張志軍，陳 楚*，王 琳，姜興鈺，陳 香

（1.天津市測(cè)繪地理信息研究中心，天津 300201；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心（華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），天津 300170；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300170；4.天津市海岸帶地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300170；5.天津市測(cè)繪院有限公司，天津 300381）

地質(zhì)災(zāi)害是指在地球的發(fā)展演變過(guò)程中，由各種自然地質(zhì)作用和人類(lèi)活動(dòng)所形成的災(zāi)害性地質(zhì)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(qū)發(fā)育崩塌、滑坡、泥石流突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，成為天津市地質(zhì)環(huán)境面臨的重要問(wèn)題[2，3]。為了在最大程度上減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失，需要進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和防護(hù)[4]，動(dòng)態(tài)掌握地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管控。

遙感技術(shù)為地質(zhì)災(zāi)害及孕育環(huán)境宏觀調(diào)查提供先進(jìn)的技術(shù)手段[5-9]，貫穿于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估的全過(guò)程[10]。李捷等[11]將全站儀免棱鏡測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，大大降低了全站儀開(kāi)展監(jiān)測(cè)的工作量，提高了工作效率。梁京濤等[12]采用六期高精度無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)，分析了文家溝特大泥石流震后的6次泥石流災(zāi)害過(guò)程，闡述并討論了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在高位泥石流動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)方面的具體應(yīng)用過(guò)程；通過(guò)多次動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)泥石流變化，分析泥石流物源啟動(dòng)方式和治理方式。李楊[13]、閆馳[14]等人利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的高精度三維模型和紋理細(xì)節(jié)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、現(xiàn)狀評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

上述研究采用圖像全站儀和無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，探索了一套合理、有效的滑坡、泥石流監(jiān)測(cè)方法。本文以上述研究工作為基礎(chǔ)，針對(duì)天津市北部山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)，選取薊州區(qū)肘各莊崩塌災(zāi)害點(diǎn)和東窩鋪泥石流災(zāi)害點(diǎn)作為試驗(yàn)區(qū)域，探索實(shí)踐圖像全站儀測(cè)量技術(shù)和無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在天津市地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)的具體應(yīng)用。實(shí)踐結(jié)果表明，圖像全站儀的觀測(cè)精度能達(dá)到mm級(jí)，解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)人員對(duì)難以到達(dá)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)；無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)平面精度達(dá)到cm 級(jí)，通過(guò)獲取的數(shù)字正射影像和數(shù)字表面模型能準(zhǔn)確把握泥石流災(zāi)害周?chē)匦吻闆r和松散堆積物的分布情況。本文所做工作形成了遙感技術(shù)作為輔助地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測(cè)手段的典型示范應(yīng)用，為工作人員預(yù)判地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

1 基于圖像全站儀的崩塌點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用

1.1 肘各莊地質(zhì)環(huán)境條件

肘各莊崩塌體地處山前傾斜平原與北部山區(qū)過(guò)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(qū)，已有坡面風(fēng)化巖體崩落。肘各莊崩塌體地形復(fù)雜（圖3），崩塌體陡峭，坡高達(dá)到65.4 m，坡度為85°，坡寬30 m，坡長(zhǎng)70 m。

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

圖2 肘各莊崩塌體遠(yuǎn)眺Fig.2 View of Zhougezhuang collapsed body

圖3 肘各莊崩塌體現(xiàn)狀Fig.3 Status of Zhougezhuang collapsed body

1.2 基于圖像全站儀的崩塌體監(jiān)測(cè)方案

1.2.1 監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

為了及時(shí)掌握崩塌體的發(fā)育情況，需要對(duì)崩塌體的縫隙進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)[15-16]，即通過(guò)測(cè)量沿縫隙走向兩側(cè)便于觀測(cè)的明顯特征點(diǎn)，分析其坐標(biāo)變化，當(dāng)變化達(dá)到臨界值時(shí)，需引起重視并做好預(yù)警工作。

1.2.2 監(jiān)測(cè)思路

圖像全站儀測(cè)量原理同軸可見(jiàn)紅色激光相位測(cè)量，發(fā)出的激光束極為窄小，可以非常精確地打到目標(biāo)上，保證高精度的距離測(cè)量。與有棱鏡測(cè)量相比較，其優(yōu)點(diǎn)是只要測(cè)點(diǎn)的反射介質(zhì)符合免棱鏡測(cè)量的條件，就不需要在測(cè)點(diǎn)上放置棱鏡，即可測(cè)量出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)[15]。

