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        基于高精度低空攝影測量的滑坡災害監(jiān)測與預報關(guān)鍵技術(shù)研究

        2019-10-29 09:04:48
        計算機測量與控制 2019年10期
        關(guān)鍵詞:測量

        (1.九江學院 土木工程與城市建設學院,江西 九江 332005;2.九江職業(yè)大學 信息工程學院,江西 九江 332000)

        0 引言

        滑坡是一種常見地質(zhì)災害,是指斜坡上的土體和巖石,受到地下水、降水和人類工業(yè)影響,在重力作用下,沿著剪切破壞面,發(fā)生整體順坡向下滑動的自然現(xiàn)象。我國滑坡地帶分布較為廣泛,隨著環(huán)境破壞日益嚴重,滑坡現(xiàn)象發(fā)生的概率越來越大,尤其近幾年,滑坡對道路、房屋和橋梁等工程造成嚴重威脅,因此,對其安全監(jiān)測與預報是具有必要性的[1]。

        現(xiàn)階段,主要滑坡災害監(jiān)測預報方式包括基于混沌神經(jīng)網(wǎng)絡算法和基于粒子群優(yōu)化算法的滑坡災害監(jiān)測預報方式。由于滑坡形成過程較為復雜,發(fā)生時間較短,區(qū)域承載也不同,因此,很難建立統(tǒng)一的承壓分布模型。采用以上兩種方式大多是基于小區(qū)域且壓力集中的滑坡位置實施的[2]。一旦區(qū)域擴大,承壓就會變得十分復雜,對于滑坡災害監(jiān)測與監(jiān)測與預報的準確性將會降低。

        為了避免上述缺陷,提出了基于高精度低空攝影測量的滑坡災害監(jiān)測與預報關(guān)鍵技術(shù)研究。根據(jù)地層壓力進行數(shù)據(jù)挖掘,以此為依據(jù)對滑坡災害進行監(jiān)測與預報。通過實驗結(jié)果表明,該技術(shù)能夠有效避免由于區(qū)域承載過大而造成的缺陷,提高了滑坡災害監(jiān)測與監(jiān)測與預報準確性。

        1 滑坡災害監(jiān)測與監(jiān)測與預報指標

        滑坡災害監(jiān)測與監(jiān)測與預報內(nèi)容包括滑坡形變、坡道破壞相關(guān)因素監(jiān)測,不同類型滑坡,其監(jiān)測點內(nèi)容也不同[3]。在發(fā)生山體滑坡之前,排土場形成一種巨大的人工松散堆積體,其穩(wěn)定性主要依靠堆放物料之間相互咬合作用所構(gòu)成的松散廢石決定的[4]。一旦土場邊坡體若干面受到影響,那么抗剪強度抗不了自重作用,逐漸發(fā)生蠕動與變形,且隨著變形逐漸增大了滑坡災害風險。

        環(huán)境因素包括內(nèi)部因素和外部因素,其中內(nèi)部因素指的是滑坡地質(zhì)自身,這些因素對每一個滑坡體來說各不相同;而外部因素指的是滑坡體所在的整體自然環(huán)境,其中包括人類工程活動和外部動力擾動[5]?;碌刭|(zhì)體環(huán)境因素構(gòu)成如表1所示。

        表1 滑坡地質(zhì)體環(huán)境因素

        地層作為一個開放的復雜系統(tǒng),可用多個指標對其穩(wěn)定性進行規(guī)劃。土層滑坡主要受排料巖土特性、自然因素和工程地質(zhì)因素等環(huán)節(jié)影響,每個環(huán)節(jié)可由多個指標來反映[6]。滑坡災害監(jiān)測與監(jiān)測與預報指標體系,如圖1所示。

        圖1 滑坡災害監(jiān)測與監(jiān)測與預報指標體系

        根據(jù)建立的指標,描述山體不同方向所承受的壓力,進而對滑坡危險區(qū)域進行判斷,通過承壓模型完成整個監(jiān)測與預報過程。

        2 地層壓力變量相關(guān)參數(shù)計算

        將地層分割為不同區(qū)域,將這些區(qū)域構(gòu)成數(shù)據(jù)集合{x1,x2,...,xn},地層所承受的壓力構(gòu)成矩陣為[y1,y2,...,yn]。地層不同方向不同區(qū)域所承受的壓力能夠?qū)ν翆踊略斐捎绊?,利用下列公式能夠描述地層所承受壓力出現(xiàn)變化時的壓力變量,具體計算公式為;

