«ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗОНИРОВАНИЯ ТЕРРИТОРИЙ ПО СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЙ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

На правах рукописи

КУЗИН Антон Александрович

ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗОНИРОВАНИЯ ТЕРРИТОРИЙ ПО

СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЙ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 25.00.32 – Геодезия

Научный руководитель:

доктор технических наук

Мустафин Мурат Газизович

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – Оглавление ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА О

ЗОНИРОВАНИИ ТЕРРИТОРИЙ ПО СТЕПЕНИ ОПОЛЗНЕОПАСНОСТИ И

ЕГО ГЕОДЕЗИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ

1.1 Общие сведения об оползневых процессах

1.2 Обзор научно-технической литературы

1.3 Обзор нормативно-методической литературы

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА

МЕСТНОСТИ

2.1 Требования к точности планово-высотной основы для составления цифровых моделей рельефа

2.2 Сравнительный анализ цифровых моделей рельефа оползневых склонов с различной плотностью точек

2.3 Выбор способа получения пространственных данных для создания цифровой модели рельефа

2.4 Сравнительная оценка точности планово-высотного положения точек воздушного лазерного сканирования

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ МЕТОДИКИ

ЗОНИРОВАНИЯ ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

3.1 Методика выявления оползнеопасных областей методом геодинамического потенциала на основе ГИС-технологий

3.2 Методика выявления оползнеопасных территорий методом аналогий на основе нейронных сетей

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННОЙ

МЕТОДИКИ ЗОНИРОВАНИЯ ТЕРРИТОРИИ ПО СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ

ПРОЯВЛЕНИЙ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

4.1 Краткая характеристика исследуемой территории

4.2 Построение карты зонирования по степени оползневой опасности на основе ГИС-технологий

4.3 Построение карты оползнеопасных территорий на основе нейронных сетей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение Актуальность работы. Методы геодезии в настоящее время бурно развиваются. При этом изучаются различные свойства как в целом Земли, так и отдельных ее участков. Применение геодезических измерений широко используется для наблюдений за деформациями сооружений, природных объектов и технологических систем.

Построение координатной основы – трудоемкий и специфичный вид деятельности. К примеру, до недавнего времени создание крупномасштабных карт требовало значительного времени: от нескольких месяцев до нескольких лет (в зависимости от территории съемки). Внедрение в геодезическую практику современных средств измерений и их обработки и наглядного представления существенным образом расширяет область использования геодезических методов и позволяет по-новому взглянуть на целый ряд важных прогнозных методик, использующих картографическую основу. Все больше внимания уделяется вопросу автоматизированного прогнозирования состояния земной поверхности и экзогенных геологических процессов, в частности, выделения потенциально оползнеопасных участков территорий.

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.

Важность изучения оползневых процессов подтверждается различными правительственными документами. Достаточно упомянуть Постановление Правительства РФ от 07.07.2011 № 555 (ред. от 31.01.2012) «О федеральной целевой программе «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до года».

Существует несколько методик зонирования территории по степени оползневой опасности. Одним из основополагающих факторов в них является изучение рельефа земной поверхности.

Вопросам теории и практики оползневых процессов посвящены труды Бондарика Г.К., Гулакяна К.А., Дашко Р.Э., Емельяновой Е.П., Зверева В.Л., Золотарева Г.С., Иванова И.П., Кукала З., Кутепова В.М., Кюнтцеля В.В., Ломтадзе В.Д., Маслова Н.Н., Осипова В.И., Пендина В.В., Попова И.И., Постоева Г.П., Тржцинского Ю.Б., Федоренко В.С., Фисенко Г.Л., Шустера Р., Эккеля Э.Б., Ярга Л.А. и других авторов. Эти работы обеспечивают физическую составляющую решения вопроса о зонировании оползнеопасных территорий.

Изучению вопросов определения координатной основы и точности отображения земной поверхности с помощью дистанционных методов, в том числе лазерной локации посвящены работы как отечественных ученых:

Антипова А.В., Бойко Е.С., Данилина И.М., Келля Н.Г., Корнилова Ю.Н., Середовича В.А., Широковой Т.А., так и зарубежных: Питера Аксельсона, Иммануэля Балцавиаса, Анджея Борковского, Пшемыслава Тымкова, Гжегожа Юшкува и других авторов.

Можно сказать, что созданы предпосылки к существенному продвижению исследований в направлении создания автоматизированной системы зонирования территорий по степени оползнеопасности на основе современных технологий в области геодезических съемок и их обработки. В настоящее время существуют различные геодезические способы получения цифровой модели рельефа (ЦМР).

Необходимо исследование этого вопроса для выбора наиболее подходящего из них, обеспечивающего оперативность получения координатной основы, ее точность и удобство для применения в компьютерных ГИС-технологиях, позволяющих выделение на региональном уровне оползнеопасных участков местности. В этой связи тема диссертации является актуальной.

Цель диссертационной работы. Геодезическое обеспечение регионального и оперативного зонирования территорий по степени опасности проявления оползневых процессов для повышения эффективности решения задач планирования и развития регионов.

Идея работы заключается в возможности оперативного выделения оползнеопасных участков на значительных территориях на основе применения автоматизированных средств измерений, обработки и наглядного представления земной поверхности, включающих методы воздушного лазерного сканирования и ГИС-технологии для построения цифровых моделей рельефа местности.

Основные задачи исследований:

1. Анализ состояния изученности вопроса о зонировании территорий по степени оползнеопасности и о геодезическом обеспечении;

морфометрических показателей рельефа местности;

3. Разработка автоматизированной методики зонирования оползнеопасных территорий;

4. Экспериментальная проверка разработанной методики зонирования территории по степени опасности проявления оползневых процессов.

Научная новизна 1. Установлены картографические параметры для автоматизированного описания (плотность съемочных пикетов) потенциально оползнеопасных участков рельефа местности;

применения воздушной лазерно-сканирующей сьемки применительно к зонированию оползнеопасных территорий;

компьютерных технологий, включающих ГИС и нейронные сети.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в обосновании применения современных ГИС-технологий и лазерно-сканирующих систем для разработки инженерной методики зонирования оползнеопасных территорий.

Методы исследования Аналитико-математический метод оценки погрешности получения данных воздушного лазерного сканирования, нейросетевой метод выявления оползнеопасных территорий, моделирование оползневых процессов в ГИС-среде, методы математической статистики для оценки результатов моделирования.

Научные положения, выносимые на защиту 1. Региональное зонирование оползнеопасных участков предусматривает построение цифровых моделей рельефа с применением технологии съемки на основе автоматизированных методов по регулярной сетке с обеспечением плотности съемочных пикетов не менее 4 на 100 м2.

2. Создание цифровых моделей рельефа, отображающих его особенности применительно к вопросу об оползнеопасности, наиболее эффективно выполняется с использованием технологии воздушного лазерного сканирования.

3. Реализация методики зонирования оползнеопасных участков выполняется оперативно по разработанной компьютерной технологии, включающей ГИСмодули и метод нейронных сетей.

Апробация работы Основные положения работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и конкурсах, в том числе: на Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. СанктПетербург, 2011 г.); на международной конференции «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства»

(г. Санкт-Петербург, 2011 г.); на ХVII Международной конференции в университете Природопользования (г. Вроцлав (Польша), 2012 г.) и др.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается применением современных методов математической обработки геодезической информации, а также согласованностью теоретических исследований с результатами натурных данных процесса зонирования оползнеопасных территорий в районе пос. Красная Поляна, г. Сочи.

Практическая значимость Диссертационная работа имеет практическую направленность. В ней разработан автоматизированный алгоритм зонирования территорий по степени оползневой опасности. В этой связи полученные результаты могут быть использованы проектными и строительными организациями, планирующими проведение работ на оползнеопасных территориях. Результаты исследований также будут полезны для использования в научной и учебной работе.

Личный вклад автора Автор принимал личное участие на всех стадиях диссертационной работы: в постановке основных задач, в формулировке научных положений и основных выводов диссертации.

Лично автором проводились:

– анализ состояния изученности исследования рельефа местности оползнеопасных территорий;

– моделирование условий оползнеобразования использованием ГИСтехнологий и нейронных сетей;

– выявление оптимального количества съемочных пикетов для отображения рельефа оползнеопасных склонов;

– оценка точности результатов лазерно-локационной съемки;

– разработка автоматизированного алгоритма зонирования территорий по степени оползневой опасности.

Публикации По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы Текст диссертации состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 133 страницах машинописного текста и содержит 35 рисунков, 7 таблиц, 1 приложение и список литературы из 110 наименований.

Благодарности Считаю своим приятным долгом выразить благодарность за помощь, оказанную на различных этапах работы, научному руководителю, д.т.н.

М.Г. Мустафину, а также к.т.н., доценту А.И. Науменко, к.т.н., доценту Пшемыславу Тымкову (институт «Геоинформатики и инженерной геодезии»

университета Природопользования г. Вроцлав (Польша)). Кроме того, благодарю всех сотрудников кафедры инженерной геодезии Национального минеральносырьевого университета «Горный» за полезные советы, критические замечания и содействие в подготовке диссертации.

Глава 1 Анализ состояния изученности вопроса о зонировании территорий по степени оползнеопасности и его геодезическом обеспечении Для разработки геодезического обеспечения зонирования территорий по степени оползневой опасности необходимо привести описание понятия «оползень» и условий его формирования.

1.1 Общие сведения об оползневых процессах Среди наиболее опасных геологических процессов и явлений одно из важных мест занимают оползни. Современное строительство инженерных сооружений из-за отсутствия свободных площадей зачастую выполняется у бровок склонов и на оползневых склонах, в результате чего активизируются старые оползни или развиваются новые оползневые деформации. Они являются основными показателями, развитие которых во времени характеризует собственно реализацию оползневого процесса.

Существует несколько определений понятия «оползень», и одно из таковых определений сформулировал З. Кукал: «Оползень смещение на более низкий уровень части пород, слагающих склон в виде скользящего движения, в основном, без потери контакта между движущимися и неподвижными породами» [39].

