一种冰川冰湖溃决型泥石流判识方法及系统

技术领域

本发明涉及环境保护与防灾减灾技术领域，尤其是一种冰川冰湖溃决型泥石流判识方法及系统。

背景技术

泥石流是指由于积雪融化、冰川冰湖溃决、降水等在沟谷或山坡上产生的一种挟带大量泥砂、石块和巨砾等固体物质的特殊洪流。作为一种具有强大破坏力的灾害性地质现象，泥石流除了流速快，流量大，物质容量大和破坏力强等难治理的特点，还具有突发性等难预测的特点。

其中，冰川冰湖溃决型泥石流是发育在高山大陆性冰川地带的一种具有规模大、速度快、危害性强等特点的突发性地质灾害。在世界范围内，冰川冰湖溃决型泥石流主要分布在苏联高加索山和外伊犁山、美国太平洋沿岸山区、阿拉斯加和南美洲委内瑞拉西北部山区等区域的急剧消退的现代冰川区；在我国，其在念青唐古拉山、横断山、喀喇昆仑山、阿尔泰山、天山和祁连山等冰川区广泛发育，严重影响人民群众的生命财产安全。

当前，在泥石流判识领域主要提出的是针对于降雨型泥石流判识方法，而对于冰川冰湖溃决型泥石流的判识方法还未见相关研究和探讨，因此，亟需一种冰川冰湖溃决型泥石流判识方法及系统来判识冰川冰湖溃决型泥石流，以进一步对相应的冰川冰湖进行监控、预警等灾害防治布局，以辅助冰川冰湖溃决型泥石流灾害的预防与源头治理。

发明内容

针对现有技术不足以及实际应用的需求，为实现冰川冰湖溃决型泥石流的判识，以对相应的冰川冰湖进行监控、预警等灾害预先防治布局，达到辅助冰川冰湖溃决型泥石流灾害预防与源头治理的目的，第一方面，本发明提供了一种冰川冰湖溃决型泥石流判识方法，包括如下步骤：标定待判识流域，定位所述待判识流域的沟道，并识别所述沟道中的物源颗粒；利用所述沟道的坡度，搭建流域沟道坡度系数模型；利用所述物源颗粒的几何特征，搭建物源颗粒等效粒径模型；结合所述流域沟道坡度系数模型和所述物源颗粒等效粒径模型，搭建冰川冰湖溃决型泥石流判识模型；测量所述沟道对应的坡度数据，并结合所述流域沟道坡度系数模型，获得待判识流域的流域沟道坡度系数；测量所述物源颗粒的几何特征，并结合所述物源颗粒等效粒径模型，获得待判识流域的物源颗粒等效粒径；通过所述流域沟道坡度系数、所述物源颗粒等效粒径以及所述冰川冰湖溃决型泥石流判识模型，判识所述待判识流域是否为冰川冰湖溃决型泥石流流域。本发明的方法是在考虑沟道坡度与物源颗粒粒径对冰川冰湖溃决型泥石流诱发影响基础上，提出的基于一种沟道坡度与物源颗粒粒径的冰川冰湖溃决型泥石流判识方法。本发明的方法不仅弥补了冰川冰湖溃决型泥石流判识技术的不足，还实现了冰川冰湖溃决型泥石流的判识，为进一步对相应的冰川冰湖进行监控、预警等灾害防治布局提供了数据基础，有助于冰川冰湖溃决型泥石流灾害的预防与源头治理；同时，本发明中各个参数的获取方式简单快捷方便，可现场直接使用，节约工程成本，提高工作效率，在环境保护与防灾减灾技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

可选地，所述待判识流域包括待明确是否已发生冰川冰湖溃决型泥石流的流域，以及已明确发生泥石流，但不确定该泥石流是否为冰川冰湖溃决型泥石流的流域。

可选地，所述标定待判识流域，定位所述待判识流域的沟道，并识别所述沟道中的物源颗粒，包括如下步骤：获取待判识流域的整体状况，所述整体状况包括待判识流域内沟道的数量、分布以及坡度和沟道中岩石颗粒数量、大小以及分布；通过所述整体状况，定位所述待判识流域中的所有沟道；根据所述沟道中岩石颗粒数量、大小以及分布，筛选所述沟道中的物源颗粒。

