泥石流防治工程多源数据融合建模方法外文翻译资料

 2022-08-27 10:26:56

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J. Mt. Sci. (2021) 18(4): 1049-1061 电子邮件：jms@imde.ac.cn http://jms. imde.ac.cn

https://doi.org/10.1007/s11629-020-6332-8

原文

泥石流防治工程多源数据融合建模方法

文摘：泥石流防治工程数字高程模型(DEM)数据是泥石流防治模拟的边界，提供了准确可靠的DEM数据，是泥石流防治模拟的关键考虑因素。 因此，本文提出了一种多源数据融合方法。 首先，我们根据相关规范，利用虚拟现实技术构建了泥石流防治的三维模型。 将三维建模生成的三维空间数据转换为用于泥石流防治工程的DEM数据。 然后，通过泥石流防治模拟的误差分析测试和融合测试，验证了DEM数据的准确性和适用性。 最后，提出了基于四叉树结构的Detail算法，实现了大规模防灾场景的可视化。 测试结果表明，数据融合方法将泥石流防治工程DEM数据的错误率控制在允许范围内，并生成三维体积数据(obj格式)，以弥补DEM数据的不足，从而不表达三维内部实体空间。

徐 庆 阳 https://orcid. org/0000-0001-8351-4944 ； 电 子 邮 件 ： 1402916296@QQ.COM

叶健 https://orcid.ORG/0000-0001-5415-0643；电子邮件：yejian518@swjtu.edu.cn

刘一杰 https://orcid.org/0000-0001-9741-7774；电子邮件：HTTP://JMS.IMDE.AC.CN.1

通讯作者

中国西南交通大学地球科学与环境工程学院，中国成都611756

引文：徐 庆 阳 ，叶杰，吕永杰（2021）泥石流防治工程多源数据融合建模方法。 山学杂志18（4）

HTTPS://DOI.ORG/10.1007/S11629-020-6332-8

copy;科学出版社，山区危害与环境研究所，CAS和斯普林格-维拉格GmbH德国，斯普林格自然2021的一部分

copy;科学出版社，山区危害与环境研究所，CAS和斯普林格-维拉格GmbH德国，斯普林格自然2021的一部分

此外，详细方法的层次可以实时调度大规模泥石流灾害现场的数据，以确保真实的三维可视化。

总之，所提出的方法可以应用于泥石流防治工程的规划和泥石流防治过程的模拟。

关键词：泥石流防治；详细程度；泥石流模拟；多平台融合；多源数据融合

导言

泥石流是在降水、地形、地质结构、固体沉积物和人类活动的综合作用下，通过复杂和不规则地形的大量淤泥、 石头和巨石的一种特殊类型的固液两相流(Iverson等人。 1997). 2010年8月8日，中国甘肃省舟曲县发生了一次巨大的山洪泥石流灾害，造成1471人死亡，294人失踪。 2011年1月，巴西里约热内卢的洪水和泥石流造成806人死亡，300人据报失踪。 2013年6 月，暴雨导致印度北部发生大洪水和大规模泥石流，造成至少822人死亡。 泥石流灾害不仅导致人类伤亡，

收到：11-7月-2020年修订：14-

SEP-2020年接受：08-DEC-2020年

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但也造成财产损失，社会不稳定和环境破 坏，阻碍山区的可持续经济发展(Aronica等人。 2012). 因此，迫切需要预防和减少泥石流灾害的影响。

