遙感技術在牡丹江城市地質(zhì)調(diào)查中的應用

宋立東　佟智強　曹會　溫秋園

摘 要：遙感技術是城市地質(zhì)調(diào)查工作中必不可少的手段，遙感技術依靠其空間、信息、動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢為城市地質(zhì)調(diào)查工作提供可靠保障，在地層巖性識別、第四紀地貌劃分、自然資源調(diào)查監(jiān)測、地質(zhì)災害調(diào)查、地質(zhì)遺跡調(diào)查等方面應用廣泛。本文以牡丹江市為例，利用遙感解譯獲取牡丹江市2019年土地利用類型，并與2009年土地利用進行對比，分析得到牡丹江市近十年來土地利用變化情況，為牡丹江市自然資源管理提供基礎數(shù)據(jù)。遙感技術優(yōu)勢明顯，為地質(zhì)工作的開展提供了新思路，在城市地質(zhì)調(diào)查中，遙感技術側(cè)重于地表基礎數(shù)據(jù)獲取，與其他地下探測技術相結(jié)合，能夠更好地服務于城市地質(zhì)調(diào)查。

關鍵詞：遙感技術;城市地質(zhì)調(diào)查;資源環(huán)境

Abstract： Remote sensing technology is an indispensable method in urban geological survey. Relying on its advantages of space， information and dynamic monitoring， remote sensing technology provides reliable guarantee for urban geological survey. It is widely used in stratum lithology identification， Quaternary geomorphology division， natural resources survey and monitoring， geological disaster survey， geological heritage survey and so on. In this paper， taking Mudanjiang City as an example， the land-use types of Mudanjiang City in 2019 are obtained by remote sensing interpretation. By comparing with the land-use in 2009， the land-use change in Mudanjiang City in recent ten years is analyzed， which provides basic data for natural resource management of Mudanjiang City. Remote sensing technology has obvious advantages， which provides a new idea for the development of geological work. In urban geological survey， remote sensing technology focuses on the acquisition of surface basic data， combined with other underground detection technology， so it can better serve the urban geological survey.

Keywords： remote sensing technology; urban geological survey; resources and environment

0 前言

遙感技術作為一門地質(zhì)調(diào)查工作手段，在20世紀50年代開始逐漸應用到地質(zhì)工作中，70年代末，我國引入了衛(wèi)星遙感的工作方法，隨后在地質(zhì)調(diào)查工作的各個領域得到廣泛應用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，遙感技術手段逐漸成熟，從最初的遙感地質(zhì)解譯逐漸應用到國土資源、礦產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、氣象、水利等多個方面，遙感技術的追蹤溯源功能以及對野外調(diào)查工作依賴性的降低使其在地質(zhì)調(diào)查工作中大放異彩，與其他地質(zhì)調(diào)查手段一樣，在地質(zhì)工作中發(fā)揮著重要作用，遙感技術已經(jīng)成為地質(zhì)調(diào)查工作中必不可少的手段之一。隨著國家現(xiàn)代化發(fā)展和人民日益增長的生活需求，城市發(fā)展建設進入空前發(fā)展時期，同時各種城市環(huán)境問題也伴隨而來，對于經(jīng)濟發(fā)展速度較快地區(qū)，城市地質(zhì)調(diào)查工作需求越來越迫切。城市地質(zhì)調(diào)查工作是城市規(guī)劃建設的重要基礎，對于保護城市生態(tài)環(huán)境，提高城市治理能力，促進城市可持續(xù)發(fā)展，推動建設新型化城市具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

1 城市地質(zhì)調(diào)查

我國城市地質(zhì)調(diào)查工作起步較晚，早期的城市地質(zhì)調(diào)查工作主要以調(diào)查城市的工程建設條件為主，中期的城市地質(zhì)調(diào)查工作開始向城市地下空間探測方面過渡，后期逐漸形成地下空間資源利用、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、災害地質(zhì)、自然資源等多要素綜合調(diào)查體系。2004—2009年，完成了上海、北京、天津等城市的三維地質(zhì)調(diào)查試點工作，從2009年開始，先后完成福州、廈門、泉州等28個城市地質(zhì)調(diào)查工作（張茂省等，2018）。2017年，原國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布了《城市地質(zhì)調(diào)查總體方案》（2017—2025），城市地質(zhì)調(diào)查工作的總體任務是完成城市1∶50 000萬基礎性綜合地質(zhì)填圖，開展城市地質(zhì)調(diào)查示范工作，構(gòu)建系統(tǒng)完備的城市地質(zhì)調(diào)查工作體系和技術體系。城市地質(zhì)工作內(nèi)容主要包括三維城市地質(zhì)調(diào)查與信息服務平臺建設、地質(zhì)災害調(diào)查、環(huán)境質(zhì)量及地球化學調(diào)查、地質(zhì)資源調(diào)查、資源環(huán)境承載力評價等。

