测绘新技术在地质灾害中的应用研究_侯兵.pdf

168管理及其他Management and other测绘新技术在地质灾害中的应用研究侯兵摘要：近年来，地质灾害频发，给人们的生命财产带来严重威胁，及时预测并快速解决灾害，是非常重要的。本文从地质灾害方面入手，首先介绍了目前已有的测绘新技术，其次简单介绍了地质灾害的类型，并对测绘新技术在地质灾害中的应用进行了深入介绍，最后探讨了测绘新技术在地质灾害中应用的优势，希望可以为地质灾害的预防和救援带来借鉴。关键词：测绘新技术；倾斜摄影测量；贴近摄影测量；LIDAR；地质灾害近年来，地质灾害频发，给人们的正常生活和安全带来了极大地威胁。地质灾害的发生，也给国家人民财产带来了巨大损失。地质灾害主要有地震、泥石流、滑坡、洪涝等，这些灾害具有发生速度快、危害性强、次生灾害不可预测等特点。采用传统的技术对地质灾害进行监测、预防和救援，不但效率低，而且次生灾害不可预测，对救援人员带来的威胁大。近年来，测绘领域出现了一些新型的测绘技术，这些技术较传统技术来说，不但效率有了提升，且精度更高，最重要的是对人员安全来说，安全性更高。测绘新技术需要充分被利用，才能发挥新技术的最大优势。本文首先介绍了目前已有的测绘新技术，主要包括了无人机技术、倾斜摄影测量技术、贴近摄影测量技术、LIDAR技术、地基雷达干涉测量技术和地理信息技术，这些技术的充分利用，可以有效提升地质灾害监测、预防和救援的效率，减少人员的伤亡。其次对地质灾害类型进行了简单介绍，并对测绘新技术在地质灾害中的应用进行了介绍，最后对测绘新技术在地质灾害中应用的优势进行了分析，希望可以为地质灾害监测和救援带来借鉴，减少地质灾害带来的伤亡，提高地质灾害预测成功率和救援效率。1 测绘新技术介绍1.1无人机技术无人机技术是指借助无人机开展的一系列技术。目前常见的无人机有固定翼和多旋翼两种。固定翼续航时间长，更适合长期作业，旋翼无人机续航时间短，但是对起飞场地要求低，适合小面积作业。由于无人机轻巧灵活、机动性好，目前在众多行业都被使用。比如通过搭载高清数码相机，借助回传技术，就可以将远处的现场直接回传到电脑端。无人机很单一，但是其挂载的设备类型很多，针对不同用途，挂载的荷载也不尽相同，比如挂载红外相机对地面物体的热量进行监测，就可以监测森林内部温度的变化，从而将火灾发生的可能降到最低；挂载空气监测装置对灾区的空气进行监测，就可以有效避免空气对人体造成的伤害；挂载喊话投递装置，就可以对灾区人民进行隔空喊话，投递宣传材料和救援物资。无人机近年来被广泛使用，其未来的市场将会随着其挂载的荷载不同，续航时间的提升等优化，得到更广的使用空间。1.2倾斜摄影测量倾斜摄影测量是指在飞行平台上挂载倾斜航摄仪从空中对地面获取影像，然后通过一系列内业数据处理，得到实景三维模型，然后基于模型进行测绘的一门技术。飞行平台通常有人机和无人机，无人机主要有固定翼和旋翼机；倾斜航摄仪主要有摇摆2镜头、固定5镜头和扫摆9镜头，其中固定5镜头使用最多。固定5镜头相机，其中有1个垂直于地面，称为下视镜头，其余4个与地面呈一定的夹角，称为侧视镜头，其夹角一般为45度。其中下视镜头垂直地面进行拍摄，主要获取地面建构筑物等的顶部信息；侧视镜头以一定的角度进行拍摄，主要获取地面建构筑物的侧面纹理信息。这样一来，获取的信息更加丰富，盲区更少，可以为数据使用者提供更多的有用信息。外业获取影像数据后，通过建模软件对影像进行解算处理，可以得到高精度的实景三维模型。实景三维可以对地物进行一比一还原，将现场实际状况完全展现在电脑上，且可以获取任一点的高精度的三维坐标，更有利于对现场状况进行分析，运用场景更多。1.3贴近摄影测量贴近摄影测量是不同于倾斜摄影测量的一种方式，其特点是始终垂直于被摄面进行影像数据的获取。贴近摄影测量是基于高精度的DSM数据，其作业流程主要为：首先按照传统的摄影方式，即单镜头垂直摄影，获取任务区的影像数据，然后利用摄影测量软件进行数据解算，得到高精度的DSM数据，然后将其导入贴近摄影测量航线规划软件，进行贴近飞行航线规划。