CN112069579B - 基于dem数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法 - Google Patents

基于dem数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法 Download PDF

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CN112069579B CN202010920041.8A CN202010920041A CN112069579B CN 112069579 B CN112069579 B CN 112069579B CN 202010920041 A CN202010920041 A CN 202010920041A CN 112069579 B CN112069579 B CN 112069579B
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Abstract

本发明公开了一种基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，包括以下步骤：1)构建地震前后土石坝DEM模型；2)坝顶和坝坡沉陷或隆起定量分析；3)坝体滑坡定量分析；4)坝体整体位移和变形定量分析；本发明通过国内外土石坝震害统计分析，总结土石坝变形震害主要特征，在采用实时动态载波相位差分测量技术，满足震后土石坝变形震害监测数据快速精确获取的基础上，构建土石坝高精度DEM三维实体地面模型，通过空间聚类分析和数字地形信息提取等方法，对土石坝震前和震后DEM三维坝体模型进行对比，实现了坝体裂缝空间属性和分布规律分析、坝顶和坝坡沉陷或隆起整体定量分析、坝体滑坡情况和后续影响分析、坝体整体位移和变形定量分析。

Description

基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法
技术领域
本发明涉及土石坝变形震害评估方法，尤其涉及一种基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法。
背景技术
根据国内外土石坝震害调查统计资料，进一步聚焦土石坝本身的震害类型大致包括坝体裂缝、坝体沉陷、坝身滑坡、大坝渗漏、坝坡隆起或坝趾坡脚外移，并以坝体裂缝、坝体沉陷或隆起、坝身滑坡等变形震害最为普遍。
土石坝在地震灾害中作为承灾体，一方面，土石坝坝体的破坏会造成直接经济损失；另一方面，还可能演变成为危险的次生灾害源，引发的次生水灾能够造成巨大的经济损失和人员伤亡，同时在地震后还常常因水坝无法正常发挥水利设施功能，造成灾后生产、生活的困难。
在遭遇强震工况后，针对大坝及工程枢纽区原布设的各类外观变形控制测量基准点发生不同程度的位移甚至破坏失效，土石坝震后的绝对变形量获取受到制约的情况，以及因坝体滑坡和局部沉陷导致土石坝表面或浅层产生较大变形，但又难以通过局部表面变形测量值反应和评估大坝实际整体变形等问题，本发明拟研究采用基于DEM数字地形分析的方法，开展土石坝变形震害定量评估。
发明内容
发明目的：针对强震后水电工程枢纽区原布设的变形监测基准发生破坏失效，影响土石坝坝体绝对变形量值获取，以及因滑坡和沉陷产生较大表面变形而导致坝体整体变形难以分析评估等问题，本发明的目的是提供一种基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法。
技术方案：一种基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，包括以下内容：
1)构建地震前后土石坝DEM模型：
1.1)矢量化大比例尺土石坝工程图，构建基于TIN的震前土石坝DEM模型；
1.2)对震后土石坝体型、变形震害缺陷进行空间特征数据采集，构建基于TIN的震后土石坝DEM模型；
2)坝顶和坝坡沉陷或隆起定量分析：
2.1)通过DEM提取坝顶最大沉陷或隆起部位的极值高程以及平均高程，与原建基面高程求差，得到坝体震后最大高差和平均高差，获取震后坝顶的局部极限与整体沉降或隆起量值；
2.2)提取坝顶防渗体和堆石体格网高程，求取堆石体格网平均高程与防渗体格网平均高程之差，得到相对高差，获取震后心墙与堆石体的相对沉降值；
2.3)将TIN格网分解为若干三角形，求解各三角形表面积，对三角形表面积进行累加，获取上、下游坝坡表面积，通过分别对比震前震后的上、下游坝坡表面积，坝坡投影面积，以及地表粗糙度来评估土石坝坝坡沉陷或隆起变形的整体情况；
3)坝体滑坡定量分析：