Оползень возникает вследствие нарушения равновесия склона и продолжается до достижения нового состояния равновесия. Таким образом, оползневой процесс последовательное изменение состава, состояния и свойств оползня с момента его зарождения и перемещения на другой уровень, вплоть до полного затухания [41, 43].

Оползни имеют широкое распространение и разнообразную природу образования. Основными причинами образования оползней являются:

увеличение крутизны склона или откоса вследствие подрезания, подработки или подмыва его основания;

ослабление прочности пород под действием процессов увлажнения, набухания, разуплотнения, выветривания, нарушения естественного сложения;

изменение напряженного состояния горных пород на склонах и откосах;

внешние воздействия – загрузка склона или откоса, микросейчмические и сейсмические колебания и др. [20, 45, 92].

Перечисленные причины могут вызывать оползневые деформации в отдельности, но наиболее часто наблюдается совместное их влияние.

Условия оползнеобразования – совокупность природных и антропогенных факторов, нарушающих равновесие масс горных пород [24].

Одним из важнейших условий, способствующих образованию оползней, является рельеф местности. Оползни наиболее широко распространены на участках с резко пересеченным рельефом, на высоких и крутых склонах речных долин, в горных районах и т. д. Характер рельефа местности обуславливает развитие оползневых явлений [1, 87].

Геологическое строение оказывает большое влияние на устойчивость склона. В большинстве случаев оползни приурочены к местам выхода глинистых отложений (слоям, прослоям), распространены в ослабленных зонах (слоях угля, сажи, зонах трещиноватости, тектонических нарушений и др.), наблюдаются в районах, где имеются места накопления элювиальных, делювиальных, пролювиальных образований.

Гидрогеологические условия, то есть режим влажности грунтовой толщи, определяют устойчивость склонов. Оползни чаще возникают на склонах, сложенных горными породами, имеющих в составе водонасыщенные горизонты и зоны постоянного или временного увлажнения и смачивания, нежели на склонах, хорошо дренируемых [45].

Оползни образуются при развитии сопутствующих геоморфологических процессов и явлений, таких как выветривание, подмыв и разрушение склонов, карстовые и суффозионные процессы, современные тектонические движения и землетрясения и др.

Огромное влияние на развитие оползневых процессов оказывают физикомеханические свойства горных пород, слагающих склоны [66]. Именно они определяют соотношение сдвигающих и удерживающих сил в теле оползня.

Плотность, удельное сцепление и угол внутреннего трения грунтов зависит от их гранулометрического и минерального состава, от количества влаги, а также от прочности структурных связей между частицами [16, 18].

Климатические особенности местности являются немаловажным фактором, влияющим на процесс оползнеобразования. В периоды дождей или таяния снега образуются новые оползни и разнообразные подвижки. Увлажнение пород увеличивает их массу и, соответственно, действие на них гравитационных сил.

При этом происходит ослабление прочности структурных связей в грунтах и изменение их консистенции до пластичной и текучей. Это все приводит к снижению прочностных свойств горных пород на склоне [44, 48].

Климатические условия оказывают также влияние на гидрологический режим водоемов. Оползни активно развиваются на реках с паводковым режимом, с большими скоростями потока, а также на берегах морей с интенсивным развитием волноприбойных явлений [45, 55].

Освоение территорий оказывает значительное влияние на оползневой процесс. Подрезание склонов, крутое заложение откосов, нарушение поверхностного и подземного стока и другая деятельность человека зачастую приводит к возникновению и активизации оползней. Поэтому антропогенная деятельность должна основываться на знании закономерностей оползневых процессов, для чего необходимы всесторонний подход, комплексный анализ, учитывающие как региональные, так и местные условия [45, 55].

Оползни весьма разнообразны по размерам, глубине захвата пород, форме и глубине залегания поверхности скольжения, характеру смещения земляных масс, их скорости, периодичности и т. д. Существует большое количество отечественных и зарубежных классификаций оползней, предложенных Саваренским Ф.П., Емельяновой Е.П., Поповым И.В., Масловым Н.Н., Золотаревым Г.С., Терцаги К. и др. [9]. Каждая из классификаций основана на учете факторов и условий формирования оползней.

В общем случае все оползни могут быть разделены на четыре основные группы [39, 92].

1. Структурные оползни возникают в однородных связных глинистых породах (в основном, в искусственных земляных сооружениях с крутыми откосами, насыпях и т. п.). Причиной их возникновения могут быть чрезмерная крутизна склона, перегрузка верхней части (например, инженерными сооружениями), нарушение целостности пород; подрезка склона у его подошвы;

увлажнение подошвы склона.

формируются в связных глинистых породах, залегающих в виде пластов.

Причиной возникновения контактных оползней, наряду с указанными для первой группы, является смачивание контактных плоскостей напластования подземными водами. Контактные оползни образуются на естественных склонах возвышенностей и берегах рек, в откосах выемок. При большой высоте склона оползни этого типа переходят в обвалы.

Срезающие оползни образуются на склонах возвышенностей и в долинах рек, сложенных слоистыми породами, залегающими горизонтально или с уклоном в сторону, противоположную склону. В движение одновременно приходят целые группы пластов. Причины возникновения те же, что и для контактных оползней, но в условиях более глубоких нарушений горных пород трещинами и т. п.

Причинами возникновения структурно-пластических оползней (или оползней выдавливания) являются неравномерная разгрузка горных пород, залегающая под пластичными глинами (на каналах, выемках, в долинах рек и т. п.), перегрузка склонов, увлажнение грунтов в основании. Оползни этого вида имеют место, когда в основании горных пород залегают мягкие пластичные глины. При этом в верхней части склона на поверхности земли образуются ярко выраженные оползневые террасы с глубокими трещинами.

3. Суффозионно-структурные, суффозионно-пластические, суффозионнопросадочные оползни обусловлены процессом вымывания твердых частиц породы подземными водами (суффозией).

Суффозионно-структурные оползни формируются в связных глинистых грунтах, чередующихся со слоями водоносного песка. Основной причиной их подземными водами. В отличие от структурных оползней, смещение земляных масс в этих случаях происходит без выраженной поверхности скольжения в основании склона. Оторвавшиеся массы движутся скачками, иногда с очень большой скоростью.

образуются при тех же условиях, что и суффозионно-структурные, но со слабо выраженной поверхностью отрыва. Причины их возникновения те же, что и при образовании суффозионно-структурных оползней, а также интенсивное выветривание горных пород на склонах с образованием трещин, увлажнение и разупрочнение горных пород при замораживании и оттаивании. Причиной суффозионно-просадочных оползней может также быть вынос подземными водами частиц лессовых грунтов, если ими сложено основание.

4. Оползни авто- и железнодорожных насыпей на устойчивом и неустойчивом основании. Оползни на устойчивом основании возникают при чрезмерной крутизне насыпи или обильном увлажнении ее поверхности в отсутствие водоотвода. Оползни на неустойчивом основании обычно образуются в насыпях, отсыпанных на болотах или в заболоченных поймах рек. Оползневые деформации в этом случае проявляются в виде отрыва частей насыпи друг от выдавливании из-под нее мягких илистых грунтов основания.

По механизму оползневого процесса можно выделить следующие типы оползней [22, 48]:

оползни сдвига (срезающие, консеквентные, срезающе-консеквентные);

оползни выдавливания;

оползни вязкопластичные (оползни-потоки, сплывины, оплывины);

оползни гидродинамического выноса (суффозионные);

оползни внезапного разжижения, возникающие вследствие разрушения структурных связей в слабоуплотненных глинистых породах;

оползни сложного (комбинированного) механизма.

По скорости смещения склоновые процессы разделяют на следующие три категории:

медленные смещения;

смещения со средней скоростью;

быстрые смещения.

По масштабу оползни бывают: очень мелкие (до 5 га), мелкие (5-50 га), средние (50-100 га), крупные (100-200 га), очень крупные (200-400 га), грандиозные (свыше 400 га).

Наиболее эффективной защитой от оползней является выбор места для строительства с учетом наименьшей оползневой опасности. Для оценки оползневой опасности существуют различные методы, освещаемые в научнотехнической и нормативной литературе. Ниже приведен их обзор.

1.2 Обзор научно-технической литературы Выявление оползнеопасных территорий и составление карты опасности оползневых процессов осуществляется на основе различных методологических подходов. В их основе лежит анализ и обобщение топографических, геологических и иных фактических данных, расчеты и эксперименты на моделях развития как явления в целом, так и факторов, его обуславливающих, и др.

[21, 48].

Заблаговременную оценку оползневой опасности можно именовать прогнозом оползневой опасности территории.

В настоящее время существует ряд классификаций прогнозов экзогенных геологических, в том числе оползневых процессов. Многие авторы [10, 21, 23] считают наиболее приемлемым следующую классификацию.

продолжительности (тысячи и сотни, а иногда и десятки лет, сроки эксплуатации сооружений и т. д.); 2) краткосрочные – годы и месяцы, соизмеримые со сроками строительства сооружений при значительной активизации процессов;

3) экстренные предупреждения, выдаваемые за несколько дней и часов по симптомам и другим данным о возникновении критической ситуации и о необходимости принятия срочных мер по эвакуации людей, ценностей, прекращения работы сооружений, движения по дорогам и др.

По степени достоверности подразделяются на приближенноколичественные – ориентировочные и уточненные и на качественные – Ориентировочные прогнозы выполняются для региональной характеристики процессов и обычно предназначаются для оценки инженерно-геологических условий на начальных стадиях проектирования сооружения и освоении территории, базирующиеся преимущественно на материалах специального геологического картирования.

По местопроявлению – на глобальные, региональные и локальные.

Региональный прогноз оползней предполагает определение возможности возникновения и интенсивности их развития, а также взаимодействие с сооружениями в пределах значительного района с однотипными геологическими определенным типам склоновых и других процессов, к местам их действия и чаще во взаимодействии с конкретными сооружениями, производством строительных работ и использования территории. При своей конкретности локальные прогнозы имеют наибольшее практическое значение.

Гулакяном К.А., Кюнтцелем В.В. и Постоевым Г.К. была предложена иерархическая классификация методов прогнозирования оползневых процессов (Рисунок 1.1).

