遙感地質災害解譯識別技術在南網地區的應用

王 昊，吳新橋，楊家慧，蔡思航，李 彬

(中國南方電網數字研究院，廣州 510000)

0 引 言

南方電網五省區降雨頻發，在集中降雨時期，輸電線路所在的山區巖體常發生滑坡、泥石流等自然災害，從而影響到線路運行的安全與穩定。因此，輸電線路地質災害的預警與防治是主要工作重點之一。當采用人工方式對地質災害進行識別與預警時，會出現工作量大，排查效率低等問題，且在地質災害的防治過程中，采用人工方式缺乏時效性，往往事倍功半[1,2]。所以，遙感技術就在此類項目工程大力的開展起來，實踐證明可以收到事半功倍的效果。遙感技術的重點在于遙感圖像分辨率。近些年來，我國研究人員及工程師們在提高分辨率方面進行了持續的研究，并取得了顯著成效。因此，高分辨率的遙感圖像在輸電線路地質災害工程中發揮著愈加重要的作用，高分辨率遙感影像地質災害解譯識別技術將是今后一段時間的主要遙感技術系統[3,4]。

研究人員在遙感地質解譯識別技術的研究及應用方面做出了不錯的成果[5,6]。張焜[7]基于ZY-102C的數據選取及圖像預處理，對塔吉克斯坦帕米爾地區進行了巖性、構造的詳細解譯，解譯過程及結果說明ZY-102C星遙感數據的高空間分辨率，在識別巖性以及地質構造中有較好的應用效果，為境外地質礦產勘查開發提供了遙感信息支持。胡官兵[8]基于西南地區的氣候與地質條件特點，即氣候濕潤，植被繁茂導致露出的巖體較少，采用高分辨率遙感圖像技術，在常規遙感地質解譯方法的基礎上，開展了熱帶雨林覆蓋區遙感地質解譯和地質填圖，并取得了較好的成效。

本文利用高分一號數據及Landsat-8 OLI數據進行了全色波段高分辨影像和多光譜低分辨率影像融合，在充分了解及掌握區內以往相關內容遙感調查成果的基礎上，有針對性的開展南網地區輸電線路相關調查專題的遙感解譯工作，總結相應專題的遙感影像特征，建立遙感解譯標志。通過遙感影像特征對比、分析，提取各專題影像特征類似或相同遙感信息。解譯結果對工作區域的地質災害類型、地質災害點以及分布區域有了全面清晰的認識，同時將地質災害點進行分區，為輸電線路災害預警和處置提供了有力的技術支撐。

1 研究區域地質概況

工作區主要是在海拔60 m左右的平原丘陵地帶，最大海拔不超過700 m，坡度較緩，一般在20°以內。根據災害的發育特征，將工作區進行易發性分區(如圖1所示)，將其劃分成高易發區、中易發區、低易發區三個區域，從而有針對的對其進行地質災害遙感解譯。

圖1 工作區易發性分區

2 遙感數據及圖像預處理

2.1 遙感數據收集

地形數據主要使用ALOS-12.5 m高程數據和Aster-30 m高程數據，用于遙感數據的正射校正和解譯中的輔助。遙感信息資料主要有以下幾類：landsat系列衛星數據、高分一號衛星數據、谷歌歷史遙感數據，如表1所示。

表1 衛星遙感數據特征表

本次遙感地質災害識別技術創新性的應用了高分一號衛星數據。高分一號衛星具備高空間分辨率優于2 m的成像能力，不僅可以滿足高分辨率的要求，在成像幅寬方面可以達到800 km，該技術已處于世界先進水平；高分一號衛星在時間分辨率上，遠超普通商業衛星；高分一號衛星要求達到無控制點條件下定位準的特點；除此之外，高分一號衛星數據具有壽命長的特點，可實現持續長期的觀測定點。本項目中將高分一號衛星應用于遙感地質災害識別技術，將極大提高該技術的精度，促進其迅速發展。

