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激光扫描技术支持下的山区公路边坡安全风险评价体系研究

刘洋洋  
【摘要】:作为公路安全领域长久以来的技术难题,现有技术方法很难全面有效的对山区公路边坡进行安全风险评价,而与此同时,山区公路边坡的灾害防治形势愈发严峻,滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害频频发生,给群众安全和公路建设造成了巨大威胁。边坡安全问题直接关系到公路的长期稳定运营和人民的生命财产安全,因此,目前需要将更多的新技术和新方法引入到山区公路边坡安全风险评价中,并建立一个系统完整的评价体系,以求获取更全面更准确的评价结果,从而为公路边坡防灾减灾工作提供有力的决策支持,将边坡地质灾害风险和灾害可能造成的破坏损失降到最低。针对上述问题,本文结合测绘工程、公路工程、边坡工程以及安全工程等多个交叉学科的先进知识体系,以测绘行业、交通部和应急管理部的相关规定标准为参考,以三维激光扫描技术、基于激光回波原理和Fisher判定法则的陡坡点云滤波算法、基于IGG稳健估计理论和格网最近相邻点查询的改进ICP无控制匹配算法、NURBS高精度曲面模型重建技术、改进熵权集对分析模型以及AHP-模糊综合评价法等多种先进技术方法为支撑,以山区公路边坡危险性宏观评价指标体系和山区公路灾害易损性评价指标体系为基础,以山区公路边坡危险性宏观评价、山区公路边坡危险性微观评价以及山区公路灾害易损性评价为骨架,搭建一个系统全面的、多方法结合应用的山区公路边坡安全风险评价新体系。本文主要研究成果及创新点如下所示:(1)构建一种基于熵权集对分析和三维激光扫描技术的公路边坡危险性评价模型。该模型将边坡危险性宏观评价和微观评价进行了有机结合,先采用改进熵权集对分析模型对公路边坡进行整体的宏观评价,再利用三维激光扫描技术进行深入的微观评价。研究结果表明,该模型能先通过宏观评价方法(熵权集对分析)确定研究区各个边坡的整体危险等级,并从中找出危险性较大的边坡;然后再通过微观评价方法(基于激光扫描的边坡形变位移分析)找出危险边坡中的具体危险区域(灾害隐患点),从而实现由宏观到微观、由整体到局部、由面到点的山区公路边坡危险性立体式评价,并由此获得更完整更全面的评价结果,同时,这也为公路边坡危险性评价研究开辟了一种新思路。(2)构建由边坡地形、岩土地质、气象水文和其他因素等4大因素共14项核心指标所组成的山区公路边坡危险性宏观评价指标体系。基于联系度可拓展原理,对集对分析理论进行优化改进,并结合熵权法,构建一种改进熵权集对分析模型。研究结果表明,改进熵权集对分析模型和其他传统评价方法的的评价结果基本一致,体现出良好的准确性,说明将该模型应用到边坡危险性宏观评价中是可行的,同时,这也为公路边坡危险性宏观评价研究提供了一种新方法。(3)边坡点云处理的好坏直接关系到边坡形变分析(危险性微观评价)结果的准确性,因此本文对边坡点云处理相关算法进行了深入的探索和研究。构建一种基于激光回波原理和Fisher判定法则的陡坡点云滤波算法,该算法先利用激光回波原理对点云数据进行粗分类,再通过Fisher判定法则对粗分类后的剩余点云进行精分类。研究结果表明,相比其他滤波算法,文中算法的滤波总误差率最小,体现出了良好的滤波精度。构建一种基于IGG稳健估计和格网最近相邻点查询的改进ICP无控制匹配算法,该算法不仅能利用IGG稳健估计理论加强ICP算法的抗差能力,还能通过格网最近相邻点查询思想提高ICP算法的运算效率。研究结果表明,相比传统ICP算法,文中改进ICP算法具有更快的计算速度和更强的抗差能力,从而有效提高了点云匹配效率和匹配精度。将NURBS建模技术引入到山区公路边坡高精度模型重建中,研究结果表明,相比三角面片模型和DEM模型,NURBS曲面模型对山区公路边坡表面细节的表达更加完整和准确,对复杂地形边坡的拟合度也更好,其模型效果更能贴合山区公路边坡地形的真实起伏状态。(4)构建由社会经济、道路工程和公路防护等3大因素共8项核心指标所组成的山区公路灾害易损性评价指标体系,并采用AHP-模糊综合评价法实现了山区公路灾害易损性的定量和定性综合评价。研究结果表明,AHP-模糊综合评价法的评价结果与专家现场定性分析结果基本一致,体现出良好的准确性和适用性,说明采用该方法对山区公路灾害进行易损性评价是合理且可行的,同时,这也为山区公路灾害易损性评价研究提供了一种新参考。(5)基于文中构建的山区公路边坡安全风险评价体系,对修武县太行山区某公路边坡进行应用实验。实验结果如下:首先,通过边坡危险性宏观评价结果可知,研究区2号、3号边坡危险性较小,1号、4号和5号边坡危险性较大;其次,通过边坡危险性微观评价找出了1号、4号和5号危险边坡中的具体危险区域;然后,通过公路灾害易损性评价结果可知,研究区公路灾害易损性等级为Ⅳ级(极高);最后,针对危险性较大的边坡,提出了相应的灾害防治建议。


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