淺談高分辨率遙感在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

石琨　楊桂珍

【摘 要】本文主要介紹了高分辨率遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，并以礦區(qū)土壤重金屬含量的遙感反演為例，介紹主成分分析與多元逐步線性回歸法以及偏最小二乘回歸法在土壤重金屬含量反演中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)災(zāi)害；高分辨率遙感；土壤重金屬；反演

1.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中高分辨率遙感的研究現(xiàn)狀

我國(guó)的地質(zhì)災(zāi)害種類多、分布廣、危害大，成為世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。特別是崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，引起社會(huì)的不穩(wěn)，而其造成的間接損失更是無(wú)法估計(jì)[1]。地質(zhì)災(zāi)害是指在地球的發(fā)展演變過程中，由各種自然地質(zhì)作用和人類活動(dòng)所形成的災(zāi)害性地質(zhì)事件。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及工業(yè)化的起飛，人類活動(dòng)對(duì)地球的作用越發(fā)明顯，直接或間接地引起更多更嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。

為了有效地預(yù)防對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，需要一種先進(jìn)的技術(shù)對(duì)地球環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，而遙感技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題。遙感技術(shù)通過對(duì)地質(zhì)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并提前預(yù)報(bào)災(zāi)情的發(fā)生。隨著現(xiàn)代航天技術(shù)和高分辨率遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星遙感圖像的獲取越來(lái)越容易，同一地區(qū)圖像獲取周期越來(lái)越短，圖像的精度越來(lái)越高[2]。高分辨率遙感技術(shù)的出現(xiàn)不僅為地球資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)研究開辟了廣闊的前景，而且為地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查和研究提供了嶄新的手段。高分辨率遙感影像在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)得到廣泛的應(yīng)用。

趙琪等通過分析高分辨率遙感影像來(lái)獲取建筑物的屬性信息，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，建立震害矩陣預(yù)測(cè)震害，最后通過計(jì)算綜合地震危險(xiǎn)指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)該區(qū)域的綜合抗震能力[2]。2008年5月12日，四川省汶川縣發(fā)生Ms8.0級(jí)特大地震。汶川特大地震造成了滑坡、崩塌，并嚴(yán)重?fù)p毀了交通基礎(chǔ)設(shè)施，給全國(guó)人民帶來(lái)了極大的損害。陳世榮[3]等在應(yīng)急期間缺乏地面調(diào)查的情況下，利用高分辨率遙感圖像對(duì)道路震害損毀進(jìn)行了快速及較為準(zhǔn)確的評(píng)估。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)對(duì)礦山的開發(fā)利用管理不全，部分礦區(qū)開發(fā)秩序混亂，亂采亂挖現(xiàn)象常發(fā)生。礦山開發(fā)引發(fā)了一系列的問題，如水污染、環(huán)境破壞、塌礦等嚴(yán)重影響了周圍人們的生活及帶來(lái)了極大的安全隱患。為了對(duì)礦區(qū)進(jìn)行有效地管理，保護(hù)礦區(qū)，高分辨率遙感技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)、高效地監(jiān)測(cè)礦山開發(fā)的水土環(huán)境。通過利用高分辨率遙感影像提取礦山開發(fā)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)的直接的監(jiān)測(cè)[4]。在建立礦山地質(zhì)災(zāi)害遙感標(biāo)志的基礎(chǔ)上，對(duì)高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分辨率融合和信息增強(qiáng)，對(duì)多種地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行識(shí)別和提取。馬超，徐小波[5]等提出利用高分辨率星載SAR進(jìn)行礦區(qū)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)。唐川、張軍[6]等首先對(duì)美國(guó)高分辨率的“快鳥”影像進(jìn)行土地覆蓋類型遙感解譯，然后根據(jù)泥石流危險(xiǎn)程度和土地覆蓋類型特征，構(gòu)建城市泥石流災(zāi)害的損失評(píng)估模型，最后結(jié)合GIS計(jì)算完成泥石流災(zāi)害損失計(jì)算和評(píng)價(jià)?；逻b感檢測(cè)對(duì)于災(zāi)害調(diào)查有重要的意義，在對(duì)試驗(yàn)區(qū)滑坡遙感圖像特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，胡德勇等[7]提出了基于對(duì)象的高分辨率遙感圖像滑坡檢測(cè)方法，并將該方法用于高植被覆蓋的熱帶雨林地區(qū)。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)影像容易受到天氣的影響，導(dǎo)致圖像不清晰，因此，基于單一遙感數(shù)據(jù)源提取信息非常有限。然而，多源遙感影像的融合能提供一個(gè)比較好的方法。薛東劍、何政偉等提出采用光學(xué)遙感和雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的滑坡監(jiān)測(cè)。劉圣偉、郭大海[8]等提出利用精度更高的，受天氣影響很少的、穿透率很高的機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行滑坡災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明機(jī)載激光雷達(dá)坡度和地表粗糙度圖像能夠提供精確的微地貌特征量；多期機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以掌握一定時(shí)間段內(nèi)滑坡體的變形趨勢(shì)。