針對(duì)崩塌地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)人員因不能到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，故采用圖像全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)[17]，在已知的兩個(gè)控制點(diǎn)（A，B）上的一個(gè)點(diǎn)上架站，利用極坐標(biāo)法[18-19]，測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。利用圖像全站儀，監(jiān)測(cè)人員不需到監(jiān)測(cè)點(diǎn)架設(shè)棱鏡，通過(guò)激光測(cè)距，精確測(cè)量出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)并分析其變化，做好防范工作。

1.2.3 測(cè)量?jī)x器

觀測(cè)崩塌體的測(cè)量?jī)x器為徠卡公司TS15i圖像全站儀，測(cè)角精度為1＂，單棱鏡測(cè)程為3 500 m，無(wú)棱鏡測(cè)程為1 000 m，精度為±（2 mm+2×10-6D）。

1.2.4 實(shí)施崩塌體監(jiān)測(cè)

（1）觀測(cè)墩布置

為了減少人為操作誤差，確保基礎(chǔ)控制的統(tǒng)一，提高觀測(cè)精度及穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)了三個(gè)觀測(cè)墩（圖4、圖5）作為已知控制點(diǎn)。由于受到山體的影響，觀測(cè)墩二和觀測(cè)墩三之間不能通視。經(jīng)量測(cè)，觀測(cè)墩一和觀測(cè)墩二之間距離為108.061 8 m，觀測(cè)墩一和觀測(cè)墩三之間距離為111.391 6 m，將觀測(cè)墩一作為后視，定為坐標(biāo)系原點(diǎn)，觀測(cè)墩一和觀測(cè)墩二之間的連線方向定為X 軸，建立坐標(biāo)系。三個(gè)觀測(cè)墩安裝后，能對(duì)崩塌體大部分縫隙進(jìn)行觀測(cè)。

圖4 觀測(cè)墩布設(shè)位置圖Fig.4 Layout of observation pier

圖5 觀測(cè)墩現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 Site map of observation pier

（2）確立監(jiān)測(cè)點(diǎn)

選取經(jīng)地質(zhì)專(zhuān)家指定的裂縫，為了監(jiān)測(cè)該縫隙的變化趨勢(shì)及方向，在沿縫隙走向兩側(cè)選取6個(gè)便于觀測(cè)的明顯特征點(diǎn)（圖6）作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每次監(jiān)測(cè)時(shí)都觀測(cè)這6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化。

（3）實(shí)施崩塌體監(jiān)測(cè)

為了驗(yàn)證圖像全站儀的觀測(cè)精度，按照《工程測(cè)量規(guī)范》[20]中二等變形監(jiān)測(cè)的要求，利用圖像全站儀在上午10點(diǎn)左右和下午3點(diǎn)左右分別對(duì)上述6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。每次觀測(cè)都進(jìn)行了兩個(gè)測(cè)回。觀測(cè)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在無(wú)棱鏡的情況下，利用圖像全站儀對(duì)崩塌體進(jìn)行多次觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差小于5 mm，滿足《工程測(cè)量規(guī)范》[20]中三等變形監(jiān)測(cè)的要求。

表1 圖像全站儀觀測(cè)結(jié)果（單位：m）Table 1 Observation results of image total station (unit:m)

在后續(xù)工作中，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)相關(guān)要求，按照一定的監(jiān)測(cè)頻次進(jìn)行觀測(cè)。每次監(jiān)測(cè)時(shí)，都是在上述三個(gè)已知的觀測(cè)墩上，對(duì)圖6中的6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷崩塌裂縫是否發(fā)生變化，當(dāng)變化達(dá)到臨界值時(shí)，需做好預(yù)警工作。

1.3 監(jiān)測(cè)效果分析

通過(guò)對(duì)肘各莊崩塌體的監(jiān)測(cè)實(shí)踐，圖像全站儀在崩塌變形監(jiān)測(cè)中具有以下特點(diǎn)：

（1）解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)人員對(duì)難以到達(dá)的陡峭石崖、危巖、高空物等監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，在確保了監(jiān)測(cè)人員安全的同時(shí)，提高了作業(yè)效率。

