CN109991682A - 地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公了一种地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，通过获取工程区遥感影像、数字高程数据及工程资料，构建三维遥感判释空间场景，判释区域内断层及地表水体信息，进而划分区域内水文地质单元，以建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。本发明利用遥感技术分析地表水体与隧道之间的水力联系，能够大幅降低地面调查投入，具有省时省力、宏观全面的特点，而且能够大范围分析地表水体与隧道的水力联系，聚焦重点水体，减少进一步试验分析的工作量，工程实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质勘察领域，特别是涉及地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法。
背景技术
随着我国大规模工程建设的推进，隧道难免下穿地表水体。隧道围岩存在着大量空隙，这些空隙联通后能为水提供渗流通道。隧道下穿地表水体后，开挖形成的临空面，造成了地表水体与隧道之间存在水头差。在其作用下，水随着渗流通道进入隧道，可能会造成隧道涌水涌泥，威胁施工安全。因此，隧道穿越地表水体下方时存在较高的安全隐患，一旦二者发生水力联系后果将不堪设想，查明隧道与地表水体之间的水力联系至关重要。传统方法主要以地面调查为主，需要投入大量人力物力，且很难从区域整体上查清隧道与地表水体之间的水力联系。
近些年，一些学者尝试采用数值计算方法，分析地表水体与隧道间的水力联系，如基于现场压水试验，建立地下水渗流的数学模型，分析了水库对隧道的影响，或者在分析区域地质背景基础上，开展地下水动力计算，分析水库与隧道之间的水力联系。数值计算方法需要开展现场试验，而且模型参数取值的不同，计算结果也存在很大差异。在缺少现场试验的情况下，往往需要根据经验来取值，计算结果具有很大的不确定性。
发明内容
针对现有技术分析地表水体与隧道水力联系存在的问题，本发明推出一种地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其目的在于获取工程区遥感影像和数字高程数据，利用三维遥感技术划分水文地质单元、判释断层及地表水体等信息，开展水面高程、地表水体与隧道空间距离等计算，建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
本发明涉及的地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，技术步骤包括：获取工程区遥感影像、数字高程数据及工程资料，构建三维遥感判释空间场景，判释区域内断层及地表水体信息，划分区域内水文地质单元，建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
S1、获取工程区遥感影像、数字高程数据及工程资料
获取工程区成像分辨率高于2m的遥感影像数据、高精度数字高程数据，以及隧道走向、埋深等工程资料。
S2、构建三维遥感判释空间场景
对步骤S1获取的遥感影像进行处理，利用获取的数字高程数据建立数字高程模型，对数字高程模型和处理后的遥感影像进行严格配准和三维渲染处理，构建三维遥感判释空间场景。
S3、判释区域内断层及地表水体信息
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，开展区域内断层判释；利用归一化水体指数法提取地表水体信息。
S4、划分区域内水文地质单元
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，提取地表分水岭信息，初步划分水文地质单元；然后综合步骤S3提取的断层信息，对初步划分结果进行优化，得到区域内水文地质单元。
S5、建立模型分析地表水体与隧道的水力联系
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，提取地表水体水面高程、水体距隧道水平距离、水体距隧道垂直距离信息，结合步骤S3得到的断层信息和步骤S4得到的水文地质单元信息，建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
本发明涉及的地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，利用遥感技术分析地表水体与隧道之间的水力联系，能够大幅降低地面调查投入，具有省时省力、宏观全面的特点，且能够大范围分析地表水体与隧道的水力联系，聚焦重点水体，减少进一步试验分析的工作量，工程实用性强。
附图说明
图1为本发明所述的地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法的流程图。
图中标记说明：
S1、获取工程区遥感影像、数字高程数据及工程资料，
