實景建模技術分析地質災害形態特征

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摘要：地質災害作為一種破壞性的地質事件，經常對人類的生命財產和生存環境構成嚴重威脅，制約著人類的可持續發展。南岔村崩塌群作為牡丹江市特別關注的地質災害，其形態發育特征及防治對策研究對于后期減災防災體系建設有著深遠意義，結合以往調查資料，利用無人機傾斜攝影、ContextCapture和DJITerra等建模軟件進行實景建模，對該崩塌群發育特征、孕災機理進行更加詳實、直觀的分析研究，并根據災情提出實際防治建議，為牡丹江市防災減災工作部署及監測預警提供技術參考。

關鍵詞：崩塌群；實景建模；孕災機理；危險性分析

牡丹江市區主要災害類型有滑坡、泥石流和河岸崩塌等，規模不大，分布較零散，只有少數滑坡、泥石流及河岸崩塌等災害點。而崩塌作為牡丹江市區主要災種之一，大多分布于人類活動頻繁的低山丘陵區，其巖性大多為變質巖、風化花崗巖及部分玄武巖等。南岔村崩塌群的災害防治問題，始終為牡丹江市、牡丹江市陽明區和各級人民政府高度重視對象，多年來，做了大量工作，并申請省財政地質災害治理資金，修建了較為簡易的防災減災工程，在一定程度上減輕了各種地質災害的危害，但受資金所限，各種地質災害隱患依然存在。本文結合以往的調查數據成果，利用無人機傾斜攝影、三維實景建模技術，進一步分析南岔村崩塌群的成災機理，評估災害體的威脅對象，提出地質災害防治建議，為政府減災防災力量體系建設提供技術參考。

1環境地質背景

1.1地理環境

牡丹江市陽明區鐵嶺鎮南岔村位于市區東北部，距離鐵嶺鎮約10km，全村沿東西向村村通公路兩側條帶狀分布。南側為牡丹江水系支流，北側緊鄰陡峭山體，山體陡峭，巖石風化強烈，經常性發生巖石崩塌和小規模土體滑坡，尤其是在春天冰雪消融和夏季雨水集中季節，崩塌愈發頻繁，嚴重威脅村里居民的生命和財產安全。災害區地勢東高西低、北高南低。最高海拔位于南岔下屯北山，高程為431m；最低海拔位于西南部，高程為265m。相對高差166m，屬淺切割低山丘陵區。

1.2地層巖性

區域內分布大面積黑龍江巖群，出露面積約為21km2，巖性以綠泥鈉長片巖、白云母鈉長（石英）片巖、斜長綠簾角閃片巖、二云鈉長片巖為主，巖石有些含少量石榴石。巖石層理產狀接近垂直，傾向北西；巖風氧化程度高，層理、節理發育，多碎裂、多泥化；局部可見褶皺層理，產狀變化較大。巖石破碎程度高，具有明顯糜棱巖化蝕變，碎塊間裂隙被巖屑和泥質填充，透水性較強，穩定性較差[1]；巖石沿片理、節理碎裂呈大小不一的巖塊，在重力作用下順坡滑移、墜落，在分類上屬滑移式崩塌及淺層巖土體滑坡。

1.3地質構造

調查區所屬區域原始構造格架屬于收縮擠壓變形構造，在早期順層固態流變構造群落基礎上，受變形緊密擠壓形成褶皺，同時形成了北東東向—近東西向的韌性剪切變形帶，范圍為頭道嶺—青梅一帶，呈北東—北東東向展布。大體可分3期變形構造：第一期變形構造以形成片內無根褶皺為其主要特點，規模小且不連續，無區域規律可循；第二期變形構造發育較普遍，規模一般在十幾厘米至幾米，褶皺變形所形成的S2面狀組構為區內主要構造，規模不等，形態也較復雜；第三期變形構造強度比前2期弱得多，以大規模的寬緩褶皺和伴生的脆性逆沖斷裂為主要變形特點[2]。