在完成贴近飞行航线规划后，进行贴近摄影测量飞行，其可以获取毫米级的分辨率影像，然后利用贴近数据处理软件，生产高精度的贴近三维模型成果，这种方式一般是飞行器平行于地面拍摄的。对于陡峭的悬崖峭壁，要想获得高精度的DSM数据，需要使用倾斜摄影测量的方式，即无人机搭载倾斜相机，从空中对地169管理及其他Management and other面以及悬崖峭壁进行拍摄，获取垂直镜头拍摄不到的盲区，然后利用倾斜摄影建模软件，进行实景三维模型的生产。然后基于实景三维模型得到高精度的DSM数据，然后导入航线规划软件完成贴近摄影测量航线的规划。1.4 LIDAR技术LIDAR技术较摄影测量技术来说，其获取的原始数据是不一样的。摄影测量主要获取的是影像数据，而LIDAR技术获取的是三维点云数据。LIDAR测量主要是一种主动式测量方式，通过向目标发射高密度的激光束，激光束在碰到障碍物后，按原路径返回，通过计算发射和返回的时间差，结合激光束的传播速度，已知发射激光束位置的坐标，就可以准确计算得到目标点的三维坐标。这种方式由于获得的点云非常密，集足以对目标地物的形状进行表达，通过三维激光点构建不规则三角网TIN，就可以得到白膜，反映出目标地物的形态和位置。如果在获取点云数据的同时，同时搭载相机获取影像数据，再将影像数据映射到点云构建的白膜上，也就可以得到实景三维模型成果，用来对各种微小变化进行识别。LIDAR技术由于搭载设备的不同，目前主要分为机载LIDAR、车载LIDAR、背包式LIDAR和手持式LIDAR，每种搭载的设备不同，其用途也是不同的，有时需要多种方式结合使用，才能够充分发挥LIDAR技术的优势。1.5地基雷达干涉测量技术地基雷达干涉测量主要采用线性调频连续波、合成孔径雷达和干涉测量等技术，其中线性调频连续波是指雷达基站对外界发射不同频率的电磁波，以此来提高其长距离的电磁波传输效率，与此同时，还可以在一定程度上提升远距离区域的空间分辨率。结合电磁波发射的方向和其空间分辨率，就可以准确得到地面点坐标信息。为了提升监测结果的准确性和可靠性，可以在监测区域内添加传感器。该技术具有扫描时间短，采集坐标点精度高的特点，因此被用于应急测绘方面。1.6 地理信息技术地理信息技术即“3S”技术，包括地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)。地理信息系统是一种数据库，并且是一种智能系统；遥感是一种非接触式的测绘技术；全球定位系统是一种高精度定位导航技术。这些技术相结合，可以有效对地质灾害进行预测。地质灾害的各项参数，表面上看上去彼此是没有任何关系的，但是当很多灾害发生数据汇总在一起后，就可以利用地理信息系统结合大数据分析系统，将看似不相关的数据进行分析，从中找出各数据彼此之间潜在的关联。当对同类灾害数据汇总分析后，就可以得出灾害发生时的几个必要条件。利用这些条件，就可以对同类型灾害发生的区域进行监测，主要监测发生灾害的几个必要条件。对这几个必要条件进行监测，就可以避免灾害发生时对人的生命财产带来威胁。地理信息系统集成度高，可用性强，成本低，对于灾害数据的管理和灾害监测非常实用。全球定位系统可以用来对灾害点的位移进行监测。位移主要包括平面位移和垂直位移，当位移的速率达到一定数值时，就可能发生灾害。这种高精度的位移监测可以采用全球定位系统技术来完成。该技术成熟度高，精度高，对于灾害定位非常实用。2 常见的地质灾害类型地质灾害的分类标准不一，非常复杂，从其成因进行分类的话，可以分为两种，即自然地质灾害和人为地质灾害，自然地质灾害主要是由自然变异引起的，人为自然灾害主要是人为诱导发生的；从地质变化速度和地质环境方面来说，地质灾害可分为缓变性地质灾害和突发性地质灾害，突发性地质灾害如地裂缝、泥石流、崩塌、滑坡、地面塌陷等，这类灾害习惯上被称为狭义上的地质灾害，缓变性地质灾害如土地沙漠化、水土流失等，也被称为环境地质灾害。