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云阳宝塔滑坡监测的变形模式识别与分析

云阳宝塔滑坡监测的变形模式识别与分析

第31卷第1期2006年1月

测绘科学

ScienceofSurveyingandMapping

Vol 31No 1

Jan

云阳宝塔滑坡监测的变形模式识别与分析

刘旭春

,张正禄

( 武汉大学测绘学院,武汉 430079; 北京建筑工程学院测绘工程系,北京 100044)

!摘 要 根据变形观测的位移矢量,识别变形体及其运动模式,是变形分析的一项重要内容。以往的作法是根据矢量作图、人工判断变形块体,然后选择适当的模式进行拟合。本文提出了一种在点位邻接拓扑关系加其他先验信息构成约束的识别思想及相应算法,从而可实现变形模式的自动识别。最后的算例说明了该算法的实现过程,有效性及潜在意义。

!关键词 变形模式;位移矢量相似度;拓扑约束矩阵;约束聚类

!中图分类号 P25 !文献标识码 A !文章编号 1009 2307(2006)01 0038 03

1 引 言

随着人口的急速增长和土地资源的过度开发,滑坡已经成为同地震和火山相并列的全球性三大地质灾害之一。我国地域辽阔、地质结构复杂、地形地貌反差大、气候环境多变,是世界上滑坡地质灾害较为严重的国家之一,每年都会发生多起滑坡灾害事故给人民的生命财产带来巨大的威胁[1]。这就要求对滑坡块体进行长期的监测,根据监测数据和滑坡块体的地质岩层结构进行正确的分析和及时的预报以保证。

传统的滑坡变形的稳定性分析和预报的方法有很多,但是这些方法中绝大多数都要过多的人工干预,或者依赖于人的判断才可以完成滑坡的分析和预报,这就大大的增加了人为的因素,最后的结果很大程度上依赖于个人的知识和经验,而且很容易得出和实际情况不一致的结论。尤其是随着近年来随着科学技术的进步,对滑坡监测的自动化程度的不断提高,如GPS、测量机器人、数字摄影测量等检测手段的广泛应用于滑坡检测,这就要求现在的变形分析和预报系统在传统理论的基础上,以更高的自动化形式来完成对变形块体的空间特征的变化做出分析判断。本文研究了利用拓扑约束识别方法用于滑坡体块的具体问题。对诸如二维、三维块体的识别程序实现、阈值的确定、基于假设检验的识别等进行了探讨。并以云阳宝塔滑坡体为例,依据该滑坡的多期观测资料,进行了滑坡块体的模式识别和分析,取得了满意的结论。

2 变形模式拓扑约束识别

对于滑坡从几何变形分析的角度看,变形状态可由变形块体的划分与变形模型来描述。变形体在其变形演化的过程中,会产生块体的分化和综合。一般而言,块体结构是动态变化的,利用多期观测的位移变化识别变形体在各期的块体结构和块体的变形模型,就可得到对变形状态的动态描述。在这里将变形的块体结构和各块体的变形模型成为变形模式。

传统的方法是根据位移矢量图和先验知识初步判断变形体块从而来完成变形体块的识别的,但是其缺点是很难从位移矢量图上看出变形的体块,而且初步判断的可能的块体组合数不是很多,这样最后得到的模式的最优性就受到了限制。针对传统方法的不足,在对云阳宝塔滑坡的变形模式识别中我们采用的是拓扑约束识别方法。收稿日期:

2005 02 22

2 1 为何要引入拓扑约束

在变形模式识别时,可以通过尝试所有的监测点的组合找出拟合变形模型最好的一种组合作为块体结构的识别。但是这种不加任何约束的识别有可能会将两个被其他块体分隔的块体识别为一个块体,这种不连通块体不具有物理上的合理性。所以要引入拓扑约束保证块体的连通性[4]。这样只有相邻的监测点或者相邻的已识别块体上的监测点的位移才参与模型的拟合,同时拓扑约束也可以将先验信息包含进去。有了拓扑约束只需将拓扑约束信息输入计算机,计算机就可以自动的根据位移矢量识别在物理上合理的块体结构和块体的变形模型,实现对变形模式识别的自动化。2 2 拓扑约束矩阵

拓扑约束是以拓扑约束矩阵的形式表达的。拓扑约束矩阵采用邻接关系矩阵的形式来描述各种对象的邻接关系,邻接关系矩阵是以0、1来表达两个对象的不相邻和相邻。拓扑约束矩阵还可以顾及先验信息,例如某一块体和其某一邻接区域是分离的,即断层线的位置是已知的,则这种先验信息应在拓扑约束矩阵中反映出来。尽管跨断层的的两点i、j相邻,但是bij的值应赋零。2 2 1 离散点的拓扑约束矩阵

在识别做刚体位移的块体时,是从单点为基本单元开始识别的,拓扑约束矩阵必须描述离散点的相邻关系。如图1所示的5个离散点为例,其拓扑约束矩阵为

1 1 1 1

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1 1 1 0 B5#5=1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 如果已知某一断层的存在和位置如图2,这时候的拓扑约束矩阵为

1 0 1 1

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0 1 0 0 B=1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 离散点场的拓扑约束矩阵可以人工构建,也可以用程序自动生成。

2 2 2 面积单元或空间单元的拓扑约束矩阵

在识别均匀变形或其他变形模式时,识别对象是多边形(包括三角形)或多面体信息。这时拓扑约束矩阵应能描

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