2.高分辨率遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)礦山水土環(huán)境

大量實(shí)踐結(jié)果表明，利用高分辨率遙感技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析、識(shí)別、監(jiān)測(cè)，建立地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是預(yù)防減少災(zāi)害的一個(gè)有效的途徑。其中高分辨率遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的基本過程包括：

圖1 地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)基本過程

以高分辨率遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)礦山開發(fā)區(qū)的水土環(huán)境為例，概述利用高分辨率遙感技術(shù)反演礦山開發(fā)土壤重金屬的污染。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為土壤中的重金屬元素含量很低，對(duì)土壤光譜曲線影響很微弱，甚至沒有影響，那么通過直接分析重金屬元素的特征光譜來(lái)估計(jì)其含量比較困難。Kooistra等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)萊茵河流域土壤中的Cd，Zn與有機(jī)質(zhì)含量之間存在很好的正相關(guān)，并利用了可見光-近紅外發(fā)射光譜和偏最小二乘回歸法預(yù)測(cè)土壤鎘、鋅的含量。由于土壤組成成分復(fù)雜，而且每個(gè)組分對(duì)光譜的影響是非線性，使得土壤輻射過程很復(fù)雜，直接建立土壤組分與光譜特征之間的物理模型非常困難。因此，首先利用主成分分析找出影響最重要的幾個(gè)組分來(lái)代表土壤中所有的組分，而且選出的幾個(gè)組分之間互不相關(guān)。然后利用多元逐步回歸分析方法研究選取的多個(gè)自變量與一個(gè)因變量之間關(guān)系，通過回歸系數(shù)來(lái)確定自變量的影響程度。偏最小二乘回歸方法融合了多元回歸和主成分分析的特點(diǎn)，通過實(shí)施因變量Y對(duì)提取自變量X的主成分t進(jìn)行逐步回歸，直至達(dá)到滿意的精度為止。偏最小二乘擬合能夠處理嚴(yán)重的共線性，適合于樣本個(gè)數(shù)小于變量個(gè)數(shù)的情形。同時(shí)相對(duì)于PCA，其進(jìn)行波段變換時(shí)不僅考慮自變量本身，而且同時(shí)也考慮因變量。因此，偏最小二乘回歸比PCA更有效。然而，偏最小二乘在變量投影時(shí)，并沒有去除噪聲波段或者不相關(guān)變量。

3.結(jié)論

本文分析了高分辨率遙感影像在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，并以礦區(qū)土壤重金屬污染遙感監(jiān)測(cè)為例，利用光譜信息進(jìn)行土壤重金屬污染的遙感反演，得到以下一些結(jié)論：

（1）高分辨率遙感技術(shù)能有效地、實(shí)時(shí)地、大范圍地監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害及其過程。

（2）在土壤重金屬遙感反演過程中，大多數(shù)研究者都采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)算法，并沒有充分考慮土壤重金屬分量特征，精度偏低。

（3）由于土壤中重金屬元素含量很低，對(duì)土壤光譜曲線影響很微弱，因此需要借助于其他礦物之間的相關(guān)關(guān)系反演土壤重金屬含量。今后的發(fā)展應(yīng)該是利用航天航空高光譜，從不同空間尺度討論利用遙感信息反演土壤重金屬含量。 [科]

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