铁路泥石流多时相遥感技术及动态信息提取

摘要

采用遥感技术监测西南地区铁路泥石流的动态演化过程，关键是获取泥石流信息的多时相遥感能力以及从多时相图像中提取泥石流动态信息的方法。比较国内外有关研究工作和成果、研究方法和现状，在我国西南多云雾地区实施和开展泥石流遥感研究亟待解决的问题是：(1)研究与现有航空、航天遥感系统互补、获取多时相、大比例尺遥感图像的云下低空遥感技术；(2)研究多时相遥感图像中泥石流动态演化特征信息的提取方法。
　　 大比例尺遥感图像是泥石流研究的重要数据源。以铁路泥石流及类似工程地质灾害和突发事件的低空遥感为目的的云下低空遥感技术，弥补了现有航空、航天遥感系统不易获取多时相大比例尺遥感图像的不足。用系统工程的研究方法，对系统进行功能需求分析后，确定的技术指标为：(1)低空遥感飞行真高在几十至几百米之间；(2)有效飞行半径不小于十公里；(3)可以搭载通用摄影机和数字成像传感器、具备视频流图像记录与实时传输能力。全面比较了国内外的低空遥感系统技术、应用领域与实例后，在系统的安全性、快速响应能力、多用途、效益/成本比、模块化等多个指标间进行优化组合，选择无人遥控飞艇为飞行平台。在系统的设计过程中，运用可靠性分析技术建立了低空遥感的基本可靠性模型，建立了单次遥感实施的任务可靠性模型和系统的故障树。用FMEA(Fault Mode Effect Analysis)、FMECA(Fault Mode Effect and Criticality Analysis)方法结合故障树的最小割集对系统的潜在故障原因进行了分析。通过系统的可靠性增长研究，分别对舱体结构、囊体结构、遥控系统、人-机交互界面进行了改进，尤其是针对飞艇这种浮空式飞行器发生故障后可能长时间悬浮在大气层中的严重后果，在艇载控制系统里设计了软、硬件混合的故障应急安全系统。在西南交大九里小区空域和成昆线峨边车站进行遥感飞行试验，获取了比例尺1∶3200的120规格和比例尺1∶2800的135规格的胶片，利用摄像机和微波无线实时传输系统获取了可见光视频磁带，完成了国内首次山区铁路低空飞艇遥感试验。建立了飞艇低空遥感系统在维护阶段、进场阶段、遥感实施阶段的相关规章和条例。针对沿铁路线长距离、多区域遥感作业中的飞艇转场建立了遥控接力工作模式。试验表明以低成本及时获取大比例尺遥感图像的云下飞艇低空遥感技术，是泥石流动态信息分析的重要保障。
　　 从多时相、大比例尺遥感图像提取泥石流固体松散物质储量动态变化信息，基于多时相遥感图像中地形信息的利用。多时相DEM(数字地形模型)是求算体积差的基础数据。体积差的准确度和精确度直接影响堆积和流失量的准确度和精确度以及以此数据为依据所建立的地质分析模型的正确性。因此，提高泥石流流域多时相DEM的匹配精度，是保证泥石流固体物质计量精度的前提。影响泥石流地区多时相DEM匹配精度的主要问题是由于地形、地貌侵蚀改造后找不到同名点对。针对泥石流沟不同坡度区位地形被侵蚀、改造的程度和形式的不同，分析一般意义下一般山地地形与山区泥石流沟地形变化规律的共同点和差异点，建立了泥石流沟地形变化在DEM中真误差与随机误差不可分离的情况下，弱化真误差对观测方程影响的算法模型：依原始地形坡度不同对观测方程中DEM高程差取不同的采信度。将用于航片绝对定向的无控制点匹配算法MLZD(稳健的最小高程差)改进为针对泥石流流域多时相DEM无控制点匹配的MBLZD(稳健的可变采信度最小高程差)算法。以该区1957年和1987年所获取的航空遥感图像生成的DEM为基准数据，分别用MLZD和MBLZD算法对试验区2个时相DEM进行匹配，用20个已知点对匹配结果进行匹配精度比较，MBLZD匹配算法结果全部优于MLZD算法结果。与MLZD算法结果相比，MBLZD算法结果的误差均值低2个数量级，最小误差值低一个数量级，MBLZD算法结果的最大误差值相当于MLZD算法结果的1/3，方差值相当于1/4。
　　 多时相遥感图像是泥石流信息动态分析的基础。用解译的二维平面信息，对泥石流进行分析、预测是长期以来专业人员的研究模式。由于很多遥感图像没有第三维的高程信息或没有可用精度的高程信息，对泥石流沟的侵蚀状况的评价，仍然采用定性的方法。本文采集了泥石流全流域水平投影面面积，地面沟谷水平投影面面积，沟谷的边缘长度作为基本数据，构建了侵蚀度公式。以3条支沟1957年1984年和1987年的多时相DEM计算得到的真实流失量为判据，对侵蚀度和导出的侵蚀速率与泥石流沟状态和实际流失量的相关性进行了非参数检验，结果表明侵蚀度与侵蚀速率与泥石流沟状态及实际流失量在秩统计量和次序统计量具有一致的趋势相关性。根据活跃期泥石流固体物质补充和流失的准周期性循环平衡过程，建立了用侵蚀速率与侵蚀加速度预测泥石流发展趋势的分析模式。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1形成泥石流的基本机理

