航空影像在滑坡調(diào)查與監(jiān)測中的應(yīng)用研究

王芳潔，陳曦

(1.宜昌市測繪大隊，湖北宜昌 443000;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院數(shù)學(xué)地質(zhì)與遙感地質(zhì)研究所，湖北武漢 430074)

1 引言

我國滑坡災(zāi)害每年都造成大量的人員及財產(chǎn)損失，是水電工程，公路、鐵路建設(shè)中常見的地質(zhì)災(zāi)害，具有強(qiáng)烈的破壞性。

傳統(tǒng)的滑坡調(diào)查和監(jiān)測方法有常規(guī)工程地質(zhì)測量、GPS測量和近景攝影測量等等。近年來，遙感以及航測技術(shù)以其宏觀快速、多時相、多種類、全天候以及不受復(fù)雜地形限制等諸多傳統(tǒng)手段無法取代的優(yōu)點(diǎn)，在滑坡災(zāi)害中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著民用商用遙感影像的日益豐富以及分辨率的大幅提高，遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)成為滑坡調(diào)查與監(jiān)測中不可缺少的重要信息源。

本文采用中國航空測量遙感影像作為主要信息源，以計算機(jī)圖像處理結(jié)合目視解譯為手段，對該區(qū)域危巖及崩塌堆積體進(jìn)行解譯，為長江航道防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

2 滑坡及滑坡遙感技術(shù)

2.1 滑坡定義與組成要素

滑坡是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷、地下水活動、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動的自然現(xiàn)象。從廣義的角度講，崩塌也屬于滑坡的范疇，有的學(xué)者稱其為崩滑地質(zhì)災(zāi)害［1］，論文從廣義的角度研究滑坡。

典型滑坡具有以下組成要素 (圖1):①滑坡體;②滑動面;③剪出口;④滑坡床;⑤滑坡后壁;⑥滑坡洼地;⑦滑坡臺階;⑧滑坡臺坎;⑨滑坡前部:常形成滑坡鼓丘和滑坡舌;⑩滑坡頂點(diǎn);[11]滑墊面;[12]滑坡側(cè)壁。其中滑坡后壁、滑坡體、滑動面、和滑坡床是所有滑坡都具備的要素，對于遙感圖像解譯，由于不能直接看見滑坡的地下部分，滑坡體和滑坡后壁是兩項最基本的要素［2］。

圖1 滑坡形態(tài)特征示意圖

2.2 數(shù)字滑坡技術(shù)

學(xué)者在十年前提出了“數(shù)字滑坡技術(shù)”，此后又做了全面論述［3］，即以遙感(RS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)方法為主，結(jié)合GIS技術(shù)和其他勘探、試驗、調(diào)查手段，服務(wù)于滑坡調(diào)查、監(jiān)測、研究、滑坡災(zāi)害評價、危險預(yù)測、災(zāi)情評估、減災(zāi)和防治等等各個階段的技術(shù)。

滑坡研究可分為探測識別(調(diào)查)、監(jiān)測、分析和災(zāi)害預(yù)測幾個階段［4］，將遙感技術(shù)運(yùn)用于滑坡各階段的技術(shù)被稱為滑坡遙感技術(shù)，是“數(shù)字滑坡技術(shù)”的重要部分，其技術(shù)流程概括如圖2所示。

3 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

3.1 研究區(qū)概況

圖2 滑坡遙感技術(shù)流程

奉節(jié)～江津段東起重慶奉節(jié)縣，向西經(jīng)云陽縣、萬縣市、忠縣、豐都縣、涪陵市、長壽縣、重慶市，止于江津市(如圖3所示)，地理坐標(biāo)東經(jīng)106°13'54″～109°52'46″，北 緯 29°16'49″～ 313'56″，全 長 約492.5 km。解譯范圍為長江干流河道沿線向兩側(cè)各5 km的帶狀區(qū)域。

研究區(qū)位于中緯度地帶，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年降水量900 mm～1 200 mm，年均氣溫15℃左右;災(zāi)害性天氣有干旱、暴雨洪澇;崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害在雨季多發(fā)，嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全，發(fā)育于大江大河兩岸則對航運(yùn)安全構(gòu)成威脅;森林覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，抗災(zāi)能力較低。

