基于无人机遥感的滑坡灾害风险分析_杜伟.pdf

Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期177基于无人机遥感的滑坡灾害风险分析*杜伟王佳颖李玉容杨国柱(国网电力空间技术有限公司，北京102209)摘要:随着无人机技术的日益发展，无人机遥感逐渐广泛地应用于地质灾害的风险分析中，但基于该技术的滑坡灾害定量风险分析方法仍在探索中。利用无人机遥感采集的激光点云数据，建立了边坡的三维几何模型，使用一阶可靠度方法估算边坡的破坏概率;通过 FLAC3D 数值模拟软件计算边坡的安全系数，并对FLAC3D 进行二次开发来确定边坡的失效后果，由此对单体滑坡灾害进行定量风险分析。分析方法简捷明了，为评估滑坡灾害的风险提供了新的思路。关键词:无人机遥感;滑坡;风险;FLAC3D;一阶可靠度DOI:10.13204/jgyjzG22011009Landslide Hazard isk Analysis Based on Unmanned Aerial Vehicle emote SensingDU WeiWANG JiayingLI YurongYANG Guozhu(State Grid Electric Power Space Company Limited，Beijing 102209，China)Abstract:With the increasing development of unmanned aerial vehicle technology，unmanned aerial vehicle remotesensing(UAVS)has been widely used in the risk analysis of geological hazards However，the quantitative riskanalysis method of landslide hazards based on that technique has still being developed up to now A three-dimensionalgeometric model of slopes based on the laser point cloud data collected by UAVS was built，the failure probability ofthe slope was appraised by the first-order reliability method，the safety factors of the slope were calculated by thenumerical simulation software of FLAC3D，the failure consequences of the slope were determined based on thesecondary development of FLAC3D，and the quantitative risk analysis on a single landslide hazard was conductedThe proposed analysis method was simple and straightforward，which provided a new idea for assessment risks oflandslide hazardsKeywords:unmanned aerial vehicle remote sensing;landslide;risk;FLAC3D;first-order reliability method*国网电力空间技术有限公司自建科技项目(1100/202144006B)。第一作者:杜伟，男，1982 年出生，硕士，高级工程师。通信作者:李玉容，liyurong20 126com。收稿日期:20220110近年来我国极端天气事件时有发生，受其影响我国多地的滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害事件频发，由此造成人员伤亡和基础设施瘫痪等重大的损失。因此，必须加强对地质灾害防治的研究，有效保障人民生命财产和国家基础设施的安全。为了切实提高国家地质灾害防治的能力，我国先后颁布了地质灾害防治条例 国务院关于加强地质灾害防治工作的决定 及全国地质灾害防治“十三五”规划 等法规，计划建立健全地质灾害调查评价、监测预警、综合治理、应急防治四个体系。风险分析包括评估地质灾害发生的可能性以及灾害发生的严重程度两个部分，是地质灾害防治体系中的重要内容。1 滑坡是一种典型的地质灾害，具有显著的不确定性和后果损害性，是典型的风险事件。对滑坡进行风险分析和风险管理的研究是近年来地质灾害领域的研究热点和难点。2 滑坡灾害的风险分析可分为区域和单体尺度。区域性滑坡风险分析是在大范围内对边坡进行危险性的时空预测以及对承灾体进行易损性的调查评价，最终绘制危险性区划图，为地区性的风险管理提供依据;单体滑坡风险分析则侧重于对单一边坡破坏风险的量化分析，其研究结果有助于分析滑坡的破坏机理，是在区域性滑坡风险分析基础上的细化。3 关于单体滑坡风险的计算，文献 45提出了不同的计算方法，其中多数方法须要求解边坡发生破坏的概率及灾害导致的损失。边坡的破坏概率与岩土体参数的不确定性密切相关，可由可靠度理论178工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期求得1。除了岩土体参数，影响单体滑坡风险分析结果的重要因素是边坡的空间几何形态、尺寸以及失效后果的估算。通过传统的测绘方法很难迅速准确地获得复杂边坡表面的空间特征，也很难估算潜在的滑坡体积。基于无人机遥感(UAVS)获取边坡的空间形态特征是近年来兴起的一种新方法。UAVS 系统是指以无人驾驶飞行器为载体，通过挂载相机或激光雷达等遥感传感器，在无线通信设备或机载计算机程控系统操控下获取空间遥感信息的一套系统。