一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法技术

本发明专利技术涉及滑坡防治技术领域，具体涉及一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法，包括如下步骤：S1数据输入；S2：建立r.slope.stability模型；S3:椭球体数量测试；S4：解决计算机内存与运算时间问题；S5:模型参数化；S6：结果验证以及模型可视化；采用上述方法的技术方案通过对基于GIS的三维边坡稳定性模型r.slope.stability在计算时间和模型结果上进行优化，计算安全系数和斜坡失稳概率，极大地缩短了在对大面积边坡稳定性建模所需时间。间。间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法


[0001]本专利技术涉及滑坡防治
，具体涉及一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法。

技术介绍

[0002]山体滑坡是主要的自然灾害之一，在世界各地具有巨大和广泛的影响，并造成人员和社会经济损失。滑坡风险的时空预测仍存在较大的不确定性，这其中滑坡敏感性评估对于滑坡风险的识别十分重要。
[0003]滑坡敏感性是基于当地地形条件的滑坡发生的空间概率，滑坡敏感性可以使用基于统计和物理的模型来确定。最常见的是小型流域浅层滑坡的空间概率，这种建模依赖于使用基于物理的确定性模型，建立在极限平衡概念的基础上产生了安全系数(FOS)，FOS由抵抗(稳定)力和驱动(不稳定)力之间的无量纲比率得出。为了评估易受深部滑坡影响的边坡的稳定性/不稳定性条件，将已知、推断或假设的破坏面上方的区域划分为大小相等或不同的垂直切片。为每个切片计算抵抗(稳定)力R和驱动(不稳定)力T，并线性求和以获得整个斜坡的单个FOS值。首先应用于二维横截面，随后扩展到三维地形和破坏面。目前少有适用于区域尺度并与GIS耦合的滑动面模型。滑动面模型的大规模GIS实施面临两大挑战：(1)岩土和几何参数的空间分布不确定；(2)必须使用合理精细的像素间距来测试大量可能的滑动面，这需要将计算时间保持在可接受水平的策略。
[0004]在GRASS GIS中利用并行计算的现有示例和实践显示了该主题的相关进展，鉴于当前工作的设计(将C代码包装到用Python编写的GRASS GIS模块中)，它们可能作用于整体实现的三个不同级别，即在全球GIS级别，在脚本级别和在主代码级别。然而，所提到的示例没有足够广泛的使用，并且底层实现并不总是可重现的，因为相应的中间技术没有向社区公开。在其他情况下，追求这样的策略将需要最终用户方面的更高级别的专业知识，从而阻止可能感兴趣的研究人员使用该代码。
[0005]另一方面，虽然GRASS GIS允许使用脚本，即对众多软件模块(用Bash或Python编写)的调用列表，在主代码级别并行化的情况下，原则上可以选择在消息传递接口或OpenMP方案中工作，已知它们在适用时非常有效。事实上，此类GRASS GIS并行模块的工作示例并不存在，甚至很少存在，这为代码开发阶段和运行时的不可预测的不便留下了空间。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法，以实现大面积的3
‑
D边坡稳定性模型建立，降低耗时。对边坡稳定性的研究具有很重要的意义。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法，包括如下步骤：
[0008]S1：数据输入与预处理：r.slope.stability.是开源软件包GRASS GIS 6.4的光栅模块，该软件利用Python编程语言进行数据管理、预处理和后处理任务。滑坡长度L、宽度W
和选定浅层滑坡的L/W比的第5和第95个百分位数用于约束可能的滑动椭球体的随机化。由于S区的大多数滑坡流动性不强，使用整个滑坡区域而不是仅使用陡坡。除了滑坡编目、土壤深度和岩土数据外，还使用5m
×
5m的数字高程模型(DEM)，该模型通过自动插值10m和5m米等高线得出，这些等高线是从1:10000比例尺的地形底图中获得的。
[0009]S2：建立r.slope.stability模型：
[0010]S201：模型选择椭球体和截断滑动面：r.slope.stability模型大量随机选择椭圆体或截断滑动表面，椭圆体滑动面由中心的地理坐标定义，a
c
、b
c
、c
c
表示三个半轴的长度，α表示纵向角，β表示倾角，z
b
表示椭球中心在地形上的偏移量，a
e
表示最陡的坡，c
e
垂直于地形表面，a
c
、b
c
、c
c
分别由滑坡长度L、滑坡宽度W、椭球底部最大深度D、β和z
b
推导出来(见图1、图2)。为每个椭球的每个参数单独生成的简单伪随机数用于定义中心坐标以及L、W、D和z
b
