患識別方法研究”，以高分遙感技術為基礎，以無人機低空攝影測量為主要技術手段，開展項目區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害調(diào)查和單體黃土滑坡調(diào)查工作。無人機低空攝影測量因具有獨特的空中鳥瞰視角，覆蓋范圍大，通過航拍照片的后期處理，還能得到測區(qū)的三維空間坐標數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)等成果[3]；且無人機低空攝影測量操作簡單、便攜、成本低、數(shù)字化成果豐富，使得該技術方法在開展小比例區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和單體滑坡調(diào)查等方面相較其他技術手段更具優(yōu)勢。通過本次利用無人機低空攝影測量技術方法在寧南地區(qū)單體地質(zhì)災害調(diào)查過程中所取得的經(jīng)驗和研究成果，為其他區(qū)域使用無人機攝影測量開展區(qū)域和單體地質(zhì)災害調(diào)查起到示范作用。為該技術方法在黃土高原、低植被覆蓋區(qū)等地區(qū)的常規(guī)化災害防治和預警預報應用提供了理論依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 無人機低空攝影

本次研究采用大疆無人機開展野外航拍工作，搭載高分辨率CCD相機，能夠隨時隨地獲取所需的影像數(shù)據(jù)；同時可實現(xiàn)飛行航線規(guī)劃、信息數(shù)據(jù)快速獲取、實時圖傳等功能，并且操作簡單、穩(wěn)定可靠、高智能化、作業(yè)能力強。

無人機低空攝影測量利用實際空間坐標系和數(shù)字影像平面坐標之間的透視變換，通過不同方向拍攝的多幅二維數(shù)字圖像，采用計算機立體視覺技術，匹配計算得到被攝影像的大量同名點，以此進行空中三角測量得出數(shù)碼相機的空間參數(shù)，最終通過多光線前方交會及區(qū)域網(wǎng)自由網(wǎng)平差等算法，計算生成被攝物體的點云坐標數(shù)據(jù)，由此還可生成網(wǎng)格模型。

1.2 航空影像處理

本次采用航測處理軟件PIX4D，可自動讀取數(shù)碼相片中保存的相機參數(shù)信息，在內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)平差計算中引入“自檢校參數(shù)平差”算法，在計算過程中不僅得到平差結(jié)果，同時計算獲得數(shù)碼相機內(nèi)方位元素參數(shù)和畸變差的精確數(shù)值結(jié)果；避免了傳統(tǒng)算法中因定向不準而造成的無法繼續(xù)計算的情況，計算中空中三角測量結(jié)果全部由軟件組織自動完成“自由網(wǎng)平差”。

低空攝影測量成圖基本過程包括現(xiàn)場踏勘、控制點布置、航線規(guī)劃、相機參數(shù)選擇、地面測量、低空攝影測量、畸變校正、初始化處理、影像匹配、空中三角測量、正射影像。

1.3 地質(zhì)災害遙感解譯

本次地質(zhì)災害解譯采用無人機航拍影像數(shù)據(jù)，以高分二號數(shù)據(jù)、以往地質(zhì)災害調(diào)查成果資料等為基礎，結(jié)合研究區(qū)地形地貌、地質(zhì)等相關資料，通過人機交互解譯和野外調(diào)查驗證等手段，完成研究區(qū)地質(zhì)災害解譯?；聻暮c分布如圖1所示。

2 黃土滑坡的基本類型

我國西北黃土高原地區(qū)，受區(qū)域地層巖性條件組合的控制，除不同時期的黃土屬易滑地層，發(fā)育純黃土滑坡外，廣泛分布第四系、白堊系及侏羅系等泥巖地層，因膠結(jié)程度差，半成巖狀，力學強度低，也屬易滑地層。所以該地區(qū)特別是一些大型滑坡的滑體常是由黃土和下伏泥巖巖組共同組成，屬混合型滑坡，已超出狹義的由純黃土組成的黃土滑坡概念[4]?；瑒用娴陌l(fā)育位置及與巖層的相互關系，廣義的黃土滑坡系指發(fā)生在黃土地區(qū)主要由黃土或黃土和下伏中、新生界泥巖巖組組成的滑坡。根據(jù)滑坡體

