基于高精度低空攝影測量的滑坡災害監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、降水和人類工業影響，在重力作用下，沿著剪切破壞面，發生整體順坡向下滑動的自然現象。我國滑坡地帶分布較為廣泛，隨著環境破壞日益嚴重，滑坡現象發生的概率越來越大，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，對其安全監測與預報是具有必要性的[1]。

現階段，主要滑坡災害監測預報方式包括基于混沌神經網絡算法和基于粒子群優化算法的滑坡災害監測預報方式。由于滑坡形成過程較為復雜，發生時間較短，區域承載也不同，因此，很難建立統一的承壓分布模型。采用以上兩種方式大多是基于小區域且壓力集中的滑坡位置實施的[2]。一旦區域擴大，承壓就會變得十分復雜，對于滑坡災害監測與監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測與預報關鍵技術研究。根據地層壓力進行數據挖掘，以此為依據對滑坡災害進行監測與預報。通過實驗結果表明，該技術能夠有效避免由于區域承載過大而造成的缺陷，提高了滑坡災害監測與監測與預報準確性。

1 滑坡災害監測與監測與預報指標

滑坡災害監測與監測與預報內容包括滑坡形變、坡道破壞相關因素監測，不同類型滑坡，其監測點內容也不同[3]。在發生山體滑坡之前，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，逐漸發生蠕動與變形，且隨著變形逐漸增大了滑坡災害風險。

環境因素包括內部因素和外部因素，其中內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境，其中包括人類工程活動和外部動力擾動[5]。滑坡地質體環境因素構成如表1所示。

表1 滑坡地質體環境因素

地層作為一個開放的復雜系統，可用多個指標對其穩定性進行規劃。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節影響，每個環節可由多個指標來反映[6]。滑坡災害監測與監測與預報指標體系，如圖1所示。

圖1 滑坡災害監測與監測與預報指標體系

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

2 地層壓力變量相關參數計算

將地層分割為不同區域，將這些區域構成數據集合{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。在地層壓力出現變化情況下，其壓力變量應與地層壓力沒有出現變化情況下的應變力是一致的[7]。根據應變等效理論，地層所承受的壓力出現變化時，所構成的矩陣與沒有出現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表示不同區域地層承壓差值系數，通過計算地層壓力變量相關參數，為滑坡災害監測與預報提供數據基礎。

3 基于高精度低空攝影測量數據提取

低空攝影測量指的就是航高在1 000米以下數字航空攝影測量，具有傳統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行測繪任務[8]。采用無人機攝影測量平臺，以高分辨率數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)研究區現場勘查，初步選定低空攝影路線；

2)控制點布置、航線規劃、參數選擇，一般選擇4個以上控制點，保證整個研究區域具有精準坐標。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域的分布情況，盡可能多的布設一定數量地面相控點。在規劃航線過程中，充分考慮飛行姿態、角度、頻率等，保證獲取的圖片重合率在65%以上，根據研究區域周圍顏色、飛行高度選擇不同攝像機參數，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，軟件根據自身RGB信息，計算物體空間融合過程所耗費的時間；

5)待統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，成圖比例尺達到1:500，航空攝影采用DMC數碼航拍儀[9]。航空攝影測量要求按照《1:500比例尺地形圖航空攝影規范》執行。通過步驟(4)獲取經過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據處理的有效性[10]。

4 滑坡堆積特征及密實程度分析

根據上述提取的低空攝影測量數據，分析滑坡堆積特征和密實程度。

4.1 滑坡堆積特征

通過提取的相關數據，利用低空攝影測量技術監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

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

4.2 密實程度

在發生滑坡災害后，對該滑坡堆積區進行現場密實程度分析，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生了解體，受到擠壓影響，滑源區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，說明在滑坡災害發生時，兩側出現擠壓，與中部下切堆積現象一致[12]。

5 滑坡災害監測與預報等級評定

依據分析的滑坡堆積特征及密實程度，確定待評物元，并建立關聯函數，確定監測與預報對象以及監測與預報等級。

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

監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)通過關聯函數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，規范化關聯度，并將該關聯度與權系數合成為綜合關聯度。

如果Wn(q)=max{n∈(1,2,...,i)}nj(qj)，那么監測與預報目標q的等級為n。當監測與預報目標的各個指標間在不同監測與預報指示下權重過小，那么需要采用多層次綜合監測與預報方式。在單層綜合監測與預報基礎上，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，將權系數矩陣和綜合關聯度矩陣合稱為監測與預報結果矩陣，由此完成滑坡災害監測與預報等級評定。

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測與預報關鍵技術研究合理性，需將傳統關聯算法的監控預報技術與該技術進行對比分析。

6.1 實驗環境設置

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。其中河東排土場占地面積大約為3.0 km2，作業分為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 實驗參數設置

由于排土場的穩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，如表3所示。

表3 相關參數設置

排土場滑坡中定性指標分級標準如表4所示。

依據上述評價內容，可將排土場滑坡災害監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—紅色監測與預報；二級—黃色監測與預報；三級—藍色監測與預報；四級—綠色監測與預報；五級—無監測與預報。

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，山體就會出現大面積滑坡，對于山體區域承壓具有較大區別。采用傳統關聯算法進行預測大多是基于小區域，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測與預報精準度較高，為了驗證該點，將兩種技術監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，在三周實驗時間內每隔5分鐘就需更新一次數據，根據數據形成的圖形，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分析

依據實際滑坡災害變化狀態情況，將兩種監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)隨著預測點數量增加，采用傳統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。當預測點數量為10個時，傳統技術監測與預報的滑坡次數與實際值偏差最大；當預測點數量為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)采用傳統技術與實際值在預測點數量為30個時，偏差最大。當預測點數量為10個時，傳統技術監測與預報的滑坡次數與實際值偏差最小；而采用基于高精度低空攝影測量技術在預測點數量為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)隨著預測點數量增加，采用傳統技術與實際值在預測點數量為10和40個時，偏差最大。當預測點數量為30個時，傳統技術監測與預報的滑坡次數與實際值偏差最小；而采用基于高精度低空攝影測量技術在預測點數量為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)最初采用傳統技術與實際值相差較大，隨著預測點數量增加，雖然預測的滑坡次數偏差略有縮小，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：當預測點數量為40個時，基于高精度低空攝影測量技術比傳統技術預測精準度高48%；當預測點數量為50個時，基于高精度低空攝影測量技術比傳統技術預測精準度高60%；當預測點數量為60個時，基于高精度低空攝影測量技術比傳統技術預測精準度高65%。在預測點數量為60和70個時，基于高精度低空攝影測量技術與傳統技術的預測精準度相差最大；在預測點數量為20個時，基于高精度低空攝影測量技術與傳統技術的預測精準度相差最小。

根據上述內容可得出結論：基于高精度低空攝影測量的滑坡災害監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、發展使極其復雜的過程，無需采用科學方法和手段進行系統長期監測，并全面認識其規律，以達到減災、治災目的是十分困難的。滑坡失穩破壞，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測與預報，能夠幫助人類規避風險，將滑坡災害所造成的損失降到最小。

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