圖3 工作區(qū)地理位置

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

(1)遙感信息源:中國航空測量遙感影像，采用的是2004年的圖像。

(2)地形、地質(zhì)資料，災(zāi)害調(diào)查資料等野外調(diào)查的相關(guān)信息。

(3)以1∶5萬地形圖為準(zhǔn)采集地面GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)。

4 滑坡解譯方法

4.1 研究方法

(1)生成工作區(qū)DEM數(shù)據(jù):根據(jù)地形圖ArcGIS軟件下掃描矢量化，差值計算生成DEM數(shù)據(jù)。

(2)校正航空測量影像:利用ENVI、ERDAS等遙感軟件平臺對工作區(qū)遙感影像進(jìn)行幾何精確校正、假彩色合成圖像加密處理，制作可供工程調(diào)查使用的高精度圖像。

(3)建立解譯標(biāo)志:分析和研究前人資料，了解工作區(qū)危巖及崩塌堆積體等地質(zhì)現(xiàn)象的影像標(biāo)志，研究其影像特點(diǎn)，建立解譯標(biāo)志。

(4)1∶5萬滑坡災(zāi)害遙感解譯:利用已建立的解譯標(biāo)志，進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)解譯。

(5)野外驗證點(diǎn)定位:調(diào)查點(diǎn)均采用GPS定位儀，結(jié)合地形圖及航空測量遙感影像控制定位。

(6)野外驗證和重點(diǎn)地段野外調(diào)查:對詳細(xì)解譯成果野外實(shí)際驗證，補(bǔ)充、修改室內(nèi)解譯資料，對一些可解譯程度較低、又屬重點(diǎn)地段采用全野外調(diào)繪法加以控制。

(7)圖像增強(qiáng)等處理:增強(qiáng)和突出遙感影像上的地質(zhì)信息，提高解譯質(zhì)量，主要方法有:①采用ArcGIS軟件對全區(qū)遙感圖像進(jìn)行增強(qiáng)、交換、卷積、濾波等常規(guī)處理，以突出地質(zhì)信息以便提取專題信息;②依據(jù)地質(zhì)體的基本特征，輸入特征數(shù)值，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)地質(zhì)體信息自動識別，以達(dá)到計算機(jī)地質(zhì)體信息的自動識別的目的;③根據(jù)工作區(qū)可解譯程度、工程重要程度，選擇重點(diǎn)地段作為子區(qū)，進(jìn)行圖像處理，增強(qiáng)重點(diǎn)地段的遙感地質(zhì)體信息。

(8)內(nèi)業(yè)整理:野外工作成果的整理匯編與統(tǒng)計分析，有關(guān)圖件及表格的補(bǔ)充和完善。

4.2 滑坡解譯標(biāo)志

滑坡遙感解譯是利用滑坡地區(qū)在遙感影像上反映出的特殊地形地貌特征(解譯標(biāo)志)識別滑坡體，并結(jié)合地學(xué)背景與相關(guān)手段對影響的解譯過程。一般說來，滑坡遙感解譯標(biāo)志如下:

(1)滑坡地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在溝谷、河流、公路(圖4)、鐵路等陡峭的山坡邊坡和局部凹陷地段以及河道變異異常和侵蝕基準(zhǔn)面發(fā)生急劇變化的河流交匯處，沿著線性構(gòu)造(如山脊河流)密集帶或環(huán)形構(gòu)造(如盆地和環(huán)形山岳)邊緣呈線狀或帶狀分布。

圖4 工作區(qū)遙感影像(一)

圖5 工作區(qū)遙感影像(二)

(2)滑坡體后緣即滑坡壁發(fā)育有直線或弧形異常影像，有絕壁、陡坎等等，存在明顯的地形變異線和色調(diào)異常線，有時在滑坡壁后方可見后緣拉張裂隙?；卤陬伾c巖性有關(guān)，多呈淺色調(diào)或接近灰白，無植被(圖5);有時呈深色調(diào)，是崩塌壁巖石色調(diào)本身較深所致。

(3)崩滑堆積體識別標(biāo)志。崩滑堆積體在谷底或斜坡平緩地段，多呈扇形、簸箕形、舌形或不規(guī)則形等形態(tài)，相對于滑坡壁呈深色調(diào)。表面坎坷不平，具粗糙感，常有地形微突起，或大塊石影像。

多數(shù)崩滑輪廓線明顯，在遙感圖像上較易辨認(rèn)。新的崩滑體色調(diào)較淺，植被不發(fā)育;趨向于穩(wěn)定的崩滑體(圖6)，其崩塌壁色調(diào)呈深色調(diào)，或在深色調(diào)中具淺色斑點(diǎn)，生長少量植物，其上方陡坡仍明顯存在，崩塌體以粗顆粒碎石土為主;穩(wěn)定的崩塌，其滑坡體色調(diào)較深(一般為均勻的深綠色)，植被生長較密，巖層主要為細(xì)顆粒土組成，其上方陡坡已明顯變緩。

