CN112666614B - 基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法，包括以下步骤：根据泥石流物源分布设计电法勘探测线网格、钻孔和无人机飞行航线，然后采集电法勘探数据以及测线或测点的高程和经纬度，基于数据进行三维成图，结合钻孔数据提取泥石流物源底面数据，制作泥石流物源底面埋深平面图，将泥石流物源底面的经纬度和高程数据通过软件处理成DEM，利用无人机采集遥感影像数据，获取测量区域的DEM，对无人机三维建模制作泥石流物源表面的DEM；将泥石流物源表面DEM和泥石流物源底面DEM叠加得到泥石流物源上下面高程差及边界，然后对每个区域进行建模求体积差来统计每一个减少和增加的体积，最后统计分析得到整个泥石流物源静储量。

Description

基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法

技术领域

本发明涉及地质灾害调查领域，具体涉及基于电法勘探和数字高程模型(DEM)的泥石流物源静储量计算方法。

背景技术

泥石流是常见的地质灾害之一，对人民的身命财产安全造成严重威胁。在泥石流灾害中，泥石流物源静储量是对泥石流灾害规模进行评估的重要参数，不仅直接影响灾后人员搜救及救援物资运输工作的开展，而且还影响着灾后恢复工作的进行。由于泥石流物源下界面形态信息难以获得，以至于泥石流物源静储量计算成为国内外共同面临的难题。

根据物源所处的位置以及失稳启动特征的不同，可将物源分为崩滑物源、坡面物源、沟道物源。国内学者根据其各自的特征，已对各类物源储量评价做了大量研究工作。

目前计算泥石流物源静储量的方法主要有以下几种(参见方群生,唐川,王毅,王帅永,屈永平,张卫旭.汶川极震区泥石流动储量与总物源量计算方法研究[J].防灾减灾工程学报,2016,36(06):1008-1014；张友谊,袁亚东,顾成壮.震区泥石流物源储量评价方法综述[J].山地学报,2020,38(03):394-401.)：

(1)对崩滑类物源储量的计算主要有弓形均高法、三棱柱体法等。早期一些学者根据破裂圆弧分析理论，推导出崩滑体的平均厚度计算公式，这种方法又叫做弓形均高法。这种方法中需要的参数容易确定，在工程中被广泛运用。但是这种方法在实际调查之中有较高的要求，如对剪出口位置、滑坡后壁的确定，沟域内单一滑坡体较多时，实际调查的工作量较大。除此之外，该法用于滑面为非圆弧形的崩滑堆积体时，计算误差也相对较大。(杜榕桓等编著.云南小江泥石流综合考察与队治规划研究[M].重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1987.)

(2)坡面物源的形成大部分原因来自于降雨的侵蚀作用，侵蚀方式分为沟道侵蚀和面状侵蚀两种，在实际泥石流防治工程中大多按面状侵蚀考虑，根据不同区域的侵蚀模数，计算工程有效期的总侵蚀量,以此作为坡面物源的动储量。(成都铁路局昆明科研所,王继康等编.泥石流防治工程技术[M].中国铁道出版社,1996.)

(3)沟道内的物源的总储量大多数情况下是沟道内堆积体的总量，主要采用形态调查统计得到。早期的一些研究员根据不同形态的堆积体，将堆积体分成了局部堆积体、沟内堆积体及沟口堆积扇。对扇形堆积物源提出了剖面法和纵切圆锥体法。根据沟道断面的不同，针对沟道堆积体，主要有常见的“V”型、“U”型和台状三种形态，由各自的断面面积乘上沟道的长度得出堆积体的总的体积，即其总储量。泥石流局部堆积体主要是因为泥石流若要覆盖整个沟口堆积扇，将很难实现，从而呈不同的局部堆积形态，再凭借其具体堆积形态来计算。该类方法均为形态统计法，只适用于总储量计算，且调查工作量大。(田连权,吴积善,康志成,等.泥石流侵蚀搬运与堆积[M].四川成都:成都地图出版社,1993.)