的值，受用户定义的每个参数的最小值和最大值约束。测试足够多的椭球可确保在研究区域内对椭球进行适当的重新划分，并考虑各种可能的椭球尺寸，测试的滑动面只有在相对于椭球大小的合理小像素时才能很好地对应理想椭球。为了模拟更真实的浅层破坏面，r.slope.stability可以使用截断的椭球体将土壤底部、浅层软弱层或以硬基岩为界的浅层不连续面视为可能的破坏面，因此，每个椭球体可能与多个滑动面相关联。
[0011]S202：安全系数(FOS)的运算：运用公式(1)进行安全系数FOS的计算：
[0012][0013]在公式(1)中分子式对应于阻力R，分母式对应于驱动力T，R和T对滑移面的所有列C求和，c＇是有效粘聚力，A(m2)为所考虑像素点滑移面的面积，G＇是湿土的S重量，β
c
是所考虑柱处滑动面的倾角，是有效内摩擦角，β
m
为考虑列处滑动面在α方向的表观倾角。N
s
和T
s
分别为渗流力对法向力和剪切力方向的分力；模型不考虑柱间力和外力，例如地震荷载。在完成所有滑面的边坡稳定性计算后，建模域中的每个像素都与各种滑面相交，并且每个滑面都对应一个FOS值。对于每个像素点，取所有相交滑动面的最小FOS值作为代表FOS。
[0014]S203：边坡破坏概率(Pf)的运算：除了FOS之外，还可以根据c、的统计分布以及截断椭圆体的截断深度d来计算边坡破坏概率Pf。可以使用四种类型的概率密度函数(PDFs)：矩形、正态、对数正态或指数。采用一种方法来计算边坡破坏概率Pf，这种方法允许考虑c和的整个测量值范围，假设参数的统计特性在空间中是恒定的。该方法通过以下三个步骤实现：
[0015]①
计算c、和d的算术平均值μ、标准差σ、最小值和最大值。要考虑的参数组合的统计样本数n由用户定义。
[0016]②
c＇、φ＇和d作为定义的最小值、最大值和间隔的函数而变化，以便利用可能的参数值的全部范围。d的变化建立在在不同深度截断椭球的基础上。使用公式(1)计算每个组合的FOS，建立椭圆体所有柱的剪切阻力和剪切力之和的比率。
[0017]③
椭圆体的边坡破坏概率P
f
计算为与所有测试参数组合相关的FOS<1的参数组合分数的函数：
[0018][0019]其中f
i
＝1表示FOS
i
<1，f
i
＝0表示FOS
i
>1，w
i
是分配给参数组合i的权重，所有参数组合n的w
i
之和为1。最后取所有相交滑动面中P<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：数据输入；S2：建立r.slope.stability模型；S3:椭球体数量测试；S4：解决计算机内存与运算时间问题；S5:模型参数化；S6：结果验证以及模型可视化。2.根据权利要求1所述的一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法，其特征在于：步骤S1中运用开源软件包GRASS GIS 6.4的光栅模块r.slope.stability，输入滑坡长度L、宽度W和选定浅层滑坡的L/W比的第5和第95个百分位数用于约束可能的滑动椭球体的随机化，滑坡编目、土壤深度和岩土数据，以及使用5m
×
5m的数字高程模型，所述模型通过自动插值10m和5m米等高线得出，所述等高线从1:10000比例尺的地形底图中获得。3.根据权利要求1所述的一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法，其特征在于：步骤S2包括：S201：模型选择椭球体和截断滑动面：r.slope.stability模型随机选择椭圆体或截断滑动表面，椭圆体滑动面由中心的地理坐标定义，a
c
、b
c
、c
c
表示三个半轴的长度，α表示纵向角，β表示倾角，z
b
表示椭球中心在地形上的偏移量，a
e
表示最陡的坡，c
e
垂直于地形表面，a
c
、b
c
、c
c
分别由滑坡长度L、滑坡宽度W、椭球底部最大深度D、β和zb推导出来；S202：安全系数FOS的运算：计算公式如下，其中分子式对应于阻力R，分母式对应于驱动力T，R和T对滑移面的所有列C求和，c＇是有效粘聚力，A为所考虑像素点滑移面的面积，G＇是湿土的S重量，β
c
是所考虑柱处滑动面的倾角，是有效内摩擦角，β
m
为考虑列处滑动面在α方向的表观倾角；N
s
和T
s
分别为渗流力对法向力和剪切力方向的分力；建模域中的每个像素都与各种滑面相交，并且每个滑面都对应一个FOS值，对于每个像素点，取所有相交滑动面的最小FOS值作为代表FOS；S203：边坡破坏概率的运算：根据c、的统计分布以及截断椭圆体的截断深度d来计算边坡破坏概率P
f
，假设参数的统计特性在空间中是恒定的。4.根据权利要求3所述的一种基于GIS的大面积三维边坡稳定性建模方法，其特征在于：步骤S203中所述的计算边坡破坏概率P
f
步骤如下：
①
计算c、和d的算术平均值μ、标准差σ、最小值和最大值；参数组合的统计样本数n由用户定义，C为土体粘聚力，为土体内摩擦角；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立川，杨海清，梁丹，李卓航，廖蔚茗，杨勇，王琦，闫奇，丁忠昊，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：