可选地，所述流域沟道坡度系数模型，包括如下公式：

，

其中，

可选地，所述利用所述沟道的坡度，搭建流域沟道坡度系数模型，还包括如下步骤：根据定位结果确定待判识流域的上游和下游，并分别将所述上游与所述下游设定为起点与终点；利用所述起点与所述终点，将所述待判识流域分段；根据分段结果，设定每段流域的坡度加权系数；汇总每段流域中不同沟道的坡度以及对应的坡度加权系数，更新所述流域沟道坡度系数模型。

可选地，所述更新后的流域沟道坡度系数模型，满足如下公式：

，

其中，

可选地，所述物源颗粒等效粒径模型，包括如下公式：

，

其中，

可选地，所述的利用所述物源颗粒的几何特征，搭建物源颗粒等效粒径模型，还包括如下步骤：识别所述沟道中物源颗粒的种类，并获取对应种类下的物源颗粒分布数据；根据所述物源颗粒分布数据，将在所述沟道中分布最多的物源颗粒设定为目标物源颗粒；以所述目标物源颗粒与地面接触的中心位置为原点，以所述目标物源颗粒平行与所述地面的最长径为横轴，以所述原点和所述横轴作为参照设定为纵轴，以所述原点、所述横轴和所述纵轴为参照设定立轴，建立评估坐标系；分别将所述目标物源颗粒投影在所述评估坐标系的不同二维平面上，并根据投影结果获得所述目标物源颗粒的几何特征；通过汇总并均值化所有的目标物源颗粒的几何特征，获得所述目标物源颗粒的平均几何特征，所述平均几何特征包括平均长度、平均宽度以及平均高度；利用所述平均几何特征，更新所述物源颗粒等效粒径模型。

可选地，所述更新后的物源颗粒等效粒径模型，满足如下公式：

，

其中，

可选地，所述冰川冰湖溃决型泥石流判识模型满足如下公式：

；

其中，

可选地，所述通过所述流域沟道坡度系数、所述物源颗粒等效粒径以及所述冰川冰湖溃决型泥石流判识模型，判识所述待判识流域是否为冰川冰湖溃决型泥石流流域，包括如下步骤：将所述流域沟道坡度系数和所述物源颗粒等效粒径代入所述冰川冰湖溃决型泥石流判识模型，获得对应的冰川冰湖溃决型泥石流判识指标；当所述冰川冰湖溃决型泥石流判识指标小于等于1时，判识所述待判识流域为冰川冰湖溃决型泥石流流域；当所述冰川冰湖溃决型泥石流判识指标大于1时，判识所述待判识流域非冰川冰湖溃决型泥石流流域。

第二方面，本发明还提供了一种冰川冰湖溃决型泥石流判识系统，所述冰川冰湖溃决型泥石流判识系统包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行本发明第一方面所提供的冰川冰湖溃决型泥石流判识方法。本发明所提供冰川冰湖溃决型泥石流判识系统结构紧凑，运行稳定且快速，能够很好地执行冰川冰湖溃决型泥石流判识方法。

附图说明

图1为本发明的冰川冰湖溃决型泥石流判识方法流程图；

图2为本发明的实施例中评估坐标系示意图；

图3为本发明的冰川冰湖溃决型泥石流判识系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

为实现冰川冰湖溃决型泥石流的判识，以对相应的冰川冰湖进行监控、预警等灾害预先防治布局，达到辅助冰川冰湖溃决型泥石流灾害预防与源头治理的目的，本发明提供了一种冰川冰湖溃决型泥石流判识方法，旨在实现冰川冰湖溃决型泥石流的判识。请参见图1，本发明所述的冰川冰湖溃决型泥石流判识方法，包括如下步骤：

S01、标定待判识流域，定位所述待判识流域的沟道，并识别所述沟道中的物源颗粒。

应当理解，本发明所述的待判识流域包括：待明确是否已发生冰川冰湖溃决型泥石流的流域，以及已明确发生泥石流，但不确定该泥石流是否为冰川冰湖溃决型泥石流的流域。进一步地，待明确是否已发生冰川冰湖溃决型泥石流的流域通过本发明的方法判识，若判识结果为冰川冰湖溃决型泥石流流域，则表明该流域发生过冰川冰湖溃决型泥石流；若判识结果非冰川冰湖溃决型泥石流流域，则表明该流域未发生过冰川冰湖溃决型泥石流，但该结果并不表明该流域未发生过其他类型的泥石流，即该流域内有可能发生过其他类型的泥石流。已明确发生泥石流，但不确定该泥石流是否为冰川冰湖溃决型泥石流的流域通过本发明的方法判识，可明确该流域发生的泥石流是否为冰川冰湖溃决型泥石流。若通过本发明方法判识出待判识流域是发生过冰川冰湖溃决型泥石流的流域，则需对上游冰川冰湖进行监控、预警等灾害预先防治布局，以达到辅助冰川冰湖溃决型泥石流灾害预防与源头治理的目的。步骤S01中所述的待判识流域中的沟道数量包括一条或者多条。所述的物源颗粒包括分布在所述沟道内的不同类型的岩石颗粒。

