重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治中遙感新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展分析

韓文權(quán)

(重慶市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，重慶 401122)

遙感技術(shù)作為獲取地球表面信息的一種手段，已經(jīng)在自然資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測以及自然災(zāi)害監(jiān)測方面取得了巨大進(jìn)展。近年來，隨著遙感平臺的日新月異，所搭載傳感器的功能多樣化，所獲得的遙感數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出種類豐富、圖像質(zhì)量好、重復(fù)觀測頻率高的特點(diǎn)。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，尤其是傳感器分辨率(空間、光譜、時間、輻射)的提高,不僅提高了遙感的觀測尺度、對地物的分辨本領(lǐng)和識別的精細(xì)程度,而且使遙感地質(zhì)發(fā)生了由宏觀探測到微觀探測,由定性解譯到定量反演的質(zhì)的飛躍[1]。范一大等將災(zāi)害遙感按照應(yīng)用場景分為災(zāi)害遙感日常業(yè)務(wù)、災(zāi)害遙感應(yīng)急監(jiān)測業(yè)務(wù)和自然災(zāi)害損失評估三個方面，日常業(yè)務(wù)利用多尺度的遙感衛(wèi)星開展地表孕災(zāi)環(huán)境的周期性監(jiān)測；應(yīng)急監(jiān)測業(yè)務(wù)適用于災(zāi)后快速開展遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工作，損失評估對因?yàn)?zāi)損失實(shí)物的評估[2]。在國家的大力推動下，多維、高中低分辨率結(jié)合的衛(wèi)星遙感監(jiān)測體系發(fā)展迅速，重特大災(zāi)害監(jiān)測中“天—空—地—現(xiàn)場”一體化的災(zāi)害立體監(jiān)測體系正逐步完善[2]。已有多位科研人員應(yīng)用無人機(jī)遙感、InSAR、GIS等技術(shù)進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查和監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上分析了地質(zhì)災(zāi)害控制因素及發(fā)展趨勢[3-7]。新的遙感技術(shù)相對于傳統(tǒng)中低分辨率遙感及航空遙感，不斷為地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供新的數(shù)據(jù)種類和信息提取方法，成為地質(zhì)災(zāi)害防治工作提升的動力之一。

1 重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治概況

重慶市位于四川盆地東部的盆周山地及盆緣斜坡之上，域內(nèi)有揚(yáng)子準(zhǔn)地臺和秦嶺褶皺系兩大構(gòu)造單元，地表水系發(fā)達(dá)，地形切割強(qiáng)烈，巖土體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。重慶沉積巖區(qū)多，且變化較大[8]，具有形成滑坡、崩塌、地面塌陷、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)條件，是我國地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)之一[9]。重慶市地質(zhì)災(zāi)害頻繁，危害巨大，隨著極端氣候帶來的區(qū)域性強(qiáng)降雨，引起地質(zhì)災(zāi)害大量發(fā)生，尤其是2014年重慶8.31日渝東北區(qū)域發(fā)生了大面積特大暴雨，渝東北開縣、云陽、巫溪、奉節(jié)、巫山等5個縣的48個雨量站超過250 mm，引發(fā)大量滑坡、泥石流發(fā)生，造成房屋倒塌、公路等公共設(shè)施破壞，對社會經(jīng)濟(jì)影響巨大。

截至2019年底重慶市統(tǒng)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)共有15 000余處，面對數(shù)量眾多、分布廣泛的地質(zhì)災(zāi)害，監(jiān)測與防治工作需要耗費(fèi)大量人力物力。頻繁出現(xiàn)的新生地質(zhì)災(zāi)害，由于隱蔽性強(qiáng)，造成的危害更大，防不勝防。因此，需要應(yīng)用新技術(shù)、新方法來提升地質(zhì)災(zāi)害防治的技術(shù)水平和工作質(zhì)量，其中遙感技術(shù)應(yīng)對區(qū)域型地質(zhì)災(zāi)害防治作用顯著，不僅可以提供直觀的現(xiàn)場信息，而且可分析出地質(zhì)災(zāi)害的空間變形，為地質(zhì)災(zāi)害快速預(yù)警和防治工作提供了更多選擇和可能。

2 地質(zhì)災(zāi)害主要遙感新技術(shù)

