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    崩積體粒徑的圖像識(shí)別與分析

    2021-10-08 07:57:20徐今星楊根蘭史文兵江興元
    科學(xué)技術(shù)與工程 2021年26期
    關(guān)鍵詞:積體落石堆積體

    徐今星, 楊根蘭, 梁 風(fēng), 史文兵, 江興元

    (貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院/喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550025)

    崩塌是一種常見(jiàn)的全球性泛生型山地災(zāi)害,其具有隱蔽性高、失穩(wěn)破壞迅速、致災(zāi)后果嚴(yán)重的特點(diǎn)[1]。除崩塌體下落直接撞擊帶來(lái)危害外,堆積于高陡斜坡上崩塌堆積體也極易誘發(fā)二次崩滑災(zāi)害[2],嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

    為減少崩塌堆積體產(chǎn)生的二次災(zāi)害,中外學(xué)者開(kāi)展了眾多研究。一部分學(xué)者從源頭著手,研究崩塌堆積體成因機(jī)制[3-4]、運(yùn)動(dòng)特征[5]、落石范圍[6]、沖擊力[7]等。另一部分學(xué)者著重研究崩塌堆積體本身,關(guān)注崩塌堆積體的堆積特征[8-11]、地震[12]、降雨[13]工況下的穩(wěn)定性、以及失穩(wěn)后的變形破壞模式[14]等。

    中外學(xué)者雖已對(duì)崩塌堆積體開(kāi)展了眾多研究,但目前針對(duì)崩塌堆積體塊石粒徑分布特征研究尚顯不足。粒徑分布特征直接影響堆積體內(nèi)粒徑遷移,最終影響堆積體穩(wěn)定性,是崩塌堆積體重要的堆積特征。目前研究堆積體粒徑主要依靠傳統(tǒng)野外地質(zhì)調(diào)查,需要地質(zhì)工作者人工實(shí)地測(cè)量[15-16]。但山區(qū)地帶自然地理?xiàng)l件復(fù)雜,對(duì)于處于高陡懸崖上的堆積體,大多難以到達(dá),傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查工作難以開(kāi)展。因此,如何不受地形條件制約、準(zhǔn)確高效地識(shí)別、統(tǒng)計(jì)堆積體粒徑已經(jīng)成為迫切需要解決的問(wèn)題。

    因此,現(xiàn)以小茅坡崩塌堆積體為例,提出基于無(wú)人機(jī)航拍影像技術(shù)以及數(shù)字圖像處理技術(shù)的堆積體粒徑識(shí)別、統(tǒng)計(jì)方法。即通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍影像三維重建堆積體;生成高分辨率數(shù)字地表模型(DSM)和生成數(shù)字正射影像(DOM),通過(guò)孔隙(顆粒)與裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)[pores(particles) and cracks analysis system,PCAS]統(tǒng)計(jì)計(jì)算,獲取堆積物表面信息,進(jìn)而對(duì)堆積物粒度分布與堆積特點(diǎn)進(jìn)行研究。研究結(jié)果對(duì)堆積體穩(wěn)定性分析調(diào)查具有重要意義,為崩塌堆積體野外調(diào)查提供一種新的技術(shù)手段。

    1 研究區(qū)域概況

    小茅坡崩塌位于貴陽(yáng)市開(kāi)陽(yáng)縣金鐘鎮(zhèn)小茅坡村,地理坐標(biāo)為106°48′47.01″E,27°4′2.79″N。研究區(qū)位于洋水背斜左翼,為侵蝕、剝蝕的低中山地貌類(lèi)型,呈明顯單面山的陡-緩-陡剝蝕臺(tái)地地貌,研究區(qū)地質(zhì)圖如圖1所示。單面山剝蝕臺(tái)地的延伸方向近南北向,與背斜軸方向一致。危巖體所在山體的斜坡頂部高程1 400~1 450 m,高差300~350 m,坡向107°、坡度30°~51°。區(qū)內(nèi)植被較發(fā)育,多為喬木和灌木,小茅坡全貌崩塌如圖2所示。巖層主要為震旦系上統(tǒng)燈影組淺灰色厚層塊狀白云巖,巖層產(chǎn)狀119°∠12°,主要發(fā)育兩組共軛節(jié)理面,J1: 150°~170°∠60°~70°J2: 210°~220°∠65°~70°。