        Q=[y1,y2,...,yn]×V

        (1)

        式(1)中,V表示滑坡速度。在地層壓力出現(xiàn)變化情況下,其壓力變量應與地層壓力沒有出現(xiàn)變化情況下的應變力是一致的[7]。根據(jù)應變等效理論,地層所承受的壓力出現(xiàn)變化時,所構(gòu)成的矩陣與沒有出現(xiàn)變化時所構(gòu)成的矩陣之間關(guān)系可通過下列公式來描述:

        [y1,y2,...,yn]T=(1-T)×[y1,y2,...,yn]

        (2)

        式(2)中,T表示不同區(qū)域地層承壓差值系數(shù),通過計算地層壓力變量相關(guān)參數(shù),為滑坡災害監(jiān)測與預報提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

        3 基于高精度低空攝影測量數(shù)據(jù)提取

        低空攝影測量指的就是航高在1 000米以下數(shù)字航空攝影測量,具有傳統(tǒng)測量技術(shù)無可比擬的靈活性和機動性,能夠在復雜條件下快速執(zhí)行測繪任務[8]。采用無人機攝影測量平臺,以高分辨率數(shù)字遙感設備為傳感器,通過無人機航拍攝影成圖過程主要包括:

        1)研究區(qū)現(xiàn)場勘查,初步選定低空攝影路線;

        2)控制點布置、航線規(guī)劃、參數(shù)選擇,一般選擇4個以上控制點,保證整個研究區(qū)域具有精準坐標。地面相控點,通常采用人工鋪設相控板方式,標記后期坐標,同時考慮地面相控點在研究區(qū)域的分布情況,盡可能多的布設一定數(shù)量地面相控點。在規(guī)劃航線過程中,充分考慮飛行姿態(tài)、角度、頻率等,保證獲取的圖片重合率在65%以上,根據(jù)研究區(qū)域周圍顏色、飛行高度選擇不同攝像機參數(shù),保證圖片質(zhì)量;

        3)選擇地方和任意坐標系,保證單點測量精準度與相片中點空間呈現(xiàn)的是一一對應關(guān)系;

        4)進行Pix4d初始化處理,在沒有任何輔助工具下,軟件根據(jù)自身RGB信息,計算物體空間融合過程所耗費的時間;

        5)待統(tǒng)計最長耗費時間的同時,對影像進行匹配,并將圖片中的相控點信息與地面真實點坐標位置匹配;

        6)通過軟件計算獲取地面與地物空間信息。

        為了最大限度提高測量精準度,應保持低空攝影地面分辨率在5 cm范圍內(nèi),成圖比例尺達到1:500,航空攝影采用DMC數(shù)碼航拍儀[9]。航空攝影測量要求按照《1:500比例尺地形圖航空攝影規(guī)范》執(zhí)行。通過步驟(4)獲取經(jīng)過Pix4d初始化處理的信息,能夠滿足一般工程測量要求,達到低空攝影測量在大比例尺航測數(shù)據(jù)處理的有效性[10]。

        4 滑坡堆積特征及密實程度分析

        根據(jù)上述提取的低空攝影測量數(shù)據(jù),分析滑坡堆積特征和密實程度。

        4.1 滑坡堆積特征

        通過提取的相關(guān)數(shù)據(jù),利用低空攝影測量技術(shù)監(jiān)測到的滑坡災害前后高精度DEM,如圖2所示。

        圖2 滑坡災害前后高精度DEM對比分析

        發(fā)生滑坡災難后,滑坡空間多以體積變化,將滑坡分為滑源區(qū)和堆積區(qū),在重力和外力作用下,滑源區(qū)體積減少,堆積區(qū)體積增加[11]。

        4.2 密實程度

        在發(fā)生滑坡災害后,對該滑坡堆積區(qū)進行現(xiàn)場密實程度分析,測得的土樣干密度和孔隙比如表2所示。

        表2 不同區(qū)域土樣干密度和孔隙比

        堆積體中部干密度是最小的,說明堆積體在運動過程中發(fā)生了解體,受到擠壓影響,滑源區(qū)中部殘留體在滑動過程中,密實程度較小,與其運動距離具有一定關(guān)系;而堆積體左側(cè)和右側(cè)密實度都比中間大,則說明兩側(cè)受到一定擠壓;剪出口左側(cè)和右側(cè)明顯大于剪出口中部,說明在滑坡災害發(fā)生時,兩側(cè)出現(xiàn)擠壓,與中部下切堆積現(xiàn)象一致[12]。

