不同地質災害類型的遙感解譯機理研究

張 強

（中國建筑材料工業地質勘查中心吉林總隊，長春 130000）

應用遙感技術對地質災害進行風險識別和提取已成為一種普遍方法[1-5]，遙感技術具有宏觀、綜合和多尺度的特點。其已成為地質災害調查和數據分析高效、快捷的手段[6]，特別是在地質環境調查與評價、礦產勘查、地質災害監測及重大地質災害隱患早期識別等方面[7-10]。吉林省東部山區地質災害發生的頻率較高，本文以吉林省臨江市為例，借助多光譜、高分辨率遙感影像數據[11-12]，結合地質災害其他相關數據進行遙感解譯。遙感影像、1∶50 000 地形圖、1∶100 000 地質災害調查圖和DEM（數字高程模型）等多源數據融合，研究區域地質災害孕災環境，識別掌握地質災害易發區域[13]。通過計算機自動識別和人機交互解譯，對地質災害類型、邊界、規模和形態特征進行解譯[14]，提取必要的地質災害信息，分析地質災害的成因和發展規律。

1 研究區概況和數據源

臨江市是吉林省白山市代管縣級市，位于吉林省東南部。臨江市地處長白山腹地，鴨綠江中上游北岸，與朝鮮民主主義人民共和國隔江相望，北、東、西分別與江源區、撫松縣和長白縣相連。其地理坐標為東經126°30′—127°49′，北緯41°31′—42°03′，面積3008.5 km2。臨江市屬于中溫帶大陸性季風氣候，山地較多。西伯利亞和蒙古的寒流受老爺嶺山脈的制約，其影響減弱，溫暖濕潤的海洋空氣沿河流流動，形成了鴨綠江流域獨特的氣候區。臨江市地處長白山腹地鴨綠江畔，境內群山環抱，峽谷交錯，河流地勢東高西低。

收集比例尺為1∶50 000 的17 幅地形圖和1∶100 000的171 幅地形圖，進行圖像校正和地形圖參考信息提取。在工作區域采集高分辨率遙感影像數據。根據調查目的和研究對象，選取2020年高分1 號遙感衛星數據，全色分辨率為2 m，多光譜分辨率為8 m，時間為春季。此外，結合遙感地質災害的特點，以減少云、雪和植被等對地質體的影響。選擇春季陸地衛星和所有波段遙感圖像記錄2m、15m 全色分群率，基于多光譜率30m，收集了氣象、水文、森林植被、自然地理條件和當地的經濟數據，收集了工作區地質災害預防計劃，地質災害的分布、地貌圖，地質圖數據；收集了地質災害防治規劃、地質災害調查與區劃報告及人口、居住區和工礦開發的統計調查資料；收集了工作區和土地變化調查資料。

2 數據處理

遙感圖像處理分為多光譜合成和幾何校正2 個步驟。根據不同的地物，選擇3 個合適的波段組合，形成30 m 分辨率的多光譜圖像，然后根據地面控制進行幾何校正。Landsat8 遙感影像需與30 m 分辨率的多光譜影像合成，再與15 m 分辨率的全色數據融合，經過幾何校正和地理配準，最終形成15 m 分辨率的多光譜影像。幾何校正采用多項式擬合方法，幾何校正的均方誤差小于等于1 像素。切割融合得到Landsat8 遙感影像。高分辨率遙感數據處理是將單波段數據分別組合成8 m 分辨率的多光譜圖像，再與2 m 分辨率的pan 圖像融合，形成2 m 分辨率的多光譜圖像。用地形圖校正多光譜融合圖像。幾何校正采用多項式擬合方法，幾何校正的均方誤差小于等于6 像素。然后進行拼接和切割，得到經過處理的高分辨率遙感影像。以DEM 為基礎地形數據，生成坡度圖、坡度方向圖等數據，主要為崩塌、滑坡和失穩邊坡的提取提供數據支持，運用水文分析模型進行分析，為泥石流的提取提供數據支持。

