多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同滑坡應(yīng)急監(jiān)測應(yīng)用研究

梁 思，洪 亮，厲芳婷，方 芳

（1.湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430074；2.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074）

滑坡是危害程度較大的地質(zhì)災(zāi)害，具有突發(fā)性的特點，在我國分布非常廣泛，且整體上呈逐年加重趨勢，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失[1]?；掳l(fā)生后，迅速啟動應(yīng)急響應(yīng)、快速獲取災(zāi)情信息并制定科學(xué)的應(yīng)急救援決策方案是首要問題。遙感技術(shù)具有獲取速度快、手段多、覆蓋范圍廣、周期性強(qiáng)、信息量大等優(yōu)勢，是快速獲取災(zāi)情信息、開展應(yīng)急監(jiān)測的有效手段。近年來高分辨率遙感和無人機(jī)遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，打破了國外高分辨率遙感數(shù)據(jù)的獲取壁壘，極大提高了應(yīng)急響應(yīng)能力和應(yīng)急救援工作的效率。受制于天氣、傳感器性能等因素，多源遙感數(shù)據(jù)在滑坡應(yīng)急監(jiān)測方面各有優(yōu)劣。多源遙感數(shù)據(jù)為滑坡應(yīng)急監(jiān)測提供了豐富的信息，也造成了數(shù)據(jù)冗余，如何綜合利用與協(xié)同組合各類遙感數(shù)據(jù)為應(yīng)急救援輔助決策提供及時有效的信息是一個值得探討的重要課題。目前，針對多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用方法的研究較少，在滑坡應(yīng)急監(jiān)測方面的研究更為欠缺。本文分析了多源遙感數(shù)據(jù)在滑坡應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與趨勢，總結(jié)了現(xiàn)有監(jiān)測體系的問題，進(jìn)而提出了一個多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同的滑坡應(yīng)急監(jiān)測方法體系，并分析了其在2020年7月恩施屯堡鄉(xiāng)馬者村沙子壩滑坡應(yīng)急監(jiān)測中的實證效果。

1 多源遙感數(shù)據(jù)滑坡應(yīng)急監(jiān)測現(xiàn)狀與趨勢

1.1 常用的遙感數(shù)據(jù)源

目前在國內(nèi)外滑坡應(yīng)急中常用的遙感數(shù)據(jù)主要為光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)和無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)，如表1所示，其中以高時空分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用為主流。SAR數(shù)據(jù)的獲取不受云雨等惡劣天氣影響，且能夜晚成像，可補(bǔ)充光學(xué)遙感影像的局限性。利用合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）技術(shù)能獲取地形和地表形變信息，開展滑坡動態(tài)監(jiān)測。相較于衛(wèi)星遙感大空間尺度的適用性，無人機(jī)遙感具有機(jī)動靈活、時效性強(qiáng)、受云霧天氣限制小等優(yōu)點，能快速獲取厘米級甚高分辨率（VHR）的航攝影像，在中小空間尺度的滑坡細(xì)部特征提取中具有一定的優(yōu)勢，能滿足應(yīng)急響應(yīng)時對滑坡體精細(xì)詳查的需求。盡管星載平臺的回訪周期只有幾天甚至一天，但仍無法達(dá)到無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的空間和時間分辨率。

表1 不同類型遙感數(shù)據(jù)應(yīng)急監(jiān)測對比分析

1.2 最新應(yīng)用研究進(jìn)展

目前遙感技術(shù)在滑坡應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用研究正經(jīng)歷著從單一的遙感數(shù)據(jù)向多時相、多數(shù)據(jù)源、多平臺的復(fù)合協(xié)同分析，從靜態(tài)的滑坡體定性提取向動態(tài)監(jiān)測、定量滑坡特征數(shù)據(jù)提取的發(fā)展過程。滑坡相關(guān)信息提取的技術(shù)方法從主要依賴于目視解譯向計算機(jī)輔助與半自動/自動獲取過渡。與DEM、GIS空間分析、三維可視化等技術(shù)方法相結(jié)合的人機(jī)交互式影像解譯仍是目前使用最廣泛的方法，特別是在實際應(yīng)用案例[2-8]中。盡管基于像元的變化檢測方法[9]、基于對象的圖像分析（OBIA）[10-11]和機(jī)器學(xué)習(xí)（支持向量機(jī)[12]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]）等半自動/自動的滑坡提取方法是近年來研究的熱點，但總體上這些方法的時效性和精確度在滑坡應(yīng)急監(jiān)測方面還沒有形成成熟的應(yīng)用模式，有待進(jìn)一步的研究發(fā)展。OBIA方法對滑坡的提取精度相對較高，是應(yīng)用最廣泛的面向高分辨率影像的半自動化分析方法，但影像分割和特征選擇仍需一定的人工干預(yù)，自動化程度有待進(jìn)一步提高。將該方法與變化檢測和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合可以更好地提高滑坡提取的精度和自動化程度[14]，在應(yīng)急中發(fā)揮實效。

