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我国西南部山区是地质灾害的高发区，2017-2018两年间发生的几起重大地质灾害事件造成了巨大的生命财产损失，引起国内外及社会各界的广泛关注。应急调查是地质灾害应急处置的关键和基础，但传统的地质灾害应急调查受限于复杂的地形条件，不能快速全面地获取灾害的详细信息，而无人机具有机动性强、时效性高和不受复杂地形影响等特点，在地质灾害应急调查中有独特的优势。本文以6·24新磨村山体滑坡和10·11白格两次山体滑坡、堰塞堵江事件为例，阐述无人机地质灾害应急调查数据获取及处理流程，重点介绍无人机三维数字地形产品在地质灾害精确描述、定性及定量分析中的应用。
成都理工大学
无人机航摄测量技术可为重大地质灾害的应急调查提供更加科学、高效的现场影像采集和遥感成果处理方案，不仅降低了调查人员的劳动强度和作业风险，还大大提高了地质灾害应急调查的工作效率，为应急救灾工作的分析研判以及顺利实施提供了重要数据支撑，科学有效地保证了现场施工救援人员的安全。随着无人机航摄系统性能的不断完善，数据处理新方法、新工艺等技术手段的不断提升，无人机在地质灾害应急调查领域将拥有广阔的应用前景。
研究背景
中国是一个地质灾害极为频繁的国家。据自然资源部资料显示，仅2017-2018年两年就发生地质灾害超过1万起，造成464人死亡或失踪、200多人受伤，直接经济损失超过50乙元。其中，2017年四川茂县6.24新磨村滑坡、贵州纳雍8-28山体滑坡，以及2018年的金沙江白格10-11、11-03两次滑坡、堰塞堵江事件等重大地质灾害，不仅造成惨重的生命财产损失，还引起国内外及社会各界的广泛关注。
灾害发生后的应急调查作为地质灾害应急处置的首要和基础环节，必须突出快且高效，即需在尽量短的時间内确定减灾方案提供尽量准确、完整、详细的相关信息。而作为地质灾害高发的西南地区，由于河谷深切、谷坡高陡、植被茂密，传统的应急调查靠地质人员进行地面调查，不仅工作强度大、效率低、风险大，甚至个别区域根本无法达到，很难在短时间内将全面的灾情信息反馈给救灾指挥部供决策支持，对应急处置工作顺利有效地开展带来了严重阻碍。无人机具有独特的非接触式测量方式、精度高、机动性强、360°全方位无死角航摄等特点，为重大地质灾害应急调查提供了更加科学高效的现场影像采集和遥感成果处理方案，能大大提高应急处置效率、确定应急处置方案。在灾后的抢险救灾、决策支持中发挥着极其重要的作用，不仅为抢险救灾、科学决策和指挥提供地理信息保障，也为收集地质灾害数据、财产损失评估、灾后重建和生产自救提供宝贵的参考资料。
技术路线
在6-24新磨村滑坡、8-28纳雍滑坡、10-10白格滑坡以及11-03白格二次滑坡等灾害发生后，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室均在第一时间组织团队携带F1000无人机赶赴现场，参与应急测绘救援工作。
团队首先对滑坡的位置、相对高差、作业面积等制定相应的航测计划，保证航拍数据具有较高的精度和分辨率，航线规划一般根据地形高程变化设置2-3个航拍高程。数据获取后立即采用高性能计算机集群联机处理并行计算，利用Pix4d Mapper软件对获取的影像数据、POS数据进行无控空三加密，获得高分辨率数字地表模型（ DSM）和数字正射影像图（DOM）。同时选用宾利（Bentley）公司的Context Capture Center Master软件进行联机计算，得到高分辨率三维实景模型，整体流程图如图1所示。