2.2 遙感數據選取

采用計算機對遙感圖像進行加工處理，以改善圖像質量、增強有關信息，這對于遙感影像的判釋結果以及后期的制圖有重要的意義。因此，原始遙感圖像的加強處理是非常必不可少的處理手段，通過對圖像進行大規模的處理可以獲得高質量的遙感圖像，現在已經存在的圖像處理方法通常包括大氣校正，輻射校正，正交校正，色彩匹配等一些非常好的方法，最終得到的效果其好壞程度不僅能夠對圖像信息的提取進行直接的影響作用而且會同時判斷后期效果和很多專業畫圖的準確性，因此，在對一個項目進行應用遙感圖像之前，應該對圖像的處理做法進行比較恰當的選取，在對原始遙感圖像進行加強的處理時，來產生高質量的遙感圖像。為了感測圖像數據，將波段3，波段2和波段1(本色)選為最佳RGB基本顏色合成圖像組合，這是用于地質解釋，提高了遙感圖像的解像力。所用高分一號數據進行了全色波段高分辨影像和多光譜低分辨率影像融合，從而提高影像質量，加大地質災害遙感解譯和地質信息提取精度。本次遙感影像平面坐標采用GCS_WGS_1984地理坐標系，高程系統采用1985國家高程基準。

2.3 圖像預處理技術流程

已經得到的衛星影像即使都已經通過了幾何改正等的處理，但是在之前進行翻譯的時候，還必須要進行很多提前處理。選取典型地物點進行地理配準，使其能與數字地形圖進行疊加。本次研究中以一種合成圖像為主、輔以其他合成圖像來解譯主題。

本次遙感解譯主要采用高分一號衛星數據進行遙感解譯，衛星數據圖像處理主要包括輻射定標、大氣校正、正射校正、數據融合、幾何校正和各種增強處理等功能，其工作流程見圖2。

圖2 遙感數字圖像處理及制作工作流程圖

3 遙感地質災害解譯

3.1 遙感解譯標志

南網地區輸電線路所在地區地質條件復雜，加之降雨頻繁，導致地質災害頻繁發生。因此，對于輸電線路的地質災害進行解譯識別與預警，并采取相應的防治措施，最先應該掌握輸電線路地區常見的地質災害類型。由于我國復雜的地質條件，輸電線路的地質災害也就具有多種類型的特點。現存的主要能夠對輸電線路產生較大威脅的地質災害有崩塌、滑坡、泥石流、地震、山洪以及大風等。南方地區在多雨季節，滑坡、崩塌是最容易發生的地質災害。輸電線路地區復雜的地形與地質結構導致上述地質災害加重了對正常生產運行的影響。常常導致供電中斷，出現較大的經濟損失，影響居民的生活質量。加之該地區受到降雨的頻繁沖刷，難免導致地質災害的發生。除此以外，還有人為因素導致地質災害的發生。

為了避免地質災害的發生，對輸電線路地區進行災害預防是非常重要且有效的措施。地質勘查是基礎環節，必須要在輸電線路進行建設前做完。根據地質勘查報告，可以在修建中規避掉可能發生災害的地區；在進行前期工程勘測之后，要做好工程圖紙設計工作；在進行輸電線路工程施工時，嚴格按照圖紙施工。

對于本文所涉及的工作區域，主要涉及的地質災害問題是滑坡和不穩定邊坡，現作重點研究。

采用高分辨率遙感影像進行滑坡與不穩定邊坡的解譯識別的技術主要采用以下3個流程。

(1)對地質災害的典型特征進行辨認，進而總結出輸電線路中滑坡、不穩定邊坡的災害控制因子。

對于滑坡，主要判釋對象為滑坡體與周邊環境。滑坡體的形態、色調、紋理等均可以作為判釋特征；除此以外，諸如地質構造、地下水形態、植被發展等都可以在遙感影像上表現出特有的特征與變化。現以位于深圳市龍崗區白泥坑公園的某輸電線路工程處的遙感影像為例，對滑坡進行判釋，建立滑坡解譯標志，如圖3所示。