基于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)開展滑坡動態(tài)可視化模擬是一個新的研究方向[15-16]；利用時序無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)可動態(tài)監(jiān)測滑坡位移[17-18]。InSAR/DInSAR[19]、SAR像素偏移量追蹤測量和距離向分頻干涉測量[20]等基于星載SAR數(shù)據(jù)的形變監(jiān)測技術(shù)主要用于對滑坡的動態(tài)解譯、隱患識別和預(yù)警。這些長時序動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)有利于發(fā)現(xiàn)滑坡隱患，作為存檔數(shù)據(jù)，可為滑坡災(zāi)后治理和今后滑坡應(yīng)急救援提供依據(jù)。

1.3 存在的問題

高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、SAR數(shù)據(jù)和無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)及其相關(guān)技術(shù)在滑坡應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用各有側(cè)重，各有優(yōu)缺點，單一的數(shù)據(jù)源和技術(shù)手段難以滿足應(yīng)急監(jiān)測實際應(yīng)用的時效和精度需求。協(xié)同應(yīng)用多源遙感數(shù)據(jù)開展滑坡應(yīng)急監(jiān)測和自動化解譯是未來的發(fā)展趨勢。目前，學(xué)者們研究多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用大多集中在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測[21]或滑坡的早期隱患識別[22-23]方面，較少具體到滑坡應(yīng)急監(jiān)測。多源遙感數(shù)據(jù)為滑坡應(yīng)急監(jiān)測提供了豐富的信息，同時造成了數(shù)據(jù)冗余，如何綜合利用與協(xié)同組合各類遙感數(shù)據(jù)，并采用合適的滑坡應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)方法為應(yīng)急救援輔助決策提供及時有效的信息是一個值得探討的重要課題。

2 多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同的滑坡應(yīng)急監(jiān)測

2.1 技術(shù)路線

通過分析多源遙感數(shù)據(jù)在滑坡應(yīng)急監(jiān)測方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和趨勢，本文提出了一個多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同的滑坡應(yīng)急監(jiān)測方法體系（圖1），構(gòu)建了數(shù)據(jù)獲取、快速處理和應(yīng)急監(jiān)測信息提取等一套完整的技術(shù)流程。

圖1 多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同的滑坡應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)路線

2.2 數(shù)據(jù)獲取

滑坡發(fā)生后，應(yīng)第一時間整理與處理災(zāi)區(qū)存檔遙感數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的災(zāi)前災(zāi)后數(shù)據(jù)對比分析應(yīng)用?；露喟l(fā)生在山地丘陵區(qū)，交通不便，且多具有突發(fā)性。無人機(jī)相關(guān)設(shè)備的運輸以及飛行計劃的制定需要一定時間，難以快速獲取第一手信息。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)按照衛(wèi)星設(shè)定的固定軌道獲取數(shù)據(jù)，運行穩(wěn)定，盡可能實現(xiàn)準(zhǔn)實時獲取。高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有豐富的光譜信息，可大范圍直觀地一攬全局，快速定位滑坡區(qū)和定性反映災(zāi)情信息，是首選數(shù)據(jù)，SAR數(shù)據(jù)可作為補(bǔ)充數(shù)據(jù)源。利用光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)確定重點監(jiān)測地區(qū)后，再利用無人機(jī)遙感開展小范圍應(yīng)急監(jiān)測或重點區(qū)域詳細(xì)監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測區(qū)特點選擇合適的飛行平臺，詳細(xì)規(guī)劃航線獲取無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)快速處理