圖1 彭陽縣滑坡地質(zhì)災害點分布圖

物質(zhì)組成及滑面發(fā)育位置，將其進一步劃分為黃土層內(nèi)滑坡、黃土接觸面滑坡、黃土-泥巖順層滑坡和黃土-泥巖切層滑坡4種基本類型，其基本特征見表1。

表1 黃土滑坡基本類型表

3 黃土滑坡發(fā)育調(diào)查

3.1 調(diào)查方法

本文主要以高分遙感數(shù)據(jù)調(diào)查為基礎，采用無人機低空攝影測量技術對地質(zhì)災害高風險區(qū)、災害點集中分布區(qū)以及地質(zhì)災害單體的地形地貌、地表變形破壞跡象乃至巖體結(jié)構(gòu)等進行詳細調(diào)查，實現(xiàn)對地質(zhì)災害單體隱患點的詳查。最后，通過地表觀測與地面調(diào)查相結(jié)合，甄別并確認結(jié)果，實現(xiàn)對地質(zhì)災害單體的核查。

3.2 區(qū)域滑坡調(diào)查結(jié)果

彭陽縣境內(nèi)黃土堆積厚度大(最厚處可達200余m)，結(jié)構(gòu)疏松，水土流失嚴重，導致黃土丘陵區(qū)溝壑縱橫，地形破碎，黃土滑坡災害頻發(fā)，共發(fā)育793處[6]。主要分布于南部地區(qū)，多發(fā)育于紅河與茹河的沖蝕岸邊及支流或支溝中下游兩側(cè)，多集中在晚更新統(tǒng)黃土較厚的地區(qū)及人類活動強度較大地區(qū)，具有典型的群發(fā)性和群體性分布特征。

3.3 S202南山村黃土滑坡基本情況

2022年3月至4月采用無人機低空攝影測量技術(無人機飛行高度100 m)開展彭陽縣地質(zhì)災害野外調(diào)查工作，彭陽縣白陽鎮(zhèn)南山村S202旁發(fā)現(xiàn)新發(fā)育黃土滑坡1處?；挛挥邳S土梁峁區(qū)，地形復雜，地勢起伏較大，上部覆蓋中晚更新統(tǒng)黃土，溝底部下部新近紀泥巖少量出露。植被較少，草地覆蓋率約40%。地下水類型為松散類孔隙水，溝底可見地下水出露。根據(jù)調(diào)查和解譯結(jié)果，清晰可見滑坡影響范圍、形態(tài)特征等。且該滑坡具有再次滑動的可能性，威脅到周圍公路、水渠以及電網(wǎng)線路等安全，威脅周圍居民的生命財產(chǎn)安全。

通過高分遙感影像及無人機航攝影像解譯顯示，S202南山村滑坡后緣裂縫發(fā)育，距離S202南側(cè)僅6.5m，后緣上方急流槽分布，土質(zhì)疏松。前緣發(fā)育大量黃土落水洞，深淺不一，最深可達4m，呈集群發(fā)育，裂縫和落水洞的發(fā)育與滑坡邊界在空間上具有一定的相關性。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，該滑坡存在較大隱患?；掠跋袢鐖D2。

圖2 S202南山村滑坡影像圖(左圖為高分2號正射影像 右圖為無人機航拍影像)

3.4 S202南山村黃土滑坡發(fā)育特征

S202南山村滑坡平面呈不規(guī)則形態(tài)，滑坡體積約2.3×103m3，滑坡長約118.45m，寬約24.03m，坡度86°，坡向225°，前后緣高差約43m。(圖3、圖4)。滑坡剪出口在粉質(zhì)黃土內(nèi)，滑坡后壁滑動面較大，高度約25m，坡度約90°?；瑒用嫱暾?、新鮮，后壁下部可見到由于下錯而形成的洼地。滑坡前緣臨空高度約18m，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，據(jù)研究計算，滑坡前緣臨空高度大于15m時，滑坡體容易失穩(wěn)，其穩(wěn)定系數(shù)在0.703-1.151[10](圖5)。后壁中部的坡體高度較大，基本呈對稱式向兩側(cè)弧形彎曲并依次減小。