    圖1 崩塌區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of collapsed area

    圖2 小茅坡崩塌堆積區(qū)全貌圖Fig.2 Overall view of Xiaomaopo collapsed accumulation area

    2 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量工作方法

    無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)搭載傳感器設(shè)備,來(lái)獲取地面信息的遙感方式??梢酝ㄟ^(guò)規(guī)劃無(wú)人機(jī)航拍傾斜攝影,進(jìn)而獲得包含拍攝點(diǎn)地理位置信息的高清照片。

    崩積體沿坡面堆積,而坡面傾斜且高差較大。為了提高獲得正射影像圖的分辨率,本次航拍采用大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)最新的斜面航線技術(shù)(圖3)。通過(guò)斜面航線功能,能夠自動(dòng)生成針對(duì)斜面或者立面場(chǎng)景的飛行航線,實(shí)現(xiàn)斜面或立面攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)采集。斜面航線飛行操作流程如下:①飛手采用GS RTK App手動(dòng)飛行打三個(gè)航點(diǎn)以定義被測(cè)目標(biāo)平面;②設(shè)置外擴(kuò)距離生成默認(rèn)的平行四邊形測(cè)區(qū);③根據(jù)地面分辨率的需求調(diào)整任務(wù)高度。

    圖3 斜面航拍示意圖Fig.3 Schematic diagram of aerial photography of slope

    2.1 無(wú)人機(jī)航拍路線規(guī)劃

    航拍路線規(guī)劃要充分考慮研究區(qū)地形地貌特征,確保無(wú)人機(jī)航拍安全以及相片重疊率。由于陡崖面、堆積體斜面高差較大且部分堆積體粒徑較小,為最大程度還原崩塌危巖體與堆積體特征,航拍規(guī)劃為兩架次。第一架采用斜面低空航拍飛行拍攝堆積體;航向重疊率不低于80%,旁向重疊率不低于80%;規(guī)劃4條航線,航線間距為15 m,航拍高度根據(jù)預(yù)設(shè)斜面變化。第二架次手動(dòng)控制拍攝整個(gè)崩塌區(qū)域,保證崩塌危巖體、陡崖面以及堆積體細(xì)節(jié)信息獲取充足。第一架次、第二架次分別獲取781、400張照片。

    2.2 高清數(shù)字地表模型建立

    采用Agisoft PhotoScan對(duì)帶有地理位置信息的航拍影像照片進(jìn)行拼接處理,生成高清數(shù)字地表模型(DSM),與高清正射影像圖(DOM)。所生成的高清DSM可以測(cè)量崩塌危巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、人工測(cè)量并統(tǒng)計(jì)堆積體粒徑大小,具有安全、高效、便捷等特點(diǎn)。Agisoft PhotoScan通過(guò)導(dǎo)入挑選好的照片、對(duì)齊照片可以自動(dòng)提取稀疏點(diǎn)云,并依次加密點(diǎn)云、生成空間白模、網(wǎng)格、紋理,輸出正射影像圖。

    2.3 精度對(duì)比與驗(yàn)證

    分辨率是指圖像中一個(gè)像素所代表的實(shí)際地物的面積。分辨率是后文識(shí)別圖像中巖塊實(shí)際幾何尺寸的依據(jù)。雖然通過(guò)三維重建后建模軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算圖像分辨率,但有時(shí)有較大誤差,因此需要設(shè)置參照物。為了更好地區(qū)別出參照物,使用與巖塊、環(huán)境顏色差異明顯紅色油漆對(duì)參照物表面進(jìn)行涂抹,并測(cè)量參照物的實(shí)際長(zhǎng)度與寬度,如圖4所示。