2.1 高分辨率遙感

高分辨率遙感相對傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感而言，在空間、光譜、時間方面具有較高的性能。高空間分辨率遙感可獲取空間粒度細(xì)膩的影像，具有更高的地物辨識度；高光譜遙感將地物反射光譜分成很多連續(xù)而且窄的光譜通道對地物持續(xù)遙感成像的技術(shù)，可通過光譜曲線的差異識別物化性質(zhì)不同的地物；高時間分辨率遙感重返周期短，可對同一地點(diǎn)高頻觀測。本世紀(jì)初民用高分辨率遙感數(shù)據(jù)主要由國外衛(wèi)星獲取，如QUICKBIRD，IKONOS等，近十年來我國的高分辨率遙感取得了突飛猛進(jìn)的成果，大量國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星被開發(fā)出來并投入實(shí)際應(yīng)用，主要有高分系列衛(wèi)星(如高分一號2 m，高分二號0.8 m，高分五號光譜分辨率為0.3～0.5 nm等)；吉林一號(全色0.72 m，多光譜2.88 m)；高景一號(多光譜2 m，全色0.5 m)；北京一、二號，“珠海一號”星座已經(jīng)能夠提供大量的亞米級遙感影像。另外航空遙感作為重要遙感數(shù)據(jù)源，受云霧影響小，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測及應(yīng)急工作中的作用舉足輕重。

2.2 傾斜攝影測量

傾斜攝影測量是近年來發(fā)展最快的攝影測量技術(shù)之一，通過飛行平臺搭載包括垂直和多個傾斜鏡頭的攝影系統(tǒng)從不同視角同步采集數(shù)據(jù)，因其能夠從側(cè)面獲取地面詳細(xì)特征影像，尤其是垂直裂縫等傳統(tǒng)正射攝影難以獲取的地質(zhì)災(zāi)害信息，通過數(shù)據(jù)處理平臺可以獲得高精度三維地面模型，在地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查和監(jiān)測預(yù)警方面有著巨大的優(yōu)勢。

2.3 低空遙感

相對傳統(tǒng)航空遙感，低空遙感是傳感器搭載平臺飛行高度較低的一種遙感方式，通常飛行相對高度不超過1 km。低空遙感通常由飛行平臺、數(shù)據(jù)獲取設(shè)備、飛控系統(tǒng)、通訊鏈路及影像處理系統(tǒng)組成[10]。常見的低空飛行平臺有固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、旋翼無人機(jī)以及固定翼與旋翼結(jié)合無人機(jī)。由于無人機(jī)的承載能力有限，通常應(yīng)用微型遙感數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，如單反相機(jī)、攝像機(jī)、紅外相機(jī)、小型微波雷達(dá)及激光雷達(dá)。由于飛行高度較低受云層影響較小，而且部署靈活快速，低空遙感成為小規(guī)模攝影測量及地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測的利器。

2.4 雷達(dá)遙感干涉測量(InSAR)

InSAR是利用同一位置不同時間的合成孔徑雷達(dá)回波信號所攜帶的相位信息解算相位變化，精確計(jì)算地面測量點(diǎn)的三維信息及其微小變化的一種技術(shù)。根據(jù)工作模式可分為交規(guī)、順軌、重復(fù)軌道三種干涉測量，其中重復(fù)軌道干涉是最為常用的方式。InSAR技術(shù)首次應(yīng)用是NASA于1969年對月球表面進(jìn)行觀測，隨后研究者在InSAR的基礎(chǔ)上發(fā)展了D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、DS-InSAR和MAI等方法[11]，在高程生成、地面沉降、地震形變、滑坡變化、火山活動、冰川運(yùn)動等領(lǐng)域的研究與監(jiān)測方面有廣闊的應(yīng)用前景。星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)基于其全天時、全天候工作模式的獨(dú)到優(yōu)勢,已成為微波遙感領(lǐng)域中發(fā)展最迅速和最有成效的傳感器之一。目前合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星主要有高分三號、TerraSAR-X、RADARSAT-2、ALOS2、COSMO-SKyMed、Sentinel衛(wèi)星。

3 遙感新技術(shù)在重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治中的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

近10多年來，重慶市已將高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于多個地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目，包括三峽庫岸1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化調(diào)查、巖溶地區(qū)的高位危巖排查、重慶主城“四山”地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等區(qū)域性項(xiàng)目。高分辨率遙感結(jié)合地質(zhì)基礎(chǔ)資料對調(diào)查區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)要素、水文地質(zhì)要素、地質(zhì)災(zāi)害體、地面植被、耕地、建筑物、交通設(shè)施等開展了綜合解譯，結(jié)合地層、斷裂、褶皺等構(gòu)造，完成地質(zhì)災(zāi)害初步成果，以供實(shí)地驗(yàn)證。

