29 февраля 2024 г.

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.

1709276929941993.png

1709277049140925.png
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.

1709277272126347.jpg
ЦМР / ЦМР с отмывкой рельефа

2. Цифровая модель поверхности

1709277356596045.jpg
Цифровая модель поверхности / Цифровая модель поверхности ( с отмывкой рельефа)

3. Создание ортофотоплана района работ

1709277489206080.png


4. Автоматическое создание горизонталей и отметок высот

1710225944191379.png

1710225956183395.png
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.

1709277992636295.png

1709278034130609.png
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.

1709278152196010.jpg
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.

1709278227137328.png
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.

1709278306170164.png
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.

1709278418131969.png
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.

1709278522197631.png
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.

1710226772117977.png
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.

1709278720165548.png
Общий вид виртуальной модели территории

1709278814124336.png
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.