勘災應急 | 激光雷達在地質災害中的應用

地質災害是指以地質動力活動或地質環境異常變化為主要成因的自然災害,會造成人民生命安全和財產的巨大損失。并且,隨著世界人口數量的增長和城市快速擴張,遭受地質災害的人群在不斷增多。盡管不可能完全阻止地質災害的發生,但人們還是盡可能地創造知識、設計方法和框架去評估和減小地質災害的潛在影響(Pradhan,2017)。

圖1某地滑坡現場

地質災害雖然不能完全避免,但是可以通過前期的監控為決策部門提供給數據支撐,從而降低災害帶來的損失。目前,地質災害研究主要包括地質災害識別、監測、預警、易發性評價、易損性評價、風險管理和致災機理研究等,在這些研究中除開需要獲得災害體物理力學參數如地層巖性和地質體強度等,還需要獲得與地理位置有關的高程、坡度、坡向、表面曲率和水系因子等。前者主要通過現場地質調查和室內或原位實驗獲取,后者則需要進行地形測量。傳統的地形測量方法主要是使用全站儀或GPS進行人工測量,這種測量方法費時費力且數據分辨率較低,在人力不可及或無GPS信號的林下只能束手無策。

近年來迅猛發展的攝影測量和激光雷達(light?detection?and?ranging,LiDAR)技術,使得地質災害精細測繪成為了可能。相較于攝影測量技術,LiDAR具有更高的數據精度和數據分辨率,且其適應性也更強,不受云霧和光照的影響。同時,不同的搭載平臺還能滿足地質災害領域的多角度和多尺度研究。在滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫和地面沉降等常見地質災害研究中,LiDAR正成為一種常備的研究手段。

圖2LiAir無人機激光雷達系統獲取滑坡數據

以激光雷達在地質災害的應用為例,Bull等(2010)在對新西蘭某流域溝道進行兩期掃描后進行差分運算,獲得了泥石流的運動路徑、影響范圍和體積。Takami和?Mukoyama(2015)使用多時相激光雷達DEM對滑坡進行變形監測,包括變形方向和變形量大小。Tseng等(2013)將多期激光雷達數據用于滑坡體積計算,并分析了滑坡體積和面積之間的關系,對使用滑坡面積預測滑坡體積進行了研究。Froese和Mei(2008)使用機載激光雷達系統獲取采礦區的地表數據,對其進行濾波得到高精度的地面點,進而生成高分辨率的DEM,在DEM圖像上,有效地識別出了礦區塌陷坑的位置,并統計其面積、深度和體積(圖6)。Lan等(2010)使用激光雷達對加拿大某段鐵路進行了掃描,在高精度地形的基礎上對沿線崩塌進行了空間建模,分析了崩塌災害的運動距離、速度和能量,進而對危險性進行了評估(圖7)。

圖3 激光雷達用于泥石流災害調查

圖4 激光雷達用于滑坡災害監測

圖5 激光雷達用于滑坡體積測量

圖6 激光雷達用于采礦區地面塌陷識別

圖7 激光雷達用于崩塌災害危害性評價

隨著激光雷達在地質災害中應用的不斷深入,未來的研究將結合大數據和深度學習方法, 實現地質災害調查的自動化和智能化。

參考文獻:

Biswajeet Pradhan. (2017) Laser Scanning?Applications?in Landslide?Assessment, Springer

J.M. Bull, H. Miller, D.M. Gravley, D. Costello, D.C.H. Hikuroa, J.K. Dix. (2010) Assessing debris flows using LIDAR differencing: 18 May 2005 Matata event, New Zealand[J], Geomorphology, 2010, 24: 75–84

Takami T., Mukoyama S. (2015) Estimation of Ground Movement Using Multi-temporal Data from Airborne LiDAR. In: Lollino G. et al. (eds) Engineering Geology for Society and Territory – Volume 2. Springer, Cham

Tseng, C. , Lin, C. , Stark, C. P., Liu, J. , Fei, L. and Hsieh, Y. (2013), Application of a multi‐temporal, LiDAR‐derived, digital terrain model in a landslide‐volume estimation. Earth Surf. Process. Landforms, 38: 1587-1601

Corey R. Froese, Shilong Mei. (2008). Mapping and monitoring coal mine subsidence?using LiDAR and InSAR. GeoEdmonton’08

Hengxing Lan, C. Derek Martin, Chenghu Zhou, Chang Ho Lim. (2010). Rockfall hazard analysis using LiDAR and spatial modeling. Geomorphology, 118: 213-223

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