步骤S01中所述的标定待判识流域，定位所述待判识流域的沟道，并识别所述沟道中的物源颗粒，包括如下步骤：通过户外人工勘探、无人机拍照、遥感卫星等方式，获取待判识流域的整体状况，所述整体状况包括待判识流域内沟道的数量、分布以及坡度和沟道中岩石颗粒数量、大小以及分布；通过所述整体状况，定位所述待判识流域中的所有沟道；根据所述沟道中岩石颗粒数量、大小以及分布，筛选所述沟道中的物源颗粒。进一步地，在一个可选的实施例中，采用无人机拍摄待判识流域的整体高清图像和局部高清图像；利用图像识别技术通过整体高清图像，获得待判识流域内沟道的数量、分布、坡度等相关数据；利用图像识别技术通过局部高清图像，识别任一沟道中岩石颗粒数量、大小、分布等相关数据。步骤S01为后续模型的搭建提供了初始依据。

S02、利用所述沟道的坡度，搭建流域沟道坡度系数模型。

在一个可选的实施例中，步骤S02所述的利用所述沟道的坡度搭建的流域沟道坡度系数模型，包括如下公式：

，

其中，

在又一个实施例中，为更加精准表征待判识流域内沟道的整体状况，所述利用所述沟道的坡度，搭建流域沟道坡度系数模型，还包括如下步骤：根据定位结果确定待判识流域的上游和下游，并分别将所述上游与所述下游设定为起点与终点；利用所述起点与所述终点，将所述待判识流域分段；根据分段结果，设定每段流域的坡度加权系数；汇总每段流域中不同沟道的坡度以及对应的坡度加权系数，更新所述流域沟道坡度系数模型，更新后的流域沟道坡度系数模型，满足如下公式：

，

其中，

S03、利用所述物源颗粒的几何特征，搭建物源颗粒等效粒径模型。

步骤S03中所述的几何特征包括物源颗粒的长度、宽度以及高度。在一个可选的实施例中，步骤S03中通过所述物源颗粒的几何特征搭建的物源颗粒等效粒径模型，包括如下公式：

，

其中，

为了更加精准地表征所述物源颗粒的几何特征，在又一个可选的实施例中，步骤S03所述的利用所述物源颗粒的几何特征，搭建物源颗粒等效粒径模型，还包括如下步骤：识别所述沟道中物源颗粒的种类，并获取对应种类下的物源颗粒分布数据；根据所述物源颗粒分布数据，将在所述沟道中分布最多的物源颗粒设定为目标物源颗粒；以所述目标物源颗粒与地面接触的中心位置为原点，以所述目标物源颗粒平行与所述地面的最长径为横轴，以所述原点和所述横轴作为参照设定为纵轴，以所述原点、所述横轴和所述纵轴为参照设定立轴，建立评估坐标系；分别将所述目标物源颗粒投影在所述评估坐标系的不同二维平面上，并根据投影结果获得所述目标物源颗粒的几何特征；通过汇总并均值化所有的目标物源颗粒的几何特征，获得所述目标物源颗粒的平均几何特征，所述平均几何特征包括平均长度、平均宽度以及平均高度；利用所述平均几何特征，更新所述物源颗粒等效粒径模型，更新后的物源颗粒等效粒径模型，满足如下公式：

，/>

其中，

应该理解，沟道内岩石颗粒种类多样，且数量庞大，若将全部的岩石颗粒作为目标物源颗粒进行对应的数据采集，在增大计算量的同时，也相应降低了本发明的判识效率。在本实施例中，以分布最多的物源颗粒作为目标物源颗粒的筛选条件，获得了能极大程度表征沟道内岩石分布特征的目标物源颗粒，在缩减数据采集工作以及对应计算量的同时，也保证了数据可靠性，提升了本发明的辨识效率。进一步的，上述实施例中评估坐标系的建立，如图2所示，左图中4粒岩石颗粒均为物源颗粒，根据沟道内整体岩石分布特征，选取中间的岩石颗粒作为目标物源颗粒，即右图中的不规则图形为目标物源颗粒，横向虚线表示地面，O点表示目标物源颗粒与地面接触的中心位置，X轴方向为目标物源颗粒平行与所述地面的最长径方向，Y轴以O点与X轴为参照构建，Z轴以O点为原点，并垂直于XOY平面。将目标物源颗粒投影在XOY平面上，分别获得目标物源颗粒的长度

