測繪技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害隱患防治中的應(yīng)用研究

董昊錦

(酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 酒泉 735000)

1 遙感技術(shù)

1.1 遙感技術(shù)的應(yīng)用原理

遙感技術(shù)是測繪技術(shù)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容,在地質(zhì)災(zāi)害的勘查中有著較為廣泛的應(yīng)用。遙感技術(shù)主要是指以距離感應(yīng)的相關(guān)原理,依據(jù)電磁波理論來對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量的技術(shù)。該技術(shù)能夠在不接觸被測物體表面的情況下對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行測量,大多被應(yīng)用到對一些遠(yuǎn)距離、復(fù)雜的地質(zhì)條件進(jìn)行測繪的過程中。遙感技術(shù)主要能夠被應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測和治理當(dāng)中,以某礦山開采工程為例,在工程建設(shè)的過程中,應(yīng)用遙感測繪技術(shù)來對工程周邊的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測,能夠依據(jù)衛(wèi)星來對地球和底層大氣的光學(xué)和電子觀測的方式,在不接觸地面物體目標(biāo)的情況下,應(yīng)用遙感器來獲取地面物體的電磁波信息,然后依據(jù)對電磁波信息的分析處理,就可以得到礦山整體生態(tài)環(huán)境的信息。[1]當(dāng)前,能夠應(yīng)用于地質(zhì)測繪的遙感技術(shù)數(shù)據(jù)源以資源衛(wèi)星、風(fēng)云衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、Landsat、Spot等光學(xué)遙感衛(wèi)星為主。

在實(shí)際應(yīng)用遙感技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測的過程中,一般以高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理為主要目標(biāo),具體包括波段組合、幾何精校正、圖像鑲嵌和圖像裁切處理四個主要步驟。波段組合主要是指發(fā)揮遙感技術(shù)的波段組合功能,讓高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠以波段組合的方式呈現(xiàn)出更好的效果?？紤]到高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能存在幾何畸變的情況,一般需要借助地面控制點(diǎn),以方法確定、控制點(diǎn)輸入、像素重采樣和精度評價的方式來對數(shù)據(jù)進(jìn)行精校正。[2]對于多景影像,一般需要對影像進(jìn)行鑲嵌和邊界裁切再處理,從而得到對被測區(qū)域進(jìn)行測量的實(shí)際影像。

而在應(yīng)用遙感技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行防治的過程中,能夠在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后的第一時間對災(zāi)害發(fā)生的坐標(biāo)位置情況進(jìn)行監(jiān)測,并將獲取到的受災(zāi)畫面信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息之后向地面?zhèn)鬟f。地面的工作人員能夠依據(jù)傳輸?shù)挠跋駚韺Φ刭|(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,并及時采取相應(yīng)的措施來對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行治理。例如,應(yīng)用遙感技術(shù)能夠在滑坡這一地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后,通過對現(xiàn)場的測繪來對一些大型塌滑體的數(shù)量、分布以及穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析,從而為治理滑坡災(zāi)害提供依據(jù)。

1.2 遙感技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際應(yīng)用遙感技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行防治的過程中,主要能夠依據(jù)遙感衛(wèi)星反饋的數(shù)據(jù)來對地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況進(jìn)行分析和評價。以滑坡這一常見的地質(zhì)災(zāi)害為例,某地區(qū)在防治滑坡地質(zhì)災(zāi)害的過程中,應(yīng)用合成孔徑雷達(dá)來作為對區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行測量的遙感設(shè)備。[3]雷達(dá)系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中,能夠向被測區(qū)域范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)發(fā)射電磁波,電磁波在由地面物體反射之后,能夠再次被雷達(dá)系統(tǒng)的接收器接收。而合成孔徑雷達(dá)本身屬于一種主動式的微波遙感技術(shù),能夠通過雷達(dá)傳感器來獲取雷達(dá)成像的系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠基于雷達(dá)的成像原理,測定傳感器與地面被測物體之間的距離,并利用一個小口徑的天線,在沿軌道運(yùn)行分布發(fā)射信號接收之后,可以形成一個等效的大口徑天線,這樣能夠有效提高圖像的分辨率(圖1)。

