实景建模技术分析地质灾害形态特征

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摘要：地质灾害作为一种破坏性的地质事件，经常对人类的生命财产和生存环境构成严重威胁，制约着人类的可持续发展。南岔村崩塌群作为牡丹江市特别关注的地质灾害，其形态发育特征及防治对策研究对于后期减灾防灾体系建设有着深远意义，结合以往调查资料，利用无人机倾斜摄影、ContextCapture和DJITerra等建模软件进行实景建模，对该崩塌群发育特征、孕灾机理进行更加详实、直观的分析研究，并根据灾情提出实际防治建议，为牡丹江市防灾减灾工作部署及监测预警提供技术参考。

关键词：崩塌群；实景建模；孕灾机理；危险性分析

牡丹江市区主要灾害类型有滑坡、泥石流和河岸崩塌等，规模不大，分布较零散，只有少数滑坡、泥石流及河岸崩塌等灾害点。而崩塌作为牡丹江市区主要灾种之一，大多分布于人类活动频繁的低山丘陵区，其岩性大多为变质岩、风化花岗岩及部分玄武岩等。南岔村崩塌群的灾害防治问题，始终为牡丹江市、牡丹江市阳明区和各级人民政府高度重视对象，多年来，做了大量工作，并申请省财政地质灾害治理资金，修建了较为简易的防灾减灾工程，在一定程度上减轻了各种地质灾害的危害，但受资金所限，各种地质灾害隐患依然存在。本文结合以往的调查数据成果，利用无人机倾斜摄影、三维实景建模技术，进一步分析南岔村崩塌群的成灾机理，评估灾害体的威胁对象，提出地质灾害防治建议，为政府减灾防灾力量体系建设提供技术参考。

1环境地质背景

1.1地理环境

牡丹江市阳明区铁岭镇南岔村位于市区东北部，距离铁岭镇约10km，全村沿东西向村村通公路两侧条带状分布。南侧为牡丹江水系支流，北侧紧邻陡峭山体，山体陡峭，岩石风化强烈，经常性发生岩石崩塌和小规模土体滑坡，尤其是在春天冰雪消融和夏季雨水集中季节，崩塌愈发频繁，严重威胁村里居民的生命和财产安全。灾害区地势东高西低、北高南低。最高海拔位于南岔下屯北山，高程为431m；最低海拔位于西南部，高程为265m。相对高差166m，属浅切割低山丘陵区。

1.2地层岩性

区域内分布大面积黑龙江岩群，出露面积约为21km2，岩性以绿泥钠长片岩、白云母钠长（石英）片岩、斜长绿帘角闪片岩、二云钠长片岩为主，岩石有些含少量石榴石。岩石层理产状接近垂直，倾向北西；岩风氧化程度高，层理、节理发育，多碎裂、多泥化；局部可见褶皱层理，产状变化较大。岩石破碎程度高，具有明显糜棱岩化蚀变，碎块间裂隙被岩屑和泥质填充，透水性较强，稳定性较差[1]；岩石沿片理、节理碎裂呈大小不一的岩块，在重力作用下顺坡滑移、坠落，在分类上属滑移式崩塌及浅层岩土体滑坡。

1.3地质构造

调查区所属区域原始构造格架属于收缩挤压变形构造，在早期顺层固态流变构造群落基础上，受变形紧密挤压形成褶皱，同时形成了北东东向—近东西向的韧性剪切变形带，范围为头道岭—青梅一带，呈北东—北东东向展布。大体可分3期变形构造：第一期变形构造以形成片内无根褶皱为其主要特点，规模小且不连续，无区域规律可循；第二期变形构造发育较普遍，规模一般在十几厘米至几米，褶皱变形所形成的S2面状组构为区内主要构造，规模不等，形态也较复杂；第三期变形构造强度比前2期弱得多，以大规模的宽缓褶皱和伴生的脆性逆冲断裂为主要变形特点[2]。