S2、构建三维遥感判释空间场景，
S3、判释区域内断层及地表水体信息，
S4、划分区域内水文地质单元，
S5、建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。如图1所示，本发明所述的地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，技术步骤包括：S1.获取工程区遥感影像、数字高程数据及工程资料；S2.构建三维遥感判释空间场景；S3.判释区域内断层及地表水体信息；S4.划分区域内水文地质单元；S5.建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
S1、获取工程区遥感影像和数字高程数据及工程资料
获取工程区成像分辨率高于2m的遥感影像数据、高精度数字高程数据，以及隧道走向、埋深等工程资料。
获取工程区成像分辨率高于2m的遥感影像数据，如分辨率为2m的资源三号卫星影像、分辨率为1m的高分二号卫星影像以及分辨率更高的数码航摄影像。遥感影像应带有有理函数传感器模型(RPC)参数。
获取高精度数字高程数据，主要包括大比例尺地形图上等高线数据、高分辨率卫星影像立体像对数据、机载激光雷达(LIDAR)获取的高程数据。LIDAR数据应带有卫星导航定位(GNSS)、惯性测量单元(IMU)等姿态定位参数。
获取工程资料，包括隧道的走向、埋深和进出口位置。
S2、构建三维遥感判释空间场景
对步骤S1获取的遥感影像进行处理，利用获取的数字高程数据建立数字高程模型，对数字高程模型和处理后的遥感影像进行严格配准和三维渲染处理，构建三维遥感判释空间场景。
①遥感影像处理
进行遥感影像的辐射校正、波段组合、几何精校正、影像融合和镶嵌处理。
②建立数字高程模型
数字高程模型建立途径主要有以下两种：一是利用高分辨率卫星影像立体像对提取的高程数据建立数字高程模型；二是利用LIDAR获取的高程数据建立数字高程模型。
利用高分辨率卫星影像立体像对提取的高程数据建立数字高程模型，其数据处理包括图像裁剪、斑点压缩、图像配准。
利用LIDAR获取的高程数据建立数字高程模型，其数据处理包括GPS/IMU联合平差计算、点云滤波、坐标转换处理。
③构建三维遥感判释空间场景
以处理后的遥感影像为基准，选取河流边界、桥梁、道路、建筑为特征点，对数字高程模型进行配准处理。将配准后的数字高程模型和处理后的遥感影像进行融合和三维渲染处理，构建三维遥感判释空间场景。
S3、判释区域内断层及地表水体信息
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，开展区域内断层判释，利用归一化水体指数法提取地表水体信息。
⑴开展区域内断层判释包括以下步骤：
①建立断层判释标志
在三维遥感判释空间场景中，提取典型断层对应的遥感影像特征，建立断层遥感判释标志。断层遥感判释标志包括直接判释标志和间接判释标志：直接判释标志包括断层破碎带的直接出露、地质体被切割以及沉积岩地区地层的重复或缺失等；间接判释标志包括断层三角面、断层垭口、断层沟谷等线性负地形，不同地貌单元的截然相接，水系变化的异常或突然拐弯等。在三维遥感判释空间场景中，将这些典型断层遥感影像特征信息提取出来，得到断层判释标志。
②提取断层信息
依据建立的断层判释标志，在三维遥感判释空间场景中，通过目视解译对工程区断层进行详细判释，得到断层分布信息。通过现场核实对判释结果进行修改和完善，得到工程区断层信息。
⑵利用归一化水体指数法提取地表水体信息，包括以下步骤：
①建立归一化水体指数
地表水体的光谱特征是在绿波段具有较强的透射性，在短波红外波段具有强吸收性，反映含水量敏感。因此采用绿波段与短波红外波段数值之差和这两个波段数值之和的比值作为归一化水体指数，当满足归一化水体指数大于零时所提取的地物为水体。
②提取地表水体信息
利用上述步骤建立的归一化水体指数，对步骤S2得到的处理后的遥感影像进行计算，提取出地表水体信息。
S4、划分区域内水文地质单元
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，提取地表分水岭信息，初步划分水文地质单元。然后，综合步骤S3提取的断层信息，对初步划分结果进行优化，得到区域内水文地质单元。
⑴水文地质单元初步划分
水文地质单元是具有统一补给边界和补给、径流、排泄条件的地质单元。地表分水岭是水文地质单元划分最常用的边界。基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，依据三维空间场景中的地物和高程信息，提取地表分水岭。地表分水岭及其排泄洼地即构成一个水文地质单元。
⑵水文地质单元初步划分结果优化
根据步骤S3得到的断层信息，对水文地质单元初步划分结果进行检查，若一条断层穿过不同水文地质单元，则将这些水文地质单元合并为一个新的水文地质单元。进而重复此过程，完成对水文地质单元初步划分结果的优化，得到区域内水文地质单元划分结果。
S5、建立模型分析地表水体与隧道的水力联系
