基于高精度低空攝影測量的滑坡災害監(jiān)測與預報關鍵技術研究

(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)測與預報關鍵技術研究。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。通過實驗結果表明，該技術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|體環(huán)境因素構成如表1所示。

表1 滑坡地質體環(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 地層壓力變量相關參數(shù)計算

將地層分割為不同區(qū)域，將這些區(qū)域構成數(shù)據(jù)集合{x1,x2,...,xn}，地層所承受的壓力構成矩陣為[y1,y2,...,yn]。地層不同方向不同區(qū)域所承受的壓力能夠對土層滑坡造成影響，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，所構成的矩陣與沒有出現(xiàn)變化時所構成的矩陣之間關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參數(shù)，為滑坡災害監(jiān)測與預報提供數(shù)據(jù)基礎。

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

通過提取的相關數(shù)據(jù)，利用低空攝影測量技術監(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系；而堆積體左側和右側密實度都比中間大，則說明兩側受到一定擠壓；剪出口左側和右側明顯大于剪出口中部，說明在滑坡災害發(fā)生時，兩側出現(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果影響程度是不相同的，為此需采用權重計算各個指標，以此反映重要性的差別。確定指標因素權重的具體步驟為：

1)分析滑坡災害中不同位置的關系，建立描述遞階層結構；

2)同一因素間對上層某個位置關系進行評價，構造兩兩比較的判斷矩陣；

3)通過關聯(lián)函數(shù)將判斷矩陣轉換為測度判斷矩陣；

4)計算各個因素權重；

充分考慮不同位置上的指標權重，規(guī)范化關聯(lián)度，并將該關聯(lián)度與權系數(shù)合成為綜合關聯(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)測與預報基礎上，將第二層評定結果組合成第一層評價矩陣，結合第一層各因素權重，將權系數(shù)矩陣和綜合關聯(lián)度矩陣合稱為監(jiān)測與預報結果矩陣，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)測與預報關鍵技術研究合理性，需將傳統(tǒng)關聯(lián)算法的監(jiān)控預報技術與該技術進行對比分析。

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，需結合實際工程特點，設置相關參數(shù)，如表3所示。

表3 相關參數(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監(jiān)測與預報精準度較高，為了驗證該點，將兩種技術監(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)測與預報技術進行滑坡預測，結果如圖5所示。

圖5 兩種技術滑坡預測結果

1)隨著預測點數(shù)量增加，采用傳統(tǒng)技術與實際值具有一定偏差，而基于高精度低空攝影測量技術與實際值偏差較小。當預測點數(shù)量為10個時，傳統(tǒng)技術監(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與實際值一致。

2)采用傳統(tǒng)技術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)技術監(jiān)測與預報的滑坡次數(shù)與實際值偏差最?。欢捎没诟呔鹊涂諗z影測量技術在預測點數(shù)量為10和30個時，基于高精度低空攝影測量技術與實際值一致。

3)隨著預測點數(shù)量增加，采用傳統(tǒng)技術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與實際值一致。

4)最初采用傳統(tǒng)技術與實際值相差較大，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基本與實際值基本一致，為了進一步驗證該技術預測精準度較高，需將兩種技術再次進行對比分析，結果如圖6所示。

圖6 兩種技術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比傳統(tǒng)技術預測精準度高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比傳統(tǒng)技術預測精準度高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比傳統(tǒng)技術預測精準度高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與傳統(tǒng)技術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與傳統(tǒng)技術的預測精準度相差最小。

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

7 結束語

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?；率Х€(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)測技術迅猛發(fā)展，勢必將監(jiān)測與預報范圍不斷擴大，該技術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。