Авторы выделяют две основные группы методов – региональные и локальные. Каждая из групп по форме представления результатов прогноза делится на два типа – качественное и количественное. В зависимости от методологии подхода количественные методы разделяются на два класса – детерминированные и вероятностные [14].

Региональное прогнозирование Детерминированное Вероятностное Детерминированное Вероятностное Рисунок 1.1 – Классификация методов прогнозирования оползневых [9, 21, 23, 42, 45, 47, 55, 82, 85, 89] научно-технической литературы подробно описывает использование методов локального прогнозирования оползневого процесса. Наиболее распространенными являются механико-математические методы расчета устойчивости склонов. В расчетных схемах методов учитываются многообразие типов оползней, используются схемы, связанные с формой поверхности смещения и расположения зон ослабления. Также определяется коэффициент устойчивости склона.

Существует большое количество методов прогнозной оценки устойчивости склонов, основанных на гипотезе формирования круглоцилиндрической поверхности скольжения: Терцаги К., Иванова А.И., Тэйлора Д., Крея-Бишопа, Чугаева Р.Р., Федорова И.В. и др. Широко применяется метод Соколовского В.В., базирующийся на гипотезе предельного напряженного состояния всего Маслова Н.Н. [47, 48].

Также практический интерес представляет предложенный Фисенко Г.Л.

способ построения поверхности скольжения по результатам геодезических наблюдений за движением реперов, заложенных на склоновой (откосной) поверхности [23, 86].

В настоящее время ни один проект хозяйственного освоения склонов и прилегающим к ним территорий не может быть реализован без предварительной количественной оценки их устойчивости. Поэтому вышеуказанные методы широко применяются в программных комплексах и используются инженерамигеологами.

устойчивости склонов или метод аналогий [15, 19]. Он основан на сравнении между собой различных склонов и их основных характеристик, оказывающих влияние на устойчивость. Характеристики и устойчивость изучаемого склона при этом сравниваются с уже изученными склонами. Емельяновой отмечено, что в качестве основного сравниваемого показателя наиболее рационально принимать крутизну склона. Этот показатель является основным, так как наиболее частой причиной оползней является увеличение крутизны естественных склонов при подмыве или искусственной подрезке их основания, а также придание недопустимо большой крутизны искусственным откосам. Следующим по значимости фактором, влияющим на устойчивость склона, Емельяновой отмечено геологическое строение склона, так как при одинаковом значении крутизны в различных геологических условиях не всегда создаются условия для нарушения устойчивости.

Одним из важных методов локального количественного прогноза является моделирование, задача которого – выявление условий и закономерностей формирования ситуации опасного проявления оползневого процесса и своевременного его прогнозирования. Моделирование оползневых процессов применяется для уточнения оценок устойчивости склонов, полученных аналитическими методами, выявления пространственных характеристик оползневых деформаций и др. Для этих целей используются физические и универсальных инструментов компьютерного моделирования относится метод конечных элементов [30].

К методам локального количественного прогноза относят вероятностностатистические методы прогнозирования оползневых явлений. К настоящему моменту для прогнозирования оползневых явлений в пространстве без привязки ко времени разработаны три метода, основанных на формулах теории вероятности: 1) метод Кучая В.К., использующий формулу Байеса; 2) метод определения вероятностей «оползневого потенциала» [23, 75].

Количественный региональный прогноз оползневой опасности имеет особое значение при разработке планов комплексного развития территории.

Главной задачей регионального прогноза оползневых процессов является определение области возможного их возникновения и развития как на всей исследуемой территории, так и в отдельных ее частях. Для этих целей наиболее часто применяются различные карты масштабов 1:25000 – 1:50000, позволяющие отобразить детальную прогнозную информацию. Для районов активного развития оползневых процессов, где предполагается интенсивное освоение территорий и имеется достаточное количество инженерно-геологических данных, должны составляться детальные прогнозные карты масштабов 1:2000 – 1:10000 [4, 14].

Региональная количественная оценка оползнеопасности выполняется на основе разделения изучаемой территории на группы, отличающиеся между собой по условиям формирования оползней и характеру влияния хозяйственной деятельности. При этом должны учитываться: основные литолого-генетические комплексы пород, слагающих склоны; интенсивность основных природных оползнеобразующих процессов; степень обводненности и крутизна склонов.

Региональные количественные прогнозы могут быть осуществлены на основе зонирования территории по интенсивности проявления оползневого процесса или методом оценки оползневого потенциала.

Исходная информация для этих методов может быть получена из топографических, геологических, гидрогеологических, геоморфологических, климатических, сейсмических и других карт и планов в масштабах 1:2000 – 1:200000. Кроме того, в последние годы для получения информации часто используют данные дистанционного зондирования [37].

Основная идея метода оценки оползневого потенциала заключается в определении вероятности проявления оползневых процессов в зависимости от величин вероятностей факторов, воздействующих на их образование. Величина воздействия каждого фактора при этом является независимой от влияния других факторов оползнеобразования. Применительно к региональному прогнозу рекомендуется выделять следующие факторы оползнеобразования:

породы, слагающие склоны (литолого-генетические комплексы);

гидрогеологические условия;

тектонические нарушения;

среднемноголетние суммы осадков (годовые или за характерные сезонные периоды);

крутизна склонов;

воздействие эрозии или абразии;

антропогенное воздействие (влияние различных видов деятельности человека).

Каждый фактор, влияющий на процесс оползнеобразования, можно разделить на классы, которые отличаются интенсивностью воздействия на развитие оползневых процессов.

элементарного участка определяется как вероятность суммы конечного числа событий с допущением независимости действия m параметров:

где П – знак произведения; pk – вероятность pji в совокупности m классов различных факторов конкретного сочетания из приведенного выше числа.

Величина геодинамического потенциала варьируется в интервале от 0 до 1.

На изученных опорных участках, по которым имеются данные о факторах оползнеобразования и количественных показателях, характеризующих степень распространенности активных оползней, выделяют группы участков с определенным сочетанием факторов (с учетом класса для каждого фактора) в пределах каждой группы.

Затем для каждой группы территорий по формуле (1.1) вычисляется значение оползневого потенциала.

Построение прогнозной карты осуществляется путем зонирования по значениям геодинамических потенциалов оползнеобразования. Для этого весь диапазон изменений величины геодинамического потенциала разбивается на выбранное число интервалов, и участки с близкими значениями потенциалов, попадающие в один из этих интервалов, объединяются в районы различной степени подверженности оползневому процессу [14, 15, 42]. Достоверность прогноза зависит от полноты и достоверности исходной информации. Метод является на сегодняшний день одним из завершенных, наиболее обоснованных и апробированных методов регионального количественного прогноза.

Для решения задач регионального прогнозирования оползней важно соблюдать принципиальные положения, сформулированные Федоренко В.С.

Первое принципиальное положение говорит о том, что в основе оползневого прогноза должны лежать геологические закономерности распространения и развития оползней, тем более что на основе этих закономерностей должны корректироваться результаты применения других методов – аналогий, расчетных, моделирования – и можно экстраполировать результаты исследований на другие территории.

Второй принцип: при любом прогнозе оползней обязательна корреляция региональных и зональных закономерностей их развития с локальными закономерностями и наоборот. Прогнозы будут более обоснованными, когда одновременно с мелкомасштабными региональными исследованиями по единой целенаправленной программе детально изучаются типичные оползневые участки.

осуществляться применительно к генетическим типам оползней и обвалов конкретных стадий развития и объемов, а также применительно к их парагенетическим ассоциациям. Нельзя прогнозировать оползни «вообще». При этом ассоциации надо рассматривать как естественные причинно-следственные образования затухающего или прогрессирующего развития. Отступление от этого принципа, получение интегральных характеристик без предварительных дифференциальных оценок, как правило, заканчивается далекими от действительности выводами.

Четвертый принцип: любые, в том числе долговременные и региональные, прогнозы должны основываться на знании инженерно-геологической модели оползня-прототипа или обвала-прототипа. В модели должна быть отражена и количественно охарактеризована структура типичного массива, свойства и напряженное состояние его элементов, факторы развития массива, диапазон их значений, условия и скорости их достижения. Для совершенствования этих моделей большое значение имеют математические модели, основанные на использовании современных компьютерных технологий [84].

Анализ используемых в настоящее время прогнозов оползневых процессов позволил сделать следующие выводы. Инженерно-геологическое прогнозирование представляет собой задачу по оценке предстоящего состояния природно-техногенного комплекса, включающего массив горных пород и взаимосвязанные с ним хозяйственные объекты. Целью прогноза оползневых процессов является определение пространственно-временных характеристик возможных деформаций склонов и степени их опасности для хозяйственных объектов. В 70-80-е гг. прошлого столетия основана фундаментальная научная прогнозирования оползневых процессов для территорий бывшего СССР. Задачи картирования по показателям вероятности. Наиболее предпочтительным является метод оползневого потенциала, позволяющий использовать обобщенные характеристики факторов-условий и процессов на изучаемой территории.

Физическое и математическое моделирование, а также расчеты устойчивости склонов рекомендуются для локальных прогнозов режима устойчивости склонов.

При расчетах устойчивости одним из наиболее успешно применяемых считается метод конечных элементов, решающий широкий круг задач по оценке напряженно-деформированного состояния оползневых склонов. Критерием результатов оползневых процессов. Если такая оценка не возможна, надежность прогноза проверяется идентичностью результатов, полученных различными методами. В качестве необходимой исходной информации региональных топографическая карта и карта инженерно-геологических условий развития процессов на прогнозируемой территории [35]. Выбор масштаба проводимых прогнозирования и от типов и размеров проявления оползневых процессов.

Основным выходным материалом регионального прогноза оползней должна являться карта зонирования территории по степени опасности проявления оползневого процесса.

1.3 Обзор нормативно-методической литературы устойчивости оползневых склонов» [69] является основополагающим документом, регламентирующим проведение изысканий на оползневых склонах.

В нем содержится информация о типизации оползней по механизму оползневого процесса и по генетическому признаку. Дано описание локальных и региональных методов оценки и прогноза устойчивости.

