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三维测绘技术在地质灾害分析的应用

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[摘要]本文通过研究三维测绘技术的原理与方法,运用Civil3D技术和Pix4Dmapper技术对比研究了测绘资料建模法、遥感点云成像法在地质灾害灾前评估、地质灾后跟踪分析等方面的应用,论证了三维测绘技术在地质灾害分析中的重要作用。并以TW项目为例,说明了三维测绘技术在地质灾害前分析评估、灾害后跟踪分析等方面具有突出应用效果,论证了三维测绘技术在地质灾害分析上具有很高的应用前景,其可大幅提高地质灾害分析的质量与效率。

[关键词]三维建模;测绘;地质灾害

0引

早在二十世纪六十年代,国、内外学者就已开始研究地质灾害问题,随着泥石流、地震、洪水、滑坡、坍塌等灾害的频发,近些年针对地质灾害的研究日趋成熟,在科技水平不断发展的今天,越来越多的新技术也成为了地质灾害分析的技术手段,通过研究发现,三维测绘技术在地质灾害危险性评估以及灾害防治措施分析等方面具有突出作用,通过三维成像手段与三维测绘技术,地质灾害分析工作将更加高效、更加准确,为灾前预警与灾后跟踪提供技术保障[1-3]。

1三维测绘技术在地质灾害分析中的成像方法

三维测绘技术即通过三维成像的方法完成测绘工作或通过三维建模的方式辅助完成测绘成果。在测绘资料完整的情况下,可以通过Civil3D技术完成测绘资料的三维成果复核与输出;在测绘资料不完整或无测绘资料的情况下,可以通过遥感技术或三维扫描技术配合Pix4Dmapper完成三维测绘成果输出。

1.1测绘资料建模法

在测绘资料完整的情况下,我们通过三维建模技术实现三维测绘成果成像。在测绘资料完善的情况下,高程点数据和等高线数据都比较完整,在这种情况下我们有两种方式进行三维成像。一种方法是通过高程点数据进行三维建模,运用高程点数据进行三维建模的优势是模型网格更加细致,成像方式是以多点位三角网拼接形成三角网曲面,这种曲面成像方式是无穷多个微型三角网面组成,可以将测绘成果准确的反映出来,但运算量较大,成像速度相对较慢[1,5,7]。另一种方法是运用等高线数据进行三维建模,运用等高线数据进行三维建模的优势是网格形成效率高,成像方式是以等高线对三维模型进行分层建模,对每一层两条等高线间的曲面进行网格化,再通过不同层间网格组合形成整体三维曲面,这种成像方式效率高,但是成像精度低于利用高程点完成的三维成果。两种三维测绘成像方法在地质灾害分析过程中的差异并不明显,都可以反映地形地貌等地质特征,在计算机水平不断进步情况下,两种方法均可以通过细化网格的方式达到相当高的精度,在地质灾害分析中发挥重要作用。

1.2遥感点云成像法

在测绘资料不完整或无测绘资料的情况下,我们需要借助无人机遥感技术,通过无人机坐标定位与航拍成像,通过Pix4Dmapper对点位坐标数据与航拍图像进行定位整合,将无人机航拍坐标点位与成像角度进行空间定位,首先形成无人机点位星云图像,再将各成像点位的成像效果在空间上投影,每一个点位的空间投影通过叠加与重组形成空间曲面与地上物空间形态[8]。这种成像方式对遥感数据资料要求较高,航拍路线和位置需要提前计算分析,以便成像投影可用度较高,这种三维测绘的方法运算量巨大,是对三维效果反复优化与调整后得到的最优解,同时其成像成果可能受到大气折射、无人机振动偏位、地磁变化影响坐标定位、地表曲率等综合影响带来一定的误差,但是当测量点数量达到一定的规模时,误差将逐渐的降低,但是运算量会大幅升高。这种测量方法与传统的测绘实勘相比要大大降低了人力成本,提高了工作效率,同时,在地质灾害分析过程中,该种方法所得到的三维测绘成果完全可以满足精度要求,并不会对地质灾害分析效果造成较大影响[11]。

2三维测绘成果在灾害分析中的应用

2.1地质灾害灾前评估

三维测绘成果在地质灾害分析过程中更能直观的反应灾害预警区域的基本地形地貌特征,便于地质专家、防灾人员进一步分析可能发生地质灾害的类型、具体位置、影响范围等[4,6]。本文以TW项目为例进行具体分析,如图1展示了项目的Civ-il3D三维测绘成果,在该三维测绘成果中,可以清楚的分辨出A-B段处有一个明显的冲沟可能成为该项目区的安全隐患,比如发生滑坡、泥石流等地质灾害,由三维模型分析可知,若发生泥石流、山体滑坡等灾害,该冲沟主要有三条冲刷入口,分别在C、D、E三个位置(距A点均取200米缓冲距)。那么在灾害发生时,冲沟A-B的覆盖层或冲刷体淤积量都将会非常快速的增长,具有非常严重的安全隐患。图1TW灾前分析模型此外,通过表1中对该处高程分析可知,B、C、D三处高程差异不大,平均高程都在2660m左右,那么当地质灾害发生时,A处将经历一个前期淤积与下泄并存的过程,下泄土体会将A-B段原有凹陷填充平整。由于A-B段高程差20m左右,当A区域淤积量达到一定量级时,会突然爆发并在已填充平整的大高差冲刷段迅速涌出,对B区域下游造成严重的破坏。通过上述分析,我们可以在发现,借助三维测绘手段进行灾前研究,可以更直观的对常见地质灾害进行综合分析,传统的等高线图分析尚无法快速识别地质灾害可能发生的位置,需要不断地进行数据比对,而三维测绘成果可以帮助我们迅速的识别整个区域内所有可能成为潜在灾害风险的区域,并可以提供模拟场景,便于在灾前充分评估,具体分析地质灾害的成因与影响等情况。

