Отправить сообщение, заявку, вопрос

Зарегистрироваться для участия в конференции

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению

Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 70 , продуктов - 1827 , авторов - 203

Copyright © 2016-2018 ГеоИнфо
Все права защищены

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
Оборудование и технологии
8 марта 2016 года

Возможности дешифрирования ОГПиЯ по данным воздушного лазерного сканирования

В статье изложены технические аспекты проведения дешифрирования опасных геологических процессов и явлений (ОГПиЯ). Рассмотрена технология проведения воздушного лазерного сканирования с точки зрения максимально возможного плотного облака точек лазерных отражений. Приведены результаты применения дешифрирования геологических процессов. Представлены регистрируемые опасные геологические процессы и явления, а также их выделяемые элементы (для сканера Leica ALS 70 CM).

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время для заказчика все важнее становится возможность получения качественных материалов инженерных изысканий в кратчайшие сроки. Особо остро проблема стоит при проведении изысканий в сложных геоморфологических условиях. Зачастую сжатые сроки не позволяют в должной мере изучить опасные геологические процессы и явления, которые являются ухудшающим фактором для хозяйственного освоения территорий. В большинстве случаев опасные геологические процессы изучаются на более поздних стадиях, что приводит к удорожанию объекта и перетрассировкам, связанным с обходом того или иного участка с опасным геологическим процессом.

Появление новых аппаратно-программных возможностей и достижения в области световолоконной оптики сделали возможным существенное улучшение пространственного и спектрального разрешения оптико-электронных съёмочных систем. Они позволяют получать высокоточные цифровые модели местности.

Существующая потребность в лазерном сканировании для комплекса инженерно-геологических нужд требует выработки методики применения сканера и соответствующих технических требований к получаемым материалам сканирования не только для топографии, но и для изучения экзогенных геологических процессов.

 

КАЧЕСТВО СКАНИРОВАНИЯ

 

Распознавание объектов на цифровой модели местности зависит от качества сканирования, соответственно ячейка GRID на модели должна быть как минимум в два раза меньше распознаваемого объекта, в противном случае объект не проявляется. Необходимый размер ячейки можно рассчитать, исходя из нескольких факторов: высота полёта, частота зондирования, частота сканирования и скорость полёта при хороших метеоусловиях (усреднённые данные скорости летательного аппарата, влияющие на качество выходного материала, представлены в таблице 1).

 

Таблица 1.

Расчёт скорости полёта км/час (для сканера Leica ALS 70 CM)

 

Размер ячейки dX (м)

Частота сканирования Гц

70

60

50

40

30

20

10

0,2

50,40

43,20

36,00

28,80

21,60

14,40

7,20

0,3

75,60

64,80

54,00

43,20

32,40

21,60

10,80

0,4

100,80

86,40

72,00

57,60

43,20

28,80

14,40

0,5

126,00

108,00

90,00

72,00

54,00

36,00

18,00

0,6

151,20

129,60

108,00

86,40

64,80

43,20

21,60

0,7

176,40

151,20

126,00

100,80

75,60

50,40

25,20

0,8

201,60

172,80

144,00

115,20

86,40

57,60

28,80

0,9

226,80

194,40

162,00

129,60

97,20

64,80

32,40

Жёлтым цветом выделены ячейки для летательных аппаратов, имеющих возможность лететь с низкой скоростью (вертолёты). Зелёным – самолёты типа Ан – 2. Красным – иные летательные аппараты, попадающие в данный скоростной диапазон.

 

Исходя из усреднённых данных, полученных при расчётах, можно сделать вывод, что при разных высотах сканирования и режимах полета можно выделить места расположения опасных геологических процессов и явлений различной протяжённости.

Немаловажным является угол обзора при сканировании. Эмпирическим путём выявлено, что приемлемая плотность точек достигается при угле сканирования, не превышающем 30° от надира. Схема сканирования для получения высокой детализации должна выглядеть следующим образом: перекрытие полос сканирования в процентном соотношении приблизительно 30%.