2傾斜攝影及模型建立

無人機傾斜攝影技術是將多臺不同角度的航攝儀搭載在同一飛行平臺上，并利用飛行控制系統攜帶精確導航信息和曝光控制器記錄下來拍攝瞬間的飛行姿態，包括影像POS點位置、外方位元素等參數，可以實現從多個角度獲取地面影像。運用傾斜攝影測量技術，突破了傳統正射航空攝影只能在垂直角度獲得小時影像的局限性，能夠真實地還原地物的本來面貌。基于機載傾斜相機的真三維實景影像具有真實、快速的特點，可真實映射三維世界、表達連續屬性在空間上的變化情況，對于南岔村崩塌群的實地調查有著突出的技術優勢[3]。

2.1數據獲取

由于場地限制，選取對南岔村威脅較為嚴重的西側不穩定邊坡進行模型建立，數據獲取主要依靠大疆M300RTK四旋翼無人機搭載睿博DG3Pros五鏡頭傾斜攝像機。飛機軸距895mm，最大載重2.7kg，巡航速度12m/s，搭載鏡頭CMOS傳感器，鏡頭總像素1.2億，經測算，調查區域總面積為0.42km2，采用70%旁向重疊和80%航向重疊進行拍攝，共5組影像7940張照片，190.2GB像素[4]。

2.2數據處理及模型建立

無人機航飛作業時，存在較多的外界和人為干擾因素，拍攝的照片會不可避免地存在模糊、畸變、重疊度低、分辨率差等問題。因此，在進行三維立體重建前，需要進行照片檢查和預處理，形成點云數據并進行空間三角測量，如圖1所示。在ContextCapture（原Smart3D）自動建模軟件系統中加載Block文件引入測區影像及控制點數據，人工對控制點及影像進行關聯，然后采用光束法區域網整體平差。以一張照片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交會，將整體區域最佳地加入到控制點坐標系中，從而恢復地物間的空間位置關系[5]。影像經過密集匹配后得到大量特征點，由特征點可以構建不規則三角網，不規則三角網通過軟件的自動優化和邊緣處理可以實現地表模型初步構建[6]，而經過多角度影像紋理的自動映射，形成了南岔村崩塌群實景三維模型，如圖2所示。

3災害特征及成因分析

3.1災害特征及現狀分析

通過三維實景模型及實地調查分析，南岔村崩塌體的形成以人為因素為主，由于較早時期南岔村民建房時開挖取土石形成的人工掌子面較陡，后期為拓展院落進行不合理的采石開挖，形成如今的形態。掌子面高從幾米到幾十米，最高的掌子面約50m，形成向南部坳伸的弧形陡傾采掘面，采掘面坡度在35°～80°之間，一般多在50°～70°之間[7]。掌子面呈東西向展布，緊鄰居民民宅，最近處距離民宅不足2m。通過模型監測和現場驗證，在掌子面上緣山坡上，有不同規模的裂縫出現。據村民反饋，地裂縫現階段張裂速度有加劇的趨勢，在雪水滲入、潤滑、凍融、自然卸荷與強降雨等自然因素影響下，極易發生瞬間張裂，引起規模性滑塌。目前，掌子面上緣表層的坡積及風化強烈的不穩定碎石土，隨時會發生崩落現象，甚至碗口粗的樹木會一并滑落下來。部分地段雖已建有擋土隔離墻，但防護作用有限，局部滑塌的巖土體已經越過，并摧毀掩埋擋土墻。構成掌子面的巖性為中元古界黑龍江巖群斜長角閃片巖、二云鈉長石英片巖、白云母石英鈉長片巖和二云鈉長片麻巖等，巖石片理、節理發育，在分類上屬滑移式崩塌及淺層巖土體滑坡。其中危險性較大的區域有南岔村西口到N07點之間，N09—N10點之間，如圖3所示。N11—N12點之間掌子面高度相對較低，至災的程度相對較小。南岔村西部其他的區域，山坡基本上未受破壞，植被覆蓋較好，未見明顯的地質災害隱患。在東部，即原新富村的區域，人工開挖形成的掌子面一般小于6m，且由于表層巖石風化強烈，掌子面上部多為砂土狀。由人為因素引起的地質災害的危險性不大。但是在山頂存有大量不穩定裸巖，遇到降雨天氣或人為等外力擾動因素影響，極易發生崩落滑塌至山腳民宅區域，能量大者有可能飛濺滾動至公路南側居民區。據研究顯示，當地多有崩塌的塊石砸壞房屋、牛舍、圍墻的情況發生。根據現場調查結果，南岔村西部人為挖掘和因挖掘產生滑落的山體延伸長度約接近840m，南岔村東部受山頂自然危巖體威脅的區間長度約739m。受威脅的區域占南岔村總數的50%以上。

