Способ дешифрирования экзогенных геологических процессов и инженерно-геологических условий
METHOD OF DECODING OF EXOGENOUS GEOLOGICAL PROCESSES AND ENGINEERING-GEOLOGICAL CONDITIONS

Изобретение относится к области получения топографической информации о рельефе земной поверхности по данным лазерного сканирования местности и аэрофотосъемки с борта пилотируемого и/или беспилотного летательного аппарата, в частности дешифрирования экзогенных геологических процессов (ЭГП) и инженерно-геологических условий. В способе построения карт инженерно-геологических условий, карт экзогенных геологических процессов, карт контуров экзогенных геологических процессов (создания баз данных в геоинформационных системах с электронными наборами карт) выполняют цифровую аэрофотосъемку и воздушное лазерное сканирование.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ построения карты экзогенных геологических процессов местности вдоль трассы магистрального нефтепровода (МН) (Патент на изобретение RU 2591875, опубл. 20.07.2016 г.). В способе построения карты ЭГП местности вдоль трассы МН выполняют цифровую аэрофотосъемку и воздушное лазерное сканирование. Одновременно осуществляют сбор и запись навигационных данных для формирования и записи координат точек траектории полета. Затем выполняют обработку данных воздушного лазерного сканирования и навигационных данных. Получают облако точек лазерных отражений и на основании их автоматизированной классификации с интерактивной коррекцией результатов строят цифровую модель рельефа (ЦМР) местности. По данным ЦМР формируют в блоке построения производных поверхностей углов наклонов карту уклонов местности. Одновременно с построением ЦМР проводят обработку данных цифровой аэрофотосъемки. С использованием результатов построения цифровой модели рельефа, карты уклонов и ортофотоплана местности осуществляют выявление и формирование карты ЭГП, протекающих на местности вдоль трассы МН. Недостатками данного технического решения являются:
- при дешифрировании не используются предварительно сохраненные эталоны экзогенных геологических процессов в базах данных;
- дешифрирование производится не в автоматическом режиме, а по типичным геоморфологическим признакам того или иного геологического процесса или образованного геологического тела проявленного в рельефе, что позволяет избежать пропусков, пропуск геологического процесса или геологического тела ввиду отсутствия в базе эталона или не совпадения эталона с геологическим процессом ввиду отсутствия или плохо определяемого какого-либо признака;
- отсутствие возможности получения качественных (определение формы геологического тела на поверхности земли; его тип, подтип; текстурные особенности определяющие его активизацию или затухание и т.п.) и количественных характеристик (размеры и др.), что необходимо для оценки местности при хозяйственном освоении и присвоении класса опасности того или иного геологического процесса для необходимости инженерной защиты и экономического обоснования при строительстве
- отсутствие возможности использования данных воздушного лазерного сканирования полученных для построения топографо-геодезических карт и планов - необходимо проводить лазерное сканирование исключительно для построения карты экзогенных геологических процессов. Отсутствует возможность классификации дешифрирования геоморфологических элементов и их качественных и количественных характеристик экзогенных геологических процессов при сканировании для масштабов от 1:500 и мельче;
- отсутствие возможности дешифрирования геологических, инженерно-геологических условий местности;
- отсутствие возможности проводить прогноз возможного появления склоновых процессов по форме склона (выпуклый, вогнутый).
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является получение качественных (описательных) и количественных (числовых) характеристик, определение приблизительной глубины зеркала скольжения оползня, определение типа оползня по геоморфологическому облику.
Данная задача решается за счет того, что заявленное техническое решение, а именно дешифрирование экзогенных геологических процессов и геологических условий включает сбор исходных данных; проведение воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки по треку сканирования с выбором высоты и скорости полета летательного аппарата; классификацию точек лазерных отражений, ортотрансформацию аэрофотоснимков, построение карт интенсивности отражений; построение цифровой модели рельефа, совмещенной с ортофотоснимками; загрузку подготовленных цифровых моделей рельефа и ортофотоснимков в географическую информационную систему; распознавание очертаний экзогенных геологических процессов проявленных в рельефе и линеаментов по типичным элементам, составляющим очертания геологических процессов и образованных геологических тел для построения контурных карт экзогенных геологических процессов; построение тематических карт, совмещение полученных карт в геоинформационной системе с цифровой моделью рельефа для проведения дешифрирования экзогенных геологических процессов с определением качественных и количественных характеристик, линеаментов и геологических структур, проведение расчета вероятности появления склоновых процессов; создание векторных слоев и баз данных в геоинформационной системе; составление итоговых карт инженерно-геологических условий, карт экзогенных геологических процессов, контурных карт экзогенных геологических процессов и линеаментов.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является экономическая эффективность, уменьшение временных затрат на проектирование при построении карты экзогенных геологических процессов и проявленных на поверхности земли эндогенных геологических процессах, а также геологических структур.
Процедура дешифрирования представлена на схеме (фиг.).
При дешифрировании выделяются «части форм рельефа», к которым относят такие элементы, как склоны, водоразделы, подошвы склонов и др. Используются также специальные (морфометрические) показатели.
К числу основных морфометрических показателей относятся линейные размеры изучаемых объектов, превышения, углы наклона, крутизна склона, экспозиция склона. Предложен также ряд комплексных показателей, в частности для характеристики таких особенностей рельефа, как густота и глубина эрозионного расчленения, четвертичных отложений, денудации и аккумуляции наносов (отложений грунтов).
Дешифрирование экзогенных геологических процессов и геологических условий включает:
1. Сбор исходных данных (топографические карты, физико-географическое описание района) при необходимости
2. Проведение воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки по треку сканирования с выбором высоты и скорости полета летательного аппарата для наилучшего сканирования
3. Классификация точек лазерных отражений, ортотрансформация аэрофотоснимков, построение карт интенсивности отражений
4. Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) совмещенной с ортофотоснимками.