Для осуществления локальной оценки и прогноза устойчивости склонов количественными методами приведены исходные данные для проектирования и способы их получения с примерами расчетов для конкретных условий. Оценка и прогноз при этом заключается в решении плоской задачи, при которой рассматриваются условия равновесия массива горных пород шириной 1 м.

Объемная задача решается в редких случаях. Основным показателем при этом служит коэффициент устойчивости, определяемый по расчетным створам.

Количество створов зависит от сложности инженерно-геологических условий.

Документ содержит подробное описание методик расчетов устойчивости крутых уступов и откосов и расчета устойчивости коренного массива всего склона, а также расчета устойчивости склоновых накоплений способами, описанными коллективом ученых ВНИМИ, Емельяновой Е.П., Фисенко Г.Л., Масловым Н.Н., Розовским Л.Б., Зелинским И.П. Золотаревым Г.С., Качугиным Е.Г. Тихвинским И.О. и др.

Представленные в документе региональные методы оценки и прогноза устойчивости склонов основаны на расчете показателей коэффициента пораженности оползнями, коэффициента частоты оползней, и коэффициента пораженности активными оползнями. Сущность методов состоит в разделении территории на зоны, отличающиеся между собой по природным условиям формирования оползней, а также по степени интенсивности и характеру воздействия инженерно-хозяйственной деятельности. При этом в обязательном порядке должны учитываться: основные литолого-генетические комплексы пород, слагающих склоны; интенсивность основных природных оползнеобразующих процессов (особенно эрозии и абразии); степень обводненности и крутизна склонов.

В документе описаны: метод оползневого потенциала (по Гулакяну К.А., ритмичности оползневого процесса. Два последних метода даны лишь в качестве ознакомления в силу трудоемкости их выполнения. Для метода оползневого потенциала перечислены факторы оползнеобразования применительно к оползневых зон подходят для территорий, где широко развиты и часто повторяются оползни.

Таким образом, в методическом документе [69] подробно описаны методы оценки и прогнозирования оползневых проявлений в локальных и региональных количественной оценке устойчивости оползневых склонов. В документе большой интерес представляют локальные методы оценки оползневой вероятности.

Региональные методы, наиболее интересные автору диссертационного исследования, даны лишь в качестве ознакомления из-за трудоемкости вычисления без применения цифровых компьютерных технологий. Современная ситуация разрешает данные вопросы, поэтому методические разработки регионального зонирования, представленные в документе, возможно взять за основу и разработать методику регионального зонирования территорий на основе современных программных комплексов.

требования» [13] содержит информацию об общих требованиях к системе мониторинга и прогнозирования опасных геологических явлений и процессов. В краткосрочный прогнозы) предлагается использовать следующие методы и способы: районирование территорий по степени опасности проявления оползневых процессов, по степени устойчивости склонов к оползневым явлениям;

интегрированный анализ пространственно-временного распределения аномалий контролируемых параметров на региональном уровне и др. Подготовительный этап работ подразумевает создание специализированной картографической основы для исследуемой территории (в форматах ГИС). Для выполнения мониторинга оползневых явлений перечислены факторы, обуславливающие их активность, контролируемые при этом показатели и методы наблюдения.

Отмечено, что помимо традиционных методов геологического, гидрогеологического и геофизического исследований оползней, для мониторинга следует применять геодезические методы наблюдения за деформациями с использованием GPS и лазерных технологий. Иными словами, в данном нормативном документе лишь перечислены основные положения и общие требования по составу и содержанию работ, но не приведено конкретного описания методики прогнозирования оползневых процессов.

Нормативный документ СП 116.13330.2012 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов» [78] содержит основные положения по проектированию инженерных сооружений для защиты от опасных геологических явлений. Картографические материалы являются одними из исходных материалов. Для исследований приведены масштабы картографической основы. Границы распространения оползневых процессов предложено устанавливать по результатам комплексных инженерных изысканий с использованием расчетов устойчивости склонов.

Противооползневые сооружения предложено проектировать по методу предельных состояний по двум группам: полная непригодность сооружений к дальнейшей эксплуатации и непригодность к нормальной эксплуатации. Расчет устойчивости склонов в природном, проектном и промежуточном состояниях для простейших форм поверхности скольжения предложено выполнять на основе сравнения расчетного значения обобщенного сдвигающего воздействия на призму обрушения (F) и расчетного значения обобщенного сопротивления грунтового массива сдвигающему воздействию на призму обрушения (R). В общем случае расчеты устойчивости выполняются при произвольных формах поверхности скольжения с расчетом коэффициента устойчивости kst. Расчет коэффициента устойчивости склона может производиться как с использованием традиционных методов теории предельного равновесия, так и методом конечных элементов.

Оценивать опасность оползневых склонов предлагается в баллах в зависимости от их морфометрических (высота, крутизна, форма поверхности, расстояние от подошвы откоса до защищаемого объекта) и инженерногеологических характеристик (среднее число трещин, ширина раскрытия трещин, глубина трещин, направление угла падения трещин по отношению к площадке размещения защищаемого объекта, прочность скальных грунтов на одноосное сжатие Rc, степень выветрелости скального массива и сейсмичность), с составлением прогноза интенсивности осыпания продуктов.

Таким образом, в нормативном документе [78] подробно описаны способы расчета устойчивости склонов, даны рекомендации по снижению риска от проявления опасных геологических явлений (в частности, – оползней) для конкретных ситуаций. На основе расчетных значений устойчивости конкретных (локальных) склонов по методикам, рассмотренным в нормативном документе [78], становится возможным составление карты опасности оползневых явлений на региональном уровне с применением методов картографической интерполяции. С применением современных компьютерных программ есть возможность автоматизировать расчеты и составить прогнозные карты. Вместе с тем для реализации отмеченного подхода необходимо помимо значительного объема исходных данных, непосредственное участие при тестировании программ специалистов геомехаников и грунтоведов.

В нормативном документе СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов» [77] представлена информация о инженерно-геологических изысканиях на различных стадиях освоения территории в районах развития опасных геологических процессов (в т.ч. оползней).

В документе представлена программа комплексных исследований на оползневых склонах. Отмечено, что на этапе сбора и обработки материалов изысканий прошлых лет важную роль играют сбор и анализ аэрокосмоматериалов и материалов топографических съемок прошлых лет. На этой основе составляется карта распространения склоновых процессов. По результатам дешифрирования разновременных аэро- и космоматериалов выявляется большое количество факторов склоновых процессов (их наличие, распространение, границы, стадии развития, характер техногенной нагрузки и т.д.).

Обязательным элементом изысканий на оползнеопасных склонах являются расчеты устойчивости склонов (откосов).

рекомендуется проводить инженерно-геологическое районирование по естественно-историческим признакам и признакам устойчивости склонов на основе историко-геологического и сравнительно-геологического методов. При районировании необходимо выделять зоны, которые отличаются природными условиям формирования деформаций склона и категориями качественной оценки их устойчивости (устойчивые, условно-устойчивые и неустойчивые), а также различной степенью благоприятности для строительного освоения (благоприятные, ограниченно благоприятные, неблагоприятные). При типологическом районировании следует выделять оползне- и обвалоопасные участки (или их группы), относящиеся к определенному типу (подтипу) по механизму смещения, с выполнением для них локальной оценки и прогноза устойчивости склонов расчетными методами.

Таким образом, в нормативном документе [77] при проведении комплекса инженерно-геологических изысканий указана необходимость зонирования территории по степени опасности оползневых процессов традиционными для геологии методами (историко-геологический и сравнительно-геологический методы). Зоны при этом предложено выделять по категориям качественной оценки их устойчивости и степени благоприятности для строительного освоения.

В документе приведены различные методы расчета устойчивости склонов. Для проверки достоверности расчетов устойчивости предложено применять несколько методов. На выявленных оползнеопасных территориях предложено выполнять геодезический мониторинг сдвижений по поверхностным и глубинным реперам.

исследуемому вопросу, например «Рекомендации по оценке инженерногеологических и гидрогеологических условий территорий г. Москвы, планируемых к застройке на основе карт природно-техногенных опасностей» [70].

В нем перечислены методы, позволяющие определить масштабы формирования и прогноз развития опасных природно-техногенных геологических явлений и процессов, которые могут отрицательно сказаться на состоянии геологической среды и проектируемых строительных объектов. Отмечено, что одним из основных методов комплексной оценки и визуализации геологических условий и опасностей на городских территориях является картографический, основанный на полученных в результате изысканий. На стадии проекта необходим детальный уровень исследования осваиваемой территории (в масштабах 1:500 – 1:2000).

Основой построения карт являются фондовые, архивные и литературные геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические материалы (описания буровых скважин, геологические разрезы, карты). В итоге составляется компьютерная база данных инженерно-геологических скважин (представлена структура и содержание базы данных) для картографирования. В документе перечислены в качестве ознакомления методы прогноза возможности возникновения оползня в ранее неподвижных районах и на местах вероятного повторного смещения, а также меры борьбы с оползнями.

Таким образом, нормативный документ [70] содержит ознакомительную планируемых к застройке и о мерах борьбы с оползнями. В комплекс работ входит и оценка оползнеопасности. Также полезна информация о структуре и содержании базы данных для картографического метода исследования.

Отраслевой нормативный документ «Методические рекомендации по выполнению инженерно-геологических изысканий на оползнеопасных склонах и откосах автомобильных дорог» [50] распространяется на выполнение инженерногеологических изысканий оползнеопасных участков существующих и проектируемых автомобильных дорог. Приведены состав и содержание инженерно-геологических изысканий на этапах подготовительных (предполевых), полевых и камеральных работ.

На подготовительном этапе выполняется стандартный комплекс общепринятых и обязательных исследований: изучение геологического строения, гидрогеологических условий, свойств грунтов, степень устойчивости склона, оценка геологических рисков и др. По результатам подготовительных работ составляются программа изысканий и предварительная карта оползневых процессов в масштабах от 1:2000 до 1:25000. Отмечается необходимость дешифрирования аэро- и космоматериалов и аэровизуальных наблюдений. Для различных типов оползней описаны дешифровочные признаки.