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，提取地表水体水面高程、水体距隧道水平距离、水体距隧道垂直距离信息，结合步骤S3得到的断层信息、步骤S4得到的水文地质单元信息，建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
⑴提取地表水体水面高程及距离等信息
提取地表水体高程信息：基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，提取步骤S3得到的每一个地表水体的水面高程信息，并记录备用。
提取地表水体距隧道水平距离信息：将步骤S1获取的隧道的走向、埋深等工程资料和步骤S3提取的地表水体信息，导入步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，利用三维遥感判释空间场景的水平量测功能，测量水体边界至隧道水平位置最近的距离，作为地表水体距隧道水平距离。
提取地表水体距隧道垂直距离信息：利用上述步骤提取的地表水体水面高程信息，以及步骤S1获取的隧道埋深信息，通过二者的高程差计算，得到地表水体距隧道垂直距离。
⑵建立模型分析地表水体与隧道的水力联系
依据上述步骤得到的地表水体距隧道垂直距离进行分析，若地表水体与隧道的垂直距离差为负，即隧道在地表水体上方，则判定地表水体与隧道不存在水力联系；若地水体与隧道的垂直距离差为正，即隧道在地表水体下方，则建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
地表水体与隧道的水力联系主要受地表水体距隧道水平距离、地表水体距隧道垂直距离、断层、水文地质单元等因素影响，据此建立地表水体与隧道的水力联系模型，如下：
R为地表水体与隧道水力联系，r1为地表水体距隧道水平距离因子，r2为地表水体距隧道垂直距离因子，r3为断层因子，r4为水文地质单元因子。
⑶计算地表水体与隧道的水力联系模型中各个因子值
①地表水体距隧道水平距离因子r1的计算方法为：
a.当地表水体距隧道水平距离L1位于0米～100米的区间时，r1＝1－0.004×L1；
b.当地表水体距隧道水平距离L1位于100米～200米的区间时，r1＝0.6－0.002×(L1－100)；
c.当地表水体距隧道水平距离L1位于200米～600米的区间时，r1＝0.4－0.001×(L1－200)；
d.当地表水体距隧道水平距离大于600米时，r1取值为0。
②地表水体距隧道垂直距离因子r2的计算方法为：
a.当地表水体距隧道垂直距离L2位于0米～100米的区间时，r2＝1－0.004×L2；
b.当地表水体距隧道垂直距离L2位于100米～200米的区间时，r2＝0.6－0.002×(L2－100)；
c.当地表水体距隧道垂直距离L2位于200米～600米的区间时，r2＝0.4－0.001×(L2－200)；
d.当地表水体距隧道垂直距离大于600米时，r2取值为0。
③断层因子r3的取值方法为：
当地表水体与隧道被断层连通时，r3取值为1；
当地表水体与隧道未被断层连通时，r3取值为0。
④水文地质单元因子r4的取值方法为：
当地表水体与隧道属于同一水文地质单元时，r4取值为1；
当地表水体与隧道不属于同一水文地质单元时，r4取值为0。
⑷判断地表水体与隧道的水力联系
通过上述步骤建立的地表水体与隧道的水力联系模型和各因子计算方法，计算各个地表水体与隧道的水力联系R的值。
当R值位于0～1区间时，表明该地表水体与隧道不发生水力联系；
当R值位于1～2区间时，表明该地表水体与隧道发生弱水力联系，施工时需要注意渗水的防护和处理；
当R值位于2～3区间时，表明该地表水体与隧道发生较强水力联系，需要开展地表水体与隧道水力联系的专项评价；
当R值位于3～4区间时，表明该地表水体与隧道发生强水力联系，需要对该地表水体进行处理。
通过上述计算分析，得到地表水体和隧道水力联系结果。
Claims (10)
1.一种地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于，技术步骤包括：
S1、获取工程区遥感影像、数字高程数据及工程资料
获取工程区成像分辨率高于2m的遥感影像数据、高精度数字高程数据，以及隧道走向、埋深等工程资料；
S2、构建三维遥感判释空间场景
对步骤S1获取的遥感影像进行处理，利用获取的数字高程数据建立数字高程模型，对数字高程模型和处理后的遥感影像进行严格配准和三维渲染处理，构建三维遥感判释空间场景；
S3、判释区域内断层及地表水体信息
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，开展区域内断层判释；利用归一化水体指数法提取地表水体信息；
S4、划分区域内水文地质单元
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，提取地表分水岭信息，初步划分水文地质单元；然后综合步骤S3提取的断层信息，对初步划分结果进行优化，得到区域内水文地质单元；