2倾斜摄影及模型建立

无人机倾斜摄影技术是将多台不同角度的航摄仪搭载在同一飞行平台上，并利用飞行控制系统携带精确导航信息和曝光控制器记录下来拍摄瞬间的飞行姿态，包括影像POS点位置、外方位元素等参数，可以实现从多个角度获取地面影像。运用倾斜摄影测量技术，突破了传统正射航空摄影只能在垂直角度获得小时影像的局限性，能够真实地还原地物的本来面貌。基于机载倾斜相机的真三维实景影像具有真实、快速的特点，可真实映射三维世界、表达连续属性在空间上的变化情况，对于南岔村崩塌群的实地调查有着突出的技术优势[3]。

2.1数据获取

由于场地限制，选取对南岔村威胁较为严重的西侧不稳定边坡进行模型建立，数据获取主要依靠大疆M300RTK四旋翼无人机搭载睿博DG3Pros五镜头倾斜摄像机。飞机轴距895mm，最大载重2.7kg，巡航速度12m/s，搭载镜头CMOS传感器，镜头总像素1.2亿，经测算，调查区域总面积为0.42km2，采用70%旁向重叠和80%航向重叠进行拍摄，共5组影像7940张照片，190.2GB像素[4]。

2.2数据处理及模型建立

无人机航飞作业时，存在较多的外界和人为干扰因素，拍摄的照片会不可避免地存在模糊、畸变、重叠度低、分辨率差等问题。因此，在进行三维立体重建前，需要进行照片检查和预处理，形成点云数据并进行空间三角测量，如图1所示。在ContextCapture（原Smart3D）自动建模软件系统中加载Block文件引入测区影像及控制点数据，人工对控制点及影像进行关联，然后采用光束法区域网整体平差。以一张照片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地加入到控制点坐标系中，从而恢复地物间的空间位置关系[5]。影像经过密集匹配后得到大量特征点，由特征点可以构建不规则三角网，不规则三角网通过软件的自动优化和边缘处理可以实现地表模型初步构建[6]，而经过多角度影像纹理的自动映射，形成了南岔村崩塌群实景三维模型，如图2所示。

3灾害特征及成因分析

3.1灾害特征及现状分析

通过三维实景模型及实地调查分析，南岔村崩塌体的形成以人为因素为主，由于较早时期南岔村民建房时开挖取土石形成的人工掌子面较陡，后期为拓展院落进行不合理的采石开挖，形成如今的形态。掌子面高从几米到几十米，最高的掌子面约50m，形成向南部坳伸的弧形陡倾采掘面，采掘面坡度在35°～80°之间，一般多在50°～70°之间[7]。掌子面呈东西向展布，紧邻居民民宅，最近处距离民宅不足2m。通过模型监测和现场验证，在掌子面上缘山坡上，有不同规模的裂缝出现。据村民反馈，地裂缝现阶段张裂速度有加剧的趋势，在雪水渗入、润滑、冻融、自然卸荷与强降雨等自然因素影响下，极易发生瞬间张裂，引起规模性滑塌。目前，掌子面上缘表层的坡积及风化强烈的不稳定碎石土，随时会发生崩落现象，甚至碗口粗的树木会一并滑落下来。部分地段虽已建有挡土隔离墙，但防护作用有限，局部滑塌的岩土体已经越过，并摧毁掩埋挡土墙。构成掌子面的岩性为中元古界黑龙江岩群斜长角闪片岩、二云钠长石英片岩、白云母石英钠长片岩和二云钠长片麻岩等，岩石片理、节理发育，在分类上属滑移式崩塌及浅层岩土体滑坡。其中危险性较大的区域有南岔村西口到N07点之间，N09—N10点之间，如图3所示。N11—N12点之间掌子面高度相对较低，至灾的程度相对较小。南岔村西部其他的区域，山坡基本上未受破坏，植被覆盖较好，未见明显的地质灾害隐患。在东部，即原新富村的区域，人工开挖形成的掌子面一般小于6m，且由于表层岩石风化强烈，掌子面上部多为砂土状。由人为因素引起的地质灾害的危险性不大。但是在山顶存有大量不稳定裸岩，遇到降雨天气或人为等外力扰动因素影响，极易发生崩落滑塌至山脚民宅区域，能量大者有可能飞溅滚动至公路南侧居民区。据研究显示，当地多有崩塌的块石砸坏房屋、牛舍、围墙的情况发生。根据现场调查结果，南岔村西部人为挖掘和因挖掘产生滑落的山体延伸长度约接近840m，南岔村东部受山顶自然危岩体威胁的区间长度约739m。受威胁的区域占南岔村总数的50%以上。

