基于航空瞬变电磁和DEM的泥石流物源静储量计算方法

基于航空瞬变电磁和dem的泥石流物源静储量计算方法
技术领域
1.本发明涉及地质灾害调查技术领域，具体涉及基于航空瞬变电磁和数字高程模型(dem)的泥石流物源静储量计算方法。


背景技术：

2.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。
3.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。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)：
[0004]
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。早期学者根据d.w.taylor、w.fellenius等人提出的破裂圆弧分析理论，推导了崩滑体的平均厚度计算公式，该法又被称为弓形均高法。此法中所需参数容易确定，在实际工程中被大量运用。但是该方法对实际调查有较高的要求，如对滑坡后壁、剪出口位置的确定，沟域内单一滑坡体较多时，实际调查的工作量较大。另外，该法用于滑面为非圆弧形的崩滑堆积体时，计算误差较大。(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.)
[0005]
坡面物源的形成主要受降雨侵蚀作用，侵蚀方式主要分面状侵蚀和沟道侵蚀两种，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.)
[0006]
沟道内物源的总储量一般为沟道内堆积体的总量，主要采用形态调查统计得到。早期的学者根据堆积体的不同形态将其分为沟口堆积扇、沟内堆积体及局部堆积体。对扇形堆积物源提出了剖面法和纵切圆锥体法。对于沟道堆积体，根据沟道断面的不同，将其分为常见的“v”型、“u”型和台状三种形态，由各自的断面面积(沟道堆积厚度以基岩埋深深度为准)乘以沟道长度得出堆积体的总体积，即为其总储量。泥石流局部堆积体主要因泥石流难以覆盖整个沟口堆积扇，从而呈不同的局部堆积形态，根据其具体堆积形态计算。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.)
[0007]
因此，需要设计一种简易、准确率高、效率高的泥石流物源静储量计算方法。为此，本发明提出了一种新的基于航空瞬变电磁和数字高程模型(dem)的泥石流物源静储量计算方法。


技术实现要素：

[0008]
为解决上述问题，本发明为了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，获取慢的难题，尤其是获取泥石流物源底面高程及几何形态信息的难点，提供一种基于航空瞬变电磁法和数字高程模型的泥石流物源静储量计算方法，该方法能够较准确获取相应信息，提高结果的准确度。
[0009]
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
[0010]
基于航空瞬变电磁和dem的泥石流物源静储量计算方法，包括以下步骤：
[0011]
根据泥石流物源静储量分布设计航空瞬变电磁无人机航线，并在地面布置少量控制性钻孔，获取钻孔岩芯资料；
[0012]
依据设定的无人机航线，通过搭载航空瞬变电磁仪和地面dem采集装置的无人机，采集航空瞬变电磁数据和地表dem数据；
[0013]
对航空瞬变电磁数据进行数据处理和反演计算，获得地下电阻率值；
[0014]
根据反演得到的地下电阻率值，并结合钻孔岩芯资料，获取泥石流物源深度；
[0015]
根据地表dem数据提取高程数据和泥石流物源底面的经纬度；将高程数据减去泥石流物源深度得到泥石流物源底面的高程；
[0016]
根据泥石流物源底面的高程和经纬度，获得泥石流物源底面dem；
[0017]
通过泥石流物源底面dem和地表dem计算泥石流物源静储量。
[0018]
优选地，所述泥石流物源底面经纬度和高程数据的获取，具体包括以下步骤：
[0019]
利用航空瞬变电磁法测量得到相应的衰减曲线，根据衰减曲线反演得到泥石流物源由浅及深的电阻率值，再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；
[0020]
将所有测线进行处理，得到每条测线的电阻率以及泥石流底面电阻率阈值；将所有测线数据组装成为三维数据体，根据泥石流物源底面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；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；
[0021]
将泥石流物源底面的经纬度和高程数据处理成dem。
[0022]
优选地，所述地表dem数据的获取，具体包括以下步骤：
[0023]
通过对无人机获取的影像数据、pos数据及基站坐标进行无控制点空三加密，生成泥石流物源地表dem数据。
[0024]
优选地，所述通过泥石流物源底面dem和地表dem计算泥石流物源静储量，具体包括以下步骤：
[0025]
通过泥石流物源地表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；
[0026]
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，并统计分析得到整个泥石流物源静储量：
[0027][0028]
式中，v为泥石流物源静储量；δs为离散的计算单元水平投影面积；δh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。
[0029]
本发明有益效果：
[0030]
基于航空瞬变电磁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，利用航空瞬变电磁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。
附图说明
[0031]
图1是本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
[0032]
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。
[0033]
实施例1
[0034]
如图1所示，本发明的基于航空瞬变电磁和数字高程模型(dem)的泥石流物源静储量计算方法，包括以下步骤：
[0035]
s1、根据泥石流物源分布设计航空瞬变电磁无人机飞行航线和数字高程模型测量的无人机飞行航线及地面控制点；
[0036]
s2、野外采集航空瞬变电磁数据，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，并利用航空瞬变电磁法采集二次磁场下泥石流物源的的衰减曲线，并反演出由浅及深的视电阻率，再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；同时完成无人机地表dem的数据采集；
[0037]
s3、将所有每条测线的电阻率以及泥石流底面电阻率阈值组装成为三维数据体，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；
[0038]
s4、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；
[0039]
s5、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；
[0040]
s6、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。
[0041]
其中航空瞬变电磁航测测线的布置及地面钻孔的布置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：
[0042]
(1)航空瞬变电磁数据中提取泥石流物源底面数据：
[0043]
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。
[0044]
表1等值面数据导出格式
[0045]
x坐标y坐标z坐标032141576.08030503208.373021576.60251203071.031711698.62875702928.174531608.25888402785.317361698.570335
………
[0046]
(2)泥石流物源底面数据构建dem：
[0047]
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。
[0048]
(3)无人机采集泥石流物源表面数据的dem制作：
[0049]
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。
[0050]
(4)基于dem利用计算机计算泥石流物源静储量：
[0051]
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。
[0052]
计算公式为
[0053][0054]
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。
[0055]
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。