S5、建立模型分析地表水体与隧道的水力联系
基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，提取地表水体水面高程、水体距隧道水平距离、水体距隧道垂直距离信息，结合步骤S3得到的断层信息和步骤S4得到的水文地质单元信息，建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
2.根据权利要求1所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述步骤S4中初步划分水文地质单元，基于步骤S2构建的三维遥感判释空间场景，依据三维空间场景中的地物和高程信息，提取地表分水岭，地表分水岭及其排泄洼地即构成一个水文地质单元。
3.根据权利要求1所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述步骤S4中对初步划分结果进行优化，根据步骤S3得到的断层信息，对水文地质单元初步划分结果进行检查，若一条断层穿过不同水文地质单元，则将这些水文地质单元合并为一个新的水文地质单元；重复此过程，完成对水文地质单元初步划分结果的优化，得到区域内水文地质单元划分结果。
4.根据权利要求1所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述步骤S5中提取地表水体距隧道垂直距离信息，若地表水体与隧道的垂直距离差为负，即隧道在地表水体上方，则判定地表水体与隧道不存在水力联系；若地表水体与隧道的垂直距离差为正，即隧道在地表水体下方，则建立模型分析地表水体与隧道的水力联系。
5.根据权利要求1所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述步骤S5建立模型分析地表水体与隧道的水力联系,受地表水体距隧道水平距离、地表水体距隧道垂直距离、断层、水文地质单元因素影响，据此建立地表水体与隧道的水力联系模型：
R为地表水体与隧道水力联系，r1为地表水体距隧道水平距离因子，r2为地表水体距隧道垂直距离因子，r3为断层因子，r4为水文地质单元因子。
6.根据权利要求5所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述地表水体距隧道水平距离因子r1的计算方法为：
a.当地表水体距隧道水平距离L1位于0米～100米的区间时，r1＝1－0.004×L1；
b.当地表水体距隧道水平距离L1位于100米～200米的区间时，r1＝0.6－0.002×(L1－100)；
c.当地表水体距隧道水平距离L1位于200米～600米的区间时，r1＝0.4－0.001×(L1－200)；
d.当地表水体距隧道水平距离L1大于600米时，r1取值为0。
7.根据权利要求5所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述地表水体距隧道垂直距离因子r2的计算方法为：
a.当地表水体距隧道垂直距离L2位于0米～100米的区间时，r2＝1－0.004×L2；
b.当地表水体距隧道垂直距离L2位于100米～200米的区间时，r2＝0.6－0.002×(L2－100)；
c.当地表水体距隧道垂直距离L2位于200米～600米的区间时，r2＝0.4－0.001×(L2－200)；
d.当地表水体距隧道垂直距离L2大于600米时，r2取值为0。
8.根据权利要求5所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述断层因子r3的取值方法为：
当地表水体与隧道被断层连通时，r3取值为1；
当地表水体与隧道未被断层连通时，r3取值为0。
9.根据权利要求5所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述水文地质单元因子r4的取值方法为：
当地表水体与隧道属于同一水文地质单元时，r4取值为1；
当地表水体与隧道不属于同一水文地质单元时，r4取值为0。
10.根据权利要求5所述地表水体与隧道水力联系的遥感分析方法，其特征在于：所述建立的地表水体与隧道的水力联系模型中，地表水体与隧道的水力联系R值的判断为：
当R值位于0～1区间时，表明该地表水体与隧道不发生水力联系；
当R值位于1～2区间时，表明该地表水体与隧道发生弱水力联系，施工时需要注意渗水的防护和处理；
当R值位于2～3区间时，表明该地表水体与隧道发生较强水力联系，需要开展地表水体与隧道水力联系的专项评价；
当R值位于3～4区间时，表明该地表水体与隧道发生强水力联系，需要对该地表水体进行处理。
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2019
- 2019-04-29 CN CN201910355074.XA patent/CN109991682B/zh active Active
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