UAVS 的优点包括设备成本和使用成本相对较低，使用场景灵活，能够快速响应和非接触式等。因此，UAVS 系统已经广泛应用于边坡的稳定性分析、地质勘查和变形监测等方面。文献 6 介绍了基于无人机倾斜摄影的公路边坡三维重建和灾害识别方法;文献 78 介绍了使用搭载单镜头的小型无人机获取高陡边坡的岩体结构面参数及对露天矿山边坡建立精细化 FLAC3D 数值模型;文献 9介绍了通过固定翼无人机监测露天采坑地表变形的动态变化，为滑坡预警预报和应急救援提供数据支撑。这些研究表明无人机遥感是获取复杂坡体表面空间特征的一种新型方法。但是，如何基于无人机遥感进行滑坡灾害的定量风险分析仍鲜有报道。因此，依托无人机遥感平台，通过激光雷达采集边坡体的形状及位置信息，利用 ArcMap 和 hino 软件建立边坡的几何模型并进行网格划分;将使用有限差分软件 FLAC3D 计算边坡的安全系数，使用一阶可 靠 度 方 法 计 算 边 坡 的 破 坏 概 率;通 过 对FLAC3D 进行二次开发，求解三维复杂边坡的失效后果。最后进行滑坡灾害的定量风险分析。1工程概况皖南山区受地形、气候、地质构造和人类工程活动等因素的影响，滑坡灾害多发，人民的生命财产安全和公路、铁路、输电线路等基础设施的平稳运行都受到严重威胁。因此，选择皖南山区池州某县道旁塔基边坡作为研究对象，用以研究无人机遥感在滑坡灾害风险分析中的应用。该边坡由碎石土层及下覆的基岩两部分组成，其土性参数见表 1。表 1边坡岩土体参数Table 1Soil parameters of slope rock岩土层弹性模量E/MPa泊松比黏聚力c/kPa内摩擦角/()重度/(kN m3)碎石土3000.25502820千枚岩9.01050.248004525采用的无人机设备是大疆经纬 M600(图 1)，其参数见表 2 所示。无人机飞行时，搭载数字绿土LIAI 220N 无人机激光雷达扫描系统，用于采集边坡体的激光点云数据。与通过无人机搭载倾斜摄影相机获取边坡体的光学影像数据相比，对激光点云数据处理后可以滤去坡体表面植被的影响，能更真实地反映复杂坡体表面的空间几何特征。图 1大疆经纬 M600 无人机Fig1An unmanned aerial vehicle of DJI Matrice 600表 2无人机参数Table 2Technical parameters of UAVs悬停精度/m旋转角速度/()s1)垂直水平俯仰轴航向轴无风飞行速度/(m s1)飞行高度/m0.51.5300150182 5002边坡精细化几何模型的建立边坡的几何模型包括地表模型及地层模型，结合二者并进行网格划分可以建立接近实际情况的坡体精细化数值模拟网格模型。2.1边坡地表精细化几何模型的建立许多专家学者已经在基于 UAVS 采集地表激光点云数据并处理得到地表数字高程模型(DEM)方面做了很多有益的工作6，8。基于 DEM 文件建立边坡表面(简称“坡表”)精细化三维几何模型，须要用到 ArcMap 及 hino 软件。其中，ArcMap 软件主要用于对*tif 格式的 DEM 文件进行数据的光滑性处理，以便消除滤波及影像处理算法误差引起的DEM 畸变，得到相对平滑的坡表几何形状，并导出带有高程信息的点云数据;hino 软件主要用于建立边坡的实体模型并划分网格。2.1.1DEM 数据的光滑性处理。在 ArcMap 软件中通过“添加数据”功能导入*tif 格式的 DEM 文件;使用“重采样工具”功能以得到抽稀后的 DEM 栅格数据。图 2 为根据无人机采集的激光点云数据得到的边坡 DEM 信息。以根基于无人机遥感的滑坡灾害风险分析 杜伟，等179据 DEM 生成的等高线为例，其重采样前、后的等高线分别见图 3。可见，抽稀后得到的等高线更明晰平滑。图 2边坡的数字高程信息Fig2Digital elevation information of slopesa重采样前的等高线;b重采样后的等高线。图 3重采样前后的 DEM 等高线Fig3DEM contours before and after resampling在上述步骤完成之后，须使用“栅格转点”功能将处理好的 DEM 栅格数据转换成带有高程的点云数据，并保存为*dwg 格式的文件。值得注意的是，此时生成的点云数据并不含有*dwg 文件可以识别的高程信息，还须要在其“属性表”里面自行添加高程字段信息。最后，通过“导出至 CAD”功能将文件保存为带有高程信息的*dwg 格式的栅格点云数据。2.1.2边坡实体模型的建立及网格划分在 hino 软件中导入 ArcMap 软件生成的*dwg格式的栅格点云数据文件，使用 esurf 插件的“从云点创建单张曲面”功能由点云建立边坡地表的“曲面”模型。使用“挤出曲面”功能由边坡的“曲面”模型建立“实体”模型，并通过“修剪”功能去除模型底部多余的部分，最后使用“将平面洞加盖”功能即可生成如图 4a 所示的封闭的边坡三维实体模型。2.2地层几何模型的建立当边坡由成层土组成时，须要在模型中建立土层分界面的位置，即建立地层的几何模型。地层几何模型与坡表几何模型的建立方法类似，即:在ArcMap 软件中建立地层界面栅格，再将其导入hino 软件中并建立地层界面的“曲面”模型。在此a坡表几何模型;b坡体几何模型。图 4坡体的精细化几何模型Fig4efined geometric models of slopes基础上，还须通过 Griddle 插件将地表模型和地层模型组 合 起 来 形 成 一 个 整 体，方 法 是:1)通 过“NonManifoldMerge”命令将边坡实体模型与地层曲面模型相组合。2)使用“testExtendSlits”命令使组合的模型符合 hino 软件的几何规则。3)通过“ExtractSrf”命令去除组合模型的多余部分。加入地层后的坡体几何模型见图 4b。2.3网格划分基于无人机遥感获取的激光点云数据建立坡体精细化几何模型后，为了对边坡