3 常見地質災害形成機理和遙感影像特征

根據研究區域不同地質災害發育的地質環境和孕災環境特征，通過遙感影像呈現不同的特征，建立解譯標志。在地質遙感解譯中，常用色調深度、色調均勻性和邊界清晰度來描述黑白照片的色調特征。通常需要通過顏色、陰影、水系、紋理特征、植被和位置等來解譯目標特征[15]。本次地質災害調查主要研究崩塌、滑坡和泥石流等地質災害的地學遙感機理。

3.1 崩塌

崩塌一般是指巖塊從母巖上翻滾，巖塊間相互碰撞，從斜坡上翻落下來，在坡腳堆積，形成倒巖堆[16]。崩塌一般發育在40°～75°的陡坡上，崩塌面形狀較為復雜，崩塌體部分呈長條狀展布。崩塌運動形式主要有墜落和崩落2 種。崩塌災害的形成受地層巖性和巖體結構、風化和人為活動、地形地貌及地下水作用等多種因素的影響[17]。崩塌地質災害多分布在巖性堅硬、節理發育的陡坡上，如溝谷、道路和河流等。在陡峭的山坡周圍，堆積著成巖堆或倒石堆。整體圖像粗糙，微地貌起伏。崩塌后出現帶狀險峻懸崖或斷崖，向陽坡為淺色塊，背陰坡在遙感影像中陰影嚴重。崩塌顯示出具有淺色色調的不規則板像，常以組和條帶形式出現。在遙感影像上呈現，植被稀疏，亮度高，存在裸露的基巖，選取植被指數、土壤亮度指數和地形指數作為崩塌地質災害遙感解譯的主要背景值。通過在遙感影像上呈現的光譜、形狀、地形及邊緣等特征進行識別。

3.2 滑坡

滑坡一般是在一定自然條件下形成的斜坡。滑坡體一般發育在20°～40°的斜坡上，呈條狀展布。由于地下水活動、植被破壞、人工挖坡、河流沖刷或地震等因素的影響，部分巖體或土體沿某一軟面或軟區受到重力變形，其特征是整體、緩慢、間斷和水平位移。本次滑坡遙感解譯主要選取植被指數、土壤亮度指數及坡度屬性指數作為背景值。在滑坡解譯中引入了邊緣檢測和紋理特征提取方法。背景值提取滑坡的遙感信息，有許多的局限性，在實際工作中，探索了一種新的信息提取方法。滑坡在遙感圖像上，呈現舌行、簸箕型、弧形或不規則型。在巖層傾向與坡向一致、巖性脆弱、大型節理發育地區和活動斷裂帶附近，常發生規模較大的滑坡。根據滑坡特征，建立決策樹支持模型，提取信息；然后運用Canny 算子等提取災害點邊緣圖像，提取災害點范圍。

3.3 泥石流

泥石流形成的地貌因素主要是地形高差、山坡坡度、溝谷谷坡坡型和溝床縱坡等。泥石流發生后，尤其在流通區會造成嚴重的植被破壞，使基巖裸露，在遙感影像上，色彩與周圍對比鮮明，遙感影像上呈現的光譜、地形和形狀等特征，表現實地的植被差異、長寬比和溝谷關系等。

3.4 不穩定斜坡

一般不穩定斜坡在比較陡峭的斜坡上，基巖裸露，植被稀疏，有發生崩塌、滑坡等地質災害的可能，在遙感影像上呈淺色調，一般假彩色圖像是灰色或白色，周圍植被開發區是粉紅色或紅色，解譯標志與崩塌有相似之處，地質災害為崩塌倒樁。邊坡不穩定容易發生崩塌、滑坡等地質災害，這些災害與邊坡、邊坡方向密切相關。與崩塌特征類似，但沒有崩落碎石堆；滑坡型不穩定斜坡，一般有植被覆蓋在真彩色影像上呈淺綠色，標準假彩色影像上呈淺紅色，發育后端有淺色邊緣凹凸條。

4 解譯方法

4.1 計算機自動識別

4.1.1 崩塌

根據崩塌的地質災害遙感成災機理，基于土壤亮度指數、植被指數、第一主成分變換值及土地利用數據、地形數據為一體的解譯模型如圖1所示，可以獲得比較理想的崩塌地質災害的信息；順坡閾值為大于2.5，即符合閾值要求的為順坡。