圖1 合成孔徑雷達(dá)的工作原理

依據(jù)這一工作原理,可以將合成孔徑雷達(dá)的分辨率分為兩種情況。一種是衛(wèi)星軌道方向上的分辨率為方位向分辨率,另一種則是基于雷達(dá)傳感器到地面被測物體之間的距離分辨率(圖2)。

圖2 合成孔徑雷達(dá)的兩種分辨率

其中,圖2(a)中的方位向分辨率表達(dá)式為:

Δα=L/2

(1)

式中:L為雷達(dá)天線的長度。

圖2(b)中的距離分辨率表達(dá)式為:

Δγ=C/2B

(2)

式中:B為掃描帶寬;C為光速。

在實(shí)際對滑坡地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量的過程中,考慮到雷達(dá)獲取的影像中每個像元數(shù)據(jù)都儲存著相位和振幅兩方面的信息,因而其通常呈現(xiàn)一個復(fù)數(shù)的形態(tài)。基于這一特點(diǎn),可以依據(jù)雷達(dá)獲取信息過程中記錄的雷達(dá)波整個發(fā)射過程中的時間,對地面被測物體與雷達(dá)天線之間的距離進(jìn)行計算。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

2.1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用原理

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)主要是指在無人機(jī)上安裝能夠用于攝影和測量的裝置,讓無人機(jī)在一些地形地勢比較復(fù)雜的環(huán)境中完成測量和攝影航拍等方面的工作(圖3)。[4]首先,高精度以及高分辨率的影像特點(diǎn)能夠大大提高測量工作的質(zhì)量;其次,三維實(shí)景模型的可量測性不僅能夠?yàn)閿z影測量技術(shù)提供具體的發(fā)展方向,還能夠間接減少城市在進(jìn)行三維建模規(guī)劃時消耗的成本;第三,與以往測量技術(shù)測量的數(shù)據(jù)相比,無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)采集并收集的數(shù)據(jù)信息在儲存過程中不會占據(jù)較大的空間,因而傳輸和網(wǎng)絡(luò)共享的速度也比較快。

圖3 無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理流程

將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中,能夠依據(jù)無人機(jī)靈活和機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn),對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的整個區(qū)域和范圍的情況進(jìn)行測量。當(dāng)前能夠應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害測繪的無人機(jī)圖像效率范圍能夠達(dá)到15 000 m2/min,且能夠體現(xiàn)出良好的圖像精度。而無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)擁有的三維實(shí)景模型不僅能夠呈現(xiàn)出整個受災(zāi)區(qū)域的高度、長度以及面積等數(shù)據(jù)信息,還能夠?qū)⑹占降臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)的分析。[5]具體而言,無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中,能夠?qū)⑴臄z的照片直接導(dǎo)入到建模系統(tǒng)當(dāng)中,將整個地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的全景圖像以動態(tài)的方式呈現(xiàn)出來。這些分析結(jié)果不僅能夠?yàn)檎{(diào)查人員提供更加科學(xué)的處理方案的制定依據(jù),還能夠?qū)崿F(xiàn)對受到地質(zhì)災(zāi)害的整體區(qū)域進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,在降低地質(zhì)災(zāi)害的救援工作難度的同時,也能夠防止二次地震災(zāi)害加重受災(zāi)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)和生命安全損失。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來對地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)信息進(jìn)行分析時,首先需要做好相機(jī)標(biāo)定、方案設(shè)計、明確航攝作業(yè)要求、切塊內(nèi)存設(shè)置以及影響數(shù)據(jù)檢查與預(yù)處理等準(zhǔn)備工作。在以棋盤格標(biāo)定法來對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定之后,可以得到相機(jī)的參數(shù)值?；诒粶y范圍的大小不同,對于攝影測量方案的設(shè)計,需要設(shè)置好無人機(jī)的動作重疊度、飛行高度以及飛行速度等具體的技術(shù)參數(shù),并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的實(shí)際情況,設(shè)計幾條不同的航線。明確航攝作業(yè)要求需要建立在對無人機(jī)的性能和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢查的基礎(chǔ)上,選擇能夠保證高分辨率和清晰度的環(huán)境條件來開展無人機(jī)的攝影測量工作。[6]對于切塊內(nèi)存的設(shè)置,需要在考慮無人機(jī)連接的計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存的情況下來設(shè)置具體的系統(tǒng)切塊內(nèi)存。

