Оценка оползневой опасности территорий на основе геоинформационных систем

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ОЦЕНКА ОПОЛЗНЕВОЙ ОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИЙ НА ОСНОВЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ Кузин А. А.1, Ковшов В. П.2, Волкова Ю. М.3

'Кузин Антон Александрович /Kuzin Anton Alexandrovich — кандидат технических наук, ассистент,

кафедра инженерной геодезии;

2Ковшов Вячеслав Петрович /Kovshov Vyacheslav Petrovich — кандидат технических наук, доцент, кафедра безопасности производств; 3Волкова Юлия Михайловна / Volkova Julia Mikhailovna — студент,

кафедра инженерной геодезии, Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург

Аннотация: статья является результатом исследования возможности применения геоинформационных систем (ГИС) при изучении оползневых процессов. На основе способа количественного регионального прогноза оползневой опасности, разработанного К. А. Гулакяном, В. В. Кюнтцелем, Г. П. Постоевым. составлен алгоритм оценки оползневой опасности территорий с применением ГИС, успешно апробированный при изучении оползнеопасных склонов хребта Псехако (Краснодарский край, Россия). В качестве геодезической основы предложено использовать цифровую модель рельефа, созданную на основе данных воздушного лазерного сканирования.

Ключевые слова: ГИС, зонирование, оползневой процесс, цифровая модель рельефа, воздушное лазерное сканирование.

Современное строительство инженерных сооружений из-за отсутствия свободных площадей зачастую выполняется на оползневых склонах, в результате чего активизируются старые оползни или развиваются новые оползневые деформации. Негативное влияние оползневых процессов широко известно. Вместе с тем, исключить или минимизировать ущерб от оползня возможно путем заблаговременного изучения территории и выбора безопасного участка для строительства на основе карты оползневой опасности.

Выявление оползнеопасных территорий и составление карты оползневой опасности осуществляется на основе различных методологических подходов. Широкое применение в практике нашел метод геодинамического потенциала [1], который определяет степень вероятной подверженности оползневому процессу в каждой точке территории. Основную информацию для региональных методов изучения оползнеопасных территорий предлагается получать по топографическим, инженерно-геологическим, гидрогеологическим и другим картам и планам в масштабах 1:2 000 - 1:200 000.

Процедура вычисления оползневого потенциала и составления прогнозной карты проводится в несколько этапов [1].

1. Построение карты распространения оползней по их типам на основе анализа исходных материалов (составляется отдельно для каждого типа оползня или суммарная).

2. Разбиение факторов оползнеобразования на классы. Для каждого из факторов строятся гистограммы распределения его значений на исследуемой территории.

3. Построение аналитических карт распределения классов отдельных факторов (например по величине мощности отложений, по значениям уровней грунтовых вод, крутизне и экспозиции склонов и др).

4. Определение вероятности проявления оползней. Вероятность pj¡ возникновения или активизации оползней в пределах площади i-го класса фактора Bj определяется как отношение площади оползней в пределах класса Моп j¡ к площади всего класса по формуле:

Pji=P

5. Оценка влияния отдельных факторов на развитие оползней. Для оценки степени влияния факторов на оползневой процесс, необходимо рассчитать весовой коэффициент Vj, определяемый из выражения:

Vj= Ijxpj,

где Ij - информационный коэффициент, предложенный А. Б. Вистелиусом, который показывает степень влияния фактора на процесс оползнеобразования; pj - нормированная вероятность возникновения или активизации оползней для классов j - фактора.

Коэффициент Вистелиуса (1) определяется по значениям энтропии (Н), которая показывает степень неопределенности системы:

1

где Н - энтропия ] - го фактора;

Нтах=1а&,

где Б - это количество классов.

Величина Щ определяется по формуле:

Нг-!.р У1афм)

6. Расчет оползневого потенциала. Соответствующая результирующая вероятность (оползневой потенциал) Шоп возникновения или активизации рассматриваемого типа оползней для каждого выделенного участка пересечения различных классов определяется как вероятность суммы конечного числа событий с допущением независимости факторов:

т

Шоп=1- П

к-1

где П - знак произведения; рк - вероятность р^ в совокупности т классов различных факторов конкретного сочетания из приведенного выше числа.

7. Построение карты зонирования по значениям оползневых потенциалов.

Обработку исходной информации и составление прогнозной карты оползневой опасности возможно выполнить стандартными средствами ГИС, которые позволяют оперативно обрабатывать массивы цифровых данных, что достигается путем создания и использования системы картографических моделей. Процедуру составления карты зонирования по оползневому потенциалу на основе ГИС можно представить в виде блок-схемы (рисунок 1) [2].

Рис. 1. Процедура составления карты оползневой опасности на основе ГИС-технологий

Разработанный алгоритм был апробирован при составлении карты зонирования по оползневому потенциалу на основе ГИС Лге018 территории в междуречье Мзымты и Бзерпии, на склонах хребта Псехако в 4 км от Красной Поляны в Адлерском районе города Сочи, Краснодарский край, Россия. Площадь участка составляет 24,64 км2, протяженность с запада на восток - 8,2 км, с севера на юг - 3,6 км. Район исследований расположен в пределах горной системы Большого Кавказа и приурочен к среднегорному эрозионно-тектоническому типу рельефа с преобладающими высотами от 500 до 1500 м.

В исследовании производится прогнозная оценка территории относительно оползней блокового типа <Зр<21Г (оползни покровных суглинков и глин. Такие оползни широко распространены в изучаемом районе.