國內(nèi)多個研究機(jī)構(gòu)也將國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)用于三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查與監(jiān)測研究[12-13]。2009年應(yīng)用全市1∶1萬航測正射影像圖完成渝東南5個區(qū)縣1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查，重慶市都市圈城市地質(zhì)調(diào)查及每年全市地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查排查工作；2012年無人機(jī)航測完成38個區(qū)縣城區(qū)正射影像圖及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。隨著資源衛(wèi)星02C、高分一號、高分二號衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)，國產(chǎn)衛(wèi)星影像大量應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害防治工作，同時建立高分影像數(shù)據(jù)庫用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急。自然資源部航空物探遙感中心在2003、2009、2017年多次開展三峽庫區(qū)高精度航空遙感地質(zhì)調(diào)查工作[14]，完成的三峽庫區(qū)重慶段正射影像圖為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治提供了航空遙感數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)依據(jù)。2016年起將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，完成多個大中型地質(zhì)災(zāi)害三維地表模型，使地質(zhì)災(zāi)害細(xì)微特征的解析更加直觀。目前，正在進(jìn)行的奉節(jié)、巫山等多個區(qū)縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查和精細(xì)化調(diào)查，高分辨率遙感數(shù)據(jù)處理和解譯結(jié)果是野外工作開展的基礎(chǔ)。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)預(yù)案

地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)預(yù)案是為了在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生災(zāi)情、險(xiǎn)情后，能夠快速開展調(diào)查和應(yīng)急處置而預(yù)先制定的應(yīng)對措施，包括用于區(qū)域防災(zāi)的區(qū)域性應(yīng)急預(yù)案和對單個地質(zhì)災(zāi)害的詳細(xì)應(yīng)急措施。重慶市現(xiàn)已將高分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)案編制，高分辨率航測數(shù)據(jù)和高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)都是有效的數(shù)據(jù)源，通過在遙感圖上直接測量地質(zhì)災(zāi)害影像對象類型、面積、長度等參數(shù)，結(jié)合DEM或者三維地表模型估算地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模，評估可能會造成的損失并制定應(yīng)對措施，為人員逃生制定撤離路線。

3.3 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警是地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)體系中的重要工作，通過大量的地質(zhì)災(zāi)害變形觀察和儀器測量，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的變化情況，及時在危險(xiǎn)發(fā)生之前采取應(yīng)對措施，撤離人員以防造成不必要的人員傷亡。目前重慶市對已發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)建立了群測群防與自動化監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測預(yù)警體系，通過大量巡查與高頻率變形數(shù)據(jù)監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的災(zāi)害。但是，在監(jiān)測環(huán)境不理想?yún)^(qū)域，如危險(xiǎn)性特別大、人員難以到達(dá)的地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域，低空遙感、微波遙感監(jiān)測是有效的手段，將前后兩次遙感影像對比分析，通過測量遙感影像中裂縫寬度、裂縫條數(shù)、地面位移等參數(shù)，掌握地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定狀況，并根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測變化規(guī)律并提供預(yù)警信息，如遙感技術(shù)在巫山縣望霞危巖、奉節(jié)藕塘滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。近年來，中科院武漢測量與地球物理研究所、長安大學(xué)等多個研究機(jī)構(gòu)在重慶萬州、奉節(jié)、巫山等區(qū)縣開展了基于雷達(dá)遙感干涉測量的地質(zhì)災(zāi)害變化監(jiān)測應(yīng)用試驗(yàn)，應(yīng)用日本ALOS衛(wèi)星和歐空局的Sentinel-1、2號衛(wèi)星的合成孔徑雷達(dá)(SAR)影像對巫山縣地質(zhì)災(zāi)害變化遙感監(jiān)測，證明InSAR技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中有應(yīng)用價(jià)值，國產(chǎn)高分三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地質(zhì)災(zāi)害變化干涉測量預(yù)警也在研究中。2020年重慶市將開展InSAR技術(shù)在渝東北區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害早期識別中的應(yīng)用，應(yīng)用Sentinel-1、2號衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域干涉測量，通過變形量發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域并進(jìn)行預(yù)警。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置