总结上述已有的泥石流物源静储量计算方法，主要问题是泥石流的下界面形态信息难以较准确获取，因此，需要发明一种较准确的确定泥石流下界面形态的方法，以得到可靠的泥石流物源静储量。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于克服当前泥石流物源静储量计算中剖面几何形态信息难获取的难题，且尤其是获取泥石流物源底面高程及几何形态信息的难点，提供一种基于电法勘探和数字高程模型的泥石流物源静储量计算方法，该方法能够准确获取相应信息，提高结果的准确度与精确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法，包括以下步骤：

S1：根据泥石流物源静储量分布设计电法勘探测线和钻孔，设计无人机飞行航线及地面控制点；

S2：采集电法勘探数据，记录测线的高程和经纬度以及获取钻孔数据，基于高程和经纬度进行三维成图，结合钻孔数据提取泥石流物源底面数据，处理得到泥石流物源底面DEM；

S3：采用无人机采集泥石流物源的遥感影像数据，通过计算机与无人机交互获取测量区域的泥石流物源表面DEM；

S4：通过泥石流物源表面DEM和泥石流物源底面DEM叠加得到泥石流物源上下面高程差及边界，对每个区域进行建模求体积差来统计每一个减少和增加的体积，统计分析得到整个泥石流物源静储量。

优选地，所述S2具体包括以下步骤：

S2.1：采集电法勘探数据，配合GPS记录测线的高程和经纬度，利用电阻率法对钻孔进行电阻率测量，得到钻孔由浅及深的电阻率值，根据钻孔中泥石流物源底面的埋深，得到泥石流物源底面电阻率阈值；

S2.2：将电法勘探数据进行反演得到反演后的三维数据，根据获取的电阻率阈值对三维数据进行限定，得到泥石流物源底面数据，再将泥石流物源底面的数据导出，即得到泥石流物源底面经纬度和高程数据；

S2.3：将泥石流物源底面的经纬度和高程数据通过软件处理成DEM。

优选地，所述S3中，通过对无人机获取的遥感影像数据中的影像数据、POS数据及基站坐标进行无控制点空三加密，生成泥石流物源表面DEM。

优选地，所述S4具体包括以下步骤：

S4.1：在泥石流物源区划分栅格单元，根据泥石流物源底面与泥石流物源表面的高程变化计算出每一个栅格单元的体积变化；

S4.2：统计出整个泥石流物源静储量的变化。

优选地，所述泥石流物源静储量V(m³)：

式中，ΔS(m²)为离散的计算单元水平投影面积；Δh(m)为离散的计算单元高程变化值；n为离散的计算单元的个数。

本发明有益效果：

本发明提出基于电法勘探方法和数字高程模型(DEM)实现对泥石流物源静储量的计算，借助计算机计算优势将两种方法结合，利用电法勘探手段获取泥石流物源埋藏深度，结合高精度GPS即可获得泥石流物源下界面三维坐标，可以有效解决泥石流物源底面信息缺失的问题；泥石流物源上界面信息可以通过无人机获得，得到高精度泥石流物源表面坐标高程数据，然后把上下界面高程数据借助计算机转换成DEM，如此便可以得到上下界面的DEM数据，即可借助软件的体积计算功能实现体积计算，获得高精度的泥石流物源静储量，有效解决现有技术中泥石流物源静储量计算中剖面几何形态信息难获取的问题，且步骤简易便捷，易于推广使用。本发明适用于泥石流物源处理。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法的泥石流物源底面等值面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：根据泥石流物源分布设计电法勘探测线网格和无人机飞行航线及地面控制点；

S2：野外采集电法勘探数据，在数据采集时，配合高精度GPS记录测线(测点)的高程和经纬度，并利用电阻率法采集测量若干钻孔由浅及深的电阻率，根据钻孔中泥石流物源底面的埋深，得到泥石流物源底面电阻率阈值；

将电法勘探数据进行反演得到反演后的三维数据，并进行三维成图，根据前述电阻率阈值对三维数据进行限定，得到泥石流物源底面数据，再将泥石流物源底面的数据导出，即得到泥石流物源底面的经纬度和高程数据；将泥石流物源底面的经纬度和高程数据通过软件处理成DEM；