圖3 S202南山村黃土滑坡地形地貌影像特征

圖4 S202南山村黃土滑坡后壁、滑體

圖5 滑坡穩(wěn)定系數(shù)與前緣臨空高度關系曲線

4 黃土滑坡形成條件

4.1 地形地貌

彭陽縣境內(nèi)屬于殘塬溝壑區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)過渡帶。地形復雜，地貌破碎，梁峁起伏，溝壑縱橫。黃土堆積厚度一般在百余米，結(jié)構(gòu)疏松，巖土侵蝕強烈。以茹河、紅河及安家川河為主流，支流支溝密布，地形破碎，為滑坡的發(fā)育提供了地形地貌條件。如圖6。

斜坡的幾何形態(tài)決定著斜坡體內(nèi)應力的大小和分布，控制著斜坡的穩(wěn)定性與變形破壞模式。滑坡在0°～135°和225°～360°的坡向區(qū)間相對集中，即在陰坡和近似陰坡的斜坡上較發(fā)育。地貌主要包括黃土丘陵、河谷平原、紅巖丘陵和中低山地，各自面積分別占總面積的58.2%、20.1%、19.4%和2.3%，又細分為沖積平原、塬、塬梁、梁、梁峁、流水侵蝕丘陵、流水侵蝕褶皺山。

4.2 地層巖性

彭陽縣地層出露中元古界、寒武系、奧陶系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。前第四系零星出露于各大沖溝中，第四系廣泛分布，其中古近系與新近系巖系遇水易崩解軟化，強度降低，常形成滑動面和滑床，表2。第四系黃土廣泛分布于黃土丘陵上和各大沖溝內(nèi)，較高的滲透性、中等壓縮性、崩解性和濕陷性是影響滑坡穩(wěn)定性的關鍵因素，其節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松多孔、穩(wěn)定性差及遇水軟化等特性決定了黃土層是主要的易滑地層。另外，黃土特有的顆粒組成、化學成分及骨架鏈接形式、排列方式等[6]，使其遇水容易濕陷，抗剪強度迅速降低，極易導致滑坡變形破壞甚至產(chǎn)生滑坡。

表2 彭陽縣主要滑坡地層一覽表

4.3 地質(zhì)構(gòu)造

彭陽縣大地構(gòu)造位置跨鄂爾多斯臺拗陷帶。以西屬鄂爾多斯西緣拗陷帶，中條運動使基底拉張形成裂谷，長城-薊縣紀具碎屑巖、碳酸鹽巖建造。在晉寧運動影響下裂谷消失。早古生代寒武紀-奧陶紀為裂谷主要活動期，具碎屑巖、碳酸鹽及復理石建造。中奧陶世后，加里東期運動使裂谷逐漸消失，降升為陸。燕山運動使拗陷帶褶皺回返，伴隨斷塊的差異升降斷裂對白堊紀斷陷盆地的形成起著控制作用。以東地區(qū)為鄂爾多斯臺拗，各期構(gòu)造運動的構(gòu)造變形極微弱，主要表現(xiàn)為緩和的整體隆升或沉陷，主要拗陷時期為中生代，呈大型內(nèi)陸拗陷盆地，沉積了巨厚的中生代地層。燕山末期運動，臺拗全面隆升，經(jīng)受長期剝蝕缺失晚白堊紀至中新世沉積。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件比較復雜。其地質(zhì)構(gòu)造越發(fā)育的地段恰是構(gòu)造應力集中的地段，巖土體的變形、破壞就越嚴重，這使得滑坡越容易發(fā)生。圖7。