    圖4 參照物圖Fig.4 Reference object map

    3 PCAS圖像處理方法

    PCAS是由南京大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種通過(guò)數(shù)字圖像處理,常用于微觀顆粒、孔隙以及裂隙的識(shí)別分析的專(zhuān)業(yè)軟件[17],具有高效便捷的工作特點(diǎn),用于巖塊粒度識(shí)別有較好的效果。軟件通過(guò)將圖像二值化、矢量化處理,可以計(jì)算顆粒、孔隙以及裂隙的數(shù)目、長(zhǎng)寬、方向、形狀系數(shù)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)[18-19]。PCAS軟件處理流程主要包括以下幾個(gè)部分:①正射影像圖獲?。虎趫D像預(yù)處理;③圖像二值化處理;④二值圖加工處理;⑤堆積體粒徑識(shí)別與統(tǒng)計(jì)。PCAS圖像處理工作流程圖如圖5所示。

    圖5 PCAS圖像處理過(guò)程Fig.5 PCAS image processing process

    (1)正射影像圖獲取。采用2.2節(jié)中Agisoft PhotoScan拼接的整體崩塌區(qū)域高清正射影像圖。

    (2)圖像預(yù)處理。整體崩塌區(qū)域高清正射影像圖像素過(guò)大,無(wú)法直接導(dǎo)入PCAS進(jìn)行處理,需按照分區(qū)圖分別裁剪成10小段方能導(dǎo)入。此外,為了保證良好的識(shí)別效果,應(yīng)根據(jù)崩塌堆積體分布范圍通過(guò)二次裁剪盡可能將細(xì)小粒徑與大粒徑區(qū)分開(kāi),如圖6(a)所示。此外,當(dāng)細(xì)小塊石邊界模糊時(shí),可采用Photoshop濾鏡的UnsharpenMask(USM)銳化進(jìn)行銳化處理,選中模糊邊界通過(guò)設(shè)置銳化半徑、數(shù)量以及閾值,使邊界變得更加清晰。

    圖6(a)中白色區(qū)域?yàn)镻CAS識(shí)別所得塊石,黑色為塊石之間的空隙;圖6(d)中彩色區(qū)域?yàn)镻CAS識(shí)別所得塊石,黑色為空隙圖6 PCAS圖像處理過(guò)程Fig.6 PCAS image processing process

    (3)圖像二值化處理。正射影像圖為真彩色圖像,其利用3個(gè)大小相同的二維數(shù)組R(紅色)、G(綠色)、B(藍(lán)色)表示一個(gè)像素,其中每個(gè)數(shù)組的范圍為0~255,通過(guò)這三種顏色可以合成任意顏色。由于堆積體塊石與堆積環(huán)境以及塊石間孔隙顏色具有明顯差異,二值化處理時(shí)以某一需要識(shí)別的崩積塊石的某一點(diǎn)像素點(diǎn)的RGB值(P)作為基礎(chǔ),圖像中其余像素點(diǎn)RGB值(X)與其有差值(D),處理前需設(shè)置一個(gè)合適的閾值(T),當(dāng)D>T時(shí),像素被識(shí)別為空隙,當(dāng)D

    D=|X-P|

    (1)

    (4)二值圖加工處理。由于堆積體塊石不會(huì)完全是同一顏色,外加環(huán)境中植被等因素的干擾,二值圖中往往會(huì)出現(xiàn)巖石識(shí)別不全,導(dǎo)致出現(xiàn)空洞或者邊緣識(shí)別不清,如圖6(b)所示,圖6(b)中紅色圈出的塊石出現(xiàn)了識(shí)別不全的現(xiàn)象。此外,由于塊石粒徑過(guò)小或者塊石堆疊導(dǎo)致的塊石邊界模糊,PCAS軟件識(shí)別時(shí),會(huì)因塊石邊界連接錯(cuò)誤地將多個(gè)小塊石識(shí)別為一個(gè)大的塊石。為解決此類(lèi)問(wèn)題,可以手動(dòng)處理二值圖,即刪除像素點(diǎn)塊石邊界清晰,或增加像素點(diǎn)填補(bǔ)塊石邊界及塊石中的空洞。圖6(c)為人工處理后的二值圖。

