GF-1/2衛星數據地質災害調查應用能力分析*

許兆軍

（湖南省地質環境監測總站，湖南 長沙　410007）

GF-1/2衛星數據地質災害調查應用能力分析*

許兆軍*

（湖南省地質環境監測總站，湖南 長沙410007）

隨著我國航天技術和衛星技術的迅速發展，我國自主發射的衛星遙感數據因其質量高、價格低廉的特點越來越受到各行各業用戶的青睞。本文在對地質災害調查與監測業務需求分析的基礎上，開展GF-1/2在地質災害調查與監測應用中的能力分析和示范應用，促進了GF-1/2數據在地質災害調查與監測中的規模化和產業化應用。

地質災害調查；GF數據；應用潛力

隨著我國高分衛星數據獲取技術的不斷發展，國產衛星數據的空間分辨率已經達到米級。2013年4月26日成功發射的GF-1衛星搭載了兩臺2 m分辨率全色、8 m分辨率多光譜相機，四臺16 m分辨率多光譜相機，實現了高空間分辨率、多光譜與高時間分辨率結合的光學遙感、多載荷圖像拼接融合、高精度高穩定度姿態控制、5年至8年高可靠衛星壽命、高分辨率數據處理與應用等多項關鍵技術突破，對于推動我國衛星工程應用水平的提升，提高我國高分辨率數據自給率，具有重大戰略意義。

GF-2衛星是我國自主研制的首顆空間分辨率優于1 m的民用光學遙感衛星，搭載有兩臺高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機，具有亞米級空間分辨率、高定位精度和快速姿態機動能力等特點，有效地提升了衛星綜合觀測效能，達到了國際先進水平。高分二號衛星于2014年8月19日成功發射，8月21日首次開機成像并下傳數據。是我國目前分辨率最高的民用陸地觀測衛星，星下點空間分辨率可達0.8 m，標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”。

為了能夠迅速使高分衛星數據投入國土資源主體業務應用中，必須探索出一套切實可行的技術方法，大力拓展和推廣國產高分衛星影像產品在地質災害調查與監測領域中的應用示范，為國產高分數據在國土資源領域的應用奠定管理基礎、技術基礎，推進國產高分數據應用的業務化、工程化以及定量化應用水平，促進高分數據通過地礦應用系統平臺進入地質災害調查與監測主體業務流程。為此，根據中國地質調查局下達的“災害易發區遙感地質綜合解譯”項目（12120113105100），國防科工局高分辨率對地觀測系統重大專項“湖南地質災害調查高分應用示范”項目（E0202/1112/DK07），我們選擇資興市東江水庫庫區為研究對象進行了上述項目的應用示范工作。

1　示范區概況

示范區的選擇上要考慮兩個方面的因素：一是資料豐富，特別要有多期GF-1/2遙感數據，并且有一定工作基礎；二是已查明的地質災害較多，且存在一定數量的地質災害隱患，近期發生過突發性地質災害，災害體容易識別與驗證。為此，選擇資興市東江水庫庫區為研究對象進行應用示范（圖1）。

資興市東江水庫地處羅霄山脈的西南段，主要山脈有八面山、七寶山及瑤崗仙等，為山地丘陵地貌，屬湘江上游支流耒水流域。屬亞熱帶季風濕潤氣候，雨量充沛，多年平均降雨量為1634.5 mm/a，降水集中在每年的4～8月。出露地層主要為砂巖、灰巖、砂質板巖及易于風化的中粗粒花崗巖，第四紀以黃色網紋狀紅土和灰黃色粉砂質黏土為主。斷層構造走向主要以NNE為主，傾角45～70°，傾向NW。

東江水庫庫區內的崩滑流災害主要受強降雨的誘發，強降雨引發的坡面流水和溝谷洪水常導致泥石流的發生。崩塌與滑坡主要在殘坡積相土體中發育，其形成因素包括強降雨、人工開挖坡腳及地表植被破壞等，由崩塌和滑坡提供物源。

圖1　區域地理位置圖Fig.1　Regional geographic location map

2　地質災害遙感調查應用分析

將遙感技術應用于地質災害研究，可追溯到上世紀70年代末期。在國外，開展得較好的有日本和歐美等國。日本利用遙感圖像編制了全國1∶50000地質災害分布圖；歐美等國在大量滑坡、泥石流遙感調查基礎上，對遙感技術方法進行了系統總結，形成了可用于識別不同規模、不同亮度或對比度的滑坡和泥石流所需的遙感圖像的空間分辨率。