1.2泥石流遥感研究的方法与手段

1.3国内外泥石流遥感研究的现状

1.3.1泥石流遥感研究的内容

1.4西南山区铁路泥石流动态遥感研究的制约因素

1.4.1几何分辨率和时相分辨率的制约

1.4.2信息提取与利用的研究深度

1.5泥石流遥感研究瓶颈问题的系统解决方案

1.5.1获取多时相、高几何分辨率遥感图像

1.5.2多时相信息提取和信息挖掘

1.6论文的课题来源及研究内容

1.6.1构建以飞艇为平台的低空遥感监测体系

1.6.2建立铁路低空遥感监测模式

1.6.3提高泥石流固体物质计量精度的方法研究

1.6.4遥感图像平面信息量化评价泥石流侵蚀程度的方法研究

第2章 低空遥感技术体系建立及其应用模式

2.1低空遥感系统功能分析与模块化设计

2.1.1低空遥感系统的设计理念

2.1.2系统功能需求分析

2.1.3系统选型与模块化结构设计

2.2低空遥感系统的可靠性分析

2.2.1低空遥感监测系统的基本可靠性分析

2.2.2低空遥感系统任务可靠性模型分析

2.2.3低空遥感系统故障树的建造

2.3低空遥感系统可靠性增长

2.3.1系统基本可靠性增长研究

2.3.2遥感飞行任务可靠性增长研究

2.3.3遥控系统的可靠性增长研究

2.3.4遥控单元的冗余设计

2.3.5安全控制系统设计

2.3.6人-机交互界面的可靠性增长

2.4山区铁路低空遥感监测模式

2.4.1低空遥感任务实施流程

2.4.2低空遥感系统研制

2.4.3遥感试验

第3章 提高固体物质计量精度的关键问题研究

3.1数字高程模型及其应用

3.1.1 DEM的应用现状

3.1.2基于DEM的泥石流松散固体物质体积变化的求算

3.2影响泥石流固体物质储量数据计量精度的关键问题

3.3无控制点表面匹配及探测技术

3.3.1三维自由表面无控制点匹配的LZD算法

3.3.2 LZD匹配算法应用于多时相DEM匹配的局限性

3.3.3泥石流沟多时相DEM误差的物理模型与数学模型

3.3.4基于信任度因子的MBLZD匹配算法

3.4不同匹配算法的精度比较

第4章 基于遥感图像平面信息量化评价泥石流沟侵蚀程度的研究

4.1泥石流沟侵蚀度的建模

4.2非参数统计检验方法

4.3侵蚀度与侵蚀速率的有效性检验

4.3.1侵蚀度与山体剩余参考体积的相关性检验

4.3.2侵蚀速率与固体物质年平均流失量的相关性检验

4.3.3侵蚀速率用于泥石流趋势预测的研究

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文与研究成果