圖1 崩塌地質災害遙感解譯流程圖

4.1.2 滑坡

根據滑坡的地質災害遙感成災機理，建立決策樹支持模型，提取信息；然后運用Canny 算子等提取災害點邊緣圖像，提取災害點范圍，其技術流程如圖2所示。

圖2 滑坡地質災害遙感解譯流程圖

4.1.3 泥石流

實際工作中，關于泥石流解譯主要包括本底值計算、閾值選取、溝谷范圍提取、溝壑密度和泥石流信息篩選。

（1）泥石流信息遙感本底值計算：通過對植被指數、土壤亮度指數和遙感經主成分變換得到的第一主成分（PCI）圖像的集成計算，獲取新的第一主成分圖像。

（2）閾值選取：對上一步圖像進行集成運算，應用多峰直方圖閾值選取算法進行泥石流閾值的自動獲取，并根據獲取的閾值提取出泥石流候選區，在此過程中需要利用形態濾波的閉運算（先膨脹、后腐蝕）對新的灰度圖像的部分不純凈像元進行處理。

（3）溝谷范圍提取：首先對DEM 數據進行平滑處理，用以除去“短枝”和離散點，再對數據進行形態學閉運算，以獲得連續性較好的溝谷中心線；再次對利用形態濾波膨脹算法對已獲取的連續溝谷中心線進行一定核大小的膨脹運算后得到溝谷范圍。

（4）泥石流信息篩選：基于泥石流候選區的二值圖像和溝谷范圍二值圖像進行圖像匹配處理，得到可疑泥石流柵格圖斑將其矢量化。然后，以泥石流形成的條件和泥石流的空間特征為篩選條件對矢量圖斑進行面積、坡度和順坡性篩選，最終得到泥石流矢量圖斑。

4.2 人機交互解譯

對高分影像、計算機自動識別數據、地質災害防治規劃圖、地質災害分布與易發區圖等數據進行分析，判讀提取地質災害信息，填寫地質災害遙感解譯點信息表。

5 結論

從基于遙感的地質災害提取結果可以看出，臨江市地質災害的主要類型為崩塌和泥石流。崩塌主要發生在調查區西部。泥石流主要發生在西南地區，其中西南和正南地區泥石流較為嚴重。地質災害常發生在山腳下和植被稀疏地區。據統計：崩塌面積達93.04 hm2，受災點94 個，現場核查93 個，另一個因道路障礙、地形及周邊環境復雜無法到達。經現場驗證，有75 處解譯正確，準確性為79.79%。滑坡面積24.81 hm2，現場驗證了7 個災害點，解譯精度100%。泥石流發生面積54.88 hm2，受災點27 個，經現場驗證，正確解譯19 處，準確率為70.37%。滑坡為27.17 hm2，現場驗證了6 個災害點，解譯精度100%。災害總面積達199.90 hm2，地質災害解譯災害點134 個，野外驗證133 個，現場驗證率達99.25%，綜合解譯精度達79.85%。

從方法論角度看，采用的多光譜、高分辨率遙感影像能夠滿足1∶50 000 地質災害的遙感解譯要求，從而實現工作目標，完成工作任務。經現場驗證，解譯精度達到技術規范要求。地質災害的發生主要受自然因素和人為因素的影響。人為因素主要表現為人類的生產和生活活動，包括道路的建設、隧道的開挖和礦山的開采等。自然因素主要有地貌、巖性等地質環境條件，以及日曬和降雨。崩塌主要發生在道路附近，泥石流主要發生在受雨水沖刷且有一定坡度的溝谷區域。遙感解譯是地質災害判斷的重要手段。遙感解譯的準確性可以指導地質災害的調查。但是，由于遙感影像成像的內外因素的影響，存在“同物異譜，異物同譜”的現象。同時，受個人形象解讀經驗的影響，一些解讀點存在著不準確。解譯精度總體上能滿足技術規范的要求，達到解譯的目的，在地質災害調查和區劃中發揮作用。