2 遙感技術在地質(zhì)調(diào)查中的優(yōu)勢

2.1 空間優(yōu)勢

遙感技術的空間優(yōu)勢明顯，覆蓋范圍廣，采集數(shù)據(jù)快，能夠同步觀測一定范圍內(nèi)的地質(zhì)現(xiàn)象;受地面條件限制少，對于自然條件惡劣、地面工作難以開展的地區(qū)，如高海拔山區(qū)、沙漠、沼澤等，通過遙感技術手段，能夠比較容易的獲取地質(zhì)信息，節(jié)省了大量人力、物力，提高了工作效率，同時也能夠有效的保護地質(zhì)工作者的生命安全。

2.2 信息優(yōu)勢

遙感技術手段豐富，可獲取的信息量大，利用遙感影像可直接提取地質(zhì)信息，利用不同的波段和遙感儀器等，獲取的信息也各不相同，這些信息能夠在宏觀上刻畫出地物之間的聯(lián)系和區(qū)別，而這些地質(zhì)特征在野外調(diào)查中很難被發(fā)現(xiàn)，如地質(zhì)界線、斷裂帶等，通過遙感技術在巖性識別、地質(zhì)界線劃分、礦化信息反演等方面的應用，能夠為地質(zhì)工作帶來極大的便利，充分發(fā)揮遙感技術的信息優(yōu)勢。

2.3 動態(tài)監(jiān)測優(yōu)勢

遙感技術的動態(tài)監(jiān)測優(yōu)勢主要體現(xiàn)在遙感影像數(shù)據(jù)的連貫性和調(diào)查監(jiān)測的便捷性。遙感衛(wèi)星以“天眼”觀世界，自有遙感衛(wèi)星以來，對地球的觀測就不曾間斷，可以觀察過去有圖像記錄時刻的地質(zhì)現(xiàn)象，也能觀察不同時間節(jié)點上的地質(zhì)現(xiàn)象等，通過對同一地區(qū)的周期性、重復性的遙感監(jiān)測，能夠發(fā)現(xiàn)并追蹤地質(zhì)現(xiàn)象的變化規(guī)律和特征，尤其是在城市擴張的動態(tài)監(jiān)測方面，遙感技術為地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測提供了極大的方便。

3 遙感技術在城市地質(zhì)調(diào)查中的應用

3.1基礎地質(zhì)調(diào)查

遙感技術應用于地層巖性的解譯經(jīng)過長期的探索研究已經(jīng)趨于成熟，從影像預處理、巖性信息增強到解譯識別，形成了相對系統(tǒng)的技術方法體系。而地質(zhì)構(gòu)造的遙感解譯主要以線性構(gòu)造、環(huán)形構(gòu)造為主，通過遙感影像，能夠以宏觀的角度觀察地質(zhì)現(xiàn)象，往往可以識別區(qū)域內(nèi)大的斷裂構(gòu)造，然而其在野外調(diào)查中卻很難被發(fā)現(xiàn)。Gasmi等（2016）利用主成分分析和支持向量機方法對ASTER數(shù)據(jù)進行處理，開展地質(zhì)填圖，取得了較精確的解譯成果。城市地質(zhì)調(diào)查以地層巖性和構(gòu)造等基礎地質(zhì)調(diào)查資料為基礎，從地質(zhì)角度闡釋區(qū)域的穩(wěn)定性特征，為地下空間穩(wěn)定性評價分層提供數(shù)據(jù)支撐，為工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查及鉆探布孔提供參考。

3.2 第四紀地質(zhì)調(diào)查

利用遙感影像上巖性和巖相標志與地貌標志進行第四紀地層劃分，是遙感技術在第四紀地質(zhì)研究的主要應用之一（潘天錄，2011）。第四紀沉積物由于形成時間較新，在遙感影像上的呈現(xiàn)的顏色、紋理特征有其獨特性，為第四紀沉積物的遙感識別提供了可能。第四紀地質(zhì)調(diào)查是水文地質(zhì)、工程地質(zhì)調(diào)查的基礎，通過遙感影像解譯劃分第四紀地層，分析沉積環(huán)境，為第四紀地質(zhì)資源開發(fā)利用提供參考，為地下空間分層提供依據(jù)。

