测绘技术在地质灾害隐患防治中的应用研究

董昊锦

(酒泉职业技术学院,甘肃 酒泉 735000)

1 遥感技术

1.1 遥感技术的应用原理

遥感技术是测绘技术中一项重要的内容,在地质灾害的勘查中有着较为广泛的应用。遥感技术主要是指以距离感应的相关原理,依据电磁波理论来对数据进行测量的技术。该技术能够在不接触被测物体表面的情况下对数据信息进行测量,大多被应用到对一些远距离、复杂的地质条件进行测绘的过程中。遥感技术主要能够被应用到地质灾害的监测和治理当中,以某矿山开采工程为例,在工程建设的过程中,应用遥感测绘技术来对工程周边的生态环境进行监测,能够依据卫星来对地球和底层大气的光学和电子观测的方式,在不接触地面物体目标的情况下,应用遥感器来获取地面物体的电磁波信息,然后依据对电磁波信息的分析处理,就可以得到矿山整体生态环境的信息。[1]当前,能够应用于地质测绘的遥感技术数据源以资源卫星、风云卫星、海洋卫星、Landsat、Spot等光学遥感卫星为主。

在实际应用遥感技术对地质灾害进行监测的过程中,一般以高分卫星数据处理为主要目标,具体包括波段组合、几何精校正、图像镶嵌和图像裁切处理四个主要步骤。波段组合主要是指发挥遥感技术的波段组合功能,让高分卫星数据能够以波段组合的方式呈现出更好的效果。考虑到高分卫星数据可能存在几何畸变的情况,一般需要借助地面控制点,以方法确定、控制点输入、像素重采样和精度评价的方式来对数据进行精校正。[2]对于多景影像,一般需要对影像进行镶嵌和边界裁切再处理,从而得到对被测区域进行测量的实际影像。

而在应用遥感技术对地质灾害进行防治的过程中,能够在地质灾害发生后的第一时间对灾害发生的坐标位置情况进行监测,并将获取到的受灾画面信息转换成数字信息之后向地面传递。地面的工作人员能够依据传输的影像来对地质灾害的产生原因进行分析,并及时采取相应的措施来对地质灾害进行治理。例如,应用遥感技术能够在滑坡这一地质灾害发生后,通过对现场的测绘来对一些大型塌滑体的数量、分布以及稳定状态进行分析,从而为治理滑坡灾害提供依据。

1.2 遥感技术的应用实例

在实际应用遥感技术对地质灾害进行防治的过程中,主要能够依据遥感卫星反馈的数据来对地质灾害的实际情况进行分析和评价。以滑坡这一常见的地质灾害为例,某地区在防治滑坡地质灾害的过程中,应用合成孔径雷达来作为对区域数据进行测量的遥感设备。[3]雷达系统在实际的应用中,能够向被测区域范围内的任意一点发射电磁波,电磁波在由地面物体反射之后,能够再次被雷达系统的接收器接收。而合成孔径雷达本身属于一种主动式的微波遥感技术,能够通过雷达传感器来获取雷达成像的系统。该系统在实际应用中能够基于雷达的成像原理,测定传感器与地面被测物体之间的距离,并利用一个小口径的天线,在沿轨道运行分布发射信号接收之后,可以形成一个等效的大口径天线,这样能够有效提高图像的分辨率(图1)。

图1 合成孔径雷达的工作原理

依据这一工作原理,可以将合成孔径雷达的分辨率分为两种情况。一种是卫星轨道方向上的分辨率为方位向分辨率,另一种则是基于雷达传感器到地面被测物体之间的距离分辨率(图2)。

图2 合成孔径雷达的两种分辨率

其中,图2(a)中的方位向分辨率表达式为:

Δα=L/2

(1)

式中:L为雷达天线的长度。

图2(b)中的距离分辨率表达式为:

Δγ=C/2B

(2)

式中:B为扫描带宽;C为光速。

在实际对滑坡地质灾害的相关数据进行测量的过程中,考虑到雷达获取的影像中每个像元数据都储存着相位和振幅两方面的信息,因而其通常呈现一个复数的形态。基于这一特点,可以依据雷达获取信息过程中记录的雷达波整个发射过程中的时间,对地面被测物体与雷达天线之间的距离进行计算。