圖3 某輸電線路工程遙感影像

形態特征：通過衛星影像對滑坡體進行判釋時，一般的滑坡體呈現簸箕形、弧形、不規則形或馬蹄形。隨著圖像影像分辨率的提高，滑坡的墻壁與臺階處表現非常明顯。滑坡坡體在滑坡時常表現為破碎而起伏不平且斜坡易陡；當發生滑坡現象后，滑坡的后壁較高，坡體變緩，滑坡體平整。色調特征：當發生滑坡后，在圖像中可以看到滑坡體的色調會有較大的特異性，相比較滑坡體周圍的地形所成圖像而言，且差別明顯。由于滑坡后會產生松散堆積體，該堆積體會在遙感中反射出淺色調，因為具有較強的波普反射能力；當滑坡在變形時，滑坡體周邊所產生的影像色態較滑坡平面的色態淺，對于古滑坡坡體，在遙感影像中也呈現出淺色調。紋理特征：對于古滑坡，在遙感影像中，其狀態比較細膩，紋理清晰，滑坡體上的道路、耕地等實體可以在紋理中清晰的展現出來，偶爾會在滑坡體前端出現散落的孤石。而活動滑坡在遙感影像中呈現出較為粗糙的紋理形態，其原因為活動滑坡體地形破碎，地表起伏不平。破碎的地形地勢具有不同的發射光譜的能力，因而可呈現出斑狀塊體等形態。植被特征：對于古滑坡，坡體上可看到會呈現較多的樹木，甚至成林，對于活動滑坡，并無古滑坡存在的現象，會出現零星的樹木等小樹林。

對于不穩定邊坡，在進行遙感影像地質災害判釋時，地形、地質條件與地層巖性是主要的判釋手段。例如，在較陡的斜坡中，節理裂隙會呈現淺色調，其巖體由于經受切割會呈現棱形狀態。現以深圳市龍華區觀瀾大和路某輸電線路工程處的遙感影像為例，對不穩定邊坡進行判釋，建立不穩定邊坡解譯標志，如圖4所示。

圖4 某輸電線路工程遙感影像

色調特征：崩塌在遙感影像上，因遙感影像類型不同，所呈現的顏色具有較大差異，尚在發展或發生不久的崩塌點，影像上呈淺色調；對于崩塌進行到一定階段，區域穩定，相比崩塌剛發生不久的色調，其色調逐漸變灰暗。發育位置特征：由于崩塌經常發生在陡坡前，崩塌后巨大的石塊會堆積在斜坡的平緩地段，因此在遙感影像中會出現石塊影響。紋理特征：崩塌后形成的崩塌體，堆積在斜坡平緩地段，因此在遙感影像中可以看到紋理較為粗糙，偶爾會形成巨石影像，崩塌輪廓較為明顯，崩塌壁一般較為陡峭，其顏色一般呈現灰色、白色、淺色，具體成色與巖性有關。

(2)對邊坡的遙感影像數據進行預處理，主要內容為將邊坡信息反映到最優化。對于高分辨率影像，主要通過波段3，波段2以及波段1的組合實現，充分展示遙感影像所含有的豐富信息；進而對遙感影像做增強處理，采用的主要手段有輻射增強、灰度級拉伸，形成色彩飽和度高、分辨力強的影像[9]；在得到高分辨率影像的基礎上，再次進行幾何校正、輻射校正，通過把各類數據的融合，最終形成完備的遙感圖像。

(3)采用插值法、比值法對邊坡發生滑坡與產生不穩定時前后的遙感影像進行變化信息提取[10]。在此基礎上，引入基于像元的變化檢測方法，利用投票法對結果整合，得到滑坡體的初始掩膜，然后進行逐層修正，最終確定滑坡體的范圍。

3.2 遙感解譯

3.2.1 基本要求

通過對已有調查成果的分析，初步建立了該區域相同地物的遙感解譯標志，以此為基礎，開展遙感解譯工作，選取工作區具有代表性的解譯標志點進行野外實地驗證，完善遙感解譯標志，并對初步解譯成果進行補充解譯。在遙感解譯的過程中，將影像特征和解譯標志作為解譯的事實依據，地質災害的解譯應在收集區內現有調查成果的基礎上開展。應對重要解譯內容相關解譯標志做出相關解譯記錄，并在解譯圖上作出標示。

3.2.2 解譯方法

此次解譯基本使用的是目視解譯法，根據解譯標志，通過肉眼對處理后的遙感圖像的判別，進行類別區分和歸并。通過專家經驗對滑坡崩塌等地質災害的邊界進行矢量圈定，通常是根據其影像的顏色、紋理、形狀、大小，結合高程地形數據和以往的前人工作數據進行判定。根據多次試驗的應用效果，主要選擇波段組合法、比值組合法、融合技術為本次調查采用的圖像增強處理方法。