    堆積體塊石識(shí)別與統(tǒng)計(jì)。采用PCAS軟件識(shí)別塊石時(shí),基于種子算法,通過(guò)設(shè)置最小識(shí)別面積閾值,除去像素小于閾值的細(xì)小噪聲,并識(shí)別像素大于面積閾值塊石;基于腐蝕運(yùn)算,通過(guò)設(shè)置封閉半徑(element radius),腐蝕掉塊石重疊部分后,通過(guò)種子算法識(shí)別獨(dú)立塊石,并將腐蝕掉的像素歸還到原塊石中得到塊石參數(shù)。識(shí)別完畢后,可得到塊石的數(shù)目、長(zhǎng)寬、方向、形狀系數(shù)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。其中,塊石的長(zhǎng)、寬分別表示最大和最小費(fèi)雷特直徑。費(fèi)雷特直徑(Feret diameter,dF)定義為相對(duì)于特征的一對(duì)平行切線與特征之間的正交距離,即塊石長(zhǎng)軸投影到統(tǒng)一坐標(biāo)方向上的最大距離。

    4 崩塌體塊石統(tǒng)計(jì)結(jié)果

    4.1 PCAS統(tǒng)計(jì)

    由于整體堆積體區(qū)域高清正射影像圖像素過(guò)大,無(wú)法直接導(dǎo)入PCAS進(jìn)行處理,為了更好地統(tǒng)計(jì)堆積體粒度組成,需將主要堆積體區(qū)進(jìn)行分區(qū)。沿主崩塌方向?qū)⒍逊e體由崩塌后緣的堆積區(qū)開(kāi)始,每20 m劃分為一個(gè)的矩形區(qū)域,共10個(gè)區(qū)域,編號(hào)從后緣開(kāi)始,依次為A1~A10,主要堆積區(qū)分區(qū)如圖7所示。將分區(qū)后的圖像裁剪出來(lái)分別處理,取塊石的長(zhǎng)為塊石的直徑,得到每一個(gè)區(qū)域的塊石粒徑的像素大小。根據(jù)設(shè)置最小識(shí)別面積閾值50像素、封閉半徑2像素可知,PCAS軟件可以識(shí)別的最小粒徑為0.2 m。將長(zhǎng)度小于1 m塊石每隔0.3 m劃分為一個(gè)統(tǒng)計(jì)范圍,將大于等于1 m塊石每隔1.0 m劃分為一個(gè)統(tǒng)計(jì)范圍,共劃分為12個(gè)統(tǒng)計(jì)范圍。統(tǒng)計(jì)時(shí),取左開(kāi)右閉區(qū)間,PCAS統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

    A1~A10、B1~B3、C1~C3為分區(qū)編號(hào)圖7 主要堆積體分區(qū)圖Fig.7 Main integral partition figure

    表1 PCAS縱向統(tǒng)計(jì)結(jié)果表Table 1 PCAS longitudinal statistical results table

    由于崩塌后落石運(yùn)動(dòng)的軌跡與坡面有關(guān),為了更好地將崩積體的崩積特點(diǎn)與崩塌的運(yùn)動(dòng)過(guò)程聯(lián)系起來(lái),選取堆積主軸方向切剖面圖,如圖8所示。

    Zbdn為震旦系上統(tǒng)燈影組圖8 堆積方向剖面圖Fig.8 Stacking direction profile figure

    4.2 數(shù)字地表模型塊石人工統(tǒng)計(jì)

    考慮到A10區(qū)整體粒徑偏小,僅統(tǒng)計(jì)A1~A9可見(jiàn)塊石粒徑。由于崩積體中上部高陡調(diào)查人員無(wú)法前往,塊石人工統(tǒng)計(jì)分為模型統(tǒng)計(jì)與野外統(tǒng)計(jì)兩個(gè)部分。

    (1)野外統(tǒng)計(jì):調(diào)查人員可以到達(dá)的區(qū)域采用野外實(shí)地測(cè)量的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

    表2 野外縱向統(tǒng)計(jì)結(jié)果表Table 2 Field longitudinal statistical results table

    (2)模型統(tǒng)計(jì):參照彭雙麟等[20],采用對(duì)DSM圖中崩塌堆積巖塊的人工測(cè)量統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。統(tǒng)計(jì)較多的A4、A5、A6區(qū)數(shù)量在600塊左右,而統(tǒng)計(jì)較少的A1、A9區(qū)數(shù)量在100塊左右,其余分區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)量在100~200塊。由于肉眼無(wú)法辨別細(xì)小塊石,所以模型測(cè)量統(tǒng)計(jì)總量為PCAS統(tǒng)計(jì)的1/10~1/50,模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