（2）圖像全站儀測(cè)量精度滿足《工程測(cè)量規(guī)范》[20]中三等變形監(jiān)測(cè)的要求。利用圖像全站儀對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體多次持續(xù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)多期測(cè)量數(shù)據(jù)可采集地質(zhì)災(zāi)害體變化信息數(shù)據(jù)，了解地質(zhì)災(zāi)害演變特征，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體開(kāi)裂等微觀變化，為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的預(yù)判提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 基于無(wú)人機(jī)的泥石流點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用

2.1 東臥鋪地質(zhì)環(huán)境條件

東窩鋪泥石流位于天津市薊州區(qū)許家臺(tái)鄉(xiāng)（圖7），處于盤(pán)山旅游風(fēng)景區(qū)西側(cè)，東起盤(pán)山主峰掛月峰，西至寶平公路，南自盤(pán)山索道，北到北山梁，面積約2.0 km2。泥石流溝地勢(shì)總體東高西低，最高點(diǎn)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(duì)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(jīng)濟(jì)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(jīng)長(zhǎng)期的生物及工程治理已基本消除隱患，但由于該地區(qū)球狀風(fēng)化較強(qiáng)烈，隨著時(shí)間推移，風(fēng)化產(chǎn)生的堆積物將會(huì)逐漸增多，仍應(yīng)長(zhǎng)期進(jìn)行泥石流穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

2.2 基于無(wú)人機(jī)的泥石流監(jiān)測(cè)方案

2.2.1 監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

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(zhì)為泥石流的形成提供了物源。物源的增加會(huì)改變泥石流危險(xiǎn)范圍，甚至超出防治工程的設(shè)計(jì)防治能力。因此，對(duì)泥石流域內(nèi)物源變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)物源變化后的泥石流災(zāi)害做危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)堆積范圍，預(yù)估災(zāi)害危險(xiǎn)范圍，對(duì)域內(nèi)防治工程能力做出評(píng)估，可以為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)部門(mén)提供決策支持，減少生命財(cái)產(chǎn)損失[21]。

2.2.2 監(jiān)測(cè)思路

東窩鋪泥石流災(zāi)害點(diǎn)具有以下環(huán)境特點(diǎn)：①涉及區(qū)域較大；②山勢(shì)陡峭，樹(shù)木茂密，人工不易到達(dá)，且不易看清山形特征和走勢(shì)。無(wú)人機(jī)遙感具有時(shí)效性高，數(shù)據(jù)精度高，操作方便快捷的特點(diǎn)?；谝陨戏治?，為準(zhǔn)確把握泥石流災(zāi)害周?chē)匦吻闆r和松散堆積物的分布情況，利用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)[21-23]對(duì)東窩鋪泥石流局部地區(qū)進(jìn)行航攝，根據(jù)空三加密成果及其區(qū)域內(nèi)的正射影像圖和數(shù)字表面模型獲取如下信息：①快速獲取泥石流災(zāi)害點(diǎn)一定區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)；②準(zhǔn)確把握泥石流的運(yùn)動(dòng)軌跡；③準(zhǔn)確獲取泥石流區(qū)域內(nèi)建構(gòu)筑物的分布情況，以便于進(jìn)行災(zāi)后評(píng)估。

2.2.3 具體實(shí)施泥石流監(jiān)測(cè)過(guò)程

（1）監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

按照低空攝影測(cè)量的需要，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)29個(gè)標(biāo)志點(diǎn)（圖8），其中25個(gè)控制點(diǎn)（紅色），4個(gè)檢查點(diǎn)（藍(lán)色），具體分布如圖9所示。

圖8 標(biāo)志點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Landmark site

圖9 標(biāo)志點(diǎn)分布圖Fig.9 Distribution of landmark

（2）無(wú)人機(jī)飛行攝影和數(shù)據(jù)處理

利用六旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空攝影，飛行高度為300 m。建立自由坐標(biāo)系，利用全站儀對(duì)各標(biāo)志點(diǎn)量測(cè)三維坐標(biāo)。低空攝影時(shí)，使用索尼NEX7相機(jī)，相機(jī)主要參數(shù)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(qū)域內(nèi)的高差50 m。

數(shù)據(jù)處理基于SVS數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行。利用外業(yè)控制點(diǎn)進(jìn)行空三加密，通過(guò)光束法區(qū)域網(wǎng)平差[24-25]得到加密點(diǎn)（含檢查點(diǎn)）平面和高程坐標(biāo)；然后生產(chǎn)制作DSM和DOM，獲取區(qū)域內(nèi)地形特征和遙感影像。