我國利用遙感技術開展地質災害調查起步較晚，但進展較快。我國地質災害遙感研究是在為山區大型工程建設或為大江大河洪澇災害防治服務中逐漸發展起來的。在這短短幾十年的時間里，國內學者對基于遙感和GIS技術的地質災害研究做出了卓有成效的研究。

隨著遙感技術理論的逐步完善和遙感圖像空間分辨率、時間分辨率與波譜分辨率的不斷提高，遙感技術在地質災害預警與監測、實時調查、評估與災后重建等方面正發揮越來越大和不可替代的作用。

2.1地質災害監測與預警

地質災害的監測與預警是地質災害研究中極其重要的環節，利用遙感技術獲取地質體的多時相遙感數據，為準確地對災害發生時間和其危險性做出合理評估提供了數據。合理的地質災害監測與預警可以極大減少地質災害帶來的經濟財產損失，為有效地阻止防災活動爭取時間。

地質災害的發生是緩慢蠕動的地質體（如滑坡體等）從量變到質變的過程。一般情況下，地質災害體的蠕動速率是很小而且穩定的，當突然增大時預示著災害的即將到來。

由于全球衛星定位系統能滿足對地質災害實時監測目的遙感技術是合成孔徑雷達的差分干涉技術。合成孔徑雷達差分干涉技術適用于微小形變地質災害的監測。由于其獨特地利用了相位信息，可以精確地測定地面的微小位移變化，因此可以利用其技術，解決用常規手段非常困難或無法解決的許多問題。差分干涉測量技術反映了地質災害的動態變化規律，一有危險可以及時把信息傳輸到各級抗災指揮機關，為有效地組織防災活動提供重要依據。

利用不同數據源的遙感數據，可以不斷提供有關自然災害發生背景和條件的大量信息。利用遙感技術可以對全地區的地質情況進行摸底分析，確定出易發地質災害的區域。常見的地質災害在遙感影像上都具備一定的特征。根據這些特征，可以從遙感影像劃分出地質災害易發區，進而繪制出地質災害危險等級圖。對地質災害危險級別高的地區，應該重點加強這些地區的監測力度與安全防范意識，使這些地區的人民在思想和行動上有所準備，采取必要的防范措施，減輕災害造成的損失。

在災害預警階段主要用到的遙感技術，是高分辨率遙感解譯和工程地質相結合的方法和多光譜遙感地物識別的技術。高分辨率遙感解譯和工程地質相結合的方法是根據影像圖上的信息和地質資料解譯出滑坡、泥石流、崩塌等地質災害的分布圖，并對其危險性進行評價。高光譜遙感技術是先找到已發生災害區域的巖性特征，在根據這些特征判斷出其他的危險區域，達到預警的目的。

2.2地質災害的實時/應急調查

地質災害發生后，對其進行實時/應急調查，可以及時了解災害造成的破壞情況，為救援以及防災工作提供參考依據。

地質災害作為一種特殊的不良地質現象，無論是滑坡、崩塌、泥石流等災害個體，還是由多種災害個體組合形成的災害群體，在遙感圖像上呈現的形態、色調、影紋結構等均與周圍背景存在一定的區別。用災害發生前的高分辨率遙感影像信息與發生后的高分辨率影像數據進行比較，可以對目標區域內已經發生的地質災害點進行系統全面的調查，查明其分布、規模、發育特點、發展趨勢以及危害性和影響因素。在此基礎上進行地質災害區劃，為防治地質災害隱患，建立地質災害監測網絡提供基礎資料，并為災情報告、災情的損失評估、救災減災決策等提供快速而準確的參考依據。

利用高分辨率遙感數據對于地質災害進行實時/應急調查，具有周期短，精度高等特點，尤其是在救災人員難以到達進行勘探的地區，遙感數據的獲得與應用越來越受到重視。

2.3地質災害的評估與災后重建

災害評估是救災工作的一項重要工作內容，科學的災害評估是有效救災的基礎和條件。應用遙感技術進行災害評估主要集中在災害實時評估和災后恢復重建評估兩個階段。評估的內容包括受災面積、農作物受災面積、災情等級、救災路線選擇等方面，主要表達形式包括受災面積圖、農作物受災面積圖、災情等級圖以及災情遙感評估報告等。