Этап полевых работ включает маршрутные наблюдения, геофизические исследования, полевые исследования грунтов, гидрогеологические исследования в зоне влияния оползневого процесса и др. Особое внимание уделяется геофизическим исследованиям, используемым при обследовании состояния склонов, прилегающих к автодорогам. Отмечено, что для наблюдений за оползневыми подвижками и получения количественных характеристик смещений необходима организация геодезической реперной сети на оползневом участке и применение специальных приборов (инклинометры, экстензометры, щелемеры).

В состав камеральных работ по инженерно-геологическим изысканиям входят: лабораторные исследования грунтов и подземных вод, прогноз устойчивости склонов и откосов, оценка опасности и риска оползневых процессов, разработка рекомендаций по проектированию и содержанию сооружений инженерной защиты. Оценка опасности и риска оползневых процессов позволяет провести классификацию и ранжирование факторов оползневого риска, выявить величину оползневого риска участков автомобильных дорог и установить приоритеты при проектировании и строительстве защитных сооружений. Отмечено, что для определения частоты и вероятности оползневого события применяются: метод экспертной оценки; статистическая обработка архивных данных; метод аналогий; оценка частоты явлений, приводящих к активизации оползневых подвижек; вероятностные расчеты устойчивости склонов и откосов на основе аналитических методов. Отмечено, что для метода аналогий частоту и вероятность смещения устанавливают по четырем факторам:

топографическому, геологическому, гидрологическому и климатическому.

Вероятностные расчеты устойчивости склонов и откосов на основе аналитических методов и методы качественной и полуколичественной оценки на основании экспертного анализа всей совокупности факторов применяются на стадии предпроектных изысканий. По окончании процедуры оценки составляются карты оползневого риска и производится анализ точности полученных результатов.

Таким образом, методики, указанные в документе [50], могут быть использованы не только применительно к линейным объектам, но и к площадным.

Здесь подробно описаны задачи, которые необходимо решить на различных стадиях изысканий, порядок и необходимые методы для осуществления работ, а также источники и структура данных. Отмечено, что итогом инженерногеологических изысканий является карта оползневой вероятности, приведен их масштабный ряд для случаев с различной сложностью условий.

Приведенный выше обзор нормативной и методической документации позволяет сделать вывод о том, что локальные методы количественного описания оползнеопасных склонов рассматриваются более часто и подробно, нежели региональные методы. Однако выявление оползнеопасных зон на региональном уровне является необходимым в проектировании размещения инженерных сооружений на начальных этапах освоения территорий. В нормативных документах, которые были выпущены относительно недавно, предлагается использовать компьютерные технологии для изучения и обработки информации об оползнеопасных территориях. Основную информацию для региональных методов изучения оползнеопасных территорий предлагается получать по топографическим, инженерно-геологическим, гидрогеологическим и другим картам и планам.

Выводы по главе На основе изложенного материала можно констатировать, что вопрос выявления оползнеопасных участков на больших территориях является актуальным. Об этом свидетельствуют многочисленные научные труды и целевые разработки по созданию соответствующих методик.

используются две группы методов: региональные и локальные. Локальные методы используются для оценки устойчивости и вероятности возникновения оползнеопасности территории. Основой региональных методов являются карты зонирования территорий по степени опасности проявления оползневых процессов. Широкое практическое применение нашел метод количественного зонирования по геодинамическому (оползневому) потенциалу, предложенный Гулакяном К.А, Кюнтцелем В.В. и Постоевым Г.К.. Метод отличает полнота и достоверность исходной информации. Одним из главных элементов методики является изучение рельефа местности с определением характеризующих его морфометрических параметров. Именно это составляет основу для зонирования территорий по степени оползневой опасности.

При обзоре нормативной документации и научно-технической литературы регламентирующих качество применяемых исходных материалов для целей регионального зонирования. Больше внимания уделяется локальным методам количественной оценки оползневых склонов.

предпринимаются попытки по автоматизации выявления оползнеопасных участков. В этой связи рельеф местности рассматривается в виде цифровой пространственной информации о местности. От точности и детальности создания морфометрических характеристик. При этом остается открытым вопрос о параметрах регулярной съемки (не топографической по «Инструкции…» [28]), которая обеспечивает автоматизацию процесса построения карт и планов потенциально опасных оползневых территорий и их необходимую точность.

Выявление оползнеопасных участков земной поверхности на региональном уровне требует использования ЦМР для обширных участков. Это говорит о необходимости применения новых геодезических методов их создания.

К настоящему моменту появились новые методы, позволяющие оперативно и в автоматизированном режиме производить региональную картографическую основу. К таким следует отнести дистанционное зондирование Земли авиационной и космической техникой, оснащнной различными видами съемочной аппаратуры (космическая съемка и аэросъемка). Их следует рассмотреть в рамках настоящего исследования.

В этой связи предстоит решить следующие задачи:

1. Разработать способы получения морфометрических показателей на основе ЦМР высокого разрешения. При решении этой задачи следует изучить морфометрические признаки, характеризующих склоны оползнеопасных участков и установить, с какой точностью следует выполнять региональную съемку для построения цифровой модели рельефа. Кроме того, необходимо определить наиболее эффективный, обеспечивающий необходимую точность описания рельефа местности метод съемки для любых территорий, в том числе, покрытых густой растительностью;

2. Разработать геодезическое обеспечение методики зонирования территорий по степени опасности проявления оползневых процессов. Описать метод построения ЦМР для цели зонирования по степени оползневой опасности с разработкой автоматизации методики на основе ГИС-технологий;

3. Выполнить экспериментальную проверку разработанной методики зонирования территории по степени опасности проявления оползневых процессов.

Глава 2 Разработка методики автоматизированного определения морфометрических показателей рельефа местности 2.1 Требования к точности планово-высотной основы для составления цифровых моделей рельефа Согласно «Рекомендациям по количественной оценке устойчивости оползневых склонов» [69], одним из источников первичных данных для зонирования территорий по оползневому потенциалу являются топографические планы и карты в масштабе 1:2000 и мельче. Также в пункте 3.2 «Инструкции по топографическим съемкам…» [28] подчеркивается, что для целей составления рабочих чертежей различного назначения для районов с особо сложными условиями рельефа или геологического строения (косогор, мелкосопочный рельеф, район оползней) требуется составление топографического плана масштаба 1:2000. Вследствие этого, для целей зонирования территорий по степени оползневой опасности рационально ориентироваться на планы этого масштаба.

Картографическая точность элементов крупномасштабных топографических планов должна отвечать требованиям действующих в РФ нормативным документам: «Инструкции по топографическим съемкам…»[28], «Условным знакам для топографических планов…» [83], а также требованиям СП 11-104-97 [76].

В настоящее время с развитием компьютерной техники и программных комплексов для обработки данных геодезических измерений становится возможным составление топографических планов в виде цифровой модели местности (ЦММ). Согласно «Инструкции по фотограмметрическим работам…»

[29], точность цифровой информации указанной на цифровом топографическом плане должна быть не ниже точности, предъявляемой к графическим оригиналам.

Исходя из Инструкций [28, 29], точность пространственных координат X, Y, H, получаемых при различных видах геодезических съемок для создания ЦМР и цифровой модели местности, должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Средние погрешности в положении на карте контуров и предметов местности с четкими очертаниями относительно ближайших точек планового съемочного обоснования не должны превышать:

0,5 мм – при создании планов равнинных, всхолмленных и пустынных районов с преобладающими уклонами местности до 6°;

0,7 мм – при создании планов горных и высокогорных районов.

При создании планов капитальной и многоэтажной застройки предельные погрешности во взаимном положении точек близлежащих важных контуров (капитальных сооружений, зданий и т. п.) не должны превышать 0,4 мм.

2. Средние погрешности съемки рельефа относительно ближайших точек геодезического обоснования не должны превышать по высоте:

1/4 принятой высоты сечения рельефа при углах наклона до 2°;

1/3 при углах наклона от 2 до 6° для планов масштабов 1:5000, 1:2000 и до 10° для планов масштабов 1:1000 и 1:500;

1/3 при сечении рельефа через 0,5 м на планах масштабов 1:5000 и 1:2000.

На лесных участках местности эти допуски увеличиваются в 1,5 раза. В районах с углами наклона свыше 6° для планов масштабов 1:5000 и 1:2000 и свыше 10° для планов масштабов 1:1000 и 1:500 число горизонталей должно соответствовать разности высот, определенных на перегибах скатов, а средние погрешности высот, определенных на характерных точках рельефа, не должны превышать 1/3 принятой высоты сечения рельефа.

Согласно Инструкции [28], для перехода от средних погрешностей к средним квадратическим погрешностям (СКП) используется коэффициент, равный 1,4.

Предельные погрешности съемки контуров и рельефа, а также определения высот характерных точек не должны превышать удвоенных значений средних погрешностей. Количество предельных погрешностей не должно быть более 10% от общего числа контрольных измерений.

В пункте 2.8.1. «Инструкции по топографическим съемкам…» [28] регламентирована высота сечения рельефа на топографических планах крупных масштабов. Значения приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Высота сечения рельефа на топографических планах крупных масштабов Горный и предгорный с углами наклона более 6° 2,0* топографических планах населенных пунктов не применяются. В скобках указаны возможные (не основные) высоты сечения рельефа для топографических планов населенных пунктов.

Оползневые явления возникают на местности с ландшафтами, имеющими топографического плана масштаба 1:2000 оползневых участков должна соответствовать высоте сечения рельефа, равной 2,0 м и для населенных пунктов возможно использование высоты сечения рельефа 1,0 м.

топографических планов масштаба 1:2000, средние погрешности планового положения съемочных пикетов должны быть:

не больше 0,5 мм 2 м = 1 м – при создании планов равнинных, всхолмленных и пустынных районов с преобладающими уклонами местности до 6°;

не больше 0,7 мм 2 м = 1,4 м при создании планов горных и высокогорных районов;

не больше 0,4 мм 2 м = 0,8 м при создании планов территорий с капитальной и многоэтажной застройкой.

Средняя погрешность съемки рельефа при высоте сечения 2 м не должна превышать: 2 м / 3 = 0,66 м и 0,66 м 1,5 = 0,99 м для лесных участков местности.