2 无人机倾斜摄影测量技术

2.1 无人机倾斜摄影测量技术的应用原理

无人机倾斜摄影测量技术主要是指在无人机上安装能够用于摄影和测量的装置,让无人机在一些地形地势比较复杂的环境中完成测量和摄影航拍等方面的工作(图3)。[4]首先,高精度以及高分辨率的影像特点能够大大提高测量工作的质量;其次,三维实景模型的可量测性不仅能够为摄影测量技术提供具体的发展方向,还能够间接减少城市在进行三维建模规划时消耗的成本;第三,与以往测量技术测量的数据相比,无人机倾斜摄影测量技术采集并收集的数据信息在储存过程中不会占据较大的空间,因而传输和网络共享的速度也比较快。

图3 无人机倾斜摄影测量数据处理流程

将无人机倾斜摄影测量技术应用到地质灾害调查中,能够依据无人机灵活和机动性强的特点,对地质灾害发生的整个区域和范围的情况进行测量。当前能够应用于地质灾害测绘的无人机图像效率范围能够达到15 000 m2/min,且能够体现出良好的图像精度。而无人机倾斜摄影测量技术拥有的三维实景模型不仅能够呈现出整个受灾区域的高度、长度以及面积等数据信息,还能够将收集到的数据信息进行科学的分析。[5]具体而言,无人机倾斜摄影测量技术在实际应用中,能够将拍摄的照片直接导入到建模系统当中,将整个地质灾害发生区域的全景图像以动态的方式呈现出来。这些分析结果不仅能够为调查人员提供更加科学的处理方案的制定依据,还能够实现对受到地质灾害的整体区域进行实时监测,在降低地质灾害的救援工作难度的同时,也能够防止二次地震灾害加重受灾区域的经济财产和生命安全损失。

2.2 无人机倾斜摄影测量技术的应用实例

在实际应用无人机倾斜摄影测量技术来对地质灾害的相关信息进行分析时,首先需要做好相机标定、方案设计、明确航摄作业要求、切块内存设置以及影响数据检查与预处理等准备工作。在以棋盘格标定法来对相机进行标定之后,可以得到相机的参数值。基于被测范围的大小不同,对于摄影测量方案的设计,需要设置好无人机的动作重叠度、飞行高度以及飞行速度等具体的技术参数,并结合地质灾害区域的实际情况,设计几条不同的航线。明确航摄作业要求需要建立在对无人机的性能和相关参数进行检查的基础上,选择能够保证高分辨率和清晰度的环境条件来开展无人机的摄影测量工作。[6]对于切块内存的设置,需要在考虑无人机连接的计算机系统内存的情况下来设置具体的系统切块内存。

对于影响数据的检查和预处理,则需要在由无人机获取到相应的区域画面之后,基于计算机系统和建模算法来对图像进行预处理,用以保证无人机倾斜摄影获得的图像质量。而在对图像进行预处理的过程中,以图像的径向畸变情况为例,如果在实际应用无人机的过程中存在照相机透镜结构组不齐全的情况,就会导致径向畸变的现象。对这种径向畸变的情况进行修复,可以依据以下公式来实现:

Δxγ=x0(k1r2+k2r4+k3r6)

(3)

Δyγ=y0(k1r2+k2r4+k3r6)

(4)

在将无人机倾斜摄影获得的图像数据进行预处理之后,需要依据获得的相关数据来构建地质灾害现场的三维模型。对于滑坡这类地质灾害三维模型的构建,主要以Context Capture这一类型的倾斜摄影建模软件为主。该软件在实际的应用中,包括多视影像、几何校正、区域网联合平差、多视影像匹配、DAM生成等具体的步骤。

3 地理信息技术

3.1 地理信息技术的应用原理

地理信息技术主要是指基于地理空间来构建被测物体和区域的信息模型,以更直观的方式来对区域范围的地理信息进行测量的技术。地理信息技术需要依据地理信息系统来发挥作用,地理信息系统融合了计算机、遥感以及信息工程等多方面的专业知识和内容,能够借助储存空间广阔的数据库系统、可视化的地图模型以及能够对各种复杂地理信息进行空间分析的计算机系统来对被测区域的地理空间信息进行分析。[7]将地理信息技术应用到地质灾害隐患的防治工作当中,能够在更全面、完整地了解区域地理信息环境情况的基础上,及时发现区域范围内可能存在的地质灾害隐患问题。