S04、结合所述流域沟道坡度系数模型和所述物源颗粒等效粒径模型，搭建冰川冰湖溃决型泥石流判识模型。

在一个可选的实施例中，结合所述流域沟道坡度系数模型和所述物源颗粒等效粒径模型搭建的冰川冰湖溃决型泥石流判识模型，满足如下公式：

；

其中，

为了更加准确地判识待判识流域是否为冰川冰湖溃决型泥石流流域，在又一个可选的实施例中，通过使用更新后的流域沟道坡度系数模型和更新后所述物源颗粒等效粒径模型，搭建的冰川冰湖溃决型泥石流判识模型，即上述冰川冰湖溃决型泥石流判识模型中，流域沟道坡度系数模型为

S05、测量所述沟道对应的坡度数据，并结合所述流域沟道坡度系数模型，获得待判识流域的流域沟道坡度系数。

具有一条沟道和具有多条沟道的坡度数据获取方式相同，但多条沟道对应的坡度数据处理量远大于一条沟道的坡度数据处理。同时，步骤S05中所述的测量所述沟道对应的坡度数据，可根据所述流域沟道坡度系数模型所需要的参数数据进行对应获取。

S06、测量所述物源颗粒的几何特征，并结合所述物源颗粒等效粒径模型，获得待判识流域的物源颗粒等效粒径。

应当理解，所述物源颗粒的几何特征包括物源颗粒的长度、宽度以及高度，也包括平均几何特征，其中所述平均几何特征包括平均长度、平均宽度以及平均高度。同理，步骤S06中所述的测量所述物源颗粒的几何特征，可根据所述物源颗粒等效粒径模型所需要的参数数据进行对应获取。

S07、通过所述流域沟道坡度系数、所述物源颗粒等效粒径以及所述冰川冰湖溃决型泥石流判识模型，判识所述待判识流域是否为冰川冰湖溃决型泥石流流域。

在一个可选的实施例中，步骤S07所述的通过所述流域沟道坡度系数、所述物源颗粒等效粒径以及所述冰川冰湖溃决型泥石流判识模型，判识所述待判识流域是否为冰川冰湖溃决型泥石流流域，包括如下步骤：将所述流域沟道坡度系数和所述物源颗粒等效粒径代入所述冰川冰湖溃决型泥石流判识模型，获得对应的冰川冰湖溃决型泥石流判识指标；当所述冰川冰湖溃决型泥石流判识指标小于等于1时，判识所述待判识流域为冰川冰湖溃决型泥石流流域；当所述冰川冰湖溃决型泥石流判识指标大于1时，判识所述待判识流域非冰川冰湖溃决型泥石流流域。

本发明的方法是在考虑沟道坡度与物源颗粒粒径对冰川冰湖溃决型泥石流诱发影响基础上，提出的基于一种沟道坡度与物源颗粒粒径的冰川冰湖溃决型泥石流判识方法。本发明的方法不仅弥补了冰川冰湖溃决型泥石流判识技术的不足，还实现了冰川冰湖溃决型泥石流的判识，为进一步对相应的冰川冰湖进行监控、预警等灾害防治布局提供了数据基础，有助于冰川冰湖溃决型泥石流灾害的预防与源头治理；同时，本发明中各个参数的获取方式简单快捷方便，可现场直接使用，节约工程成本，提高工作效率，在环境保护与防灾减灾技术领域具有很高的实用价值和推广价值。在一个实施例中，相关领域技术人员通过本发明方法对多处泥石流进行了判识，请参见表1：

其中，，相关领域技术人员根据流域沟道坡度系数模型

为更好实现上述方法，请参见图3，本发明还提供了一种冰川冰湖溃决型泥石流判识系统，所述冰川冰湖溃决型泥石流判识系统包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行本发明所提供的冰川冰湖溃决型泥石流判识方法。本发明所提供冰川冰湖溃决型泥石流判识系统结构紧凑，运行稳定且快速，并且具有极强的拓展性，能够很好地执行冰川冰湖溃决型泥石流判识方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。