災害評價過程中用到的是遙感影像變化區域檢測技術。利用未受災和成災后的影像數據，準確地查明災區受損情況，如農作物、住房、工礦企業和道路破壞程度、數量與分布狀況等，以便及時組織救災、恢復生產、重建家園。

地質災害發生后，需要盡快完成災區重建規劃。對受災區域地質情況的了解是進行科學規劃的基礎。由于地質災害發生后受災區域的地質情況發生不同程度的變化，原有的地質勘測數據已不能使用，需要對受災地區進行重新勘測。若是采用傳統的人工勘測方式，將會花費更長的時間去對這些地質的變化情況進行徹底摸底調查，時效性差，難以實現災區快速重建，不能使災民盡快回到正常的生產生活中。利用遙感技術，可以快速確定受災地區地質的變化情況，根據遙感數據的監測評估結果，為科學制定災后重建規劃提供宏觀信息支持。

3　GF-1/2數據應用能力分析

3.1遙感影像地質災害體識別能力

以滑坡為例，識別滑坡至少應有2個基本要素：滑坡后壁及滑坡體。其它各滑坡要素可以幫助我們進一步確定滑坡的類型和性質，但基本要素是識別滑坡不可缺少的因子。滑坡解譯就是滑坡及其發育環境各要素及要素組合的識別與分析。通常，從遙感影像上能夠識別目標的最小尺寸應等于地面分辨率的5～10倍，就識別任一單目標而言，該目標在圖像上至少應覆蓋10×10個像元。這樣，在具備滑坡發育基本條件地區，可能識別的最小典型滑坡為10×10×2=200個像元。但是在大多數情況下難以單憑2個要素就識別滑坡，通常需4個或更多的要素，所以最小可識別滑坡的面積一般為400～500像元。

可識別最小滑坡規模的圖像像元數不等于在該像元數范圍能定性、定量地分析該滑坡。至少覆蓋1000個像元的滑坡體才有可能分析其各要素的特征，并進行定量分析，至少覆蓋2000像元以上圖像的滑坡才可能識別其要素的細部特征。

某種圖像可識別的最小滑坡規模不是一個固定的數，除了與圖像的質量及地面分辨率有關以外，還與滑坡本身的類型、典型性以及與周圍其它地物的反差比有關。這里只是基于遙感圖像地面分辨率的原理及實踐給出的參考量。運用該參考量可解析某類地面分辨率圖像的最小可識別滑坡，反之也可以根據區域滑坡規模選擇所采用遙感圖像的類型。

根據以上分析，一般情況下，GF-1數據，可識別滑坡最小覆蓋面積應在400 m2以上，定性定量分析滑坡最小覆蓋面積為4000 m2；GF-2數據，可識別滑坡最小覆蓋面積應在200 m2以上，定性定量分析滑坡最小覆蓋面積為1000 m2。

3.2遙感解譯關鍵因素

影像的地質災害解譯能力主要取決于以下幾個方面：1）災害發生時間的長短。在災害發生后較短時間內獲取的影像，發災區域與其周邊環境具有較高的對比度，從而具有清晰的可探測的空間和光譜特征變化；反之距離災害發生時間越長，所獲取的影像，侵蝕和植被恢復將使得災害體在地表遺留的痕跡模糊；2）災害體形態要素。即滑坡的平面特征、滑坡壁、滑坡臺階、滑坡舌、滑坡裂縫、滑坡鼓丘、封閉洼地等滑坡解譯標志的完備性；3）水系、植被條件及周邊環境要素受災害破壞的嚴重程度；4）同步獲取的DEM數據。不僅可以用于影像的正射校正，而且可以用來開展地形地貌形態分析，多時相DEM高程變化探測、3D影像制作和可視化，這些技術或手段的應用，能夠極大提高影像的滑坡解譯能力和精度；5）解譯方法和解譯人員的專業素質是地質災害遙感解譯的重要影響因素。專業的解譯人員不僅從地質災害形態要素等解譯標志去解譯，還結合大范圍的地形地貌形態、植被和水系的異常分析，對地質災害的形成規律進行綜合分析判斷來提高解譯精度。

