基于實(shí)景三維模型對(duì)滑坡進(jìn)行識(shí)別分析
——以天水市元龍鎮(zhèn)為例

強(qiáng)德霞,茍彥梅,張軍偉,王 嘉

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741020)

0 引言

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在滑坡、泥石流等自然災(zāi)害中應(yīng)用較為廣泛。張崇軍[1]等采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了監(jiān)測(cè);郭晨[2]等將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于滑坡應(yīng)急搶險(xiǎn)中;余加勇[3]等利用無(wú)人機(jī)影像重構(gòu)了公路邊坡三維模型,實(shí)現(xiàn)了滑坡等場(chǎng)景的自動(dòng)識(shí)別。但滑坡區(qū)域土質(zhì)松散,地形復(fù)雜,不具備布設(shè)像控點(diǎn)的條件,因此采用免像控?zé)o人機(jī)測(cè)繪技術(shù),可提高生產(chǎn)效率,適用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和災(zāi)害評(píng)估等工作。

麥積區(qū)三岔鎮(zhèn)地處秦嶺山脈北麓林緣區(qū)、渭河河谷地帶,年均降雨量480.3 mm,平均海拔1 083.9 m。2021年10月3日出現(xiàn)了連續(xù)性強(qiáng)降雨,最大降雨量達(dá)128.7 mm,導(dǎo)致公路邊坡多處出現(xiàn)滑坡,阻塞道路,交通全幅中斷。當(dāng)?shù)赝ㄟ^(guò)排查對(duì)多處滑坡點(diǎn)落實(shí)防范避險(xiǎn)措施,以免發(fā)生意外事故。研究區(qū)滑坡位于渭河沿岸公路左側(cè),為山腰線,植保覆蓋較好,但公路開(kāi)通破壞了山體的自然平衡,旁邊2 m高度鋪設(shè)了漿砌石,其上無(wú)任何保護(hù)措施。路塹邊坡土質(zhì)屬粉質(zhì)黏性土,滲水能力較強(qiáng),連續(xù)性強(qiáng)降雨滲入土體,排水不好,降低了土體強(qiáng)度,滑坡易發(fā)生。

免像控?zé)o人機(jī)測(cè)繪技術(shù)是在無(wú)人機(jī)獲取與數(shù)理數(shù)據(jù)過(guò)程中不使用地面像控點(diǎn),利用傳感器自帶的高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)達(dá)到對(duì)應(yīng)比例尺精度的測(cè)量技術(shù)[4],能夠節(jié)省人力,不用花費(fèi)時(shí)間和精力布設(shè)像控點(diǎn),在內(nèi)業(yè)空三處理中不需要像控點(diǎn),提高了生產(chǎn)效率。

1 數(shù)據(jù)獲取

通過(guò)收集測(cè)區(qū)資料并進(jìn)行踏勘,制定了無(wú)人機(jī)飛行方式和飛行參數(shù),對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行免像控?zé)o人機(jī)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)獲取采用免像控技術(shù)的大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī),根據(jù)滑坡地形將無(wú)人機(jī)飛至合適距離,將云臺(tái)拍攝視角調(diào)整至滑坡主體區(qū)域,通過(guò)平移飛行方式獲取坡頂?shù)狡碌椎南衿?。飛行過(guò)程中保持相機(jī)俯仰角在0°左右,像片重疊部分面積不小于75%。坡底采用正攝模式獲取滑坡堆體且與斜視照片保持75%以上的重疊率。共獲取像片137張。

2 數(shù)據(jù)處理

相片獲取為手動(dòng)模式,拍攝過(guò)程中由于人為因素導(dǎo)致個(gè)別照片出現(xiàn)模糊、重疊率較低的問(wèn)題,故而剔除這類照片。對(duì)剩余照片進(jìn)行完整性檢查,若剔除質(zhì)量不合格的照片后剩余重疊度等不滿足模型建立需求,則進(jìn)行補(bǔ)拍[5]。本次數(shù)據(jù)獲取像片有兩張質(zhì)量不合格的像片,剔除后不影響三維模型建立。圖1為免像控?zé)o人機(jī)測(cè)繪技術(shù)采集的數(shù)據(jù)。

圖1 影像數(shù)據(jù)Fig.1 Image data

由于外界各種因素的影響,獲取的影像一般存在色差,視覺(jué)質(zhì)量較差,要對(duì)其進(jìn)行勻色勻光。利用無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)快速拼接,可以檢查影像數(shù)據(jù)質(zhì)量,在極短時(shí)間內(nèi)生成災(zāi)區(qū)正射影像圖,可用于對(duì)精度要求不高的應(yīng)急救援和災(zāi)情的快速評(píng)估[6]。