2.2地质灾后跟踪分析

三维测绘技术在灾害已经发生的情况下也具有十分重要的应用价值,在这种情况下,原有的地质勘察资料与测绘资料已无法作为灾后分析的根本依据,需要利用三维测绘手段,对灾害发生地点重新进行测量,可利用Pix4Dmapper完成三维测绘的基本工作,运用Civil3D完成原有地质情况与现阶段情况的差异分析,进行地质灾害影响评估,根据Civil3D三维建模成果进行路网、山体、河流等的影响分析,对灾害应急预案进行动态分析与管理[10]。如图2所示,为TW项目所在区域山体滑坡形成的山咀,据县志记载,该地区地处河流边缘,交通条件便利,原址有部分房屋,且没有做任何防护措施,仅设置了安全距离。地质灾害发生时,该区域房屋均受到了严重损毁,同时该路段道路被土体完全截断,河流在受到土体冲击后形成了较大涌浪,对下游造成了一定的洪水影响,救援团队由于对该地区灾害情况了解不够充分,进入灾区十分困难,同时无法通过原有测绘资料识别通行路径,存在救援延误[9]。那么,如果当时三维测绘技术可成熟的应用于地质灾害分析,我们就可以通过Pix4Dmapper和Civil3D模拟灾后场景,并实时跟踪与修正,根据灾害的影响范围与规模快速制定救援方案。如图2中的三维测绘成果,我们可以发现在河道右侧存在另一条未受到灾害影响的乡道,同时河道上游有大片空地没有受到滑坡和洪水的影响,那么在道路规划上我们就可以由此乡道绕行至受灾区域上游进入灾区进行救援,并在上游平坦区域建立救助站。同时我们也可以对该救助站进行风险评估,通过三维测绘成果分析可知,该区域距离两岸山体较远,同时该区域两岸山体坡度平缓,基本可以排除次生灾害发生的可能,是基础条件良好的区域。

3结论展望

综上所述,三维测绘技术与测绘成果三维成像技术在地质灾害的分析中的应用效果显著,无论是地质灾害灾前分析,还是地质灾害灾后跟踪,三维测绘分析较传统的分析方法从质量和效率上都有明显的优势。首先,在测绘成果表现形式上,三维测绘成果更加直观、更加真实,可以模拟真实场景,便于辅助分析;其次,在地质灾害灾前分析阶段,三维测绘在灾害分析过程中可以迅速的识别整个区域内所有可能成为潜在灾害风险等区域,并便于提取水平距离、高程等比对数据,可以同时满足定性分析与定量分析的各项需求;再次,在地质灾害灾后跟踪分析过程中,三维测绘技术可以准确、高效的进行灾情复原、灾后场景模拟等,为救灾减灾工作提供便利的条件与可靠的技术支持。三维测绘技术是勘察、三维扫描、遥感、三维建模技术的有机结合,其在规划、设计、施工等领域已有非常多的应用成果,其在地质灾害分析的过程中也必将取得良好的应用效果,进一步实现“预防与控制相结合,模拟与现实相匹配”的防灾救灾方针。从技术层面让地质灾害分析工作实现质的飞跃。此外,三维测绘技术在灾害分析方面也不局限于地震、滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地裂缝等地质灾害分析,这种技术手段与研究思路在干旱、暴雨、洪涝、台风、寒潮等其他自然灾害的分析研究中也具有很高的借鉴意义与应用价值,随着技术的不断进步,其将在国、内外各类灾害的预防与治理工作中发挥重要作用。

参考文献

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[2]张菖,陈志文,韦猛,等.基于BIM的三维滑坡地质灾害监测方法及应用[J].成都理工大学学报(自然科学版),2017,44(3):377-384.

[3]乌格,马维峰,张时忠,等.基于三维的地质灾害遥感解译标志管理系统设计与实现[J].国土资源遥感,2012,24(2):148-151.

[4]潘英英,李东,曹世彭.基于三维GIS地质灾害应急指挥平台设计与实现[J].城市地质,2017,12(3):105-108.

[5]杨茂伟.三维激光扫描仪在地质灾害地形测绘中的应用[J].测绘通报,2016(5):145-146.

[6]穆超,施朗.三维遥感技术在滑坡地质灾害调查中的应用[C].中国科协年会第12分会场-测绘服务灾害与应急管理学术研讨会,2011.

[7]高盼,李磊,郭广礼.基于三维激光扫描数据的实体构筑物三维建模[J].测绘地理信息,2011,36(4):10-11.

[8]徐秀川,花向红,龚子桢,等.基于球面投影的散乱点云三维建模算法实现与效果分析[J].测绘工程,2011,20(3):5-8.

[9]张玉东,郭俊锋,王林生.测绘技术在地质灾害中的作用[J].科技与企业,2012(20):251-251.

[10]张菖,陈志文,韦猛,等.基于BIM的三维滑坡地质灾害监测方法及应用[J].成都理工大学学报(自然科学版),2017,44(3):377-384.

[11]冯建辉,杨玉静.基于灰度共生矩阵提取纹理特征图像的研究[J].北京测绘,2007(3):19-22.

作者:罗太近;宋小庆;向峰 单位:贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队

三维测绘技术在地质灾害分析的应用责任编辑:张雨    阅读:人次