3.2地質條件及成因分析

產生巖石滑移崩塌的地質體位于牡丹斷裂東側，該區域是黑龍江巖群地質體出露比較集中的地區，整體呈北東向展布，從刀把溝、南岔村向東至磨刀石、下城子一帶連續分布。黑龍江巖群形成于中元古代，是中國最為古老的變質巖之一，與古元古代侵入巖和興東巖群呈構造接觸，被華力西期、印支期、燕山期花崗巖多期侵入，經歷了多期次的地質事件，巖石受后期改造強烈[8]。尤其是后期疊加變形構造活動（即造山晚期收縮擠壓變形構造運動）對巖石物理性質影響最大，其結果就是巖石內發生糜棱巖化蝕變和形成及糜棱片巖帶，局部發生脆性斷裂，形成破碎帶；巖石固結程度大幅度降低，透水性增強，風化、氧化的外力作用進一步增強了巖石的松軟度，形成軟弱帶。后期采石施工時在山坡腳開挖，形成山坡臨空面，上部失去支撐，巖石在重力作用下滑落崩塌，形成地質災害，局部亦有可能沿軟弱帶形成山體滑坡、拉伸形成地裂縫等[8]。

4危險性分析

南岔村西部山體相對高差不大，自然形成的坡度一般在25°～30°，植被覆蓋較好，如圖4所示。調查時發現在N03—N04點之間的掌子面上部，存在一處東西向的裂縫，裂縫延伸約120m，在裂縫處已經形成位移，上下臺階之間高差約3～5m。推測深部可能存在軟弱滑動面，一旦在強降雨的影響下，發生大規模的滑坡，將給村民帶來巨大的經濟和人身傷害。此外在人工掌子面上也發現由于巖體蠕動下滑，巖石原有的產狀及片理面已經明顯改變。南岔村西部小型崩塌及滑坡的危險性極高，需要時刻防范，及時采取應對措施。南岔村東部，現階段危巖體處于不穩定階段，主要表現為山體較高，相對高差80～100m，山坡坡度30°～45°，山頂巖體片理、裂隙發育，貫通巖體，將巖體切割成塊狀單元體，巖體表面突兀明顯，巖石裸露，植被覆蓋較差。在春季解凍及雨季時，常有石塊崩落下來。山體緊鄰民宅及通村公路，隨時危及居民、過往行人及車輛安全；南岔村東部，即原新富村是受崩塌威脅的主體區，如圖5所示，在山頂及采掘掌子面上存有大量不穩定石塊，遇到降雨天氣或人為等外力擾動因素影響，極易發生崩落滑塌至山腳民宅區域，能量大者有可能飛濺滾動至公路南側居民區。這一區域的崩塌威脅主要受自然條件的影響，偶然性災害發生的概率較大，整體的相對穩定性強于西部，局部山體有開裂存在，若為山體滑動導致，那么該處也存在滑坡的可能性[9]。

5防治建議

危巖清除：對于危險性較大、地勢較高的凌空出露巖體進行人工削坡排險，排險遵循由上到下、分層處置的原則，對于規模較大的危巖體應分割逐步處理，避免在處置過程中發生二次災害，處置過程中下方居民應撤離至安全區避險[10]。防護網：防護網分為主動防護網和被動防護網，對于一些規模較大、爆破易對下方房屋等建筑造成危險的危巖體采用主動防護網加固，防護網采用鋼索和錨桿加固；在高差較大區域布設被動防護網，阻擋滑落巖塊對居民和房屋建筑的損壞[11]。構筑擋墻：在受威脅房屋后方山腳處修筑重力式擋墻，防治山體進一步滑塌崩落，威脅居民生命財產安全，同時也防止居民對山體進一步開挖，造成破壞，擋墻高度依據山體受破壞程度和上部危巖體規模進行調整。

作者：王忠禹 宋立東 宋林旭 單位：中國地質調查局牡丹江自然資源綜合調查中心