數(shù)據(jù)集群解算使用Bentley Context Capture三維建模軟件,獲取高分辨率的高重疊度影像信息,完成同名點(diǎn)的自動(dòng)匹配與相對(duì)定向,自動(dòng)剔除粗差點(diǎn),由于采用免像控?zé)o人機(jī)測(cè)繪技術(shù),無(wú)像控點(diǎn)的引入與轉(zhuǎn)刺,基于相對(duì)定向后的空三結(jié)果完成實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。該模型比例尺是任意的,未被納入到地面測(cè)量坐標(biāo)系中,在此模型上量測(cè)的坐標(biāo)是基于模型當(dāng)前坐標(biāo)系下的坐標(biāo),而非地面測(cè)量系下的坐標(biāo)。要得到地面測(cè)量系下的坐標(biāo)成果,必須引入并轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn),完成空三加密點(diǎn)的絕對(duì)定向。通過(guò)多視影像密集匹配、區(qū)域網(wǎng)平差解算、自動(dòng)紋理映射等步驟,獲取滑坡實(shí)景三維模型。在軟件中利用空間框架完成瓦塊的切塊設(shè)計(jì),瓦片切塊選擇規(guī)則立體切塊,修改切塊大小,設(shè)置模型輸出區(qū)域。密集匹配得到海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。一般計(jì)算機(jī)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行整體處理,因此對(duì)其進(jìn)行分割并自動(dòng)完成三角網(wǎng)的構(gòu)建,得到TIN模型。

從三維模型成果上看,基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生成的實(shí)景三維模型能將滑坡很好地展現(xiàn)出來(lái),整個(gè)滑坡的空間位置、周圍植被變化等都與實(shí)際環(huán)境一致。

3 滑坡評(píng)價(jià)

3.1 降雨

降雨是誘發(fā)滑坡的主要?jiǎng)恿σ蛩?。根?jù)降雨能級(jí)和滑坡活動(dòng)規(guī)模關(guān)系表,在無(wú)前期降雨的情況下,降雨強(qiáng)度、日降雨量及因降雨過(guò)程累積量不同引起不同程度的滑坡,如表1所示。

表1 暴雨觸發(fā)滑坡的臨界降雨強(qiáng)度Tab.1 Critical rainfall intensity of landslide triggered by rainstorm

元龍鎮(zhèn)年降水量為467～734 mm,屬于年降雨量小于800 mm的西北地區(qū)。研究區(qū)2021年10月2—3日發(fā)生滑坡的日均降水量為51.70 mm,最大降水量達(dá)到194 mm,超過(guò)了中厚層堆積滑坡的日降雨量與累積量,降雨量均超過(guò)本地可能發(fā)生滑坡的界限值。采用研究區(qū)2021年10月2—7日滑坡發(fā)生時(shí)降雨數(shù)據(jù)作為臨界值進(jìn)行研究分析。

3.2 地形地貌

地形地貌是影響滑坡災(zāi)害的重要因素之一。通常,只有具有一定坡度的斜坡才能產(chǎn)生滑坡。坡度、高差越大,松散物質(zhì)越難以在坡面積累,滑坡位能越大,形成滑坡的滑速越高。由坡度斜坡穩(wěn)定性分析可知,滑坡更易發(fā)生在坡度較大的地段[7]。表2顯示了不同坡度發(fā)生的頻率,可看出15°～25°的坡度發(fā)生滑坡頻率較高,如超過(guò)這個(gè)臨界值,隨著坡度的增大,滑坡頻率降低。

表2 坡度因子參數(shù)計(jì)算表Tab.2 Calculation of slope factor parameter

圖3 滑坡高度量測(cè)Fig.3 Landslide height measurement

從滑坡模型上量取滑坡的高度為78 m,距離為101 m,計(jì)算得出坡度為83°,此處滑坡高度較高、滑坡面積較大,堆積物較多。由于在公路旁邊,堆積物得到及時(shí)清理,模型不顯示堆積物。

3.3 地層巖性

組成滑坡體的巖和土的力學(xué)強(qiáng)度越高、越完整則滑坡概率越小。構(gòu)成滑坡滑面的巖、土性質(zhì)會(huì)直接影響滑速。一般來(lái)說(shuō),滑坡面的力學(xué)強(qiáng)度與滑坡體滑速呈負(fù)相關(guān),力學(xué)強(qiáng)度越低滑坡體滑速越高。對(duì)研究區(qū)土壤進(jìn)行分析,結(jié)合實(shí)地滑坡發(fā)生區(qū)域調(diào)查發(fā)現(xiàn),該滑坡發(fā)生的地域與鐵鋁土、半淋溶土分布的地域高度吻合。半淋溶土綱則包括褐土、石灰性褐土等。此類型土壤抗剪強(qiáng)度均低于1,在遭受較長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)降雨后,土體經(jīng)過(guò)充分浸潤(rùn),重力陡增,在一定的地形條件下發(fā)生崩塌、滑坡。

3.4 人為因素

開(kāi)挖坡腳、修建公路及鐵路、依山建房和建廠等工程常常會(huì)使坡體下部失去有效支撐而造成下滑。研究區(qū)域旁邊是鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路,修建時(shí)被強(qiáng)行開(kāi)挖,雖修建公路邊坡,但對(duì)此處的地形結(jié)構(gòu)造成破壞,邊坡上較容易發(fā)生滑坡。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)免像控?zé)o人機(jī)獲取滑坡影像數(shù)據(jù),生成滑坡實(shí)景三維模型,減少了工作量,避免了危險(xiǎn),節(jié)省了人力與時(shí)間。通過(guò)對(duì)降雨、坡度、土壤及人為等因素的分析可知,研究區(qū)為降雨型滑坡,由于區(qū)域坡度及高度較高,植被面積大,土質(zhì)松軟,剪切力較小且位于公路旁,受人為因素影響較大,滑坡發(fā)生概率較大。需在此處多加防范,采用加固邊坡、鋪設(shè)防護(hù)網(wǎng)等方法,減小滑坡對(duì)人們生命安全與生活的影響。