        5 滑坡災害監(jiān)測與預報等級評定

        依據(jù)分析的滑坡堆積特征及密實程度,確定待評物元,并建立關(guān)聯(lián)函數(shù),確定監(jiān)測與預報對象以及監(jiān)測與預報等級。

        滑坡災害監(jiān)測與預報對象的待評物元,即是將監(jiān)測與預報目標測量所獲取的數(shù)據(jù)用物元來表示,即為監(jiān)測與預報目標的監(jiān)測與預報指標值。針對監(jiān)測與預報目標,需建立關(guān)聯(lián)函數(shù),由此確定監(jiān)測與預報對象以及各個級別的關(guān)聯(lián)度,以此確定滑坡中心具體坐標位置。

        監(jiān)測與預報目標對于最終結(jié)果影響程度是不相同的,為此需采用權(quán)重計算各個指標,以此反映重要性的差別。確定指標因素權(quán)重的具體步驟為:

        1)分析滑坡災害中不同位置的關(guān)系,建立描述遞階層結(jié)構(gòu);

        2)同一因素間對上層某個位置關(guān)系進行評價,構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣;

        3)通過關(guān)聯(lián)函數(shù)將判斷矩陣轉(zhuǎn)換為測度判斷矩陣;

        4)計算各個因素權(quán)重;

        充分考慮不同位置上的指標權(quán)重,規(guī)范化關(guān)聯(lián)度,并將該關(guān)聯(lián)度與權(quán)系數(shù)合成為綜合關(guān)聯(lián)度。

        如果Wn(q)=max{n∈(1,2,...,i)}nj(qj),那么監(jiān)測與預報目標q的等級為n。當監(jiān)測與預報目標的各個指標間在不同監(jiān)測與預報指示下權(quán)重過小,那么需要采用多層次綜合監(jiān)測與預報方式。在單層綜合監(jiān)測與預報基礎(chǔ)上,將第二層評定結(jié)果組合成第一層評價矩陣,結(jié)合第一層各因素權(quán)重,將權(quán)系數(shù)矩陣和綜合關(guān)聯(lián)度矩陣合稱為監(jiān)測與預報結(jié)果矩陣,由此完成滑坡災害監(jiān)測與預報等級評定。

        6 實例分析

        為了驗證基于高精度低空攝影測量的滑坡災害監(jiān)測與預報關(guān)鍵技術(shù)研究合理性,需將傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)算法的監(jiān)控預報技術(shù)與該技術(shù)進行對比分析。

        6.1 實驗環(huán)境設置

        某廠子鐵礦排土場包括河東和河西排土場,分別采用排巖機的排土方式對排土場進行作業(yè)。其中河東排土場占地面積大約為3.0 km2,作業(yè)分為150 m、200 m、250 m三個不同高度的臺階排土,排土段在高為50~60 m之間,分段邊坡角為38°,排土容量為3.05億m3。河西排土場占地面積大約為2.5 km2,作業(yè)在高40 m的單臺階處進行排土,地基坡度約為38°。

        通過無線傳感網(wǎng)絡獲取山體壓力,其采集的效果如圖3所示。

        圖3 山體滑坡過程

        6.2 實驗參數(shù)設置

        由于排土場的穩(wěn)定性受到多種因素影響,需結(jié)合實際工程特點,設置相關(guān)參數(shù),如表3所示。

        表3 相關(guān)參數(shù)設置

        排土場滑坡中定性指標分級標準如表4所示。

        依據(jù)上述評價內(nèi)容,可將排土場滑坡災害監(jiān)測與預報等級劃分為5個等級,如下所示。

        表4 排土場滑坡中定性指標分級標準

        一級—紅色監(jiān)測與預報;二級—黃色監(jiān)測與預報;三級—藍色監(jiān)測與預報;四級—綠色監(jiān)測與預報;五級—無監(jiān)測與預報。