    表3 模型縱向統(tǒng)計(jì)結(jié)果表Table 3 Model longitudinal statistical result table

    5 統(tǒng)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證與分析

    5.1 PCAS統(tǒng)計(jì)可行性驗(yàn)證

    三種方法統(tǒng)計(jì)的結(jié)果總量上有較大差異,因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)的是同一個(gè)區(qū)域,所以?xún)煞N統(tǒng)計(jì)的結(jié)果應(yīng)服從相同的分布規(guī)律。據(jù)此,為了驗(yàn)證方法的可行性,對(duì)三種統(tǒng)計(jì)結(jié)果采用IBM SPSS Statistics軟件進(jìn)行回歸曲線估算。所有估算結(jié)果表明方程為Y=A+B/t的逆模型決定系數(shù)R2最高,表明統(tǒng)計(jì)結(jié)果最符合逆分布。

    根據(jù)SPSS估算結(jié)果,采用方程為Y=A+B/t的逆模型在origin中擬合兩種統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如圖9所示。野外統(tǒng)計(jì)R2分別為0.87、0.89、0.89、0.88;模型統(tǒng)計(jì)R2分別為0.92、0.90、0.91、0.91、0.90、0.91、0.91、0.94、0.96;PCAS統(tǒng)計(jì)R2分別為0.84、0.87、0.89、0.81、0.81、0.82、0.82、0.84、0.85。由于所有區(qū)決定系數(shù)R2均大于0.8,可以認(rèn)為統(tǒng)計(jì)結(jié)果均服從逆分布,即PCAS統(tǒng)計(jì)結(jié)果真實(shí)可靠。A1~A3區(qū)模型統(tǒng)計(jì)與PCAS統(tǒng)計(jì)擬合曲線高度相似,而由于A4~A9區(qū)統(tǒng)計(jì)總量較大,小顆粒較多,導(dǎo)致模型統(tǒng)計(jì)與PCAS統(tǒng)計(jì)的擬合曲線有一定差異;A6~A7野外統(tǒng)計(jì)與模型統(tǒng)計(jì)擬合曲線高度相似,而A8~A9區(qū)野外統(tǒng)計(jì)與PCAS統(tǒng)計(jì)擬合曲線高度相似。從整體上看,PCAS統(tǒng)計(jì)數(shù)量>野外統(tǒng)計(jì)>模型統(tǒng)計(jì)。

    圖9 PCAS統(tǒng)計(jì)與人工統(tǒng)計(jì)擬合結(jié)果圖Fig.9 PCAS statistics and manual statistics fitting results

    5.2 崩積體的縱向分布規(guī)律

    為了能夠直接對(duì)比分析兩種統(tǒng)計(jì)結(jié)果,并減少由于統(tǒng)計(jì)總量差異導(dǎo)致的誤差,將兩種統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別制成粒徑累計(jì)曲線,如圖10和圖11所示。

    圖10 人工統(tǒng)計(jì)粒徑累計(jì)曲線Fig.10 The cumulative curve of artificial particle size

    圖11 PCAS粒徑累計(jì)曲線Fig.11 Cumulative curve of PCAS particle size

    為了直觀地了解各個(gè)分區(qū)粒徑的分布特點(diǎn),將PCAS統(tǒng)計(jì)結(jié)果按照分區(qū)制成百分比堆積柱狀圖,如圖12所示。崩積體的縱向分布規(guī)律如下。

    由圖10和圖11可知:總體上來(lái)看,PCAS統(tǒng)計(jì)與人工統(tǒng)計(jì)的每個(gè)區(qū)域累計(jì)曲線所表達(dá)出累計(jì)特點(diǎn)、趨勢(shì)基本相同。由于PCAS統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)是人工統(tǒng)計(jì)的10~50倍,而且可以統(tǒng)計(jì)肉眼無(wú)法分辨的小塊石,PCAS累計(jì)曲線連續(xù)、較為光滑可靠,并且2 m及以下的區(qū)域與區(qū)域之間差異更加明顯。由人工統(tǒng)計(jì)小于1.0 m塊石所占的含量為68%、PCAS統(tǒng)計(jì)小于1.0 m塊石所占的含量為81%可知,小塊石為堆積體的主要組成部分,表明危巖體崩落后碎裂化程度較大。