На основе анализа имеющегося фактического материала и существующих представлений об оползневых процессах, был определен следующий набор факторов, участвующих в апробации алгоритма:

- литологическая характеристика горных пород;

- мощность покровных отложений;

- рельеф и его основные морфометрические показатели (крутизна скатов, экспозиция склонов);

- гидрогеологические условия (глубина залегания грунтовых вод, удаленность от рек);

- тектонические нарушения (удаленность от тектонических разломов);

- эрозионная расчлененность (коэффициент эрозии);

- инженерно-хозяйственная деятельность человека (удаленность от населенных пунктов, дорог).

Сейсмические и климатические условия в пределах рассматриваемой территории

практически неизменны, поэтому в отдельные классы факторов не выделялись.

После определения оползнеобразующих факторов на исследуемой территории рассчитывалась вероятность р^ проявления оползней в пределах каждого класса факторов по формуле (1) на основе площадей оползней и площадей классов, в границы которого он попадает.

Вычисление вероятности проявления оползней в пределах класса начиналось с совмещения карт первого и второго факторов. Для каждого пересечения классов р этих факторов определялась оценка:

где I = 1, 2,..., 5, I = 1,2,3.

Затем по полученным оценкам проводилось зонирование, и полученная карта совмещается с картой третьего фактора. Требуемые оценки вычислялись по формуле (7). После совмещения карт всех оползнеобразующих факторов по величинам окончательных оценок определялись значения оползневых потенциалов по формуле (6).

В итоге создана карта зонирования по оползневому потенциалу (рисунок 2), где выделено пять классов оползневой вероятности.

Как видно из карты зонирования исследуемой территории по оползневому потенциалу (рисунок 2), оползни, полученные с карты опасных геологических процессов, находятся в зонах очень высокой, высокой и средней вероятности возникновения и активизации оползней. Можно сделать вывод о том, что зонирование было проведено удовлетворительно.

Рис. 2. Карта зонирования исследуемой территории по оползневому потенциалу

Литература

1. Гулакян К. А. Прогнозирование оползневых процессов. [Текст] / К. А. Гулакян, В. В. Кюнтцель, Г. П. Постоев. М.: Недра, 1977. 135 с.

2. Кузин А. А. Геодезическое обеспечение зонирования территорий по степени опасности проявлений оползневых процессов на основе применения ГИС-технологий. [Текст]: дис. канд. техн. наук: 25.00.32 / Антон Александрович Кузин; Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб., 2014. 133 л.

ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ ПО ДАННЫМ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ Кузин А. А.1, Ковшов С. В.2, Орлов Ф. А.3

'Кузин Антон Александрович /Kuzin Anton Alexandrovich — кандидат технических наук, ассистент,

кафедра инженерной геодезии,

2Ковшов Станислав Вячеславович /Kovshov Stanislav Vyacheslavovich — кандидат технических наук,

доцент;

3Орлов Федор ААлександрович / Orlov Fedor Aleksandrovich — студент, кафедра безопасности производств, Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург

Аннотация: в статье приведены основные положения по применению цифровых топографических карт в масштабе 1:2 000 и цифровой модели рельефа (ЦМР), полученной по данным воздушного лазерного сканирования (ВЛС) для целей зонирования оползнеопасных территорий. Основным направлением исследования стало определение достаточной плотности точек лазерных отражений (ТЛО), используемых для создания ЦМР оползнеопасных склонов. Данная процедура необходима для автоматизации процесса создания ЦМР по облаку точек ВЛС без проведения дополнительного контроля создаваемой модели по характерным участкам. В свою очередь это повлияет на снижение трудозатрат по созданию ЦМР оползнеопасных участков без потери качества и правдоподобия модели. Ключевые слова: ГИС, цифровая модель рельефа, воздушное лазерное сканирование, оползневые процессы, точность.

Комплексный анализ факторов оползнеобразования и выявление оползнеопасных участков на региональном уровне выполняют на основе ГИС, поэтому для этого необходимо иметь цифровой топографический план или подробную цифровую модель рельефа для обширных участков местности. При этом полнота и правдоподобие получаемой модели напрямую будет влиять на качество зонирования [1].

Оптимальным методом получения цифровой модели рельефа для цели зонирования по оползневому потенциалу по критериям трудоемкости, зависимости от погодных условий, сезонности, возможности применения для съемки любых территорий (в т.ч. покрытых сплошной растительностью, застроенной территории и т.д.) может стать воздушное лазерное сканирование [2]. На сегодняшний день в Российской Федерации существуют лишь отраслевые руководящие документы по применению технологии ВЛС, но отсутствует необходимая единая нормативная база для применения в составе инженерно-геологических изысканий методики ВЛС, нацеленной на создание высокоточных ЦМР, обновление топографических планов и карт и других видов работ [3]. Поэтому необходимо исследование качества результатов ВЛС, что позволит определить возможность использования ЦМР, полученной по облаку точек лазерной локации для зонирования территорий по степени оползневой опасности.

Согласно нормативных документов [4, 5, 6], ЦМР топографического плана масштаба 1:2 000 оползневых участков должна соответствовать высоте сечения рельефа, равной 2,0 м и для населенных пунктов возможно использование высоты сечения рельефа 1,0 м. При этом средняя погрешность съемки рельефа в масштабе 1:2000 при высоте сечения 2 м не должна превышать: 0,66 м для территорий, не покрытых лесом и 0,99 м для лесных участков местности. Используя коэффициент 1,4, средняя квадратическая погрешность (СКП) съемки рельефа при высоте сечения 2 м не должна превышать 0,92 м и 1,38 м для лесных участков местности. Эти параметры точности съемки рельефа традиционными способами использовались для оценки точности ЦМР, полученной по результатам ВЛС.