Используя коэффициент 1,4, СКП планового положения съемочных пикетов должна быть:

не больше 1 м 1,4 = 1,4 м – при создании планов равнинных, всхолмленных и пустынных районов с преобладающими уклонами местности до 6°;

не больше 1,4 м 1,4 = 1,96 м в масштабе плана для горных и высокогорных районов;

не больше 0,8 м 1,4 = 1,12 м для планов территорий с капитальной и многоэтажной застройкой.

СКП съемки рельефа при высоте сечения 2 м не должна превышать 0,66 м 1,4 = 0,92 м и 0,99 м 1,4 = 1,38 м для лесных участков местности.

Приведенный материал характеризует параметры традиционного подхода к построению карт, обеспечивающий необходимую точность. В настоящей работе предполагается использование автоматизированных методов съемки территорий, в которых съемочные пикеты располагаются в регулярном порядке, и возникает задача определения достаточной их плотности.

2.2 Сравнительный анализ цифровых моделей рельефа оползневых склонов с различной плотностью точек Для выполнения зонирования по степени опасности проявления оползневых процессов требуется наиболее полное и детальное отображение рельефа как одного из основных факторов, влияющих на возникновение оползней. Рельеф формирует как прямое, так и косвенное воздействие на процесс оползнеобразования. Прямое влияние оказывает крутизна склонов, морфология речных долин, уклоны тальвегов. Косвенное влияние выражается в изменении циркуляции воздушных масс, распределении атмосферных осадков, температур, поверхностных и подземных вод и растительного покрова [91].

Оползневые склоны представляют собой характерные формы рельефа, которые имеют определенные границы и конфигурацию, подчеркивающую их своеобразие и типичные черты. Рельеф поверхности оползневого склона обычно неровный – волнистый, бугристый, с западинами. В качестве основного показателя, характеризующего оползневой склон, наиболее часто применяют крутизну склона [19]. Показатель крутизны склона удобен для оценки оползнеопасности для всех типов оползней. Крутизна склона – угол, образуемый направлением ската с горизонтальной плоскостью в данной точке. Показателем крутизны склона является его уклон, определяемый как отношение превышения местности к горизонтальному проложению, на котором оно наблюдается.

Большое значение имеет также высота и длина склонов. Так для разных случаев оползней значение предельного значения крутизны склона, при котором горные породы, его слагающие, находятся в состоянии равновесия, определяется в зависимости от разных показателей: в одних случаях это высота склона, в других – мощность покровных отложений.

Оползневые явления встречаются в горных районах и на холмистых территориях. То есть склоновые процессы, в том числе оползневые, приурочены к участкам земной поверхности, имеющим определенную крутизну склона.

Согласно методике Емельяновой Е.П. [19], вероятность возникновения оползня при крутизне склона более 19° существует на всех склонах, а при крутизне 5–7° – при неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях. Ясно, что для отображения оползнеопасных склонов достаточно выполнить традиционную топографическую съемку масштаба 1:2000. Однако при этом не будет обеспечена оперативность и экономичность прогнозирования. Этим условиям отвечают современные геодезические методы, которые осуществляют съемку так называемым регулярным методом, покрывая снимаемый объект точками с определенной плотностью. В этой связи для отображения оползнеопасного склона и создания для него ЦМР, по которой будет производиться расчет его крутизны, необходимо определить количество точек, которые в максимальной степени достоверности будут отражать характерные морфометрические признаки. Для этого необходимо провести анализ типичных оползневых участков.

Одним из способов оценки модели с количеством точек, необходимым для отображения рельефа поверхности, является способ перекрестной проверки. Из исходного массива точек часть их удаляется, и по оставшимся точкам создается ЦМР. После этого вычисляется разность (ошибка) между высотами исходной ЦМР и ЦМР, созданной по прореженному массиву точек. Процесс прореживания возможен при создании регулярной сетки ячеек и вычислении в узлах сетки высот с эталонной ЦМР. Плотность точек при этом варьируется в зависимости от размеров сторон ячейки. Далее проводится статистический анализ полученных ошибок. Данная методика позволяет оценить, какое количество точек необходимо для построения ЦМР без потери правдоподобия отображения элементов рельефа оползнеопасного склона.

Первичные данные для ЦМР приводятся к одному из двух наиболее распространенных представлений поверхности в ГИС [5, 57]: растровому представлению (GRID-модели) или модели TIN. Растровая цифровая модель рельефа представляется в виде матрицы неделимых элементов – пикселей, в узлах которых заложена информация о высотных отметках. Расстояние между пикселями определяет пространственное разрешение матрицы высот ЦМР. К данному виду могут быть приведены любые первичные данные путем интерполяции, аппроксимации и иных трансформаций. GRID-модель удобна для выполнения различных картографических операций и анализа.

TIN-модель представляет собой нерегулярную сеть треугольников (TIN – от англ. Triangulated Irregular Network) – элементов триангуляции Делоне с отметками высот в ее узлах. Это позволяет представить моделируемую поверхность как многогранную.

Изучение оползневых участков проводилось на территории площадью ~24 км2 вблизи поселка Красная Поляна в Адлерском районе города Сочи, Краснодарский край, Россия. В соответствии с картой опасных геологических процессов территории туристско-спортивного горноклиматического комплекса «Красная Поляна» масштаба 1:10000 из «Отчета…» [59], были определены зоны распространения современных оползней блокового типа (оползни покровных суглинков и глин). По форме в плане преобладают оползни фронтального типа – вытянутые вдоль склона (согласно классификации Емельяновой Е.П. [20]). Развиваются такие оползни на склонах балок крутизной не менее 15°. По глубине захвата оползни относятся к поверхностным. Ширина бровки срыва для оползней данного типа варьировала от 120 м до 220 м. Длина тела оползня составляла от 210 м до 450 м. Также на исследуемой территории встречаются единичные случаи проявления оползней, размеры которых достигают 500 м в ширину и до 1 км в длину. Но в своем большинстве на исследуемой территории распространены мелкие оползни.

Для определения количества съемочных пикетов, необходимого для описания оползневого участка, на исследуемой территории рассматривалось три контрольных оползневых склона, отличающихся общей крутизной.

Один из контрольных оползневых склонов расположен на левом борту правого притока реки Мзымта. Размеры участка в плане составили 200250 м.

Перепад высот от подошвы до бровки склона составил от 1314 м до 1406 м.

Крутизна оползневого склона составляет порядка 20°. В теле оползня также присутствуют оползневые блоки, которые придают рельефу склона бугристость.

Согласно значениям точности высотной основы ЦМР, для первого контрольного склона крутизной порядка 20°, средняя погрешность съемки рельефа для топографического плана масштаба 1:2000 при высоте сечения 2 м не должна превышать 0,66 м. Это значение принимается за пороговое при сравнении ошибок между высотами исходной ЦМР, описывающей истинную поверхность, и ЦМР, созданной на ее основе по массиву прореженных точек.

Для первого контрольного оползневого участка, обозначенного выше, было решено создать эталонную ЦМР, которая в максимальной степени будет отражать рельеф оползневого склона. Для этого в ГИС ArcGIS создана полигональная сетка, размеры ячейки которой составили 1 м (квадратная сетка). В узлах сетки был сгенерирован массив точек, которым присваивались высотные отметки, характерные для оползневого склона.

На основе этого массива точек с заданными высотами создана GRIDповерхность, размер пикселя которой составил 11 м (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Пример GRID-поверхности высот с горизонталями и Для участка 200250 м количество точек с известной высотой для создания эталонной ЦМР составило 50000. Площадь участка составляет 5 га, или 50000 м2.

50000 точек 50000 м Сравниваемые GRID-поверхности с размером пикселя 1 м были созданы на основе узлов полигональных сеток с различными размерами ячейки – 22 м, 55 м, 1010 м, 1515 м, 2020 м, для которых высоты извлекались с эталонной ЦМР.

В «Инструкции по топографическим съемкам…» [28] для создания ЦМР с применением традиционных методов – тахеометрической съемки необходимое количество съемочных пикетов определяется максимальным расстоянием между ними. Для масштаба 1:2000 и сечения рельефа 2 м это значение равно 50 м. Если условно принять это значение за размер ячейки при создании ЦМР по регулярной сетке, то возможно условно оценить соответствие получаемой согласно нормативным требованиям модели рельефа с эталонной. Для этого отдельно была создана полигональная сетка с размером ячейки 5050 м, узлам которой присваивались высоты, извлекаемые с эталонной ЦМР. По узловым точкам этой полигональной сетки интерполировалась сравниваемая GRID-поверхность с размером пикселя 1 м.

Таким образом, для оценки моделей с количеством точек, необходимым для отображения рельефа поверхности, от высот эталонной ЦМР вычитались высоты сравниваемых ЦМР. Данную операцию возможно выполнить с помощью функциональных возможностей модуля Spatial Analyst ГИС ArcGIS. В итоге для каждой пары сравниваемых ЦМР создается GRID-растр, пикселям которого присвоено значение разности высот.

Таблица 2.2 отражает данные статистического анализа ошибок между высотами эталонной и сравниваемых ЦМР, полученных на основе узлов регулярных сеток различной размерности для первого контрольного склона. В сравнении рассматривались такие статистические показатели, как средняя ошибка, нижняя граница ошибки, верхняя граница ошибки и СКП.

Таблица 2.2 – Статистический анализ ошибок между высотами эталонной и сравниваемых цифровых моделей рельефа первого контрольного склона ЦМР По данным статистического анализа разностей высот (пикселей растра) эталонной и сравниваемых ЦМР первого контрольного оползневого склона, созданных на основе регулярной сетки, был построен график общей зависимости ошибки между высотами эталонной и сравниваемых ЦМР от средней плотности точек для создания ЦМР, сгенерированных по регулярной сетке (рисунок 2.2).

Значения верхней и нижней границы ошибки отражают при этом максимальную погрешность съемки рельефа для топографического плана масштаба 1:2000 при высоте сечения 2 м.