    圖12 各區(qū)不同范圍粒徑所占的百分比柱狀圖Fig.12 Histogram of the percentage of particle size in different areas in each area

    (1)粒徑小于2.0 m塊石。粒徑小于2.0 m塊石所占的百分比含量都呈現(xiàn)先減小后增大在減小的趨勢(shì),這與通常情況不同。PCAS統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示小塊石在主要堆積區(qū)的中部A3~A7區(qū)、下部A9區(qū)含量較高,所有區(qū)小塊石百分比含量均超過(guò)95.0%,且各區(qū)間差異小于3%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè):①A1~A3區(qū)小于0.2 m的細(xì)小塊石占一定的比例(圖7),但由于測(cè)量精度不足導(dǎo)致的統(tǒng)計(jì)缺失;②崩塌發(fā)生時(shí),落石勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,落石在坡面滾動(dòng)、彈跳,坡面突然發(fā)生改變,由A1~A3的陡傾坡面轉(zhuǎn)為A4~A7較緩坡面,使落石在坡面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互碰撞、撞擊坡面,這導(dǎo)致落石碎裂化加大,進(jìn)而導(dǎo)致更多小塊石的產(chǎn)生。

    (2)粒徑在2.0~3.0 m塊石。粒徑在2.0~3.0 m塊石所占的百分比含量出現(xiàn)了前大后小兩個(gè)峰值的雙峰情況,變化曲線為一不規(guī)則M形,與鄭光在碎屑流中發(fā)現(xiàn)規(guī)律一致[21],呈現(xiàn)先增大后減小再增大最后在減小的趨勢(shì)。第一峰值在崩源區(qū)的A1~A2區(qū)附近,第二個(gè)峰值同時(shí)位于遠(yuǎn)離崩源區(qū)的A8區(qū),這表明2.0~3.0 m粒徑中等的塊石主要分布于A1~A2與A8區(qū)。

    (3)粒徑大于3.0 m塊石。粒徑大于3.0 m塊石所占的百分比含量塊石所占的百分比含量都呈現(xiàn)先減小后增大在減小的趨勢(shì),第一峰值在崩源區(qū)的A1區(qū)附近,第二個(gè)峰值同時(shí)位于遠(yuǎn)離崩源區(qū)的A8區(qū),即大塊石主要分布于A1以及A8區(qū)。這表明先崩落的大塊石,由于能量較大,運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn),但與A1~A6區(qū)相比,A7~A9區(qū)坡度較緩,大塊石受到坡面的阻力較大,大塊石能量被迅速耗散,最終停積于此;而后崩落的大塊石,由于坡面先崩落塊石的緩沖作用以及植被的阻擋,并沒(méi)有發(fā)生滾動(dòng),而是直接積于此。

    5.3 崩積體的橫向分布規(guī)律

    為研究堆積體粒徑的橫向分布規(guī)律,將位于堆積體前、中、后部位的A3、A6、A7三個(gè)區(qū)分解為B1~B3、C1~C3、D1~D3。采用PCAS分別將以上各區(qū)粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

    表4 PCAS橫向統(tǒng)計(jì)結(jié)果表Table 4 PCAS horizontal statistical result table

    由圖13、圖14可知,距離崩塌源區(qū)距離相同的橫向各區(qū)粒徑組分的含量基本相同,中粒徑塊石與大粒徑塊石在橫向上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),這與彭雙麟等[20]對(duì)崩塌-碎屑統(tǒng)計(jì)結(jié)果相似。其中,位于堆積線上的各區(qū)(B2、C2、D2)中粒徑塊石與大粒徑塊石所占比例最大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,原始坡面全部為相同的殘坡積土,無(wú)耕植土層且坡面橫向變化較小。崩塌塊石崩落后,塊石產(chǎn)生彈跳、滾動(dòng),沿142°堆積,并向兩側(cè)擴(kuò)散。因此,位于堆積線上的各區(qū)塊石數(shù)目最多,且大、中粒徑塊石含量最大。此外,隨著落石運(yùn)動(dòng)距離的增加,橫向各區(qū)粒徑差異在不斷增大。與5.2節(jié)相同,橫向各區(qū)小粒塊石呈現(xiàn)先減小后增大在減小的趨勢(shì),其他粒徑則與之相反。

