Лазерное 3D сканирование расширяет возможности поиска участков развития опасных инженерно-геологических процессов
Потенциальные участки развития опасных инженерно-геологических процессов широко распространены и весьма многочисленны.
Работы по предотвращению или минимизации последствий опасных инженерно-геологических процессов (ОИГП) напрямую связаны с безопасностью жизни и имущества людей. Однако районы возможного развития ОИГП зачастую расположены на еще неосвоенных территориях, больших высотах или сложном рельефе, зачастую покрыты растительностью. Традиционные методы обследования зачастую не позволяют вовремя обнаружить/распознать эти опасные участки. Тем не менее, возможно преодолеть ограничения традиционных ручных обследований и устранить их недостатки, построив интегрированную систему трехмерных наблюдений с несколькими источниками данных по принципу «космос-воздух-земля» на базе космических, авиационных и наземных съемочных платформ, что позволяет своевременно обнаружить скрытые участки с ОИГП, а также делать прогнозы и ранние предупреждения с оценкой возможных последствий. Наращивание возможностей по предотвращению чрезвычайных ситуаций – насущная задача, которую необходимо решать.
Например, при детальном исследования степени опасности землетрясений в основном используются такие технологии, как дистанционное зондирование в видимом диапазоне, аэрофотосъемка с дронов на малых высотах и воздушное лазерное сканирование. При этом материалы дистанционного зондирования и аэрофотосъемка с дронов (даже с малых высот) не позволяют получить достоверную информацию о поверхности рельефа под растительностью. Также на геометрическую точность данных влияют погодные факторы и типы используемых сенсоров. Все это накладывает определенные ограничения на возможности раннего выявления опасных инженерно-геологических процессов. При этом технология воздушного лазерного сканирования имеет уникальную способность – возможность регистрации множественных отражений от одного исходного импульса. Эта особенность позволяет части исходного импульса проникать в промежутки между элементами растительности, достигая истинной поверхности рельефа, что позволяет точно отображать даже микрорельеф и быстро создавать высокоточные топографические планы. Эта особенность крайне важна для съемки территорий, покрытых растительностью, позволяя проводить оценку рисков оползней, обвалов, селевых потоков и других опасных процессов в горных районах.
При этом технология воздушного лазерного сканирования имеет уникальную способность – возможность регистрации множественных отражений от одного исходного импульса. Эта особенность позволяет части исходного импульса проникать в промежутки между элементами растительности, достигая истинной поверхности рельефа, что позволяет точно отображать даже микрорельеф и быстро создавать высокоточные топографические планы. Эта особенность крайне важна для съемки территорий, покрытых растительностью, позволяя проводить оценку рисков оползней, обвалов, селевых потоков и других опасных процессов в горных районах.
Решение с использованием 3Д сканера
Определение зоны обследования
Районы для проведения более детальных исследований на предмет наличия ОИГП предварительно могут быть определены с помощью спутниковой съемки в видимом диапазоне или с использованием радарной интерферометрии.
Съемка с использованием LiAir X3C - H
Лазерная сканирующая система LiAir X3C-H используется для получения облаков точек целевых объектов. Данное решение не только может обеспечить регулярное пополнение базовыми ГИС-слоями данных при создания пространственных информационных систем по исследованию ОИПТ управления инженерными геологическими катастрофами, но также может эффективно использоваться при планировании работ по предотвращению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
Результаты съемок это в основном исходные облака лазерных точек, фотоизображений с высоким разрешением, данные траектории и данные спутниковых наблюдений, полученные с наземной базовой станции ГНСС.
Воздушная лазерная сканирующая система LiAir X3C-H собирает данные в районах, подверженных развитию ОИГП
Предварительная обработка данных
Классификация исходного облака точек производится с использованием программного комплекса LIDAR360, в котором производится разделение исходного облака точек на классы «Земля», «Растительность» и выполняются прочие функции.
При изучении землетрясений и ОИГП ЦМР, созданная на основе данных лазерного облака точек, обычно содержит обширную информацию о рельефе и его формах, таких как склоны, камни и крутые хребты. Сведения о микроформах рельефа зачастую очень важны для понимания наличия на исследуемой территории ОИГП или возможности их развития, но для их картографирования требуется действительно высокая точность и полнота данных.
Создание производных продуктов из материалов съемки Lidar 360
1. Создание ЦМР
Цифровую модель рельефа DEM можно использовать для всестороннего выявления потенциальных геологических опасностей, таких как оползни, селевые потоки и обвалы.