Рисунок 2.2 – График зависимости ошибки между высотами эталонной и сравниваемых цифровых моделей рельефа от средней плотности точек Для первого контрольного оползневого склона, расположенного на левом борту правого притока реки Мзымта, по нормативным показателям точности высот ЦМР, поучаемой на основе узлов регулярной сетки, плотность точек равна 3,41 точки/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,66 м и 3,63 точки/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,66 м. При условии, что исследуемая территория была бы покрыта густой растительностью, плотность точек была бы равна 0,67 точек/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,99 м и 0,89 точек/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,99 м. При уменьшении плотности точек ниже этих значений возрастают ошибки между высотами эталонной и фактических ЦМР, которые превышают допустимые нормативные показатели. Для всех рассмотренных случаев значение СКП возрастало обратно пропорционально плотности точек и не превышало нормативного значения, рассчитанного в параграфе 2.1 (кроме случая с ЦМР, полученной по узлам регулярной сетки через 50 м).

Для визуального сравнения результатов моделирования рельефа для первого контрольного склона были построены его продольные профили по эталонной ЦМР и ЦМР, полученным по узлам регулярной сетки через 5 м и через 50 м. Результаты сравнения отражены на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Продольные профили первого контрольного оползневого Второй контрольный оползневой склон, для которого проводилось сравнение ЦМР с различной плотностью точек, расположен к северу от урочища «Пихтовая Поляна». Размеры участка в плане составили 150260 м, перепад высот от подошвы до бровки склона составил от 1303 м до 1480 м. Общий уклон оползневого склона составляет порядка 34°.

По аналогии с первым контрольным оползневым склоном, для второго контрольного склона были созданы полигональные сетки с различными размерами ячейки – 11 м, 22 м, 55 м, 1010 м, 1515 м, 2020 м, 5050 м. В узлах полигональной сетки 11 м был сгенерирован массив точек, которым присваивались высоты, характерные для второго оползневого склона. На основе этого массива точек с заданными высотами создана эталонная GRID-поверхность, размер ячейки которой составил 11 м. Для участка 150260 м количество точек с известной высотой для создания эталонной ЦМР составило 39000. Площадь участка составляет 3,9 га, или 39000 м2. Плотность точек для построения ЦМР таким образом составляет 1 точка/м2, или 100 точек/100 м2.

Точкам массива, полученным в узлах полигональных сеток с размерами ячеек 22 м, 55 м, 1010 м, 1515 м, 2020 м и 5050 м, присваивались высоты с эталонной GRID-поверхности.

Таблица 2.3 отражает данные статистического анализа ошибок между высотами эталонной и сравниваемых ЦМР, полученных на основе регулярных сеток различной размерности для второго контрольного участка.

Таблица 2.3 – Статистический анализ ошибок между высотами эталонной и сравниваемых цифровых моделей рельефа второго контрольного склона По данным таблицы 2.3 был построен график общей зависимости ошибки между высотами эталонной и фактических ЦМР от средней плотности точек, необходимых для создания ЦМР (рисунок 2.4).

Ошибка между высотами эталонной Рисунок 2.4 – График зависимости ошибки между высотами эталонной и сравниваемых цифровых моделей рельефа от средней плотности точек Для второго контрольного оползневого склона, расположенного к северу от урочища «Пихтовая Поляна», по нормативным показателям точности высот ЦМР, 3,75 точек/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,66 м. При условии, что исследуемая территория была бы покрыта густой растительностью, плотность точек была бы равна 0,68 точек/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,99 м и 0,90 точек/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,99 м.

При уменьшении плотности точек, необходимых для создания ЦМР второго контрольного склона, ниже этих значений возрастают ошибки между высотами эталонной и сравниваемых ЦМР, которые по своему значению превышают допустимые нормативные показатели. Значение СКП при этом возрастало обратно пропорционально плотности точек и не превышало нормативного значения, рассчитанного в параграфе 2.1 (кроме случая с ЦМР, полученной по узлам регулярной сетки через 50 м).

Для визуального сравнения результатов моделирования рельефа второго контрольного склона были построены его продольные профили по эталонной ЦМР и ЦМР, полученным по узлам регулярной сетки через 5 м и через 50 м.

Результаты сравнения отражены на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Продольные профили второго контрольного оползневого Третий контрольный оползневой склон, для которого проводилось сравнение ЦМР с различной плотностью точек, был выбран на правом борту реки Ачипсе неподалеку от поселка Сланцевый Рудник. Размеры участка в плане составили 120200 м, перепад высот от подошвы до бровки склона составил от 543 м до 721 м. Общий уклон оползневого склона составляет порядка 42°.

Для третьего контрольного склона были созданы аналогичные первому и второму контрольным склонам полигональные сетки с различными размерами, по узлам которых создавались ЦМР. Для участка 120200 м количество точек с известными высотами для создания эталонной ЦМР составило 24000. Площадь участка составляет 2,4 га, или 24000 м2. Плотность точек для создания ЦМР таким образом составляет 1 точка/м2, или 100 точек/100 м2.

Таблица 2.4 отражает данные статистического анализа ошибок между высотами эталонной и сравниваемых ЦМР, полученных на основе массивов точек регулярных сеток различной размерности для третьего контрольного участка.

Таблица 2.4 – Статистический анализ ошибок между высотами эталонной и сравниваемых цифровых моделей рельефа третьего контрольного склона По данным таблицы 2.4 был построен график общей зависимости ошибки между высотами эталонной и фактических ЦМР от средней плотности точек для создания ЦМР (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – График зависимости ошибки между высотами эталонной и сравниваемой цифровых моделей рельефа от средней плотности точек Анализ графиков и статистических значений для третьего контрольного оползневого склона, расположенного на правом борту реки Ачипсе неподалеку от поселка Сланцевый Рудник, показал, что по нормативным показателям точности высот ЦМР, поучаемой на основе узлов регулярной сетки, плотность точек равна 3,34 точки/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,66 м и 3,62 точки/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,66 м. При условии, что исследуемая территория была бы покрыта густой растительностью, плотность точек была бы равна 0,72 точек/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,99 м и 0,84 точек/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,99 м. Так же, как и для первого и второго контрольного оползневого склона, при уменьшении плотности точек ниже этих значений возрастают ошибки между высотами эталонной и фактических ЦМР, которые по своему значению превышают допустимые нормативные показатели. Значение СКП превысило нормативное значение, рассчитанное в параграфе 2.1 только в случае с ЦМР, полученной по узлам регулярной сетки через 50 м).

Для визуального сравнения результатов моделирования рельефа для третьего контрольного склона был построен его продольный профиль по эталонной ЦМР и ЦМР, полученным по регулярной сетке через 5 м и через 50 м.

Результаты сравнения отражены на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Продольные профили третьего контрольного оползневого Таким образом, на рассмотренных оползневых склонах, крутизна которых более 15°, была определена минимальная плотность точек, необходимая для создания достоверной ЦМР. Увеличение крутизны склона не влияет на минимальное количество точек для создания по ним ЦМР. Анализируя полученные значения плотности точек для трех контрольных оползневых участков, отличающихся по своей конфигурации и общей крутизне склона, можно сделать следующий вывод: плотность точек, необходимая для создания ЦМР оползневых склонов для целей выявления оползнеопасных областей, должна быть не менее 4 точек/100 м2.

На основе проведенных выше исследований было сформулировано первое защищаемое положение: региональное зонирование оползнеопасных участков предусматривает построение цифровых моделей рельефа с применением технологии съемки на основе автоматизированных методов по регулярной сетке с обеспечением плотности съемочных пикетов не менее 4 на 100 м2.

2.3 Выбор способа получения пространственных данных для создания цифровой модели рельефа Геодезическое обеспечение регионального зонирования территорий по степени опасности проявления оползневых процессов подразумевает создание цифровой модели рельефа. Обработка ЦМР позволяет получить основные морфометрические показатели, необходимые при выявлении оползнеопасных территорий. Поскольку региональное зонирование выполняется на обширных территориях, важным в создании ЦМР является выбор эффективного геодезического метода сбора пространственных данных, который обеспечивает оперативное автоматизированное получение картографической информации с заданной точностью и необходимым объемом информации, а также сокращающего сроки выполнения работ. Создание ЦМР входит в комплекс работ по топографической съемке.

нормирующей создание топографических планов крупных масштабов, топографические съемки выполняют стереотопографическим, комбинированным аэрофототопографическим, мензульным, наземным фототопографическим (фототеодолитная съемка), тахеометрическим или теодолитным методами.

Действующая на настоящий момент времени «Инструкция…» была введена в 1983 году, поэтому часть методов перестала использоваться ввиду их трудоемкости и невозможности автоматизации, а также появились новые методы создания топографических планов. Так, для создания топографических карт и планов широко применяется космическая и авиационная стереосъемка (оптическая, радиолокационная), а также воздушное лазерное сканирование (ВЛС). Кроме того, существует метод получения ЦМР по одиночным оцифровка горизонталей и высотных пунктов существующих топографических карт с последующим получением ЦМР в соответствующем программном обеспечении [7].

Авиационная стереосъемка (стереотопографический метод) является основным методом производства и обновления топографических карт и планов [40]. Использование этого метода является обязательным, что закреплено официально действующими нормативными документами [28, 29, 76]. Однако, согласно инструкции по топографическим съемкам в масштабах 1:500 – 1: [28], пункт 12.2 гласит: «Стереоскопическая съемка рельефа при создании планов в масштабах 1:5000 и 1:2000 с сечением рельефа через 1 м и 0,5 м не должна применяться на территориях, покрытых сплошной высокой растительностью (леса, парки, кустарники, камыши), а в масштабах 1:1000 – 1:500 – и на объектах с аэрофотосъемка не является оптимальным методом для любой территории, так как информацию о рельефе получают стереоскопическим способом, нанося горизонтали по поверхности деревьев, а затем опускают на высоту растительности.

Космические съемочные системы в зависимости от спектрального диапазона съемки, используемого для получения снимков (световой – видимый, ближний и средний инфракрасный диапазон, тепловой инфракрасный диапазон и радиодиапазон), позволяют формировать различные типы снимков [36, 101]. Для создания ЦМР наибольший интерес представляют:

ПЗС-снимки (получаемые с помощью оптико-электронных систем с ПЗС-приемниками излучения и передаваемые со спутника по радиоканалам). Как и фотографические снимки, они регистрируют оптические характеристики изучаемой территории. ПЗС-снимки обладают высоким пространственным разрешением (от менее чем 1 м до 10-45 м).