3.3遙感影像的最佳成圖比例尺

一般認為通常情況下人眼分辨率為0.1 mm，即1 mm單位距離內人眼能分辨10條線或10個像元。換句話說，出圖分辨率每英寸254點時，與人眼分辨能力最相吻合，認為以此分辨率出圖可達到最佳成圖比例尺。但經過多次反復實驗表明，人眼的分辨率最高可達0.25～0.3 mm左右，即1 mm單位距離內人眼能分辨3～4個像元，相應地出圖分辨率實際為每英寸76～100點之間。根據以上分析，GF-1數據最佳成圖比例約為1∶20000，最大成圖比例為1∶7520～1∶8900；GF-2數據最佳成圖比例約為1∶10000，最大成圖比例為1∶2500～1∶3000。

通過以上分析，就遙感影像的解譯能力以及成圖比例尺來看，GF-1衛星數據主要適用于區域性地質災害調查，GF-2衛星影像數據主要適用于地質災害精細調查。

4　　GF數據地質災害調查與監測應用實例

根據高分產品應用能力和地質災害調查業務的實際需求，高分產品可用于汛前地質災害隱患巡查、地質災害動態監測、地質災害應急調查以及地質災害災情評估等工作中。

4.1汛前地質災害隱患巡查

汛前地質災害隱患巡查主要是在汛期前對地質災害隱患進行遙感排查，根據巡查結果，有針對性地防范地質災害，避免和減輕因災造成人員傷亡和財產損失（圖2）。

4.2地質災害動態監測

地質災害動態監測是通過兩期影像（最新影像和基期年影像）對比分析，監測區域地質災害點分布的變化情況，更新地質災害分布圖；還可以監測地質災害體的變化特征，為準確評估災害體發展趨勢及其危險性提供依據（圖3）。

圖2　GF-1地質災害遙感調查圖Fig.2　GF-1 geological disaster remote sensing survey

4.3地質災害應急調查

地質災害應急調查主要是指在突發性災害發生后，利用高分影像查明其分布、規模、發育特點、發展趨勢以及危害性和影響因素等，為指導災害救援、開展災后重建提供參考依據（圖4）。

圖3　滑坡兩期影像對比圖Fig.3　Comparison of two images of landslide

圖4　GF-2地質災害應急調查圖Fig.4　GF-2 geological disaster emergency survey

4.4地質災害災情評估

地質災害災情評估主要是通過災后最新的遙感影像，套合災前的遙感影像和其他相關資料，對受損的房屋、道路、土地等進行統計，準確查明災區受損情況，為災后重建科學規劃提供可靠信息支持（圖5）。

5　結論

利用GF-1/2開展在地質災害調查與監測應用調查前景廣泛，通過研究和應用實踐，得出如下結論：

（1）根據國外同類型衛星數據在地質災害調查與監測中的應用效果，結合本次應用示范的經驗，從實際應用和需求方面來看，GF-1衛星數據較適用于區域性地質災害調查，主要體現地質災害及其隱患的分布與災害體的大小、范圍、數量等主體要素。GF-2衛星數據較適用于局部地質災害的精細調查，主要體現災害體的形態、運動方式、穩定性、成因以及危害程度的定性定量指標。

（2）通過示范區應用，高分系列產品可以用于汛前地質災害隱患巡查、地質災害動態監測、地質災害應急調查、地質災害災情評估等。

圖5　GF-2地質災害災情評估圖Fig.5　GF-2 geological hazard assessment map

/References

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Application Capability Analysis of Geological Hazard Investigation of GF-1/2 Satellite Data

Xu Zhaojun
（Hunan Geological Environment Monitoring Station， Changsha Hunan410007）

W ith the rapid development of Chinese space technology and satellite technology， satellite remote sensing data of our country has been more and more popular because of its high quality and low price. The paper on the basis of geological disaster survey and monitoring business requirements analysis，to carry out GF-1/2 in geological hazard investigation and monitoring capability analysis and application of the model， and promote the GF-1/2 in geological hazard survey and monitoring scale and industrialization application.

geological hazard investigation； GF-1/2 satellite data； application potential

P694

A

1672-5603（2016）03-027-7

*本項研究受基金項目：中國地質調查局“災害易發區遙感地質綜合解譯”項目（12120113105100），國防科工局高分辨率對地觀測系統重大專項“湖南地質災害調查高分應用示范”項目（E0202/1112/DK07）資助。

*第一作者簡介許兆軍，男，1978年生，高級工程師，研究方向：遙感地質調查、遙感技術應用。E-mail: xzjhnrs@163.com

2016-6-21；改回日期：2016-7-25。