3.1)通过计算TIN空间三角形与其在指定计算高程平面上投影形成的三棱柱和三棱锥体积累加值，获取指定范围内的滑坡体积方量与规模数量；
3.2)在DEM格网窗口中提取滑坡底滑面的坡度和坡向，判别滑坡发展趋势及其对坝体防渗体的影响程度；
4)坝体整体位移和变形定量分析：
4.1)针对土石坝采用DEM的山脊线提取来获取大坝坝轴线，通过对比震前震后大坝坝轴线空间位置和倾角、方位角，分析坝体整体位移量值；
4.2)通过在土石坝DEM所绘剖面线起点位置和终点位置，确定该剖面线与DEM三角网格各个交点，内插交点上的高程，以及各交点之间的距离，然后根据选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图；通过对比震前震后大坝代表性纵、横向剖面形状和面积分析坝体体型变形量值。
进一步的，步骤1.1)中，还包括通过大坝巡检缺陷空间坐标数据和变形监测数据对所述震前土石坝DEM模型进行修正的步骤。步骤1.2)中，优选采用卫星定位RTK双基准站测量对震后土石坝体型、变形震害缺陷进行空间特征数据采集。
进一步的，步骤2.1)中，所述极值高程通过细布点直接测量获取，所述平均高程为格网顶点的高程平均值。步骤2.3)中，优选采用海伦公式求解所述TIN网格三角形表面积和坝坡投影面积。
进一步的，步骤3.2)中，采用拟合曲面法提取所述滑坡底滑面的坡度和坡向。
进一步的，步骤4.1)中，优选采用4个像元的局部算子，在坝顶高程矩阵中移动并比较每一位置处4个像元的高程值，获取高程最大的像元并标记，把它们连接成线模式，形成山脊线，以此等效为大坝坝顶轴线，进行地震前后的坝顶轴线位移和偏转角对比分析。步骤4.2)中，优选采用梯形法或辛普森法计算剖面面积，通过震前震后坝体DEM相同部位剖面对比，分析坝体的在该部位的几何尺寸变化情况，通过坝体体积的对比，总体评估震后坝体的材料压实度情况。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明通过国内外土石坝震害统计分析，总结土石坝变形震害主要特征，在采用全球定位系统RTK实时动态载波相位差分测量技术，满足震后土石坝变形震害监测数据快速精确获取基础上，构建土石坝高精度DEM三维实体地面模型，通过空间聚类分析和数字地形信息提取等方法，对土石坝震前和震后DEM三维坝体模型进行对比，实现了坝体裂缝空间属性和分布规律分析、坝顶和坝坡沉陷或隆起整体定量分析、坝体滑坡情况和后续影响分析、坝体整体位移和变形定量分析，为全面定量评估土石坝变形震害提供了技术支持。
附图说明
图1为不规则三角网DEM模型示意；
图2为区域中任意点的高程计算；
图3为基于TIN格网的DEM滑坡三棱柱体积计算；
图4为DEM格网坡度和坡向的计算；
图5为DEM坝体剖面示意。
具体实施方式
数字高程模型(Digital Elevation Model)，简称DEM，是对地球表面地形地貌格网点平面坐标及其高程的数据集或者是经、纬度和海拔高度等三维地表形态空间特征向量及其属性特征的数字描述。从DEM中可以直接或间接地提取出如坡度、坡向、粗糙度等各种地形要素。
构建DEM主要采用规则格网模型(Regular Square Grid，RSG)或不规则三角网模型(Triangulated Irregular Networks，TIN)。TIN的数据存储方式比RSG复杂，其优点是能随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，并避免平坦地形的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征，如图1示；缺点是结构过于复杂，数据存储量大。鉴于土石坝及工程枢纽区属于小场景高精度DEM构建，且采样点布置与震害分布紧密相关，因此采用TIN模型构建土石坝DEM。
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
一种基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，包括如下步骤：
1、构建地震前后土石坝DEM模型：
1.1土石坝震前DEM模型构建
(1)矢量化工程图，提取特征点坐标信息
采用大比例尺(1:500～1:2000)的土石坝枢纽布置工程图进行土石坝主要地物特征点和枢纽区高程控制点的三维坐标信息提取，组成有限区域内的有限个离散点集，是作为土石坝震前DEM构建的基础数据源。
遭遇强震前，经大坝日常巡视检查发现，带有位置坐标属性的重要缺陷信息，以及通过工程安全监测系统长期监测，具有定量描述属性的大坝变形监测数据，都可用于修正和完善土石坝震前DEM模型构建。
(2)等高线构建TIN模型
TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的连续三角面网格，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点或节点的位置和密度，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如点不在顶点上，该点的高程值常通过线性插值方法得到。构建三角网可通过以下步骤：
1)将原始数据分块，以便快速检索所处理三角形的邻近点，而不必检索所需的数据。
2)确定第一个三角形。从数据点中任取一点A，选取距点A的最近点B，在点A和点B附近的点Ci(i＝1,2,…,n)中，选取点C。由每个点Ci和点A，B构成n个三角形，并计算每个三角形以Ci为顶点的角余弦cos∠Ci＝(ai 2+bi 2+ci 2)/2aibi；式中：ai＝BCi，bi＝ACi，ci＝AB。若满足条件∠Cj＝max{Ci}，则Cj为这个三角形的第三个顶点。
3)对每一个已生成三角形的新增两边，按角度最大的原则向外进行三角形扩展，并进行重复性检测。
4)区域中任意点的高程计算。若测点落在三角形的顶点上，则采用该点的高程值；若测点位于某一边上，则采用边的两个顶点的高程进行线性插值；若测点位于三角形内部，则采用三个顶点的高程值进行线性插值。如图2所示，1，2，…8等八个顶点的高程值已知，对于三角形边上和三角形内点的高程值均可通过三角形顶点的值采用插值方法得到。
1.2、土石坝震后DEM模型构建
(1)震后精密测量方案
考虑到遭遇强震工况后，大坝及工程枢纽区原布设的各类控制测量基准点发生不同程度的位移甚至破坏失效等实际情况，因此采用RTK测量方法满足震后土石坝变形震害快速评估DEM数据的获取与采集需要。
RTK(Real-time kinematic)实时动态载波相位差分技术，是基于全球卫星导航系统GNSS实时处理两个以上测量站载波相位观测量的差分方法。RTK由基准站，数据处理中心和数据通信线路组成的。为提高测量精度，在土石坝工程枢纽区构建双基准站，基准站配备双频全波长GNSS接收机，其坐标采用长时间的静态相对定位技术来测定。在土石坝坝体测量过程中，基准站采集的载波相位发给大坝坝体上进行测量的流动站接收机，进行快速求差解算坐标。流动站接收机仅需在土石坝测量地貌细部点停留片刻，待实时解算出厘米级至毫米级精度坐标后，即可移站至下一待测细部点。
(2)土石坝变形震害特征数据获取
基于WGS84地心坐标系，利用RTK动态差分测量技术，采用GNSS高精度双频接收机，针对大坝坝体，以及坝体裂缝、沉陷或隆起、滑坡等变形震害离散的细部点进行选择采样，获取细部点的X，Y，H三维坐标，并将细部点测量编码与坐标信息存储于工作手簿中，成为后续构建土石坝DEM的原始数据。该方法适用于建立小范围大比例尺，对高程精度要求较高的DEM。
表1土石坝变形震害现场数据采集表
Figure BDA0002666397770000051
(3)构建土石坝震后DEM
对有限个离散点，每三个邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各格网点高程，生成DEM。应尽可能保证每个三角形是锐角三角形或三边的长度近似相等，避免出现过大的钝角和过小的锐角。当已知三角形的两个顶点后，利用余弦定理计算备选第三顶点的三角形内角的大小，选择最大者对应的点为该三角形的第三顶点。将原始数据分块，检索处理三角形邻近点。对每一个已生成的三角形的新增加的两边，按角度最大的原则向外扩展，并进行重复性检测。向外扩展步骤为，从顶点为T1(X1,Y1),T2(X2,Y2),T3(X3,Y3)三角形T1T2边向外扩展，取位于直线T1T2与T3异侧的点，多次重复交叉检测：任意一边最多只能是两个三角形的公共边。
2、基于DEM的数字地形模型对比分析：
2.1坝体裂缝
坝体裂缝空间分布特征分析：坝体裂缝为土石坝震后最普遍震害，在对震后坝体裂缝诸如长度、宽度、深度、走向等特征属性进行分类统计分析的同时，通过对裂缝的空间分布特征分析，掌握裂缝在坝体的随机分布情况，进而评判坝体不同部位的潜在震害情况。
采用线模式空间聚类方法来进行震害裂缝的空间分布特征分析。针对震后坝体裂缝相对平直，弯曲较少且延伸方向较为固定的特点，首先进行最近邻分析，将震害裂缝逐条作为考虑长度属性的线模式，对每条线上随机抽样一个点，用直线分别连接两条直线上最近邻的两个点，量测出相连线段的长度，并计算出平均最近邻距离值，然后检验判断是否为随机分布。两条直线距离值采用欧氏距离度量，在三维空间中的欧氏距离就是两点之间的实际距离，其表达式为
Figure BDA0002666397770000061
定义n倍平均最近邻距离值作为空间相似度分类标准，同类中的对象间具有较高的空间相似度，而不同类中的对象间差异较大，获取最终的裂缝空间分布信息。
