一種泥石流災(zāi)情評估方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于泥石流堆積表面特征參數(shù)提取及動力學(xué)反演的泥石流災(zāi)情 快速評估方法，及其在泥石流災(zāi)后重建、災(zāi)后施救中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，泥石流堆積區(qū)災(zāi)情評估通常采用的方法是利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行泥石流 運動過程與動力學(xué)參數(shù)的反演，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)險評估。泥石流運動力學(xué)模型的研宄與構(gòu)建是 動力學(xué)過程模擬的基礎(chǔ)，它描述泥石流體介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、流體流動行為及流變特征。 目前模型數(shù)值模擬研宄仍然存在一些缺陷，主要包括：（1)已有泥石流運動力學(xué)模型的不 完善和適用性問題；（2)對泥石流運動過程中復(fù)雜環(huán)境（地形、水文等）的影響考慮較少， 如復(fù)雜環(huán)境下的泥石流應(yīng)力分布、動能傳遞的定量分析等。數(shù)值模擬僅僅是利用計算機(jī)進(jìn) 行模擬，對復(fù)雜條件進(jìn)行一系列理想化的簡化與假設(shè)，與野外實際情況存在較明顯的差距， 模擬結(jié)果對現(xiàn)實情況反映不夠真實和全面。
[0003] 泥石流災(zāi)情評估的另一個常用方法是基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，但由于野外調(diào) 查只能確定單個或多個點、斷面的局部情況，無法從空間大區(qū)域尺度對災(zāi)害過程進(jìn)行分析 和反演，同時對于偏遠(yuǎn)且交通中斷災(zāi)區(qū)的災(zāi)情難以開展及時的野外調(diào)查，往往造成應(yīng)急救 災(zāi)與減災(zāi)信息缺乏、決策不準(zhǔn)、實質(zhì)性工作難以及時開展的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)和泥石流 動力學(xué)參數(shù)反演的泥石流災(zāi)情評估方法，能對特定區(qū)域進(jìn)行空間區(qū)域的動力學(xué)反演，進(jìn)而 對災(zāi)后泥石流堆積區(qū)的沿程破壞力強(qiáng)度進(jìn)行空間定量分析，服務(wù)于災(zāi)后施救與災(zāi)后重建設(shè) 計。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 本發(fā)明提出的泥石流災(zāi)情評估方法，其技術(shù)思想是：基于無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)，進(jìn)行泥 石流堆積區(qū)淤積厚度及大顆粒石塊粒徑信息的提取與分析，應(yīng)用到沿程動力分析，反演出 泥石流流沿程動力學(xué)參數(shù)，對災(zāi)后泥石流堆積區(qū)的沿程破壞力強(qiáng)度進(jìn)行定量化空間分析， 從而實現(xiàn)快速的災(zāi)情評估。具體而言，本發(fā)明的泥石流災(zāi)情評估方法步驟如下：
[0007] ( -）利用無人機(jī)對災(zāi)后泥石流堆積區(qū)（大顆粒石塊的堆積）進(jìn)行航拍，得到最低 分辨率為8000X12000的堆積區(qū)航拍圖，航拍圖上每個像素代表的距離（即空間分辨率） 小于等于〇. 2m。泥石流堆積物具有分選性差、寬級配、組構(gòu)復(fù)雜的特性，針對泥石流堆積區(qū) 的大顆粒石塊的堆積，運用無人機(jī)進(jìn)行航拍，得到高分辨率低空航拍影像；航拍數(shù)據(jù)具有空 間參數(shù)、比例尺等空間屬性，且航拍圖精度高，是對泥石流災(zāi)后堆積區(qū)進(jìn)行快速精準(zhǔn)分析和 應(yīng)急評估的最佳數(shù)據(jù)資料。