對于影響數(shù)據(jù)的檢查和預(yù)處理,則需要在由無人機(jī)獲取到相應(yīng)的區(qū)域畫面之后,基于計算機(jī)系統(tǒng)和建模算法來對圖像進(jìn)行預(yù)處理,用以保證無人機(jī)傾斜攝影獲得的圖像質(zhì)量。而在對圖像進(jìn)行預(yù)處理的過程中,以圖像的徑向畸變情況為例,如果在實(shí)際應(yīng)用無人機(jī)的過程中存在照相機(jī)透鏡結(jié)構(gòu)組不齊全的情況,就會導(dǎo)致徑向畸變的現(xiàn)象。對這種徑向畸變的情況進(jìn)行修復(fù),可以依據(jù)以下公式來實(shí)現(xiàn):

Δxγ=x0(k1r2+k2r4+k3r6)

(3)

Δyγ=y0(k1r2+k2r4+k3r6)

(4)

在將無人機(jī)傾斜攝影獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后,需要依據(jù)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)來構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場的三維模型。對于滑坡這類地質(zhì)災(zāi)害三維模型的構(gòu)建,主要以Context Capture這一類型的傾斜攝影建模軟件為主。該軟件在實(shí)際的應(yīng)用中,包括多視影像、幾何校正、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、DAM生成等具體的步驟。

3 地理信息技術(shù)

3.1 地理信息技術(shù)的應(yīng)用原理

地理信息技術(shù)主要是指基于地理空間來構(gòu)建被測物體和區(qū)域的信息模型,以更直觀的方式來對區(qū)域范圍的地理信息進(jìn)行測量的技術(shù)。地理信息技術(shù)需要依據(jù)地理信息系統(tǒng)來發(fā)揮作用,地理信息系統(tǒng)融合了計算機(jī)、遙感以及信息工程等多方面的專業(yè)知識和內(nèi)容,能夠借助儲存空間廣闊的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、可視化的地圖模型以及能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜地理信息進(jìn)行空間分析的計算機(jī)系統(tǒng)來對被測區(qū)域的地理空間信息進(jìn)行分析。[7]將地理信息技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害隱患的防治工作當(dāng)中,能夠在更全面、完整地了解區(qū)域地理信息環(huán)境情況的基礎(chǔ)上,及時發(fā)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)可能存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患問題。

例如,地理信息技術(shù)能夠被應(yīng)用到氣象地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警工作當(dāng)中,借助DOM影像和DEM數(shù)字高程模型來建立三維場景。在三維場景中疊加河流、湖泊、溪流以及地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)等與氣象地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的要素,從而明確被測區(qū)域范圍內(nèi)的道路、居民地、經(jīng)濟(jì)體的分布情況。在明確場景中的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容之后,需要將各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息融合起來,建立一個基于氣象因素的山洪地質(zhì)災(zāi)害模型,并將可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害按照嚴(yán)重性和緊急程度劃分為不同的類型,以便能夠及時對各類地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。[8]在明確區(qū)域范圍內(nèi)可能產(chǎn)生的各種地質(zhì)災(zāi)害之后,還需要對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況進(jìn)行模擬。對于山洪這類較為常見的氣象地質(zhì)災(zāi)害,需要從降雨、山洪水淹范圍、水淹深度以及泥石流等方面來對地質(zhì)災(zāi)害的破壞力和影響力進(jìn)行分析,以便能夠及時制定山洪氣象地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案。

3.2 地理信息技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

將地理信息技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害隱患防治工作當(dāng)中,主要能夠通過對地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性和危險性進(jìn)行評價的方式,為地區(qū)防治地質(zhì)災(zāi)害提供更為科學(xué)的依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用地理信息技術(shù)時,需要基于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的實(shí)際情況和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的原因,制定對地質(zhì)災(zāi)害的程度進(jìn)行評價的主要單元和指標(biāo)。