3.2.3 解譯流程

(1)遙感解譯標志的建立。遙感圖像存在一些顯著的標志，例如遙感圖像的幾何形狀、色調、色彩、地貌形態等，要進行解譯，必須建立遙感解譯標志。首先對工作地區的地質災害資料進行充分收集與掌握，其次通過野外地質勘探，根據地物波普特征和空間特征，建立遙感解譯標志。

(2)室內解譯工作。遙感圖像是室內遙感解譯的依據。通過大量的工程實踐證明，進行解譯時，要采取人工觀察與計算機識別結合的原則，采取初步與詳細依次進行的方法，采取室內與室外互相佐證的過程。筆者在大量查閱文獻的基礎上，對解譯工作進行了總結歸納，遵循的流程圖如圖5所示。從第一區域開始進行迭代，如果可以解譯就加入作為已有知識，如果不能解譯，就擱置，進行后續處理；依次進行下一區域，迭代更多區域，重復上述操作；直到迭代最后區域，解譯完畢。

圖5 室內解譯工作流程圖

遙感地質災害解譯要遵循以下原則：即已知到未知、總體到個別、定性到定量、簡單到復雜，且按照循序漸進不斷深化的原則進行解譯。

(3)野外調查與驗證。在形成初步解譯資料后，要對其進行調查與驗證，一般通過野外實地踏勘進行。通過此操作補充初步解譯成果，形成最終的詳細的遙感解譯成果，提高質量與可信度。

(4)地質災害制圖。在室內解譯的基礎上，通過野外調查和驗證，補充和修改后，將解譯成果草圖分圖層進行數字化成圖，提交最終的遙感解譯成果系列圖。該研究成果經過解密后，可作為知識庫，用于今后的災害預警與決策，為建設單位防治地質災害提供依據，為金融機構投資風險估算提供依據，廣泛應用于農業、商業等相關行業。

4 地質災害解譯結果及應對措施

本年度在工作區總共解譯地質災害點31個。從地質災害類型上看，滑坡災害點21個，占地質災害點總數的68%；不穩定邊坡10個，占地質災害點總數的32%。地質災害及隱患點類型以滑坡為主。地質災害點遙感調查情況如表2所示。

表2 災害類型及規模統計

研究團隊在遙感解譯滑坡和不穩定邊坡地質災害的基礎上，借鑒中國電力科學研究院的經驗[11,12]，著重突出邊坡力學機制，在區分巖質邊坡與土質邊坡的基礎上，從坡高、堅硬程度、風化程度、完整程度、結構類型、地質結構、水文氣象、地表水等方面，依據標準全面評價各項指標，并以加權法計算出各邊坡的危險性程度，主要分為高風險區、中風險區、低風險區。對災害點統計結果見表3所示，災害分區如圖6所示。解譯的災害點分布情況如圖7所示。

圖6 災害分區圖

圖7 災害分布圖

表3 災害分區統計

根據工作區內遙感解譯的地質災害點和風險區劃分，在進行地質災害制圖的基礎上，指定護坡、保坎的方案。且由于南網地區降雨量較多，因此需要在汛期前加快方案的實施，確保輸電線路桿塔基礎的安全與穩定。對于高風險區域以及部分中風險區域，滑坡的個數較多，不穩定邊坡也存在較多數量，該地區內發生危險的概率較大。因此，經過綜合比較，該類型地區應該對線路考慮遷移改道。當進行遷移改道時，必須對新選址的地質區域進行詳細的踏勘評估，在源頭上杜絕滑坡與不穩定區域的發生。

5 結 論

基于遙感地質災害解譯識別技術，對南方電網輸電線路地質災害成功的進行了解譯，對相關研究工作得到以下3個貢獻。

(1)將高分一號衛星應用于遙感地質災害識別技術，提高了影像質量，加大了地質災害遙感解譯和地質信息提取精度。

(2)建立了一套地質災害監測方法，通過歸納與總結，開發了解譯流程，明確了解譯工作要求。

(3)工作區總共解譯地質災害點31個。地質災害及隱患點類型以滑坡為主。通過南網地區輸電線路的地質災害制圖，為今后的災害預警與提出對策，為相關行業的發展提供了參照。

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