Как видно из рисунка 1, краевые зоны облаков точек, за счёт угла наклона луча к сканируемой поверхности становятся более разреженными по сравнению с центральной частью, но не критическими (рис.2). Проблемой становится отображение грунта в залесённой и горной местности, так как лучи, направленные под углом по отношению к поверхности земли, отражаются от естественных препятствий, не достигая поверхности земли (рис. 3).

Следовательно, при проведении высококачественной съёмки необходимо уменьшать расстояние между треками залёта для исключения из обработки краевых зон съёмки низкого качества.

 

Облако точек высокого разрешения

Облако точек высокого разрешения

Рис. 1 Облако точек высокого разрешения. Краевые зоны имеют более низкую плотность, чем центральная часть. 1) коридор высокой плотности точек лазерных отражений; 2) коридор с низкой плотностью точек лазерных отражений

 

Схема зависимости плотности точек лазерных отражений и угла зондирования от высоты полёта

Схема зависимости плотности точек лазерных отражений и угла зондирования от высоты полёта

Рис. 2. Схема зависимости плотности точек лазерных отражений и угла зондирования от высоты полёта. 1) коридор высокой плотности точек лазерных отражений; 2) коридор с низкой плотностью точек лазерных отражений; 3) высота с которой производится сканирование; 4) фактический угол зондирования; 5) рабочий угол зондирования

 

На рисунке 2 графически представлены фактическая и рабочая полосы съёмки: рабочая полоса с высокой плотностью зондирования и фактическая полоса с менее высокой плотностью на краях.

 

Характер распределения лазерных отражений от крон деревьев и поверхности земли

Характер распределения лазерных отражений от крон деревьев и поверхности земли

Рис. 3. Характер распределения лазерных отражений от крон деревьев и поверхности земли. а) вертикальный луч; б) наклонный луч (Медведев Е.М., Лазерная локация земли и леса, 2007)

 

РАСПОЗНОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ

 

Использование сканера в благоприятных условиях позволяет получить необходимую точность и не только провести дешифрирование опасных геологических процессов и явлений, но и дать предварительную описательную информацию. Рассмотрим на примере оползневого склона получение метрических характеристик и предварительное прогнозирование зеркала скольжения (рис 4).

 

а)

Изменение местоположения проектируемого трубопровода

Изменение местоположения проектируемого трубопровода

 

б)

Получение метрических характеристик выявленного тела оползня

Получение метрических характеристик выявленного тела оползня

 

Рис. 4. Выявление тела оползня на цифровой модели рельефа (М 1:500)

а) Изменение местоположения проектируемого трубопровода до проведения полевых исследований и получение метрических характеристик.

1. первоначальное положение проектируемого газопровода; 2. перетрассировка газопровода; 3. бровка главного уступа; 4. оползень; 5. профиль по линии 7-8.

б) Получение метрических характеристик выявленного тела оползня.

Краткая характеристика: 1. инсеквентный, оползень срезания; 2. длительной стабилизации; 3. средний уклон 16° [28.70%]; 4. длина 130 м; 5. ширина 57 м; 6. периметр 362 м; 7. площадь 7544 м2

 

Следует отметить также, что полученная цифровая модель местности при интерпретации наглядно отображает мелкие детали рельефа (микрорельеф) (рис 5), следовательно возможность описания опасных геологических процессов согласно требованиям нормативных документов позволяет специалистам оценивать инженерно-геологическую обстановку на высоком уровне, до проведения полевых работ (рис 6).