通过无人机航摄测量方法获取的各类数字地形产品，可以快速360。无死角地展现地质灾害体及周围的真实场景，清晰展现地质灾害体的类型、规模、区域范围、所处的地形及地貌，准确地辨识出地质灾害体的形态特征。从图像上可直接读取任一点的高程值及任两点间的高差、坡度和坡向等信息，为研究大型地质灾害提供三维参数，结合地面调查及监测资料，就能快速解译和评估灾害体特征及影响，为现场调查和分析研判提供理论依据和数据支撑。
无人机在重大地质灾害事件中的应用
茂县新磨村滑坡
2017年6月24日，四川省茂县叠溪镇新磨村新村组后山山体发生高位滑坡（下称6-24新磨村滑坡），瞬间摧毁坡脚的新磨村，掩埋64户农房和1500m道路，堵塞河道1000m，导致10人死亡、73人失踪，引起国内外广泛关注。此次航拍平均地面分辨率为10-15cm，航带间重叠率75%，航向重叠率80%，航拍离地高度500-700m，共28条航线，飞行距离121km，航拍面积21 km2，共获取航拍照片924张。数据获取后立即采用高性能计算机集群联机处理并行计算，在数据下载完成后3小时获得高分辨率数字地表模型DSM）和数字正射影像图（DOM）。
通过无人机航拍获取的影像数据，第一时间为救灾指挥部提供灾后高分辨率正射影像和三维实景模型，从而较为全面地了解滑坡的基本情况。6-24新磨村滑坡源区所在位置东经103°39′46″，北纬32°4′47″，垮塌区长约200m，宽约300m，平均厚度约70m，体积约450×104m3。最终形成顺滑坡运动方向1600m，顺河长1000m，平均厚度大于10m，体积约为1300×104m3的滑坡堆积体，几乎将新磨村全部掩埋见图2。
灾害发生后，为确保抢险救援工做在黄金时间内顺利开展，现场应急专家组的主要任务之一就是强化监测预警，确保不发生二次灾害。无人机航拍的三维实景模型显示，受主滑体高速滑动和运动过程中牵引、拖拽作用的影响，在滑源区东、西两侧还分别残留存在新变形裂缝的欠稳定岩体见图3，在滑坡区西侧还存在一块主要由松散堆积物构成的变形体。其中，西侧变形体稳定性最差，对下游现场救援人员造成极大威胁，因而得到相关部门和现场专家组的高度重视，成为现场监测预警的主要对象。 （1）西侧欠稳定岩体。
滑源区西侧的欠稳定岩体在地形上三面临空，其后缘高程分布在3351-3266m，前缘高程3073m，高约230m、宽220m、厚度35m，整体呈巨厚层块状，岩体较完整，估算方量177×104m3。历史遥感卫星影像、滑坡后航拍数据均显示该部位在滑坡发生前后均产生过变形裂缝。短时间内失稳可能性较小见图4左图。
（2）东侧欠稳定岩体。
在滑源区东侧上部也残留有一个欠稳定岩体，其后缘高程3465m、前缘高程在3403-3371m之间，高约106m、宽90m、厚度20m左右，估算方量19×104m3。高清航拍影像显示，东侧欠稳定岩体呈厚层板状，表部有几条裂缝分布，较西侧块体破碎见图4右图，其前缘和西侧已临空，但东侧仍与围岩保持很好地联结。综合判断易发生局部掉块，整体失稳可能性不大。
（3）西侧变形体。
西侧变形体平面形态呈倒梯形，上宽250m、下宽100m、高450m、平均厚度58m，估算方量455×104m3见图5。西侧变形体后缘存在一个拉陷槽，展布方向与岩层走向相一致，延伸长度250m，水平拉开宽度43m，垂向下错20m。在其前部还存在另一条裂缝，延伸长达540m，拉开宽度近10m。在现场应急抢险过程中，西侧变形体被认为是整个滑坡区稳定性最差，对下游现场救援人员安全威胁最大的岩体，因此得到相关部门和现场专家组的高度重视。