        6.3 實驗結(jié)果與分析

        由于山體滑坡災害形成過程極其復雜,在較短時間內(nèi),山體就會出現(xiàn)大面積滑坡,對于山體區(qū)域承壓具有較大區(qū)別。采用傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)算法進行預測大多是基于小區(qū)域,壓力集中條件下很難進行預測,承壓較為復雜,導致山體滑坡監(jiān)測與預報精準度降低。而采用基于高精度低空攝影測量技術(shù)監(jiān)測與預報精準度較高,為了驗證該點,將兩種技術(shù)監(jiān)測與預報精準度進行對比分析。

        在實驗過程中,位移是以毫米為單位測量的,在三周實驗時間內(nèi)每隔5分鐘就需更新一次數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)形成的圖形,可看到隨著時間變化,土壤顆粒黑色方塊形成一個拱形,類似滑坡邊界,如圖4所示。

        圖4 實際滑坡災害變化狀態(tài)分析

        依據(jù)實際滑坡災害變化狀態(tài)情況,將兩種監(jiān)測與預報技術(shù)進行滑坡預測,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 兩種技術(shù)滑坡預測結(jié)果

        1)隨著預測點數(shù)量增加,采用傳統(tǒng)技術(shù)與實際值具有一定偏差,而基于高精度低空攝影測量技術(shù)與實際值偏差較小。當預測點數(shù)量為10個時,傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測與預報的滑坡次數(shù)與實際值偏差最大;當預測點數(shù)量為20和40個時,基于高精度低空攝影測量技術(shù)與實際值一致。

        2)采用傳統(tǒng)技術(shù)與實際值在預測點數(shù)量為30個時,偏差最大。當預測點數(shù)量為10個時,傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測與預報的滑坡次數(shù)與實際值偏差最??;而采用基于高精度低空攝影測量技術(shù)在預測點數(shù)量為10和30個時,基于高精度低空攝影測量技術(shù)與實際值一致。

        3)隨著預測點數(shù)量增加,采用傳統(tǒng)技術(shù)與實際值在預測點數(shù)量為10和40個時,偏差最大。當預測點數(shù)量為30個時,傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測與預報的滑坡次數(shù)與實際值偏差最??;而采用基于高精度低空攝影測量技術(shù)在預測點數(shù)量為30和40個時,基于高精度低空攝影測量技術(shù)與實際值一致。

        4)最初采用傳統(tǒng)技術(shù)與實際值相差較大,隨著預測點數(shù)量增加,雖然預測的滑坡次數(shù)偏差略有縮小,但始終相差5次以上;而采用基于高精度低空攝影測量技術(shù)基本與實際值一致。

        基于上述研究的滑坡次數(shù)預測情況可知,采用基于高精度低空攝影測量技術(shù)基本與實際值基本一致,為了進一步驗證該技術(shù)預測精準度較高,需將兩種技術(shù)再次進行對比分析,結(jié)果如圖6所示。

        圖6 兩種技術(shù)預測精準度對比分析

        由圖6可知:當預測點數(shù)量為40個時,基于高精度低空攝影測量技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)預測精準度高48%;當預測點數(shù)量為50個時,基于高精度低空攝影測量技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)預測精準度高60%;當預測點數(shù)量為60個時,基于高精度低空攝影測量技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)預測精準度高65%。在預測點數(shù)量為60和70個時,基于高精度低空攝影測量技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的預測精準度相差最大;在預測點數(shù)量為20個時,基于高精度低空攝影測量技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的預測精準度相差最小。

        根據(jù)上述內(nèi)容可得出結(jié)論:基于高精度低空攝影測量的滑坡災害監(jiān)測與預報關(guān)鍵技術(shù)研究是具有合理性的。

        7 結(jié)束語

        滑坡災害的形成、發(fā)展使極其復雜的過程,無需采用科學方法和手段進行系統(tǒng)長期監(jiān)測,并全面認識其規(guī)律,以達到減災、治災目的是十分困難的。滑坡失穩(wěn)破壞,是一個從漸變到突變的過程,必須依靠高精度低空攝影測量技術(shù)進行周密監(jiān)測與預報,能夠幫助人類規(guī)避風險,將滑坡災害所造成的損失降到最小。

        滑坡監(jiān)測技術(shù)迅猛發(fā)展,勢必將監(jiān)測與預報范圍不斷擴大,該技術(shù)的研究成果能夠彌補國內(nèi)空白,為公路在勘察設計階段的預防和治理提供指導性意見。

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