 

а)

Цифровая модель рельефа «Алтай»

Цифровая модель рельефа «Алтай»

 

б)

Цифровая модель рельефа «Северный Кавказ»

Цифровая модель рельефа «Северный Кавказ»

 

в)

Цифровая модель рельефа «Северный Кавказ»

Цифровая модель рельефа «Северный Кавказ»

 

Рис. 5. Интерпретация условий на цифровой модели рельефа рельефа

а) Цифровая модель рельефа «Алтай»: 1 – осыпи; 2 – ложбины движения осыпей; 3 – коллювиальный шлейф; 4 – переслаивание коренных пород; 5 – крупнообломочные отложения; 6 – делювиально-коллювиальный шлейф

б) Цифровая модель рельефа «Северный Кавказ»: 1 – горные склоны; 2 – осыпи; 3 – ложбины движения осыпей; 4 – эрозионные врезы; 5 – приводораздельные склоны, покрытые элювиальным чехлом; 6 – склоны, покрытые делювиальным чехлом; 7 – переслаивающиеся коренные породы

в) Цифровая модель рельефа «Северный Кавказ»: 1 – цирк оползня; 2 – бровка главного уступа; 3 – главный уступ; 4 – вершина оползня; 5 – внутренний уступ; 6 – неровности поверхности рельефа (валы, бугры и т.д.); 7 – подошва оползня; 8 – переработка берега горной рекой (боковая эрозия постоянного водотока); 9 – линейная эрозия (донная эрозия временного водотока); 10 – линейная эрозия (боковая эрозия временного водотока); 11 – конус выноса (пролювий).

\

Рис. 6. Участок синтезированной модели земной поверхности: 1 – оползневой цирк; 2 – бровка главного уступа; 3 – главный уступ; 4 – вершина оползня; 5 – внутренний уступ; 6 – неровности поверхности рельефа (валы, бугры и т.д.); 7 – подошва оползня

 

Таким образом, метод дешифрирования опасных геологических процессов по материалам воздушного лазерного сканирования в совокупности с аэрофотосъёмкой (цифровая модель местности) является одним из дополнительных источников информации об инженерно-геологической обстановке. Произведённые опыты при расчётах высоты залёта воздушного судна и оптимальной скорости (при соответствующих настройках аппаратуры) показали возможность качественного определения границ опасных геологических процессов.

Исходя из проведённого анализа и выполнения экспертного дешифрирования, можно сделать вывод, что данный метод дешифрирования позволяет надёжно определять границы распространения «геологических процессов».

Интерпретация «образов», или форм, на синтезированной модели рельефа позволяет обнаружить проявление ОГПиЯ на основе диагностически значимых признаков дешифрирования. Основными критериями их выделения на цифровых моделях рельефа разного масштаба (разной плотности точек лазерных отражений) являются наиболее надёжные признаки распознавания «образов» геологических процессов проявленных на дневной поверхности (таблица 2).

 

Таблица 2.

Дешифрируемые опасные геологические процессы и явления (для сканера Leica ALS 70 CM)

 

Регистрируемые процессы и явления

Выделяемые элементы

М 1:500, высота съёмки 400 – 600 м, разрешение фотоснимков на местности 5-7 см в пикселе плотность точек земли – 5-9 точек на кв.м. высокая детализация съёмки, чётко фиксируются границы опасных геологических процессов и явлений, проявленных в рельефе:

оползни

бровки срыва, цирк оползня, язык оползня, рвы отседания, ступенчато-глыбовая поверхность, валы выпирания и наплывы, откосы обрушения и размыва, бугры, западины. Оконтуривание всего тела оползня и т.д.

обвалы и осыпи

поверхность отделения обвалившейся массы, размеры и формы, уклоны, области транзита и т.д.

сели

формы водосборного бассейна и русла, задернованность склона и т.д.

карст

карры, западины, воронки, карстовые блюдца, увалы и т.д.

карстово-суффозионные процессы

воронки, крупные блюдца, западины

лавины снежные

соответствующие формы рельефа, снегосборные карово-эрозионные воронки и т.д.