金沙江白格滑坡
虽然无人机在地质灾害应急调查中的应用越来越广泛，无人机影像提取的DEM可以满足快速定性判断的需求，但随着抢险救灾工作的持续进行，单次飞行数据将无法准确获取滑坡体积等关键数据，可能会直接影响应急处置定量评价。金沙江在2018年10月11日第一次滑坡后，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室相关人员立即赶赴现场，采集了10月12日第一次滑坡后、10月16日第一次泄洪后、11月5日第二次滑坡后、11月8日、11月14日第二次泄洪前后等关键事件以及其间一系列多期次的无人机数据见图6。不仅获得了应急抢险各阶段滑坡的基本信息，而且将不同时间的无人机高分辨率DSM进行差分对比，可以精确获取滑坡厚度、体积变化量等一系列成果，为现场分析研判提供了重要数据支撑。
滑坡体滑动前后的竖直位移变化，可以将带有三维空间信息的两期点云或三维模型（DEM或DSM）进行高程差分测量，如图7a所示。通過计算得出，10·11主滑坡最大滑动深度约90m，位于滑坡中后部，滑动土体平均厚度约50m，滑坡形成的堰塞坝最大堆积厚度约80m，平均厚度约40m;另外，通过竖直位移差分计算，能大致推测滑坡剪出口位置高程约3000m，高出金沙江江面高程2860m约200m，具有明显高位剪出的特点;11-03二次滑坡存在明显的滑源区和铲刮区见图7b，最大滑动深度约60m，最大堆积高度约80m（相比第一次泄洪后），方量约312×104m3，基本与滑源区土体相当。加上10·11第一次滑坡堰塞坝泄流后形成的泄洪槽较为狭长，上宽约200m，底宽约60m，大量松散土体高速下滑，短时间内就将其填满并堆覆其上，形成的堰塞坝比第一次高出约50m，造成比主滑坡更为严重的二次堵江事件。
金沙江白格二次滑坡后，滑源区两侧及后缘斜坡产生了大量新生裂缝，在导流槽开挖过程中滑坡区经常发生小规模垮塌。11月5-8日，滑坡后缘产生了abc三个强烈形变区，均存在明显的垮塌和堆积现象见图8，最大下错高度约10m，在坡脚堆积最大厚度约9m。通过两期无人机DSM差分测量，可以精准地发现斜坡后缘的形变区域并且能定量表征变形区域的形变量，为斜坡的形变监测提供靶点，从而有针对性地布设专业监测仪器。现场专家组通过对现场实时传回的监测数据进行不断的分析研判，一旦预判某部位可能发生较大规模的垮塌，就立即发布预警信息到前线指挥部，指挥部会及时将预警信息传达到现场监测预警人员和每一个挖掘机操作人员，并按照预案立即组织撤离。不仅保障泄流工程的顺利实施，同时还通过科学手段有效地保证了人员安全。
无人机低空航摄测量系统获取的高精度、高分辨率DSM、DEM和DOM，可对地质灾害的体形态分布特征及所处区域的微地貌特征实现精确描述，精确提取地质灾害体的属性信息，不仅降低了调查人员的劳动强度和作业风险，也大大提高了地质灾害应急调查的工作效率。
另外，通过连续航拍获得的影像及三维模型，不仅可以对灾害体进行监测，掌握其随时间变化的特征，而且将不同时间序列的DSM/DEM进行差分对比，可以精确获取滑坡厚度、体积变化量等一系列成果，精准发现斜坡后缘存在的形变区域并且能定量表征形变区域的形变量，为专业监测仪器的布设提供靶点，从而为应急抢险工作的顺利实施以及分析研判提供重要数据支撑。