從地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性角度來看,應(yīng)用地理信息技術(shù),首先需要選擇好實(shí)際的評價單元。以滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例,針對某一地區(qū)容易發(fā)生的滑坡地質(zhì)災(zāi)害情況,在對區(qū)域的面積坡度進(jìn)行測量時,需要依據(jù)等高線數(shù)據(jù)以插值法的方式來生成DEM數(shù)據(jù),由DEM數(shù)據(jù)來對區(qū)域內(nèi)斜坡的坡度和坡向等內(nèi)容進(jìn)行計算。在得到相應(yīng)的計算結(jié)果之后,就可以將區(qū)域內(nèi)的斜坡劃分為幾個不同的斜坡單元。

在建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)體系的過程中,首先需要基于區(qū)域地理信息的實(shí)際情況,選取坡度、坡高、坡型以及巖土結(jié)構(gòu)等因素作為評價指標(biāo)體系的主要因子,并將這些因子按照地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素進(jìn)行分類。對于評價指標(biāo)權(quán)重的確定,一般需要通過構(gòu)造判斷矩陣、計算各個因子相對權(quán)重、計算組合權(quán)重的步驟。對于判斷矩陣的構(gòu)造,一般需要應(yīng)用1-9的標(biāo)度法,在對各層要素對上層因素的重要程度進(jìn)行對比分析之后,就可以得到相應(yīng)的判斷矩陣。而在對各個因子的相對權(quán)重進(jìn)行計算時,一般需要依據(jù)MATLAB軟件對判斷矩陣的最大特征值λmax及其對應(yīng)的特征向量進(jìn)行計算,然后再對矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。對各因子的相對權(quán)重進(jìn)行計算,一般需要依據(jù)以下公式:

CR=CI/RI

(5)

(6)

式中:CR為判斷矩陣的一致性比例,n為判斷矩陣內(nèi)比較因子的具體個數(shù)。判斷矩陣的一致性比例是否能夠達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),以0.1為界限。依據(jù)公式計算得到的CR結(jié)果不超過0.1,則證明構(gòu)造的矩陣符合一致性要求,能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行評價。在得到相應(yīng)的評價計算結(jié)果之后,就可以通過對評價指標(biāo)的量化來得到相應(yīng)指標(biāo)的評價結(jié)果。

而在應(yīng)用地理信息技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害的危險性進(jìn)行評價時,選取的評價因子需要在地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素的基礎(chǔ)上,增加一個地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀的評價因素,即災(zāi)點(diǎn)密度。依據(jù)相同的方式對評價指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定,然后就可以對各個評價因子進(jìn)行量化分析。具體而言,對評價因子的量化分析,主要包括災(zāi)點(diǎn)密度、承災(zāi)體的重要程度兩個方面,在依據(jù)評價因子的統(tǒng)計模型對相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行量化分析之后,需要將各因子以疊加的方式進(jìn)行計算,從而得到針對某一具體地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險性評價結(jié)果。

遙感技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)以及地理信息技術(shù)是當(dāng)前能夠應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害測量的主要技術(shù)。結(jié)合我國不同地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的差異,對于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中測繪技術(shù)的應(yīng)用,需要建立在對地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行充分了解的基礎(chǔ)上,選擇更合適的測繪技術(shù)來滿足對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測和防治的要求。而在對以上三種技術(shù)進(jìn)行分析之后,結(jié)合當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害隱患防治提出的要求,在實(shí)際應(yīng)用測繪技術(shù)的過程中,需要盡可能將幾種不同的測繪技術(shù)結(jié)合起來,將測繪技術(shù)貫穿于整個地質(zhì)環(huán)境勘察工作當(dāng)中,從而更好地為防治地質(zhì)災(zāi)害提供更加科學(xué)的依據(jù)。

4 結(jié) 論

綜上所述,測繪技術(shù)能夠應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的防治當(dāng)中,但不同的測繪技術(shù)有其限制的應(yīng)用條件和范圍,在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的技術(shù)限制。地質(zhì)災(zāi)害會對區(qū)域地理和人居環(huán)境產(chǎn)生較大的影響,直接威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳】蛋踩?也會對環(huán)境造成較大的污染和破壞。在未來的地質(zhì)勘察工作中,需要結(jié)合測繪技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),對不同類型和原理的測繪技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和創(chuàng)新,不斷擴(kuò)大測繪技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害防治中的應(yīng)用范圍,提高測繪技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際效果。