3测绘新技术在地质灾害中的应用3.1在地质灾害监测中的应用通过和历史数据进行对比，预测灾害发生的概率。对以往的灾害数据进行统计分析，总结分析灾害发生时的规律。比如，当裂缝达到多少，当水平位移和垂直位移的变化率达到多少，就会发生灾害。采用倾斜摄影和贴近摄影测量，就可以获取测区高精度的三维模型成果，通过人机交互的方式对模型进行检查，就可以很快并准确的发现地面存在的裂缝等，对潜在的滑坡等灾害带来预防。然后在模型上选取监测设备安置的位置，这样可以直接在外业进行监测设备的安装，提升了野外监测点位选取的效率。安装上监测设备后，就可以对裂缝进行不间断的观测，将监测设备与系统平台挂接，并设置预警值，当裂缝开口达到预警值或者裂开速度达到预警值时，系统平台就会报警，这样就可以提前预测灾害的发生，为下一步做出正确部署。灾害发生直接给人民的生命和财产带来威胁，因此做出合理的救援路线和物资配送路线是至关重要的。基于高精度的实景三维模型，借助地质灾害预测平台，模拟地质灾害发生后的实际情况，做出合理的救援路线，并基于临时避难所所在的位置，做出合理的救援物资运输路线。一旦灾害发生，就可以第一时间进行避险，将灾害降到最低。对于可能发生地质灾害的区域，首先利用倾斜摄影和贴近摄影测量技术，获取该区域的多角度、全方位高分辨率的影像，然后采集少量控制点，进行高精度实景三维模型的生产，然后借助第三方平台，对灾害点发生后，产生的泥石流量进行预测，并对其带来的危害进行最大评估，做到心中有数，可以有效避免灾害带来的威胁。近年来，由于地下水使用过度，已经发生了很多道路塌陷的事故，对于道路的及时监测，可以有效避免道路塌陷带来的危害。LIDAR技术可以快速准确的获取路面高程，可以用来对道170管理及其他Management and other路塌陷进行有效监测。利用车载LIDAR，将LIDAR设备安装在车辆上面，然后让车辆沿着每条道路运行，与此同时，LIDAR设备发出激光束，对路面的高程进行测量。通过对点云成果进行分析，可以有效得到路面的真实情况，为道路的灾害监测带来可靠的数据，提升了道路监测的可靠性。3.2在地质灾害救援中的应用地质灾害往往伴随着道路损毁，通信中断，这为救援带来了困难。灾害发生后，第一件事应该是对人民群众进行救援，然而道路损毁，通信中断，外业无法得知灾区情况，无法进行合理部署，安排救援路线。无人机具有小巧灵活，对起飞场地无要求的特点，可以用来进行灾害救援。首先可以通过无人机搭载摄像机，利用数据回传技术，将灾区现场情况第一时间发送到指挥部，指挥部就可以通过回传的视频，做出准确合理的救援部署安排。无人机可以进行定点抛投，灾害发生后，首先会给人的心理带来严重的影响，通过向灾区抛投救援宣传手册，可以指导灾区人民进行自救，并且了解灾害的尝试，可以避免二次伤害。灾害发生后，水源被污染，粮食短缺，导致受灾群众无力气进行自救，可以通过无人机进行水和食物的抛投，确保受灾群众可以吃到干净的食物、喝到干净的水。灾害主要的危害是将人掩埋，常规搜寻，很难发现被掩埋的人，可以通过无人机搭载热红外设备，对灾区进行探测，人体散发出的热量，会比周围物体散发的热量高，因此可以通过热源来搜寻被掩埋的人，从而快速进行灾害救援。利用无人机搭载倾斜相机，对灾区进行航空摄影和三维模型重建，就可以得到真实的实景三维模型，通过实景模型，就可以对灾害进行评估，并结合模型，做出正确的救援部署，确保不受到二次灾害的威胁。3.3在地质灾害区域重建中的应用地质灾害发生后，除了对受灾群众进行救援外，灾后重建也是非常重要的。重建之前，首先要进行合理的规划，而规划是离不开测绘的。传统的规划，是在二维平面成果上进行的，是孤立的，对于测绘成果、地质成果、水文成果等成果不能进行合理的规划，这种规划很容易导致规划不合理，为地质灾害埋下隐患。“一张图”是近年来主要做的一项任务，其目的就是将各部门的成果进行整合汇总，通过大数据的形式，让不同部门在规划前，可以看到目前已有的成果，避免进行不合理的规划。借助三维展示平台，利用倾斜