习近平总书记在2018年10月中央财经委员会第三次会议上提出，要建立高效科学的自然灾害防治体系，提高全社会自然灾害防治能力，着重强调加强地质灾害隐患排查和监控的重要性。而无人机在地质灾害隐患的早期识别、隐患排查、应急调查、抢险救灾等方面表现卓越，同时其航摄系统性能正不断完善，整体技术向重量轻、体积小、精度高、抗干扰性强的方向发展，未来将会更加适应恶劣天气、复杂地形的作业环境;数据处理的新技术也在不断提升，预示着无人机在地灾领域将拥有广阔的市场前景。
成都理工大学
无人机航摄测量技术可为重大地质灾害的应急调查提供更加科学、高效的现场影像采集和遥感成果处理方案，不仅降低了调查人员的劳动强度和作业风险，还大大提高了地质灾害应急调查的工作效率，为应急救灾工作的分析研判以及顺利实施提供了重要数据支撑，科学有效地保证了现场施工救援人员的安全。随着无人机航摄系统性能的不断完善，数据处理新方法、新工艺等技术手段的不断提升，无人机在地质灾害应急调查领域将拥有广阔的应用前景。
研究背景
中国是一个地质灾害极为频繁的国家。据自然资源部资料显示，仅2017-2018年两年就发生地质灾害超过1万起，造成464人死亡或失踪、200多人受伤，直接经济损失超过50乙元。其中，2017年四川茂县6.24新磨村滑坡、贵州纳雍8-28山体滑坡，以及2018年的金沙江白格10-11、11-03两次滑坡、堰塞堵江事件等重大地质灾害，不仅造成惨重的生命财产损失，还引起国内外及社会各界的广泛关注。
灾害发生后的应急调查作为地质灾害应急处置的首要和基础环节，必须突出快且高效，即需在尽量短的時间内确定减灾方案提供尽量准确、完整、详细的相关信息。而作为地质灾害高发的西南地区，由于河谷深切、谷坡高陡、植被茂密，传统的应急调查靠地质人员进行地面调查，不仅工作强度大、效率低、风险大，甚至个别区域根本无法达到，很难在短时间内将全面的灾情信息反馈给救灾指挥部供决策支持，对应急处置工作顺利有效地开展带来了严重阻碍。无人机具有独特的非接触式测量方式、精度高、机动性强、360°全方位无死角航摄等特点，为重大地质灾害应急调查提供了更加科学高效的现场影像采集和遥感成果处理方案，能大大提高应急处置效率、确定应急处置方案。在灾后的抢险救灾、决策支持中发挥着极其重要的作用，不仅为抢险救灾、科学决策和指挥提供地理信息保障，也为收集地质灾害数据、财产损失评估、灾后重建和生产自救提供宝贵的参考资料。
技术路线
在6-24新磨村滑坡、8-28纳雍滑坡、10-10白格滑坡以及11-03白格二次滑坡等灾害发生后，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室均在第一时间组织团队携带F1000无人机赶赴现场，参与应急测绘救援工作。
团队首先对滑坡的位置、相对高差、作业面积等制定相应的航测计划，保证航拍数据具有较高的精度和分辨率，航线规划一般根据地形高程变化设置2-3个航拍高程。数据获取后立即采用高性能计算机集群联机处理并行计算，利用Pix4d Mapper软件对获取的影像数据、POS数据进行无控空三加密，获得高分辨率数字地表模型（ DSM）和数字正射影像图（DOM）。同时选用宾利（Bentley）公司的Context Capture Center Master软件进行联机计算，得到高分辨率三维实景模型，整体流程图如图1所示。
通过无人机航摄测量方法获取的各类数字地形产品，可以快速360。无死角地展现地质灾害体及周围的真实场景，清晰展现地质灾害体的类型、规模、区域范围、所处的地形及地貌，准确地辨识出地质灾害体的形态特征。从图像上可直接读取任一点的高程值及任两点间的高差、坡度和坡向等信息，为研究大型地质灾害提供三维参数，结合地面调查及监测资料，就能快速解译和评估灾害体特征及影响，为现场调查和分析研判提供理论依据和数据支撑。