目前，泥石流防治工程是泥石流防治的重要方法， 主要是通过设计和建设大坝和排水渠等防护基础设施来保护人类的生命和财产(Takeuchi，2002)。 为了保证泥石流防治的优良效果，科学的检测已成为泥石流防治设计的必要手段 项目。 然而，由于泥石流观测方法不足(Chen等人 al。 2011年)，泥石流原位测试(Anderson和 西塔尔1995)要求一定的适用性条件，影响原位测试结果的因素复杂，难以准确确定测量值。 因此，通过实验室实验测试泥石流防治工程的减灾效果尤为重要(周等。 2015年、2018年、2019 年；周等人。 2019年；崔等人。 获得泥石流防治工程所 需 参 数 (Chen et al 。 2010). 在实验室实验中，地形必须简化，但由此产生的边界和尺寸效应将影响实验结果。 一次泥石流模拟主要模拟泥石流防治基础设施的防治效果和结构稳定性。 这是一种更好的方法来测试泥石流预防的效果(Dai等人，2017 年；欧阳等人。. 2017年；彭等人。 2013). 这种方法可以通过预测和制定防灾减灾战略来减少不必要的伤亡和财产损失的数量(Lan等人。 这是通过模拟泥石流的动力学过程来实现的(Dai等人。 并分析了跳动距离(Wang等人。 2016年；GE等人。 在复杂地形中。

虽然自然泥石流被认为是固液两相流(Iverson等人。 为了便于计算和模拟，泥石流模型通常被简化为一个连续体(Hungr和McDougall，2009年；Christen等人。 2010)。 因此，泥石流动力学是用等效流体建模的，其流变特性可以近似于真实的预期体积行为

混合物(Pellegrino等人。 2015). 宾汉模型是动态泥石流建模中最常见的流变模型之一(Naef等。 2006)。由于泥石流运动具有宾汉非牛顿流体的阻力特性，因此经常使用宾汉模型来模拟泥石流对桥墩的损伤效应(Wang等。 2019 年) 和检查水坝 ( 你 al。2011). 虽然Bingham模型与自然泥石流相比有不同的不一致之处，但它仍然可以反映检查坝的调节效应对泥石流的影响(袁等。 作为泥石流预防的参考资料非常有用 (Chen et al 。 2007).

泥石流是一种重力驱动的地质灾害。 泥石流防治工程的数字高程模型(DEM)数据通常包括泥石流防治模型（如检查坝）和地形DEM数据。泥石流防治工程的DEM 数据经常被用作泥石流防治模拟的边界(Kwan等人。2015年；REMAITRE等人。 2008). 然而，由于危险预防模型的DEM 数据必须集成到地形边界中， 因此集成泥石流防治工程的DEM数据往往会产生明显的误差，对泥石流防治的有效性产生巨大的负面影响。

在高风险地区建设防止泥石流的基础设施是必要的，但需要系统工程，这反过来又需要大量的人力和物力。 因此，合理规划是泥石流防治的重要课题，灾害防治效果已成为泥石流防治规划前最重要的考虑因素。 然而，在危害防治工程施工前后，高程可能发生重大变化。 利用虚拟现实技术构建模型，可以在施工前获得正确有效的泥石流防治工程DEM数据，但DEM数据的准确性和适用性仍需测试。 此外，三维可视化可以非常直观地显示泥石流预防工程的场景，使决策者能够作出相应的重要决策。 然而，传统的可视化方法将所有DEM数据和相应的图像数据传输到内存中，无法实现实时的三维可视化大量的数据。

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本文将虚拟现实技术引入到泥石流防治工程建模中。 以某检查坝为例，根据相关规范建立了三维模型。 此外，本文还提出了一种多源数据融合方法，将得到的三维空间数据转化为泥石流防治工程的DEM数据，并测试了数据的准确性和适用性。 此外，提出了基于四叉树结构的离散层次(LOD)方法来解决大规模DEM数据和相应图像数据的实时调度问题。 因此，提出了一种新的泥石流防治工程规划设计方法。

方法和位置选择

我们选择中国四川省茂县作为研究区域，因为它在2017 年6 月24 日受到极其大的泥石流的严重影响。这场灾难造成10人死亡，73人失踪，64座房屋被洪水淹没，

2公里河道被堵塞，12公里路面被掩埋。

小 镇 石大关 ( 人 口 约 2000 人） 茂县被认为是最适合这项研究的地区。 位于闽江上游一个干旱的山谷中 西北河茂县石大关县位于青藏高原和青藏高原之间龙门海拔约1740米的山脉(图。 海拔3400米以上的陡峭地和山脉。 周边边坡相对标高差大于1000m，极利于滑坡，泥石流等地质灾害。