2.2坝体沉陷或隆起
(1)坝顶沉陷或隆起分析：根据震后调查资料，土石坝坝顶沉陷情况较为普遍，可通过对比震前震后坝顶极值高程和最大高差，平均高程和平均高差，以及相对高差来分析震后坝顶的整体沉陷量值。
针对坝顶沉降或隆起变形，可通过DEM直接提取坝顶最大沉陷或隆起部位的极值高程，以及坝顶的平均高程，再与原建基面高程求差，得到坝体震后最大高差和平均高差，对比震前震后坝顶的局部极限与整体沉降或隆起量值。针对心墙坝，因防渗体与堆石体的材料结构差异，防渗体沉陷变形往往较大，还可以提取坝顶防渗体和堆石体相对高差，对比震前震后心墙与堆石体的相对沉降值。极值高程通过细部点直接测量获取，平均高程为格网顶点的高程平均值
Figure BDA0002666397770000062
相对高差为堆石体格网平均高程与防渗体格网平均高程之差
Figure BDA0002666397770000071
(2)坝坡沉陷或隆起分析：坝坡在未发生滑坡的情况下，沉陷或隆起震害的程度，除通过单点范围、沉陷深度或隆起高度等常规方式描述分析外，还可通过分别对比震前震后的上、下游坝坡表面积，投影面积，以及地表粗糙度分析坝坡沉陷或隆起变形的整体情况。
基于TIN格网DEM可将格网分解为三角形，三角形表面积计算使用海伦公式
Figure BDA0002666397770000072
其中，D1，D2，D3分别为三角形三边长，P为半周长，S为三角形的面积。上游或下游坝坡部位的表面积则是坝坡部位每个三角形表面积的累加。坝坡投影面积是坝坡几何体型在水平面上的面积，可直接采用海伦公式，将表面积计算公式中的距离改为平面上的两点距离即可计算；亦可采用梯形法则，一个多边形由顺序排列的N个点(Xi，Yi，i＝1,2,…,N)组成，且第N点与第1点重叠相同，则水平投影面积计算公式为
Figure BDA0002666397770000073
2.3坝体滑坡
(1)坝体滑坡情况分析：震中或震后，土石坝在抗滑力抵抗不了滑动力而失去平衡时，就会在上游或下游坝坡发生滑坡或崩塌，可通过DEM获取指定滑坡范围内的体积方量；通过对比地震前后的坝体DEM体积，分析土石坝震后滑坡的总体规模。
基于TIN格网DEM滑坡体积，每一个空间三角形与其在指定计算高程平面上的投影都形成一个三棱柱和一个三棱锥，因此可归结为若干三棱柱和三棱锥的体积运算，对每个三棱柱计算其方量并累加，可求得滑坡范围的体积方量，如图3所示，计算公式类似：
Figure BDA0002666397770000074
(2)坝体滑坡影响分析：对于直心墙或斜心墙堆石坝，坝体滑坡后可能造成防渗体失稳，在库水作用下造成水力劈裂，进而破坏整个大坝。可通过震后DEM提取滑坡底滑面坡度、坡向和剖面，分析滑坡发展趋势及其对坝体防渗体的影响程度。
坡度定义为水平面和地形表面之间夹角的正切值；坡向为坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角，如图4所示。坡度和坡向的计算一般采用拟合曲面法，通常在3×3个DEM格网窗口中进行，每个窗口中心为一个高程点。
由
Figure BDA0002666397770000081
又：
Figure BDA0002666397770000082
因此得滑坡坡度为tan2θX+tan2θY＝tan2θ。
如图4，QO与X轴的夹角T为坡向角，则
Figure BDA0002666397770000083
2.4坝体位移和变形
(1)坝体位移分析：在强震和上游水荷载的同时作用下，土石坝坝体有可能发生整体向下游变形情况，可通过对比震前震后大坝坝轴线空间位置和倾角、方位角，分析坝体整体位移量值。
针对土石坝采用DEM的山脊线提取来获取大坝坝轴线，较为简单的算子是4个像元的局部算子。该算子在高程矩阵中移动并比较每一位置处4个像元的高程值，同时标出其中高程最大(探测山脊线)的像元。标记过程完成后，把它们连接成线模式，形成山脊线，坝顶作为大坝坝体最高高程部位，因此可以分别将震前和震后提取的山脊线等效为大坝坝顶轴线，进行位移和偏转角的对比分析。
(2)坝体变形分析：土石坝坝体在地震惯性力作用下，发生水平摇晃和垂直颠簸，甚至受到左右岸坝肩山体变形的挤压，将导致大坝几何体型变形，可通过对比震前震后大坝代表性纵、横向剖面面积和坝体体积分析坝体体型变形量值。