Радиолокационные снимки (получаемые при регистрации отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя). На радиолокационных снимках отображается рельеф поверхности, особенности структуры и породы, слагающие поверхность, тип растительного покрова. Пространственное разрешение таких снимков варьирует от 2 до 100 м [68, 88].

Однако, для получения ЦМР по ПЗС-снимкам необходимо наличие стереопары и определенного количества опорных точек. При этом, как и в случае с аэрофотосъемкой, рельеф получают стереоскопически, что неприемлемо для составления ЦМР высокого разрешения для топографических планов крупных масштабов.

Для получения ЦМР по радиолокационным снимкам необходимо наличие интерферометрической пары радиолокационных снимков земной поверхности. Но ЦМР, получаемая после обработки радиолокационных снимков, может быть использована для топографической съемки рельефа с сечением более 5 м [81], что также является недостаточным для топографических планов крупных масштабов.

Работы по съмке рельефа с применением спутникового позиционирования проектируют для тех случаев, когда проведение таких работ с использованием данной технологии выгодно и технико-экономически обосновано [12, 72].

Спутниковая технология используется для достаточно открытых территорий с различными типами рельефа, возможно, при наличии невысоких построек. В процессе обоснования рациональности использования GPS-съемки на территории выявляют имеющиеся естественные и искусственно созданные объекты, препятствующие прохождению радиосигналов от спутников [27]. Кроме того, для целей создания ЦМР территорий, имеющих значительные площади, применение спутникового позиционирования оказывается нерациональным и очень трудозатратным.

В последние десятилетия для получения ЦМР для топографических планов крупного масштаба применяется тахеометрическая съемка. Точность такой модели зависит от количества съемочных пикетов. А количество таких пикетов бывает ограничено сложными условиями территории, в частности рельефом местности и крутизной склонов. Кроме того, тахеометрическая съемка требует наличия опорных пунктов геодезических сетей для привязки тахеометрических ходов, которые могут отсутствовать на снимаемой местности. В этом случае для планово-высотного обоснования тахеометрических съемок применяют другие геодезические методы, например спутниковое позиционирование. Это затрудняет выполнение тахеометрической съемки [26, 33].

Одним из сравнительно новых методов сбора пространственной информации об объектах местности является лазерное сканирование – наземное и воздушное [40].

Лазерное сканирование основано на методах измерения наклонной дальности – импульсном и фазовом, причем в воздушных лазерно-сканирующих системах в настоящее время используется только импульсный метод, а в наземных сканерах – и импульсный, и фазовый [25, 40, 49, 73]. Сканер излучает лазерный луч, который, отразившись от поверхности объекта, возвращается к прибору. По времени прохождения сигнала определяется расстояние до точки отражения. Итогом съемки является «облако точек».

После получения облака точек производится обработка результатов измерений: сшивка, уравнивание «сканов» и создание точечной модели с последующей векторизацией измеренных объектов местности [58, 94].

Технология обработки данных, необходимых для построения ЦМР по данным лазерного сканирования также включает такие процедуры, как классификация – выбор из облака точек лазерного отражения (ТЛО) тех, которые отраженны от земной поверхности, и триангуляция Делоне по точкам, выделенным в процессе классификации в класс «земля» [110].

Для составления контурной части топографических планов в комплексе с воздушным лазерным сканером используют цифровую фотокамеру для проведения дешифрирования по полученным снимкам [90].

Для обобщения результатов обзора методов создания топографических планов крупных масштабов составлена сравнительная таблица (таблица А.1, Приложение А) для выбора оптимального метода сбора пространственной информации для получения ЦМР для целей регионального зонирования по степени опасности проявления оползней.

Тахеометрическая съемка является традиционными способом получения топографических планов крупных масштабов. Если не брать в учет сроки проведения работ и их трудоемкость, тахеометрическая съемка может вполне соответствовать предъявляемым для целей зонирования требованиям. Но полнота ЦМР зависит от количества съемочных пикетов и от семантической информации, которую несет каждый пикет. Тем самым существует вероятность создания неполной модели рельефа.

Аэрофотосъемка и космическая съемка в оптическом диапазоне не являются универсальными для получения ЦМР для топографических планов крупных масштабов в силу стереоскопического получения высот пикетов на территориях, покрытых густой растительностью. Космическая съемка имеет более низкое пространственное разрешение в сравнении с аэрофотосъемкой и используется для целей глобального наблюдения за земной поверхностью.

ВЛС позволяет создавать ЦМР для любых территорий, что является преимуществом по отношению к другим видам топографических съемок. Важным фактором применения ВЛС является относительная простота реализации методики сбора пространственных данных. Паспортная точность измерений координат наземных объектов и элементов рельефа по результатам съемки составляет 10-20 см, что делает возможным использование данных ВЛС для построения топографических планов масштабов крупных масштабов.

ВЛС обладает рядом преимуществ. Самое главное из них – высокая производительность метода. За один день возможно произвести съемку до 1000 км2. При этом затраты времени на камеральную обработку результатов примерно схожи со временем выполнения полевых работ, что позволяет обрабатывать и оценивать качество результатов на месте проведения съемки.

Такая производительность превосходит возможности традиционной аэрофотосъемки, требующей сложной камеральной обработки и значительных трудозатрат.

Следует отметить, что применение ВЛС особенно актуально для лесных территорий, так как сигнал проходит сквозь плотную листву деревьев и отражается от поверхности земли.

При выполнении аэрофотосъемки в комплексе с ВЛС не требуется проведения работ по планово-высотному обоснованию аэрофотоснимков, что позволяет работать в удаленных и труднодоступных районах, где традиционные методы неприемлемы.

Кроме того, по результатам ВЛС становится возможным получение ТЛО с плотностью, необходимой для создания ЦМР для целей выявления оползнеопасных территорий. Плотность сканирования самых современных воздушных лазерных сканеров достигает 8-10 точек на 1 м2, из которых порядка одной-двух на 1 м2 приходится на точки, соответствующие поверхности земли [6, 49, 63, 71]. В параграфе 2.2 установлено, что для целей выявления оползнеопасных зон требуется плотность не менее 4 точек на 100 м2. Применение традиционных способов получения геодезической информации (тахеометрическая съемка) с такой плотностью точек для значительных территорий крайне затруднительно.

Таким образом, можно предположить, что среди всего многообразия геодезических методов получения топографических планов, а, следовательно, и реалистичной и содержательной модели рельефа для целей регионального зонирования по степени опасности проявления оползней наиболее предпочтительным является ВЛС. Для подтверждения этого предположения необходимо провести оценку точности данных ВЛС и сравнить полноту ЦМР, получаемых на основе тахеометрической съемки и ВЛС.

2.4 Сравнительная оценка точности планово-высотного положения точек воздушного лазерного сканирования Для того чтобы определить возможность использования ЦМР, полученной на основе данных ВЛС в качестве основы для регионального зонирования территорий по степени опасности проявления оползневых процессов, необходимо произвести исследование точности полученных результатов в соответствии с требованиями «Инструкции по топографическим съемкам…» [28]. Требования были определены в параграфе 2.1 для масштаба 1:2000 и высоты сечения рельефа ВЛС проводилось для территории вблизи поселка Красная Поляна в Адлерском районе города Сочи, Краснодарский край, Россия. Площадь участка составила ~ 24 км2. Процедура лазерного сканирования и обработка результатов выполнялись в сентябре 2011 г. на базе ООО НПП «Бента». Для съемки применялся воздушный лазерный сканер ALS70-HP фирмы Leica Geosystems.

Расчет параметров ВЛС выполнен по формулам, представленным в статье Baltsavias E.P. [95] по паспортным значениям технических характеристик лазерного сканера [104, 105] и следующих условий:

масштаб съемки 1:m = 1:2000;

высота сечения рельефа h = 2 м;

длина участка, подлежащего съемке L = 8,2 км;

ширина участка, подлежащего съемке W = 3,6 км.

Одним из важнейших параметров является высота полета. При выборе высоты съемки необходимо учитывать нижнюю границу облачности. Среднее значение нижней границы облачности для пос. Красная Поляна (по данным съемочных работ составила 800 м. Выше этой границы выполнять съемку не рекомендуется. Таким образом, в качестве приближенного значения высоты сканирования Н можно принять значение равное 750 м.

В ходе расчетов получены следующие основные параметры ВЛС для исследуемой территории:

высота съемки Н = 750 м;

частота зондирующих лучей F = 368000 Гц;

частота сканирования fскан = 100 Гц;

угол развертки сканера = 44°;

количество точек в одной линии сканирования N = 3680;

ширина полосы сканирования SW = 606м;

плотность точек сканирования d = 10,3 точки/м2;

скорость полета воздушного судна v = 210 км/ч;

расстояние между смежными маршрутами D = 515 м;

число маршрутов n = 7;

площадь участка, покрытого ТЛО А = 37,71 км2;

длина базиса фотографирования B = 240 м;

интервал аэросъемки = 4,06 с;

общее число аэроснимков Nc = 259;

время, необходимое на выполнение аэросъемочных работ Ts = 0,3 ч.

Камеральная обработка результатов лазерного сканирования включает [94]:

1. Трансформацию ТЛО в локальную систему координат и «нарезку» на участки;

2. Классификацию ТЛО;

3. Создание ЦМР;

4. Построение ортофотоплана по цифровым аэрофотоснимкам.

Для камеральной обработки результатов использовалось ПО MicroStation с приложениями компании Terrasolid – модули TerraScan, TerraModeler, TerraMatch, TerraPhoto.

Основным этапом получения данных для создания ЦМР является этап классификации облака ТЛО [96]. На данном этапе множество ТЛО разделялось на подмножества – классы «Земля», «Растительность» и т.д. в программе TerraScan.

Здесь также выполнялась фильтрация шумов и «переотраженных» сигналов.

Классификация облака точек выполнялась сначала в автоматическом режиме.

исправлены вручную (ручная реклассификация).

Таким образом, по результатам ВЛС и камеральной обработки результатов для исследования точности планово-высотного положения точек ВЛС был получен массив данных, содержащий ТЛО класса «Земля».