當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生災(zāi)情或者險(xiǎn)情時需要進(jìn)行防災(zāi)處置或救援時，快速掌握災(zāi)險(xiǎn)情的詳細(xì)情況是應(yīng)急工作部署的重要基礎(chǔ)。面對隨時可能發(fā)生的次生災(zāi)害，人力調(diào)查不僅危險(xiǎn)性大，而且需要的時間長，有時會造成決策過程的延長。應(yīng)用遙感技術(shù)可有效解決上述問題，歷史存檔高分辨率遙感影像提供災(zāi)險(xiǎn)情發(fā)生前地質(zhì)環(huán)境狀況，低空遙感快速獲取災(zāi)險(xiǎn)情后影像，為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急工作部署提供第一手資料。地基雷達(dá)干涉測量也是地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急變形監(jiān)測的重要手段。2007年武隆縣雞尾山特大型滑坡發(fā)生后，自然資源部航遙中心應(yīng)用低空遙感技術(shù)獲得現(xiàn)場影像用于制定工作方案；2014年9月，奉節(jié)縣大樹鎮(zhèn)發(fā)生大面積山體滑坡，中科院武漢測量與地球物理研究所等機(jī)構(gòu)應(yīng)用IBIS—L地基InSAR系統(tǒng)對大樹鎮(zhèn)滑坡體的整體地形、滑坡面分布特征和坡面重點(diǎn)活動部位以5 min間隔對滑坡體進(jìn)行持續(xù)60 h的連續(xù)高頻觀測，發(fā)現(xiàn)滑坡體上存在兩處顯著活動區(qū)。

4 拓展方向

4.1 多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

多平臺、多層面、多傳感器、多時相、多光譜、多角度以及多空間分辨率遙感的融合應(yīng)用，是目前遙感技術(shù)的重要發(fā)展方向[15]。重慶市以往的地質(zhì)災(zāi)害遙感應(yīng)用大都是應(yīng)用單一來源遙感數(shù)據(jù)解譯，缺乏多源遙感數(shù)據(jù)之間的融合應(yīng)用。光學(xué)衛(wèi)星影像色彩多樣，信息豐富，但是不可穿透云霧，在重慶市受氣象條件和地形限制。雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以穿透云霧，但是波段少，信息不夠豐富。將雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和多光譜影像融合，將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和低空遙感數(shù)據(jù)融合、遙感數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)的融合使用將會為重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治提供多樣性選擇，并能夠加深對數(shù)據(jù)的利用程度。

4.2 數(shù)據(jù)深度挖掘

隨著國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星及其他高分辨率遙感影像的獲取，遙感數(shù)據(jù)極大豐富，針對高空間分辨率遙感、高光譜遙感、雷達(dá)遙感快速更新和變化監(jiān)測的前沿技術(shù)已取得了一定的進(jìn)展。重慶市地質(zhì)災(zāi)害中遙感數(shù)據(jù)解譯主要還是目視解譯為主，面向全市大范圍地質(zhì)災(zāi)害的高頻遙感監(jiān)測，需要巨大的人力，因而有待將數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測中，探索準(zhǔn)確且快速的數(shù)據(jù)檢測方法。

4.3 高光譜遙感應(yīng)用

高光譜在地質(zhì)行業(yè)中的應(yīng)用主要集中在找礦中，通過識別蝕變信息發(fā)現(xiàn)礦脈。已經(jīng)開展的地質(zhì)災(zāi)害遙感應(yīng)用中，主要集中于多光譜遙感、雷達(dá)遙感，缺乏高光譜的豐富波段信息，未來需要探索高光譜在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用方法，從連續(xù)光譜特征發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害與穩(wěn)定地層之間的區(qū)別。

5 結(jié)語

在重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治、監(jiān)測預(yù)警工作中，已經(jīng)將遙感新技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價(jià)、防災(zāi)預(yù)案編制、監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急處置工作中，并開展了多種遙感新技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，取得了明顯效果，提升了地質(zhì)災(zāi)害防治水平。

隨著計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)據(jù)挖掘及深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域技術(shù)革命性的發(fā)展，為遙感數(shù)據(jù)的分析和信息發(fā)掘帶來了動力和技術(shù)可能。重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域遙感新技術(shù)應(yīng)用還處于初步階段，需逐步探索多源遙感數(shù)據(jù)和地質(zhì)基礎(chǔ)資料的的融合應(yīng)用，遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)的融合應(yīng)用，挖掘出地質(zhì)災(zāi)害遙感新領(lǐng)域，提出新的應(yīng)用思路和技術(shù)。