3.3 資源環(huán)境調(diào)查

遙感影像，通俗來講即是遙感衛(wèi)星給地球拍攝的照片。通過遙感影像識別地表物體合情合理，但由于傳感器、天氣等原因，影像衛(wèi)片的可分辨程度還存在一定差距，在解譯中需要人為干預確定地物的類別。遙感技術在全國土地調(diào)查、自然資源調(diào)查、礦山環(huán)境監(jiān)測等方面都取得了較好的應用。通過多期遙感數(shù)據(jù)解譯對比能夠有效監(jiān)測出土地利用類型變化以及城市擴張信息，為城市發(fā)展規(guī)劃提供寶貴資料（Mundia，et al.，2005）。

自然資源調(diào)查監(jiān)測是城市地質(zhì)調(diào)查的基礎任務，利用遙感影像通過人機交互式解譯獲得地表土地利用類型，查清區(qū)域內(nèi)自然資源本底數(shù)據(jù)，掌握自然資源稟賦，分析自然資源動態(tài)變化規(guī)律，為生態(tài)環(huán)境保護及資源合理開發(fā)利用提供建議。利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)，開展主城區(qū)垃圾、固體廢棄物等環(huán)境地質(zhì)要素解譯，初步掌握主城區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題，為建設綠色城市提供基礎數(shù)據(jù)。

3.4 地質(zhì)災害調(diào)查

在城市建設過程中，如果不進行充分的地質(zhì)調(diào)查而隨意施工，很有可能會造成地質(zhì)災害的發(fā)生，如地面塌陷、地裂縫等（吳亮，2019）。滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害的發(fā)生也會嚴重威脅到人們的生命財產(chǎn)安全，破壞城市生態(tài)環(huán)境。由此可見，地質(zhì)災害調(diào)查是城市地質(zhì)調(diào)查中的重要一環(huán)。遙感技術在地質(zhì)災害調(diào)查方面的作用主要體現(xiàn)在地質(zhì)災害現(xiàn)狀調(diào)查、監(jiān)測預警和評估評價方面（黃秋倩等，2016）。丁輝等（2018）利用IKONOS影像與DEM數(shù)據(jù)疊加生成三維遙感影像圖，對陜西華縣蓮花寺高速遠程滑坡進行了研究。采用航天遙感與航空遙感相結(jié)合的手段，實現(xiàn)了地質(zhì)災害在宏觀與微觀特征信息的解譯。利用多期次遙感影像解譯，總結(jié)地質(zhì)災害演化的總體趨勢和活動規(guī)律，對隱患較高的地質(zhì)災害進行重點監(jiān)測，構(gòu)建地質(zhì)災害預警網(wǎng)絡，為防災減災提供依據(jù)。

3.5 地質(zhì)遺跡調(diào)查

地質(zhì)遺跡是地質(zhì)活動的產(chǎn)物，主要包括地貌景觀、巖層剖面、重要水體等，是不可再生資源，經(jīng)過適度的開發(fā)可以成為人們游覽觀光之地，也可以成為科普教育之所。通過遙感影像解譯與野外驗證工作相結(jié)合，系統(tǒng)的認識地質(zhì)遺跡的類型、位置和展布特征等，初步掌握地質(zhì)遺跡的保存現(xiàn)狀，利用多期次遙感影像開展地質(zhì)遺跡動態(tài)監(jiān)測，總結(jié)地質(zhì)遺跡的成因及發(fā)展演化規(guī)律，為地質(zhì)遺跡的開發(fā)保護利用提供基礎數(shù)據(jù)。李鵬舉等（2016）以川南丹霞地貌最豐富的瀘州市為研究區(qū)，通過巖石光譜特征、遙感影像和數(shù)字高程信息等指標，自動化識別符合要求的地質(zhì)遺跡區(qū)域，結(jié)果識別出多處已開發(fā)的丹霞地貌景點，初步探索出一套遙感技術在地質(zhì)遺跡調(diào)查中的應用體系。通過地質(zhì)遺跡調(diào)查研究，開展旅游地質(zhì)科普，能夠促進城市經(jīng)濟發(fā)展，增強城市文化底蘊，推動城市可持續(xù)發(fā)展。