S3：无人机进行数据采集；通过软件对无人机获取的低空遥感影像数据、POS数据及基站坐标进行无控制点空三加密，生成DEM；

S4：借助相关软件通过DEM叠加找出泥石流物源上下面高程差及边界，再对每个区域通过建模求体积差来统计每一个减少和增加的体积，最后统计分析出整个泥石流物源静储量。

其中布置电法测线及钻孔和数据采集在此不做赘述，以下详细说明数据处理和计算获取泥石流物源静储量的具体操作：

(1)电法勘探数据中提取泥石流物源底面数据：

以VOXLER三维成图软件为例进行数据提取，三维成图后，结合钻孔资料，通过限制电阻率值做出泥石流物源底面等值面图，然后导出泥石流物源底面的数据，泥石流物源底面导出数据格式如表1所示。

表1等值面数据导出格式

(2)泥石流物源底面数据构建DEM：

已知泥石流物源底面的X、Y、Z的坐标值，可以通过ACRGIS软件先构建数据三角网(TIN)，然后利用TIN-RASTER转栅格，即可以得到泥石流物源底面的DEM，由于导出泥石流物源底面的数据密度很大，生成的DEM的精度也会相对较高。

(3)无人机采集泥石流物源表面数据的DEM制作：

以PhototScan Professional软件为例对无人机采集数据做DEM处理，在PhotoScan软件中导入照片，利用SIFT算子提取每张相片中的特征点并获取其相对应的Descriptor。利用下载的POS数据对相片进行对齐，利用RANSAC算法对粗差剔除，消除误匹配。利用GPS获取的图根点坐标，利用共线方程计算出像点物方空间坐标，在逐次平差迭代的过程中，剔除粗差，建立数字点云。

(4)基于DEM利用计算机计算泥石流物源静储量：

以ArcGIS作为体积计算软件为例，ArcGIS计算泥石流物源静储量基本原理是通过在泥石流物源区划分栅格单元，根据泥石流物源底面与泥石流物源表面的高程变化计算出每一个栅格单元的体积变化，最后统计出整个泥石流物源静储量的变化。

计算公式为：

式中，V(m³)为泥石流物源静储量；ΔS(m²)为离散的计算单元水平投影面积；Δh(m)为离散的计算单元高程变化值；n为离散的计算单元的个数。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据泥石流物源静储量分布设计电法勘探测线和钻孔，设计无人机飞行航线及地面控制点；

S2：采集电法勘探数据，记录测线的高程和经纬度以及获取钻孔数据，基于高程和经纬度进行三维成图，结合钻孔数据提取泥石流物源底面数据，制作泥石流物源底面埋深平面图，并处理得到泥石流物源底面DEM；

S3：采用无人机采集泥石流物源的遥感影像数据，通过计算机与无人机交互获取测量区域的泥石流物源表面DEM；

S4：通过泥石流物源表面DEM和泥石流物源底面DEM叠加得到泥石流物源上下面高程差及边界，对每个区域进行建模求体积差来统计每一个减少和增加的体积，统计分析得到整个泥石流物源静储量；

所述S2具体包括以下步骤：

S2.1：采集电法勘探数据，配合GPS记录测线的高程和经纬度，利用电阻率法对钻孔进行电阻率测量，得到钻孔由浅及深的电阻率值，根据钻孔中泥石流物源底面的埋深，得到泥石流物源底面电阻率阈值；

S2.2：将电法勘探数据进行反演得到反演后的三维数据，根据获取的电阻率阈值对三维数据进行限定，得到泥石流物源底面数据，再将泥石流物源底面的数据导出，即得到泥石流物源底面经纬度和高程数据；

S2.3：将泥石流物源底面的经纬度和高程数据通过软件处理成DEM。

2.根据权利要求1所述的基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法，其特征在于，所述S3中，通过对无人机获取的遥感影像数据中的影像数据、POS数据及基站坐标进行无控制点空三加密，生成泥石流物源表面DEM。

3.根据权利要求1所述的基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法，其特征在于，所述S4具体包括以下步骤：

S4.1：在泥石流物源区划分栅格单元，根据泥石流物源底面与泥石流物源表面的高程变化计算出每一个栅格单元的体积变化；

S4.2：统计出整个泥石流物源静储量的变化。

4.根据权利要求3所述的基于电法勘探和数字高程模型泥石流物源静储量计算方法，其特征在于，所述泥石流物源静储量V，单位m³：

式中，ΔS_i，为第i个离散的计算单元水平投影面积，单位m²；Δh_i，为第i个离散的计算单元高程变化值，单位m；n为离散的计算单元的个数。

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