圖7 彭陽縣地質(zhì)構(gòu)造圖Fig 7.Geologic Structure Map of Pengyang

4.4 水文作用

彭陽縣年均降水量441.9mm，高發(fā)期在7月至9月，常以連陰雨和暴雨形式出現(xiàn)。長期連陰雨和暴雨是境內(nèi)滑坡形成的主要誘發(fā)因素之一。降雨量對淺層局部土體的破壞更為敏感，主要是降低斜坡土體的抗剪強度，并改變土體的容重，地表水的入滲有可能引起地下水位的上升，促使浮托力增大，有利于邊坡變形破壞的進一步發(fā)展。綜合分析彭陽縣內(nèi)已發(fā)生滑坡的頻次，基本與多年月平均降水量存在明顯的正相關關系。

該黃土滑坡發(fā)生在黃土丘陵地帶，而黃土主要由粉土組成，透水性較差，降雨一般不易滲入。但S202南山村黃土滑坡發(fā)育在黃土構(gòu)造節(jié)理、裂隙及落水洞等部位，降雨極易灌入，外加公路一側(cè)急流槽常年排水，地表水沿黃土節(jié)理入滲在粘性土層形成條帶狀、旋渦狀地下水，地下水沿層理面流出形成下降泉，造成孔隙水壓力，邊土層看著泛紅，黏粒含量比較高，降低了巖體強度，從而觸發(fā)了滑坡的發(fā)生。圖8。

圖8 S202南山村黃土滑地上水與地下水現(xiàn)狀圖

4.5 人類工程活動

近年來開荒造田，削坡取土建房挖窯，興修水利礦業(yè)開發(fā)及修建公路等工程活動，改變了地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)和應力條件，打破原有平衡狀態(tài)，使斜坡產(chǎn)生卸荷、拉張和風化裂隙[8]，引發(fā)了一系列的滑坡[9]。雖然現(xiàn)在不斷開展農(nóng)田基本建設，也推行過水土保持措施，但從整體上看，人類工程經(jīng)濟活動的深度和廣度都得到了增加，伴隨而來的種種不合理的開發(fā)和利用自然界的行為也正在以前所未有的速度破壞著地質(zhì)環(huán)境，使滑坡的發(fā)生呈現(xiàn)出增加的趨勢。南山村滑坡所處位置修建公路，削、挖堆積物較松散，破壞了其穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文選取位于黃土高原的寧夏固原市彭陽縣項目區(qū)新發(fā)育的黃土滑坡為研究對象，以無人機低空攝影測量為主要技術手段，開展示范區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災害調(diào)查和單體滑坡調(diào)查工作，根據(jù)研究團隊使用無人機低空攝影測量這一技術方法在彭陽縣黃土滑坡研究區(qū)調(diào)查黃土滑坡過程中所取得的經(jīng)驗和研究成果，為其他區(qū)域使用低空無人機攝影測量開展區(qū)域地質(zhì)災害調(diào)查和單體地質(zhì)災害調(diào)查起到示范作用，取得成果如下。

(1)黃土丘陵區(qū)的深切溝谷、黃土與泥巖易滑地層耦合、落水洞集群發(fā)育以及降水集中等特征是S202南山村黃土滑坡發(fā)生的內(nèi)在條件，其中降水是最主要的誘發(fā)因素；

(2)無人機低空攝影測量可對單體滑坡進行精細測繪，是研究滑坡變形和發(fā)育特征的重要技術手段；

(3)將無人機低空攝影測量引入黃土滑坡調(diào)查是對傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查方法的擴展與補充，在極大地提高工作效率的同時進一步提高了地質(zhì)災害調(diào)查的精度，并且提供了傳統(tǒng)方法難以獲取的數(shù)據(jù)資料；

(4)S202南山村滑坡周圍地質(zhì)環(huán)境復雜，土質(zhì)松散，落水洞集群發(fā)育，并有急流槽常年排水，極有可能形成二次災發(fā)，從而破壞周圍的公路、農(nóng)田、電網(wǎng)管線等，嚴重危害當?shù)鼐用竦娜松敭a(chǎn)安全。