通过DEM可以制作任一方向上的坝体剖面图。只需明确所绘剖面线在数字高程模型中的起点位置A(X1，Y1)和终点位置B(X2，Y2)，如图5所示，则可以确定这条剖面线与DEM三角网格各个交点，内插交点上的高程，以及各交点之间的距离，然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。可用梯形法、辛普森法来计算剖面面积。当选定的两个坝体剖面相互平行时，可用类似的方法分段计算坝体两个相同剖面之间所夹的体积，进而计算整个坝体体积。通过震前震后的坝体DEM相同部位剖面对比，即可分析坝体的在该部位的几何尺寸变化情况，而相应的剖面剖分越多，则理论上对坝体的几何体型变形评估越精确。此外，通过坝体体积的对比，亦可总体评估震后坝体的材料压实度变化情况。

Claims (9)

1.一种基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，包括以下内容：
1)构建地震前后土石坝DEM模型：
1.1)矢量化大比例尺土石坝工程图，构建基于TIN的震前土石坝DEM模型；
1.2)对震后土石坝体型、变形震害缺陷进行空间特征数据采集，构建基于TIN的震后土石坝DEM模型；
2)坝顶和坝坡沉陷或隆起定量分析：
2.1)通过DEM提取坝顶最大沉陷或隆起部位的极值高程以及平均高程，与原建基面高程求差，得到坝体震后最大高差和平均高差，获取震后坝顶的局部极限与整体沉降或隆起量值；
2.2)提取坝顶防渗体和堆石体格网高程，求取堆石体格网平均高程与防渗体格网平均高程之差，得到相对高差，获取震后心墙与堆石体的相对沉降值；
2.3)将TIN格网分解为若干三角形，求解各三角形表面积，对三角形表面积进行累加，获取上、下游坝坡表面积，通过分别对比震前震后的上、下游坝坡表面积，坝坡投影面积，以及地表粗糙度来评估土石坝坝坡沉陷或隆起变形的整体情况；
3)坝体滑坡定量分析：
3.1)通过计算TIN空间三角形与其在指定计算高程平面上投影形成的三棱柱和三棱锥体积累加值，获取指定范围内的滑坡体积方量与规模数量；
3.2)在DEM格网窗口中提取滑坡底滑面的坡度和坡向，判别滑坡发展趋势及其对坝体防渗体的影响程度；
4)坝体整体位移和变形定量分析：
4.1)针对土石坝采用DEM的山脊线提取来获取大坝坝轴线，通过对比震前震后大坝坝轴线空间位置和倾角、方位角，分析坝体整体位移量值；
4.2)通过在土石坝DEM所绘剖面线起点位置和终点位置，确定该剖面线与DEM三角网格各个交点，内插交点上的高程，以及各交点之间的距离，然后根据选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图；通过对比震前震后大坝代表性纵、横向剖面形状和面积分析坝体体型变形量值。
2.根据权利要求1所述的基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，步骤1.1)中，通过大坝巡检缺陷空间坐标数据和变形监测数据对所述震前土石坝DEM模型进行修正。
3.根据权利要求1所述的基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，步骤1.2)中，采用卫星定位RTK双基准站测量对震后土石坝体型、变形震害缺陷进行空间特征数据采集。
4.根据权利要求1所述的基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，步骤2.1)中，所述极值高程通过细布点直接测量获取，所述平均高程为格网顶点的高程平均值。
5.根据权利要求1所述的基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，步骤2.3)中，采用海伦公式求解所述TIN网格三角形表面积。
6.根据权利要求1或5所述的基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，步骤2.3)中，采用海伦公式求解所述坝坡投影面积。
7.根据权利要求1所述的基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，步骤3.2)中，采用拟合曲面法提取所述滑坡底滑面的坡度和坡向。
8.根据权利要求1所述的基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，步骤4.1)中，采用4个像元的局部算子，在坝顶高程矩阵中移动并比较每一位置处4个像元的高程值，获取高程最大的像元并标记，把它们连接成线模式，形成山脊线，以此等效为大坝坝顶轴线，进行地震前后的坝顶轴线位移和偏转角对比分析。
9.根据权利要求1所述的基于DEM数字地形分析的土石坝变形震害定量评估方法，其特征在于，步骤4.2)中，采用梯形法或辛普森法计算剖面面积，通过震前震后坝体DEM相同部位剖面对比，分析坝体的在该部位的几何尺寸变化情况，通过坝体体积的对比，总体评估震后坝体的材料压实度情况。
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