3.2地质条件及成因分析

产生岩石滑移崩塌的地质体位于牡丹断裂东侧，该区域是黑龙江岩群地质体出露比较集中的地区，整体呈北东向展布，从刀把沟、南岔村向东至磨刀石、下城子一带连续分布。黑龙江岩群形成于中元古代，是中国最为古老的变质岩之一，与古元古代侵入岩和兴东岩群呈构造接触，被华力西期、印支期、燕山期花岗岩多期侵入，经历了多期次的地质事件，岩石受后期改造强烈[8]。尤其是后期叠加变形构造活动（即造山晚期收缩挤压变形构造运动）对岩石物理性质影响最大，其结果就是岩石内发生糜棱岩化蚀变和形成及糜棱片岩带，局部发生脆性断裂，形成破碎带；岩石固结程度大幅度降低，透水性增强，风化、氧化的外力作用进一步增强了岩石的松软度，形成软弱带。后期采石施工时在山坡脚开挖，形成山坡临空面，上部失去支撑，岩石在重力作用下滑落崩塌，形成地质灾害，局部亦有可能沿软弱带形成山体滑坡、拉伸形成地裂缝等[8]。

4危险性分析

南岔村西部山体相对高差不大，自然形成的坡度一般在25°～30°，植被覆盖较好，如图4所示。调查时发现在N03—N04点之间的掌子面上部，存在一处东西向的裂缝，裂缝延伸约120m，在裂缝处已经形成位移，上下台阶之间高差约3～5m。推测深部可能存在软弱滑动面，一旦在强降雨的影响下，发生大规模的滑坡，将给村民带来巨大的经济和人身伤害。此外在人工掌子面上也发现由于岩体蠕动下滑，岩石原有的产状及片理面已经明显改变。南岔村西部小型崩塌及滑坡的危险性极高，需要时刻防范，及时采取应对措施。南岔村东部，现阶段危岩体处于不稳定阶段，主要表现为山体较高，相对高差80～100m，山坡坡度30°～45°，山顶岩体片理、裂隙发育，贯通岩体，将岩体切割成块状单元体，岩体表面突兀明显，岩石裸露，植被覆盖较差。在春季解冻及雨季时，常有石块崩落下来。山体紧邻民宅及通村公路，随时危及居民、过往行人及车辆安全；南岔村东部，即原新富村是受崩塌威胁的主体区，如图5所示，在山顶及采掘掌子面上存有大量不稳定石块，遇到降雨天气或人为等外力扰动因素影响，极易发生崩落滑塌至山脚民宅区域，能量大者有可能飞溅滚动至公路南侧居民区。这一区域的崩塌威胁主要受自然条件的影响，偶然性灾害发生的概率较大，整体的相对稳定性强于西部，局部山体有开裂存在，若为山体滑动导致，那么该处也存在滑坡的可能性[9]。

5防治建议

危岩清除：对于危险性较大、地势较高的凌空出露岩体进行人工削坡排险，排险遵循由上到下、分层处置的原则，对于规模较大的危岩体应分割逐步处理，避免在处置过程中发生二次灾害，处置过程中下方居民应撤离至安全区避险[10]。防护网：防护网分为主动防护网和被动防护网，对于一些规模较大、爆破易对下方房屋等建筑造成危险的危岩体采用主动防护网加固，防护网采用钢索和锚杆加固；在高差较大区域布设被动防护网，阻挡滑落岩块对居民和房屋建筑的损坏[11]。构筑挡墙：在受威胁房屋后方山脚处修筑重力式挡墙，防治山体进一步滑塌崩落，威胁居民生命财产安全，同时也防止居民对山体进一步开挖，造成破坏，挡墙高度依据山体受破坏程度和上部危岩体规模进行调整。

作者：王忠禹 宋立东 宋林旭 单位：中国地质调查局牡丹江自然资源综合调查中心