（3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)與分析

經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)幾何數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)分別如表2和表3所示。

表2 空三加密過(guò)程中控制點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表（單位：m）Table 2 Accuracy statistics of control points in aerial triangulation process (unit:m)

表3 空三加密過(guò)程中檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表（單位：m）Table 3 Accuracy statistics of check points in aerial triangulation process (unit:m)

通過(guò)對(duì)比控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)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(nèi)，滿足1/500DOM制作要求，能達(dá)到監(jiān)測(cè)泥石流的需要。

2.3 監(jiān)測(cè)成果應(yīng)用及分析

通過(guò)對(duì)東窩鋪泥石流災(zāi)害點(diǎn)的監(jiān)測(cè)實(shí)踐，低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在泥石流監(jiān)測(cè)中具有以下特點(diǎn)及應(yīng)用：

（1）控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)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(wú)人機(jī)低空遙感，可快速獲取區(qū)域的低空遙感影像（圖10），以便快速分析區(qū)域地形特點(diǎn)，準(zhǔn)確獲取泥石流區(qū)域內(nèi)建構(gòu)筑物的分布情況。

圖10 無(wú)人機(jī)低空遙感獲取的影像Fig.10 Images acquired by UAV low altitude remote sensing

（3）通過(guò)對(duì)低空遙感影像進(jìn)行解譯，快速確定物源的分布位置及范圍（圖11）。通過(guò)多次觀測(cè)，根據(jù)空中三角測(cè)量后的高精度DEM測(cè)量，可計(jì)算形成物源區(qū)的體積變化。

圖11 利用無(wú)人機(jī)獲取的影像分析得到的物源區(qū)Fig.11 Provenance obtained by UAV image analysis

（4）通過(guò)區(qū)域內(nèi)布設(shè)的標(biāo)志點(diǎn)（圖12），根據(jù)監(jiān)測(cè)需要連續(xù)多次觀測(cè)，可快速發(fā)現(xiàn)該物源的遷移距離和方向。

圖12 監(jiān)測(cè)布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)分析物源運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.12 Provenance movement analyzed by monitoring the change of landmark

3 結(jié)論與建議

本文選取天津市北部山區(qū)崩塌和泥石流兩種典型的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，分別運(yùn)用圖像全站儀和無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)對(duì)其監(jiān)測(cè)。通過(guò)具體應(yīng)用及其效果分析，得到以下兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）圖像全站儀對(duì)崩塌體的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度達(dá)到mm級(jí)，解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)人員對(duì)難以到達(dá)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)多次持續(xù)監(jiān)測(cè)獲取地質(zhì)災(zāi)害體變化信息數(shù)據(jù)，了解地質(zhì)災(zāi)害演變特征，為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的預(yù)判提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)對(duì)泥石流區(qū)域監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度達(dá)到cm級(jí)，可一次性覆蓋整個(gè)泥石流影響區(qū)域，能夠直觀、客觀查明物源分布位置、物源范圍及面積。通過(guò)多次飛行獲取遙感影像等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)體的整體面域監(jiān)測(cè)，快速把握被監(jiān)測(cè)體的整體變化趨勢(shì)和運(yùn)動(dòng)軌跡。

通過(guò)具體實(shí)踐，圖像全站儀和無(wú)人機(jī)等遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面有其特有的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，可為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供更加精準(zhǔn)的信息，但也有一定的局限性。圖像全站儀和無(wú)人機(jī)等遙感技術(shù)容易受到天氣等自然因素的影響，有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)遮擋現(xiàn)象等。隨著測(cè)繪技術(shù)及多學(xué)科融合的發(fā)展，為更好服務(wù)于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)，建議在后續(xù)工作中從以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究：

（1）開(kāi)展星載InSAR（星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量）技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。星載In-SAR 通過(guò)定期監(jiān)測(cè)，有效反映地表形變的發(fā)展趨勢(shì)和規(guī)律性，為長(zhǎng)時(shí)間序列下地面沉降問(wèn)題提供良好的技術(shù)監(jiān)測(cè)手段。

（2）開(kāi)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(shè)，探索三維數(shù)據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害防治和治理方面的應(yīng)用。

（3）融合集成地球物理、基礎(chǔ)測(cè)繪、GIS、遙感、地質(zhì)勘查等各方面技術(shù)力量[26]，增強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)隱患的技術(shù)能力和完善監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。