[0008] (二）利用步驟（一）中得到的堆積區(qū)航拍圖建立災(zāi)后的數(shù)字高程模型（即DEM)， 并將得到的災(zāi)后數(shù)字高程模型與災(zāi)前數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算得到堆積區(qū)每個位 置的泥石流淤積厚度h、單位m。
[0009](三）利用圖像處理技術(shù)，對步驟（一）中得到的堆積區(qū)航拍圖進(jìn)行石塊的圖像分 害J，然后統(tǒng)計得到分割出的每個石塊的粒徑d、單位m ;將得到的每個石塊的粒徑d依次代入 公式
計算得到分割出的每個石塊的質(zhì)量m、單位kg，式中，P為石塊 密度、取值2100-2600kg/m3。根據(jù)分割出的沿程石塊的長軸排列，可推斷出泥石流沿程的流 動方向。
[0010](四）將步驟（三）中得到的每個石塊的粒徑d依次代入公式
計算得到分割出的每個石塊的起云力流速vc、單位m/s ;式中，γc為石塊重度、取值21000-26000N/m3， γ為水流重度、取值l〇〇〇〇N/m3, g為重力加速度、取值9. 8ni/s，h為該石塊所處位置的泥石流淤積厚 度、單位m、由步驟（二）確定。
[0011] (五）將步驟（三）中得到的每個石塊的質(zhì)量m、步驟（四）中得到的每個石塊的起動流速 vc、和步驟（二）中得到的堆積區(qū)針位置的泥石流淤積厚度h分別依次代入公式Z =所x V,2 >< /Z , 計算得到分割出的每個石塊所處位置的破壞力強(qiáng)度z、單位kg · m3/s2,最終得到災(zāi)后泥石流堆積區(qū) 的沿程破壞力強(qiáng)度分布變化（即整個區(qū)域泥石流的破壞力強(qiáng)度分布圖）。
[0012] (六）根據(jù)步驟（五）中得到的災(zāi)后泥石流堆積區(qū)的沿程破壞力強(qiáng)度分布變化進(jìn) 行災(zāi)情評估；當(dāng)破壞力強(qiáng)度Z小于2600kg mVs2時，該位置構(gòu)筑物以水淹破壞為主；當(dāng)破壞 力強(qiáng)度Z大于等于2600kg · m3/s2、同時小于26000kg · m3/s2時，該位置構(gòu)筑物發(fā)生派埋破 壞的最大可能性為43%，發(fā)生部分結(jié)構(gòu)性損傷的最大可能性為35% ;當(dāng)破壞力強(qiáng)度Z大于 等于26000kg · m3/s2、同時小于260000kg · m3/s2時，該位置構(gòu)筑物發(fā)生主體結(jié)構(gòu)性破壞的 最大可能性為41%，發(fā)生部分結(jié)構(gòu)性損傷的最大可能性為26%，發(fā)生完全破壞的最大可能 性為24% ;當(dāng)破壞力強(qiáng)度Z大于等于260000kg ·ηι3/82、同時小于2600000kg .mVs2時，該位 置構(gòu)筑物發(fā)生完全破壞的最大可能性為70%，發(fā)生主體結(jié)構(gòu)性破壞的最大可能性為29% ; 當(dāng)破壞力強(qiáng)度Z大于等于2600000kg · m3/s2時，該位置構(gòu)筑物必完全破壞。步驟（六）是 建立了構(gòu)筑物發(fā)生某種破壞的可能性與泥石流破壞力強(qiáng)度的量化關(guān)系。
[0013] 本發(fā)明提出的泥石流災(zāi)情評估方法評估得出了泥石流堆積區(qū)構(gòu)筑物的受災(zāi)和破 壞程度，將破壞力強(qiáng)度Z與構(gòu)筑物受破壞可能性的量化（即受損概率）之間建立關(guān)聯(lián)，進(jìn)而 根據(jù)評估出的受災(zāi)情況進(jìn)行有針對性的救災(zāi)施救，對于災(zāi)害評估嚴(yán)重的地方建議加快加強(qiáng) 災(zāi)后施救。本發(fā)明提出的泥石流災(zāi)情評估方法也可適用于泥石流災(zāi)后重建；根據(jù)破壞力強(qiáng) 度Z進(jìn)行區(qū)域劃分，建立構(gòu)筑物破壞分區(qū)圖，便于更好地規(guī)劃災(zāi)后重建，在破壞力強(qiáng)度大的 區(qū)域停止重建或搬迀，應(yīng)在破壞力強(qiáng)度小的地方大力重建。