ЦМР / ЦМР с отмывкой рельефа
2. Цифровая модель поверхности
Цифровая модель поверхности / Цифровая модель поверхности ( с отмывкой рельефа)
3. Создание ортофотоплана района работ
4. Автоматическое создание горизонталей и отметок высот
Наложение горизонталей и точечных отметок высот на ЦМР в виде TIN-модели
Работа с облаком точек
1. Морфоструктурный анализ
Сведения о статистике форм рельефа (углы наклона и экспозиция склонов) могут быть использованы для оценки степени устойчивости склонов и безопасности местности для ведения той или иной хозяйственной деятельности. Большие уклоны могут увеличить риск развития ОИГП, таких как оползни, лавины и обвалы, вызывая движение рыхлой почвы и камней, увеличивая скорость стока дождевой воды и увеличивая риск поверхностной эрозии и эрозии почвы.
Диаграмма статистического распределения участков по экспозиции склонов и углам наклона
Направление уклона (экспозиция склонов) определяет степень освещенности, тем самым влияя на местный микроклимат. Эти различия, в свою очередь, приводят к неоднородностям в распределении растительности (и ее корневой системы) и влажности почвы на разных склонах, что может напрямую влиять на устойчивость склонов.
Слева – распределение площадей по классам углов наклона, справа – по азимутам экспозиции склонов.
2. Анализ углов наклона
Угол наклона – это угол между поверхностью горы и горизонтальной плоскостью, это ключевой параметр, описывающий крутизну склона. При значительных углах наклона потоки поверхностных вод и сила тяжести с большей вероятностью будут приводить к скольжению или обрушению грунта, тем самым увеличивая вероятность развития ОИГП.
Карта углов наклона
3. Анализ экспозиции склонов
Экспозиция склона – это направление уклона, его азимут. Склоны с разной экспозицией склонов в разной степени подвержены воздействию выветривания и эрозии, поэтому устойчивость склонов также будет различной.
Карта экспозиции склонов
4. Гидрологический анализ
Гидрологический анализ в основном моделирует направление и путь стока. Направление стока на склоне напрямую влияет на путь течения воды. Концентрация водного стока со значительного водосборного бассейна может привести к развитию ОИГП – так, например, при интенсивных осадках вода, текущая по склонам, может вызвать оползни или размывы.
Карта расчетных линий стока
5. Построение изображения рельефа с отмывкой
Построение изображений рельефа с отмывкой используется для имитации имитации воздействия солнечного света на ландшафт местности. Изображение рельефа с отмывкой улучшает визуальное восприятие форм рельефа, порой весьма незначительных. Понимание рисунка и структуры элементов рельефа местности может быть очень важным для раннего предупреждения развития ОИГП.
Изображение рельефа с отмывкой
6. Карта просадок поверхности
Проседание поверхности обычно вызвано такими факторами, как падение уровня грунтовых вод, геологические изменения, вес наземных построек, неправильное использование земли и другими причинами.
Карта просадок поверхности по данным мониторинга (красный цвет – быстрое проседание, зеленый – замедленное проседание грунтов)
Данные фотосъемки
Трехмерная виртуальная модель
Трехмерная виртуальная модель местности может быть использована для повышения ситуационной осведомленности об особенностях строения местности, создавая интуитивно понятную картину ландшафта, содержащую сведения о динамике объектов и поверхностей, распределении растительности, водных объектах и структурах рельефа. Дополнительное внесение в виртуальную модель сведений о гидрометеорологических условиях и прочих природных факторах позволяет лучше определять районы потенциального развития ОИГП.
Общий вид виртуальной модели территории
Визуализация ландшафта с близкой дистанции
Комплексная оценка местности с целью выявления районов развития опасных инженерно-геологических процессов.
Анализируя такие сведения как углы наклона, экспозиция склонов, сведения о гидроаккумуляции и локализации временных водотоков, карты рельефа с отмывкой и прочие сведения о рельефе и топографии гор в районе исследования, мы можем оконтурить районы возникновения ОИГП. В сочетании с существующей геологической, гидрологической, растительной и другой информацией в районе исследования результаты анализа могут быть всесторонне оценены и интерпретированы профильными специалистами с целью нахождения наиболее вероятных точек развития ЧС, таких как обвалы, оползни и селевые потоки. Наконец, путем полевых исследований можно подтвердить правильность камеральной обработки информации.
По сравнению с традиционными методами съемок, воздушное лазерное сканирование, проводимое с целью поиска участков развития ОИГП, обладает такими преимуществами как высокая точность, высокая скорость, высокое разрешение и детальность съемки, бесконтактность выполнения работ и совместимость полученных результатов с материалами иных видов пространственных исследований. В сложных случаях (большие перепады высот местности, большое количество опасных массивов горных пород), технические преимущества трехмерных лазеров улучшают точность картографирования и повышают безопасность персонала, сокращая время и затраты на нахождение персонала в полевых условиях.