无人机在重大地质灾害事件中的应用
茂县新磨村滑坡
2017年6月24日，四川省茂县叠溪镇新磨村新村组后山山体发生高位滑坡（下称6-24新磨村滑坡），瞬间摧毁坡脚的新磨村，掩埋64户农房和1500m道路，堵塞河道1000m，导致10人死亡、73人失踪，引起国内外广泛关注。此次航拍平均地面分辨率为10-15cm，航带间重叠率75%，航向重叠率80%，航拍离地高度500-700m，共28条航线，飞行距离121km，航拍面积21 km2，共获取航拍照片924张。数据获取后立即采用高性能计算机集群联机处理并行计算，在数据下载完成后3小时获得高分辨率数字地表模型DSM）和数字正射影像图（DOM）。
通过无人机航拍获取的影像数据，第一时间为救灾指挥部提供灾后高分辨率正射影像和三维实景模型，从而较为全面地了解滑坡的基本情况。6-24新磨村滑坡源区所在位置东经103°39′46″，北纬32°4′47″，垮塌区长约200m，宽约300m，平均厚度约70m，体积约450×104m3。最终形成顺滑坡运动方向1600m，顺河长1000m，平均厚度大于10m，体积约为1300×104m3的滑坡堆积体，几乎将新磨村全部掩埋见图2。
灾害发生后，为确保抢险救援工做在黄金时间内顺利开展，现场应急专家组的主要任务之一就是强化监测预警，确保不发生二次灾害。无人机航拍的三维实景模型显示，受主滑体高速滑动和运动过程中牵引、拖拽作用的影响，在滑源区东、西两侧还分别残留存在新变形裂缝的欠稳定岩体见图3，在滑坡区西侧还存在一块主要由松散堆积物构成的变形体。其中，西侧变形体稳定性最差，对下游现场救援人员造成极大威胁，因而得到相关部门和现场专家组的高度重视，成为现场监测预警的主要对象。 （1）西侧欠稳定岩体。
滑源区西侧的欠稳定岩体在地形上三面临空，其后缘高程分布在3351-3266m，前缘高程3073m，高约230m、宽220m、厚度35m，整体呈巨厚层块状，岩体较完整，估算方量177×104m3。历史遥感卫星影像、滑坡后航拍数据均显示该部位在滑坡发生前后均产生过变形裂缝。短时间内失稳可能性较小见图4左图。
（2）东侧欠稳定岩体。
在滑源区东侧上部也残留有一个欠稳定岩体，其后缘高程3465m、前缘高程在3403-3371m之间，高约106m、宽90m、厚度20m左右，估算方量19×104m3。高清航拍影像显示，东侧欠稳定岩体呈厚层板状，表部有几条裂缝分布，较西侧块体破碎见图4右图，其前缘和西侧已临空，但东侧仍与围岩保持很好地联结。综合判断易发生局部掉块，整体失稳可能性不大。
（3）西侧变形体。
西侧变形体平面形态呈倒梯形，上宽250m、下宽100m、高450m、平均厚度58m，估算方量455×104m3见图5。西侧变形体后缘存在一个拉陷槽，展布方向与岩层走向相一致，延伸长度250m，水平拉开宽度43m，垂向下错20m。在其前部还存在另一条裂缝，延伸长达540m，拉开宽度近10m。在现场应急抢险过程中，西侧变形体被认为是整个滑坡区稳定性最差，对下游现场救援人员安全威胁最大的岩体，因此得到相关部门和现场专家组的高度重视。
金沙江白格滑坡