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：以實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，能對特定測量區(qū)域進(jìn) 行整個空間區(qū)域的動力學(xué)反演，進(jìn)而實現(xiàn)對災(zāi)情的快速評估，便于災(zāi)后有針對性地快速施 救與應(yīng)急減災(zāi)，也可直接指導(dǎo)災(zāi)后重建的規(guī)劃設(shè)計。
【附圖說明】
[0015] 圖1是實施例中泥石流堆積區(qū)航拍圖。
[0016] 圖2是實施例中泥石流淤積厚度分布圖。
[0017] 圖3是實施例中對堆積區(qū)航拍圖進(jìn)行圖像處理之前的圖片。
[0018] 圖4是實施例中對堆積區(qū)航拍圖進(jìn)行膨脹腐蝕處理后的圖片。
[0019] 圖5是實施例中對堆積區(qū)航拍圖進(jìn)行石塊分割后的圖片。
[0020] 圖6是實施例中分割出的每個石塊的起動流速分布圖。
[0021] 圖7是實施例中泥石流堆積區(qū)的沿程破壞力強(qiáng)度分布圖。
[0022] 圖8是實施例中構(gòu)筑物受損情況分布圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作進(jìn)一步的描述。
[0024] 如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。某泥石流溝位于汶川縣城西南約 5km處，為岷江左岸的一級支流，流域面積52. 4km2,溝口海拔1320m，流域最高海拔4360m， 高差達(dá)3040m，主溝長15. 8km，溝內(nèi)多跌水，溝床縱坡較陡、平均比降170%。，共有18條超 過Ikm長的支溝，溝谷切割密度l.llkm/km2,溝內(nèi)地形陡峻，物源區(qū)平均坡度超過40°。受 5. 12汶川地震的影響，巖體崩解坡積物滑落，產(chǎn)生滑坡和崩塌，進(jìn)一步增加了溝道流域內(nèi)的 松散堆積物量。其中，崩塌滑坡形成的2個小型堰塞湖，在極端降雨洪水作用下極易潰決。
[0025] 2013年7月8日-7月12日，岷江上游都汶公路沿線普降暴雨激發(fā)了群發(fā)性大規(guī) 模泥石流，其中以7月11日凌晨3時暴發(fā)大規(guī)模泥石流造成的損失最為嚴(yán)重，泥石流沖毀 該條溝內(nèi)大部分民房和工廠，造成15人死亡或失蹤，泥石流堵塞岷江形成的堰塞湖淹沒上 游新橋村。
[0026] 該次泥石流性質(zhì)為過渡性泥石流，密度約為2000kg/m3。調(diào)查測得危險區(qū)最大石塊 體積為15mX8mX6m，以巖石密度按2. 6t/m3計算，其重量超過1800t，具有極大的破壞力。 泥石流持續(xù)時間約為60min，沖出溝口后其龍頭高度超過10m，溝岸屋內(nèi)可感受到運動中石 塊碰撞產(chǎn)生的震動，根據(jù)過流斷面數(shù)據(jù)推算的最大流速達(dá)12. 7m/s，破壞力極強(qiáng)。利用本 發(fā)明的泥石流災(zāi)情評估方法對該泥石流溝溝口下游地區(qū)泥石流災(zāi)情進(jìn)行評估，具體步驟如 下：
[0027] 第一步，利用無人機(jī)對災(zāi)后泥石流堆積區(qū)進(jìn)行航拍，得到分辨率為8000X12000 的堆積區(qū)航拍圖（如圖1所示），航拍圖比例尺為4446像素等于800. 0m。
[0028] 第二步，利用第一步中得到的堆積區(qū)航拍圖建立災(zāi)后的數(shù)字高程模型，并將得到 的災(zāi)后數(shù)字高程模型與災(zāi)前數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算得到堆積區(qū)每個位置的泥石 流淤積厚度h、單位m。以圖2中P點（坐標(biāo)：3Γ 26'15.84〃北，103° 34'14. 29〃東）為 例，計算得到P點厚度為5. 2m。堆積區(qū)其他位置的泥