(4)滑坡體內(nèi)部常形成相對獨(dú)立封閉的匯水區(qū)和特殊的水網(wǎng)系統(tǒng)，或與鄰近區(qū)域不協(xié)調(diào)的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，坡體兩側(cè)的自然溝切割較深，滑坡的后緣常形成小湖或一連串的洼地和水塘等。

圖6 工作區(qū)遙感影像(三)

4.3 典型滑坡的解譯

表1

續(xù)表1

4.4 解譯結(jié)論

宜昌～江津段滑坡地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)較多，由解譯結(jié)果可以看出，滑坡及崩塌災(zāi)害主要沿長江干流兩岸及主要公路邊緣分布，大部分由河水沖刷及人工開挖邊坡形成，其中在坡度值為10°～20°之間，尤其土質(zhì)松軟時，易形成滑坡，55°～75°時極易產(chǎn)生崩塌，對長江主河道及沿岸公路形成較大安全隱患。

5 方法改進(jìn)

常規(guī)的滑坡遙感調(diào)查方法主要是室內(nèi)目視解譯，野外查證，建立解譯標(biāo)志，再對全區(qū)進(jìn)行解譯。以這樣的工作流程開展工作對解譯人員的經(jīng)驗要求高，工作量大，也很容易遺漏。

根據(jù)前人的資料和工作區(qū)前人野外調(diào)查驗證資料的綜合分析，危巖體一般位于陡峻的山坡段，一般在55°～75°的陡坡前易發(fā)生滑坡或者崩滑地質(zhì)災(zāi)害，呈上陡下緩狀，崩塌體堆積在谷底或斜坡平緩地段。

依據(jù)這一特點(diǎn)，可以使用DEM高程影像選取坡度在55°～75°的區(qū)域作為感興趣區(qū)域，進(jìn)行重點(diǎn)解譯，以期減少解譯工作量，加快解譯速度，提高解譯質(zhì)量。

選取了全段的一部分區(qū)域作為研究區(qū)域，截取該區(qū)域的DEM影像(圖7)，根據(jù)坡度范圍(大于55°并且小于75°)建立決策樹(圖8)。得到的坡度大于55°的區(qū)域只占到了研究區(qū)域的0.14%，且沒有坡度大于75°的區(qū)域。

圖7 試驗區(qū)DEM

圖8 決策樹

圖9 決策樹分類結(jié)果

根據(jù)決策樹分類結(jié)果，得到了感興趣區(qū)域(圖9)。將感興趣區(qū)域與航空影像做疊加分析，與原目視解譯結(jié)果進(jìn)行對比得出:感興趣區(qū)域內(nèi)目視解譯所得滑坡體15處，除一處外全部位于決策樹提取的感興趣區(qū)域內(nèi)，證明以該方法可以明顯提高解譯效率和質(zhì)量。

6 結(jié)語

本文利用航空影像、結(jié)合滑坡體以及崩滑堆積體等解譯標(biāo)志對宜昌～江津段進(jìn)行了滑坡解譯，實(shí)驗證明文中的方法能大范圍并準(zhǔn)確的獲取災(zāi)害地區(qū)的環(huán)境變化，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。本文對常規(guī)的滑坡體目視解譯方法進(jìn)行了改進(jìn)，利用DEM數(shù)據(jù)建立決策樹，提取坡度為55°～75°的區(qū)域作為感興趣區(qū)域，與航空影像疊加后進(jìn)行重點(diǎn)解譯，由于提取的感興趣區(qū)域只占到了研究區(qū)域的0.14%，并且解譯結(jié)果與原目視解譯結(jié)果基本吻合，說明該方法可以大量減少了目視解譯的工作量，提高了解譯的效率與質(zhì)量。由此看出通過航空影像DEM數(shù)據(jù)提取坡度信息建立決策樹的方法對于滑坡識別監(jiān)測具有一定的研究價值。

隨著研究的深入和遙感技術(shù)的成熟，滑坡遙感技術(shù)正在朝著滑坡的短期和臨期預(yù)報方向發(fā)展，多源多時相數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡調(diào)查將更大程度上替代傳統(tǒng)方法，大幅減少外業(yè)工作量，并逐漸成為滑坡前兆監(jiān)測預(yù)報的有效手段，解譯結(jié)果也將更加真實(shí)可靠。

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