虽然无人机在地质灾害应急调查中的应用越来越广泛，无人机影像提取的DEM可以满足快速定性判断的需求，但随着抢险救灾工作的持续进行，单次飞行数据将无法准确获取滑坡体积等关键数据，可能会直接影响应急处置定量评价。金沙江在2018年10月11日第一次滑坡后，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室相关人员立即赶赴现场，采集了10月12日第一次滑坡后、10月16日第一次泄洪后、11月5日第二次滑坡后、11月8日、11月14日第二次泄洪前后等关键事件以及其间一系列多期次的无人机数据见图6。不仅获得了应急抢险各阶段滑坡的基本信息，而且将不同时间的无人机高分辨率DSM进行差分对比，可以精确获取滑坡厚度、体积变化量等一系列成果，为现场分析研判提供了重要数据支撑。
滑坡体滑动前后的竖直位移变化，可以将带有三维空间信息的两期点云或三维模型（DEM或DSM）进行高程差分测量，如图7a所示。通過计算得出，10·11主滑坡最大滑动深度约90m，位于滑坡中后部，滑动土体平均厚度约50m，滑坡形成的堰塞坝最大堆积厚度约80m，平均厚度约40m;另外，通过竖直位移差分计算，能大致推测滑坡剪出口位置高程约3000m，高出金沙江江面高程2860m约200m，具有明显高位剪出的特点;11-03二次滑坡存在明显的滑源区和铲刮区见图7b，最大滑动深度约60m，最大堆积高度约80m（相比第一次泄洪后），方量约312×104m3，基本与滑源区土体相当。加上10·11第一次滑坡堰塞坝泄流后形成的泄洪槽较为狭长，上宽约200m，底宽约60m，大量松散土体高速下滑，短时间内就将其填满并堆覆其上，形成的堰塞坝比第一次高出约50m，造成比主滑坡更为严重的二次堵江事件。
金沙江白格二次滑坡后，滑源区两侧及后缘斜坡产生了大量新生裂缝，在导流槽开挖过程中滑坡区经常发生小规模垮塌。11月5-8日，滑坡后缘产生了abc三个强烈形变区，均存在明显的垮塌和堆积现象见图8，最大下错高度约10m，在坡脚堆积最大厚度约9m。通过两期无人机DSM差分测量，可以精准地发现斜坡后缘的形变区域并且能定量表征变形区域的形变量，为斜坡的形变监测提供靶点，从而有针对性地布设专业监测仪器。现场专家组通过对现场实时传回的监测数据进行不断的分析研判，一旦预判某部位可能发生较大规模的垮塌，就立即发布预警信息到前线指挥部，指挥部会及时将预警信息传达到现场监测预警人员和每一个挖掘机操作人员，并按照预案立即组织撤离。不仅保障泄流工程的顺利实施，同时还通过科学手段有效地保证了人员安全。
无人机低空航摄测量系统获取的高精度、高分辨率DSM、DEM和DOM，可对地质灾害的体形态分布特征及所处区域的微地貌特征实现精确描述，精确提取地质灾害体的属性信息，不仅降低了调查人员的劳动强度和作业风险，也大大提高了地质灾害应急调查的工作效率。
另外，通过连续航拍获得的影像及三维模型，不仅可以对灾害体进行监测，掌握其随时间变化的特征，而且将不同时间序列的DSM/DEM进行差分对比，可以精确获取滑坡厚度、体积变化量等一系列成果，精准发现斜坡后缘存在的形变区域并且能定量表征形变区域的形变量，为专业监测仪器的布设提供靶点，从而为应急抢险工作的顺利实施以及分析研判提供重要数据支撑。
习近平总书记在2018年10月中央财经委员会第三次会议上提出，要建立高效科学的自然灾害防治体系，提高全社会自然灾害防治能力，着重强调加强地质灾害隐患排查和监控的重要性。而无人机在地质灾害隐患的早期识别、隐患排查、应急调查、抢险救灾等方面表现卓越，同时其航摄系统性能正不断完善，整体技术向重量轻、体积小、精度高、抗干扰性强的方向发展，未来将会更加适应恶劣天气、复杂地形的作业环境;数据处理的新技术也在不断提升，预示着无人机在地灾领域将拥有广阔的市场前景。