例如,地理信息技术能够被应用到气象地质灾害的预警工作当中,借助DOM影像和DEM数字高程模型来建立三维场景。在三维场景中叠加河流、湖泊、溪流以及地质灾害隐患点等与气象地质灾害相关的要素,从而明确被测区域范围内的道路、居民地、经济体的分布情况。在明确场景中的数据信息内容之后,需要将各项数据信息融合起来,建立一个基于气象因素的山洪地质灾害模型,并将可能发生的地质灾害按照严重性和紧急程度划分为不同的类型,以便能够及时对各类地质灾害进行预警。[8]在明确区域范围内可能产生的各种地质灾害之后,还需要对地质灾害的发生情况进行模拟。对于山洪这类较为常见的气象地质灾害,需要从降雨、山洪水淹范围、水淹深度以及泥石流等方面来对地质灾害的破坏力和影响力进行分析,以便能够及时制定山洪气象地质灾害的应急预案。

3.2 地理信息技术的应用实例

将地理信息技术应用到地质灾害隐患防治工作当中,主要能够通过对地质灾害的易发性和危险性进行评价的方式,为地区防治地质灾害提供更为科学的依据。在实际应用地理信息技术时,需要基于地质灾害发生地区的实际情况和地质灾害发生的原因,制定对地质灾害的程度进行评价的主要单元和指标。

从地质灾害的易发性角度来看,应用地理信息技术,首先需要选择好实际的评价单元。以滑坡地质灾害为例,针对某一地区容易发生的滑坡地质灾害情况,在对区域的面积坡度进行测量时,需要依据等高线数据以插值法的方式来生成DEM数据,由DEM数据来对区域内斜坡的坡度和坡向等内容进行计算。在得到相应的计算结果之后,就可以将区域内的斜坡划分为几个不同的斜坡单元。

在建立地质灾害易发性评价指标体系的过程中,首先需要基于区域地理信息的实际情况,选取坡度、坡高、坡型以及岩土结构等因素作为评价指标体系的主要因子,并将这些因子按照地质环境条件和地质灾害诱发因素进行分类。对于评价指标权重的确定,一般需要通过构造判断矩阵、计算各个因子相对权重、计算组合权重的步骤。对于判断矩阵的构造,一般需要应用1-9的标度法,在对各层要素对上层因素的重要程度进行对比分析之后,就可以得到相应的判断矩阵。而在对各个因子的相对权重进行计算时,一般需要依据MATLAB软件对判断矩阵的最大特征值λmax及其对应的特征向量进行计算,然后再对矩阵的一致性进行检验。对各因子的相对权重进行计算,一般需要依据以下公式:

CR=CI/RI

(5)

(6)

式中:CR为判断矩阵的一致性比例,n为判断矩阵内比较因子的具体个数。判断矩阵的一致性比例是否能够达到相应的标准,以0.1为界限。依据公式计算得到的CR结果不超过0.1,则证明构造的矩阵符合一致性要求,能够对地质灾害的易发性进行评价。在得到相应的评价计算结果之后,就可以通过对评价指标的量化来得到相应指标的评价结果。

而在应用地理信息技术对地质灾害的危险性进行评价时,选取的评价因子需要在地质条件和地质灾害诱发因素的基础上,增加一个地质灾害现状的评价因素,即灾点密度。依据相同的方式对评价指标权重进行确定,然后就可以对各个评价因子进行量化分析。具体而言,对评价因子的量化分析,主要包括灾点密度、承灾体的重要程度两个方面,在依据评价因子的统计模型对相应的指标进行量化分析之后,需要将各因子以叠加的方式进行计算,从而得到针对某一具体地区的地质灾害危险性评价结果。

遥感技术、无人机倾斜摄影测量技术以及地理信息技术是当前能够应用于地质灾害测量的主要技术。结合我国不同地区地质环境条件的差异,对于地质灾害监测中测绘技术的应用,需要建立在对地区实际情况进行充分了解的基础上,选择更合适的测绘技术来满足对地质灾害进行监测和防治的要求。而在对以上三种技术进行分析之后,结合当前地质灾害隐患防治提出的要求,在实际应用测绘技术的过程中,需要尽可能将几种不同的测绘技术结合起来,将测绘技术贯穿于整个地质环境勘察工作当中,从而更好地为防治地质灾害提供更加科学的依据。

4 结 论

综上所述,测绘技术能够应用于地质灾害的防治当中,但不同的测绘技术有其限制的应用条件和范围,在实际应用中仍然存在一定的技术限制。地质灾害会对区域地理和人居环境产生较大的影响,直接威胁到当地居民的生命健康安全,也会对环境造成较大的污染和破坏。在未来的地质勘察工作中,需要结合测绘技术的实际应用经验,对不同类型和原理的测绘技术进行优化调整和创新,不断扩大测绘技术在地质灾害防治中的应用范围,提高测绘技术应用的实际效果。