3.6 三維城市地質(zhì)建模

隨著無人機傾斜攝影測量技術的興起，通過無人機采集多角度影像，獲取地面物體精準信息，并進行實景三維地質(zhì)建模逐漸成為人們研究的熱點。褚杰等（2017）依托襄陽市“一場三站”三維建模項目，分析了無人機傾斜攝影測量建模技術的優(yōu)勢，針對此技術對城市信息化建設的應用前景進行了探討。通過三維地質(zhì)建模，將遙感GIS、計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫等技術有機統(tǒng)一，實現(xiàn)城市地下與地上空間信息的匹配融合，使城市智慧化、透明化、信息化。城市三維地質(zhì)建模為城市地質(zhì)調(diào)查工作提供了平臺，實現(xiàn)了調(diào)查成果的可視化、矢量化，使城市地質(zhì)調(diào)查成果能夠更好的應用到城市發(fā)展建設中，為城市可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

3.7 國土空間規(guī)劃

在國土空間規(guī)劃方面，遙感技術為資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價工作提供了有效便捷的技術手段。利用GIS技術開展環(huán)境、地質(zhì)、巖土條件等適宜性評價，分析存在的地質(zhì)環(huán)境問題，為城市工程建設選址提供依據(jù)（Youssef，et al.，2011）。張茂省等（2019）提出基于短板-邊際-風險理論的資源環(huán)境承載力和基于負面清單的國土空間開發(fā)適宜性評價理論與方法，以土地斑塊為評價單元，完成了延川縣的雙評價。以空間分析為基礎，開展土地、水、環(huán)境、生態(tài)、災害承載力單項評價，進行國土空間適宜性評價分區(qū)，為科學劃定生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田保護紅線、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界提供依據(jù)，統(tǒng)籌優(yōu)化生態(tài)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)等空間布局提供支撐。

4 遙感技術在牡丹江城市地質(zhì)調(diào)查中的應用實例

在牡丹江多要素城市地質(zhì)調(diào)查工作中，以遙感技術手段為主開展了牡丹江市土地利用現(xiàn)狀調(diào)查及動態(tài)監(jiān)測、地質(zhì)解譯及資源環(huán)境承載力評價等工作。

利用2019年Sentinel-2遙感影像數(shù)據(jù)，采用人機交互式解譯方法，參照GB/T 21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類》分類標準，對牡丹江市域土地利用類型進行了解譯，得到包括林地、草地、耕地等12個類別的地表土地利用類型分布圖。根據(jù)解譯成果，基本掌握了牡丹江市自然資源家底及稟賦特征。通過與2009年全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)（圖1），牡丹江市耕地面積逐漸減少，林地面積逐漸增加，建設用地面積逐漸增加，體現(xiàn)了退耕還林政策的有效實施以及城市發(fā)展建設規(guī)模的擴大，遙感技術的動態(tài)監(jiān)測優(yōu)勢在土地利用監(jiān)測方面得到了充分的體現(xiàn)。

5 結(jié)論

遙感技術在城市地質(zhì)調(diào)查工作中優(yōu)勢明顯，遙感技術在空間、信息、動態(tài)監(jiān)測等方面能夠為地質(zhì)工作提供有效的方法手段，開拓了地質(zhì)工作的新思路。在宏觀尺度上，主要開展研究區(qū)范圍的土地利用類型、地層巖性遙感解譯等，在微觀尺度上，主要開展地質(zhì)遺跡點、地質(zhì)災害點等大比例尺遙感解譯。同時，遙感技術在城市地質(zhì)調(diào)查中也存在一些不足，如在城市地下空間探測方面略顯乏力，受技術手段限制，遙感技術無法有效探測地下空間資源狀況，這時則需要鉆探、物探等地質(zhì)手段配合調(diào)查。

通過遙感技術在牡丹江多要素城市地質(zhì)調(diào)查工作的應用，肯定了遙感技術的重要性，在城市地質(zhì)調(diào)查中，遙感技術側(cè)重于基礎性數(shù)據(jù)獲取，以服務配合其他地質(zhì)調(diào)查手段為主的方式展開，主要在基礎地質(zhì)、第四紀地質(zhì)、資源環(huán)境、地質(zhì)災害、地質(zhì)遺跡、城市三維地質(zhì)建模、國土空間規(guī)劃等方面都有較好的應用。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市地質(zhì)調(diào)查工作將會全面展開，城市地質(zhì)調(diào)查任務將會更加艱巨，利用遙感技術將會給城市地質(zhì)調(diào)查帶來極大的便利，充分發(fā)揮出遙感技術的作用和價值。

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