石大关周围山坡上部为第四系白云母，下部为变质砂岩千枚岩组，岩性弱，机械强度低。 此外，还存在许多具有典型滑层的软弱结构面。 山体的坡向与岩层走向本质上是一致的，是典型的前向坡。 石大关位于南北走向的岷江断裂带，是典型的地震多发区，受频繁的地质构造活动破坏了山体的岩层结构，加速了岩体裂隙的发育，因此，本区地质地貌条件较差。

图1中国四川省茂县石大关地形图

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此外，石大关位于季风气候带内的高原，降水 稀 少 ， 降 水 集 中 ， 干 燥 。 年 平 均 气 温 是11.0°C ， 年平均降水量716.5mm ， 最大日降水量104。2毫米。 这些气候和地形条件导致相对稀少的植被覆盖，大部分环境是裸露的岩石。 当降雨发生时， 雨水沿裂缝浸入岩层，加速了岩层的崩塌，增加了泥石流概率。

考虑到上述地形和地貌因素，滑坡和泥石流的再次发生概率很大。 因此，毛县这一地区迫切需要预防和减轻地质灾害。

图2显示了总体技术路线图

泥石流防治工程多源数据融合建模方法。 在这里，以30米分辨率的DEM数据和5米分辨率的相应图像作为输入， 可分为三个部分：基于城市引擎的泥石流防治工程建模、多源数据融合分析、泥石流防治场景的数据调度和三维可视化。 的 建模的碎片流动预防工程以校核坝为例以城市发动机为基础，是ESRI开发城市引擎不仅可以实现

的一种先进的三维建模软件。快速的模型开发，而且可以使用计算机生成的体系结构(CGA)语言方便地调整和移植任意模型。 同时可将真实地形DEM数据直接导入城市发动机作为基础建模数据，保证建模的准确性。 欠 去 城市引擎的 在地质工程等应用中具有优异的建模性能

3D

泥石流防治工程选址

研究区地形高程资料

研究区RS图像数据

基于相关规范的建模方法

融合算法的误差

测试

数据重采样

特征点选择

多源数据融合算法 融合数据分析

模型的OBJ 数据

降维

模拟融合测试

索引

地形调度公式建立

令人愉快

消除裂缝

组织地形数据 地形数据的调度

数据调度和三维可视化

多源数泥据石融流合防分治工程建模析

泥石流防治模型3D可视化

3D可视化效率测试

泥石流防治工程建模与绘制过程示意图。

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虚拟城市建模(Li等人。 越来越多的行业使用该软件进行三维建模和设计，以获得准确的结果。 在本研究中，利用城市发动机导出的OBJ格式作为泥石流防治三维模型数据的格式。OBJ格式是一种标准的3D模型文件格式，允许3D软件模型之间的互操作性。 此外，它具有很高的保真度，因为它的严格规则和明确的分类，它在不同的平台上的准确性不受影响。 许多三维地质建模软件使用OBJ作为主要格式(Li等人。 2012).

利用城市发动机，考虑泥石流防治的相关规范， 对泥石流发生风险较高的区域， 充分考虑地形、地貌、社会等因素，构建了三维模型。 将地形DEM数据与危害防治模型DEM数据融合为三个步骤：降维，数据重采样，特征点的查找与选择。 此外，利用ANSYS软件中的误差分析和泥石流模拟，验证了数据的准确性和适用性。

泥石流防治场景的数据调度和三维可视化采用四叉树结构对数据进行分层切片，为DEM数据和相应图像的实时调度做好准备。 利用四叉树结构可以实现地形块的动态加载，解决大规模复杂地形数据直接传输到内存中的问题，使三维地形可视化难以进行。 然后根据距离和粗糙度建立节点调度公式。 最后，利用跳点法对不同层次之间的裂缝进行修复，实现泥石流防治工程的三维可视化。

泥石流防治工程建模

城市发动机多边形建模用于泥石流防治工程

我们考虑了一个检查坝作为泥石流防治工程建模的主要对象。 检查大坝是大型或中型的滞留工程，通常是在泥石流形成区建造的。 它们的主要目标是保留固体材料，从而调节泥石流的规模和重力。

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