    圖13 PCAS橫向粒徑累計(jì)曲線Fig.13 Horizontal cumulative curve of PCAS particle

    圖14 橫向各區(qū)不同范圍粒徑所占的百分比柱狀圖Fig.14 Horizontal histogram of the percentage of particle size in different areas in each area

    5.4 崩積體特征

    崩積體以白、灰白色白云巖塊體為主,呈條帶狀向沖溝內(nèi)堆積,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),堆積方向142°。崩積體上部靠近崩塌源處高程1 290 m,下部最遠(yuǎn)端高程1 010 m。該崩積體縱向長(zhǎng)度約480 m,橫向平均寬度約86 m(圖13)。崩積體下部原地表植被主要為低矮灌木,崩塌落石自崩塌源而下,沿崩落路徑翻滾、跳躍、滑動(dòng),在地表形成崩落坑、倒石堆以及刮擦痕跡,原坡面被改造,植被遭到破壞,尤其是近崩塌源的陡坡處,雖然坡面刨蝕深度較小,但植被完全被破壞。根據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域的數(shù)目特征以及野外調(diào)查結(jié)果,將崩積體劃分為3個(gè)區(qū),A1~A7為主積區(qū),A8~A10為散落區(qū),A10下側(cè)至最遠(yuǎn)滾落的崩積邊緣為影響區(qū)。

    (1)主積區(qū):高程1 230~1 290 m,為落石的主要堆積區(qū),堆積塊石共27 186個(gè),占全部的95.81%,區(qū)內(nèi)刮鏟現(xiàn)象明顯、大部分植被被破壞,破壞面積占區(qū)內(nèi)總面積的90%左右。上部A1~A3區(qū)坡度達(dá)到40°~51°,平均坡度45°。區(qū)內(nèi)崩積體粒徑主要分布范圍在0.2~2 m,小塊石主要堆積在區(qū)內(nèi)上部靠近崩塌源處的A1~A3區(qū),A1~A3區(qū)中小塊石占主積區(qū)內(nèi)崩積體的27.43%,區(qū)內(nèi)最大塊石為8.5 m,位于A2區(qū);自中部向下的A4~A7區(qū)落石開(kāi)始大量堆積,A4~A7區(qū)坡度達(dá)到33°~44°,平均坡度37°。與其他區(qū)相比,區(qū)內(nèi)中等塊石數(shù)目較多共402個(gè),占該區(qū)的2.05%,區(qū)內(nèi)堆積崩積體粒徑分布范圍在0.2~4 m,區(qū)內(nèi)最大塊石為9.6 m,位于A4區(qū)。塊石間為碎石填充,崩積體中出現(xiàn)架空現(xiàn)象。

    (2)散落區(qū):高程1 210~1 230 m,為少量落石散落堆積區(qū),堆積塊石共1 174個(gè),占全部的4.14%,區(qū)內(nèi)坡度為32°,少量植被被破壞,崩積體粒徑主要分布范圍在0.2~3 m,區(qū)內(nèi)最大塊石為7.4 m,位于A8區(qū)。散落區(qū)內(nèi)主要影響簡(jiǎn)易公路,但由于人為擾動(dòng),目前簡(jiǎn)易公路上所有塊石均被搬運(yùn)至簡(jiǎn)易公路兩側(cè)。

    (3)影響區(qū):高程1 151~1 210 m,為落石運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)的區(qū)域,該區(qū)范圍較大,堆積塊石共14個(gè)。區(qū)內(nèi)坡度為32°,堆積崩積體粒徑主要分布范圍在0.2~4 m。影響區(qū)內(nèi)主要影響簡(jiǎn)易公路。

    6 討論

    通過(guò)對(duì)比分析人工與PCAS統(tǒng)計(jì)結(jié)果的異同,可知無(wú)人機(jī)傾斜攝影-PCAS統(tǒng)計(jì)的優(yōu)劣勢(shì)。

    6.1 優(yōu)勢(shì)