переработка берегов морей, озёр, водохранилищ

пляжи, береговые бары, томболы или переймы, пересыпи, косы, стрелки, клифы

суффозия

просадочные явления – блюдца, воронки, западины

морозное пучение

коренные пучины (высота достигает 30-40 см), рельеф, обеспечивающий наилучший водоотвод, уменьшает возможность возникновения пучин. Верховные пучины до 5-10 см при неблагоприятных условиях не выделяются

термокарст

провальные, просадочные явления, натёчные образования (гейзериты и травертины) и явления связанные с мерзлотой (курумы, солифлюкция и т.д.)

М 1:1000, высота съёмки 600 – 800 м, разрешение фотоснимков на местности 7-10 см в пикселе плотность точек земли – 3-5 точек на кв.м. с худшей детализацией:

оползни

бровки срыва, цирк оползня, язык оползня. Оконтуривание всего тела оползня

обвалы и осыпи

поверхность отделения обвалившейся массы, размеры и формы, уклоны, области транзита. Оконтуривание осыпи и обвала

сели

формы водосборного бассейна и русла, задернованность склона. Оконтуривание селевого бассейна

карст

воронки, карстовые блюдца

карстово-суффозионные процессы

воронки, крупные блюдца, западины

лавины снежные

соответствующие формы рельефа, снегосборные карово-эрозионные воронки

переработка берегов морей, озёр, водохранилищ

пляжи, береговые бары, томболы или переймы, пересыпи, косы, стрелки, клифы

суффозия

просадочные явления – крупные блюдца, воронки, западины

термокарст

провальные, просадочные явления, натёчные образования (гейзериты и травертины) и явления связанные с мерзлотой (курумы, солифлюкция и т.д.)

М 1:2000, высота съёмки 800 – 1300 м, разрешение фотоснимков на местности 10-15 см в пикселе плотность точек земли – 2-3 точки на кв.м. плохая детализация:

оползни

бровки срыва, цирк оползня, язык оползня. Оконтуривание всего тела оползня

обвалы и осыпи

поверхность отделения обвалившейся массы, размеры и формы, уклоны, области транзита. Оконтуривание осыпи и обвала

сели

формы водосборного бассейна и русла. Оконтуривание селевого бассейна

лавины снежные

(соответствующие формы рельефа, снегосборные карово-эрозионные воронки

карст

воронки, карстовые блюдца

термокарст

провальные, просадочные явления и явления связанные с мерзлотой большой протяженности (курумы, солифлюкция и т.д.)

переработка берегов морей, озёр, водохранилищ

пляжи, береговые бары, томболы или переймы, пересыпи, косы, стрелки, клифы

М 1:5000, высота съёмки 1300 – 2000 м, разрешение фотоснимков на местности 15- 20 см в пикселе, плотность точек лазерных отражений классификации «Земля» – 0.5 - 1 точки на кв.м.

Выделение границ крупных тел оползней, крупных осыпей и обвалов, селевых бассейнов, курумов имеющих большую площадь, проявление термокарста имеющую большую площадь

 

Таким образом, использование данных полученных при воздушном лазерном сканировании эффективно не только для решения топографо-геодезических задач, но и для инженерно-геологических и как следствие может являться полезной информацией для проектирования на стадии выбора коридора трассы будущего линейного сооружения и различных притрассовых сооружений.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Наличие опасных геологических процессов и явлений – частый источник дополнительных расходов при эксплуатации зданий и сооружений, их выявление на ранних этапах инженерных изысканий позволит избежать увеличения затрат и сроков выполнения целого комплекса инженерно-геологических исследований. Для их эффективного выявления необходимо использовать в инженерно-геологических целях цифровую модель местности, первоначально создаваемую для построения топографических планов различных масштабов местности. Опыт выполненных работ показывает, что не только существует возможность выявления границ распространения опасных геологических процессов и явлений, но и проводить идентификацию того или иного опасного геологического процесса, а так же при определённом качестве сканирования выделять их элементы.

Таким образом, данный вид работ (дешифрирование), позволяет повысить эффективность инженерных изысканий на линейных объектах и снизить затраты производственные затраты за счёт рационального использования материалов аэрометодов в инженерных изысканиях.