5. Загрузку подготовленных ЦМР и ортофотоснимков в географическую информационную систему (ГИС).
6. Распознавание очертаний экзогенных геологических процессов проявленных в рельефе и линеаментов по типичным элементам, составляющим очертания геологических процессов и образованных геологических тел (оползни, конусы выноса, осыпи и т.д.) для построения контурных карт экзогенных геологических процессов.
7. Построение тематических карт (уклонов, градиентов уклонов, текстуры поверхности, выпуклости и вогнутость склонов, и т.д.). Совмещение полученных карт в геоинформационной системе с цифровой моделью рельефа для проведения дешифрирования экзогенных геологических процессов с определением качественных и количественных характеристик, линеаментов и геологических структур. Проведение расчета вероятности появления склоновых процессов.
8. Создание векторных слоев и баз данных в геоинформационной системе.
9. Составление итоговых карт инженерно-геологических условий, карты экзогенных геологических процессов, контурных карт экзогенных геологических процессов и линеаментов.
Сбор исходных данных для дешифрирования включает сбор данных об общей характеристике района, включающие географию, геологию, климат и прочие данные. Предпочтительным, но не ограничивающим, способом сбора данных является проведение воздушного лазерного сканирования местности и цифровой аэрофотосъемки. Воздушное сканирование выполняется с высот необходимых для получения топографических планов соответствующих масштабов для нужд проектирования. При проведении лазерного сканирования местности в целях проведения инженерно-геологической съемки высота полета задается исходя из максимально плотного массива точек лазерных отражений для высокой детализации цифровой модели рельефа и ортофотоснимков для последующего дешифрирования экзогенных геологических процессов и геологических условий.
Цифровая модель рельефа для дешифрирования готовится в геоинформационной системе или иной программе, которая позволяет визуализировать 3D рельеф и отрисовывать точки, линии и полигоны.
На основе вновь полученных и уже имеющихся данных формируются базы данных в геоинформационной системе объектов дешифрирования: экзогенных геологических процессов и инженерно-геологических условий.
Обработка данных по особым морфологическим признакам экзогенного геологического процесса:
- для оползней: бровки срыва, цирк оползня, язык оползня, рвы отседания, ступенчато-глыбовая поверхность, валы выпирания и наплывы, откосы обрушения и размыва, бугры, западины;
- для обвалов: поверхность отделения обвалившейся массы, размеры и формы, уклоны, области транзита и т.д.;
- для карста: карры, западины, воронки, карстовые блюдца, увалы и т.д.;
- для суффозии: просадочные явления - блюдца, воронки, западины;
- для морозного пучения: 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
- для гидролакколитов: бугры выпирания, угнетение растительности и т.д.
- и другие экзогенные геологические процессы, проявленные на поверхности, развивающиеся в многолетнемерзлых, талых и не подверженных промерзанию грунтах.
Особый морфологический признак отложений грунтов (формы рельефа и геологических тел):
- конусы выноса;
- обвалы;
- селевые бассейны;
- делювиальные шлейфы;
- выветрелые грунты неперемещенные;
- зоны транзитов грунтовой массы;
- зоны отложения грунтов;
- и т.д.
Метод поиска геологических процессов основан на определении физиономических характеристик того или иного объекта отображаемых на цифровой модели местности и сравнении их с типовыми моделями, обладающими набором признаков. Каждый тип геологических объектов, картируемых при дешифрировании, обладает набором главных признаков:
- геоморфологическое положение,
- общий «геоморфологический облик»,
- текстура поверхности, фототон (и дополнительно - интенсивность лазерных отражений),
- рисунок гидросети,
- степень расчленнности рельефа,
- растительность, при комплексировании используются спектрозональная, гиперспектральная и др. виды съемок.
Учитывая, что дешифрирование геологических процессов по данным воздушного лазерного сканирования ведется по прямым признакам - очертания геологических объектов, необходимо помнить, что для некоторых типов инженерно-геологических объектов набор дешифровочных признаков бывает не полным или переменным в зависимости от местоположения в рельефе.
Проведение дешифрирования экзогенных геологических процессов и геологических условий на основе воздушного лазерного сканирования позволяет получать качественные и количественные характеристики экзогенных геологических процессов и их картировать, картировать уклоны склонов горной местности, выявлять линеаменты тектонических нарушений, снимать элементы залегания коренных горных пород, фиксировать геологические условия по данным цифровой модели рельефа совмещенной с ортофотоснимками, прогнозировать появление того или иного экзогенного геологического процесса при возможном появлении технического сооружения, определять зоны неблагоприятного воздействия будущего сооружения (проектируемого сооружения), определять типы оползней и возможную глубину зеркала скольжения по конфигурации тел оползней и их морфологии и т.д.
Экзогенные геологические процессы, которые могут быть опасными для зданий и сооружений, - частый источник дополнительных расходов при эксплуатации объектов. Выявление экзогенных геологических процессов, которые могут быть опасными для будущих зданий и сооружений, на ранних этапах позволяет избежать дополнительных затрат и увеличения сроков при выполнении комплекса инженерных изысканий.
Выявление (дешифрирование) позволяет повысить эффективность проводимых инженерных изысканий на линейных и площадных объектах, и снизить производственные затраты за счет экономии времени на обследование территории, а также оптимальной (рациональной) расстановки горных выработок для получения максимальной информативности, что позволит, в некоторых случаях, принять наиболее правильные проектные решения. Так же, в случае необходимости, провести изменение проекта до проведения визуальных полевых обследований и буровых работ.