    (1)與傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)相比,無(wú)人機(jī)傾斜攝影-PCAS統(tǒng)計(jì)不需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地統(tǒng)計(jì),因此具有便捷、安全、成本低、高效等工作特點(diǎn)。

    (2)與傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)相比,PCAS統(tǒng)計(jì)通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖形中的巖石粒徑大小進(jìn)行直接識(shí)別,具有高精度性的特點(diǎn)。這使得PCAS在統(tǒng)計(jì)小粒徑塊石時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工統(tǒng)計(jì)。

    (3)與傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)相比,PCAS統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)量大,不會(huì)出現(xiàn)漏記、錯(cuò)記、重復(fù)記錄情況,這使得統(tǒng)計(jì)曲線更加平滑可靠。

    6.2 劣勢(shì)

    (1)PCAS是通過(guò)圖像處理識(shí)別統(tǒng)計(jì)塊石粒徑大小,因此其統(tǒng)計(jì)結(jié)果是二維的表觀塊石。與碎屑流相比,崩塌堆積體碎裂化并不徹底,實(shí)際的塊石并不是長(zhǎng)度、寬度、高度相近的幾何體。由于采用的是無(wú)人機(jī)航拍正射影像圖,當(dāng)塊石的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長(zhǎng)度與寬度時(shí)PCAS統(tǒng)計(jì)的結(jié)果會(huì)偏小。此外,當(dāng)多個(gè)塊石三維重疊時(shí),重疊面積大于腐蝕運(yùn)算的封閉半徑的多個(gè)塊石會(huì)被錯(cuò)誤的識(shí)別為一個(gè)大的塊石。

    (2)由于PCAS采用二值化的方法減小計(jì)算量,但二值化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲。為了去除細(xì)小的噪聲,采用最小識(shí)別面積閾值的方法,這導(dǎo)致真實(shí)面積小于閾值的塊石被一并當(dāng)作噪聲除去。

    (3)PCAS識(shí)別的本質(zhì)是識(shí)別塊石顏色與周?chē)h(huán)境的差異,當(dāng)塊石顏色與周?chē)h(huán)境的差異較小時(shí),識(shí)別效果較差。此外,環(huán)境中植被等因素的干擾較大時(shí),二值圖中往往會(huì)出現(xiàn)巖石識(shí)別不全,導(dǎo)致出現(xiàn)空洞或者邊緣識(shí)別不清,需要人工干預(yù)量較大。

    6.3 可行性

    分析可知,PCAS統(tǒng)計(jì)與人工統(tǒng)計(jì)的每個(gè)區(qū)域累計(jì)曲線所表達(dá)出累計(jì)特點(diǎn)、趨勢(shì)、分布規(guī)律基本相同,表明PCAS統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以反映現(xiàn)場(chǎng)堆積體粒徑,并且可以根據(jù)PCAS統(tǒng)計(jì)的崩積體粒徑對(duì)崩塌落石的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。因此,根據(jù)PCAS優(yōu)劣勢(shì)選取適宜的崩塌堆積體進(jìn)行粒徑統(tǒng)計(jì)分析的方法切實(shí)可行。

    7 結(jié)論

    (1)首次將“無(wú)人機(jī)航拍影像技術(shù)-PCAS”運(yùn)用于崩塌堆積體調(diào)查,驗(yàn)證了方法的可行性。結(jié)果表明,“無(wú)人機(jī)航拍影像技術(shù)-PCAS”方法具有便捷、安全、成本低、高效和高精度的特點(diǎn)。

    (2)根據(jù)“無(wú)人機(jī)航拍影像技術(shù)-PCAS”方法的不足給予了其宜用范圍,以及提高精度的方法。

    (3)從縱向上看,崩積體內(nèi)小塊石占比呈先減小后增大再減小的趨勢(shì);從橫向上看,距離崩源相同各區(qū)粒徑組分的含量基本相同,中塊石與大塊石在橫向上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

    (4)小茅坡崩積體形成了主積區(qū)、散落區(qū)、影響區(qū),3個(gè)特征明顯的區(qū)域。

    (5)小茅坡崩積體粒徑服從Y=A+B/t的逆分布規(guī)律。

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