多源遙感數(shù)據(jù)在提取滑坡監(jiān)測信息前，需要進(jìn)行預(yù)處理。不同模式的遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理操作有所不同，光學(xué)衛(wèi)星遙感影像預(yù)處理主要包括影像正射糾正、影像配準(zhǔn)、影像融合、影像增強(qiáng)和影像裁剪等[24]；SAR數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包括輻射定標(biāo)、多視、斑點噪聲濾波、地理編碼、重采樣和地形校正等[25]；無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理包括空三加密、密集匹配生成DSM、DSM點云濾波分類、生成DEM、正射糾正生成DOM、DOM勻色鑲嵌等[26]。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的處理技術(shù)較成熟，利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可實現(xiàn)自動批量處理。針對應(yīng)急監(jiān)測的時效性要求，無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理的關(guān)鍵技術(shù)是無控空三加密和快速生成DOM，可在Agisoft PhotoScan和Pix4DMapper等專業(yè)無人機(jī)數(shù)據(jù)后處理軟件中實現(xiàn)較少人工干預(yù)的自動快速處理。絕對精度高的DEM、DOM以及精細(xì)化的三維模型需要結(jié)合控制資料進(jìn)一步在專業(yè)的全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)和三維建模軟件（如Smart3D）中完成。

2.4 應(yīng)急監(jiān)測

基于不同類型和模式的遙感數(shù)據(jù)，本文采用不同的信息提取技術(shù)方法開展滑坡應(yīng)急監(jiān)測。滑坡應(yīng)急監(jiān)測包括滑坡體快速定位提取、滑坡災(zāi)害信息提取、次生災(zāi)害排查、滑坡特征信息提取、堰塞湖監(jiān)測和形變位移監(jiān)測等內(nèi)容。

1）滑坡體快速定位提取。利用準(zhǔn)實時獲取的光學(xué)衛(wèi)星遙感影像，基于面向?qū)ο蠡蚺c變化檢測/機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法快速自動提取滑坡體，再結(jié)合目視解譯快速定位重災(zāi)區(qū)。對于單體大型滑坡，目視解譯更快速有效。

2）滑坡災(zāi)害信息提取。提取災(zāi)區(qū)房屋等建筑物損毀、道路橋梁破壞、耕地植被損毀等災(zāi)情信息，確定其分布與范圍，可基于滑坡前后多時相遙感數(shù)據(jù)，利用同源/異源變化檢測方法提取。

3）次生災(zāi)害排查。綜合利用SAR數(shù)據(jù)水體解譯標(biāo)志和光學(xué)遙感數(shù)據(jù)水體光譜特性（如歸一化水體指數(shù)）自動提取堰塞湖，再利用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感影像目視解譯堰塞湖周邊裂縫和滑坡隱患點。

4）滑坡特征信息提取。對于重點監(jiān)測的滑坡體，利用無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)快速處理獲取DEM、DOM和三維模型等多維數(shù)據(jù)，再結(jié)合目視解譯和GIS空間分析技術(shù)提取滑坡邊界、滑坡體、堆積體、滑道、滑坡中心線等特征信息；定量計算滑坡位移、面積、體積、坡度、坡形等，并對多時相無人機(jī)高分辨率DEM進(jìn)行差分對比，為現(xiàn)場分析研判提供重要數(shù)據(jù)支撐。

5）堰塞湖監(jiān)測。利用多時相無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取的高精度DEM對堰塞湖開展動態(tài)變化監(jiān)測，構(gòu)建虛擬三維環(huán)境，并結(jié)合體積差分測量可視化定量分析堰塞壩的風(fēng)險性；通過豎直位移差分測量發(fā)現(xiàn)斜坡形變區(qū)域并定量表征變形量，為高危堰塞壩導(dǎo)流槽開挖工程的順利實施提供技術(shù)保障。

6）形變位移監(jiān)測。利用時序DInSAR技術(shù)開展滑坡形變監(jiān)測；利用時序無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測滑坡位移，發(fā)現(xiàn)滑坡隱患，并作為存檔數(shù)據(jù)，為滑坡災(zāi)后治理和今后滑坡應(yīng)急救援提供依據(jù)。

3 應(yīng)用實例

2020年7月21 日湖北省恩施屯堡鄉(xiāng)馬者村沙子壩出現(xiàn)大面積山體滑坡，一度堵塞清江河道形成堰塞湖，嚴(yán)重威脅清江下游恩施城區(qū)人民生命財產(chǎn)安全。根據(jù)協(xié)同處理工作流程，啟動應(yīng)急測繪響應(yīng)，為現(xiàn)場指揮部的應(yīng)急保障工作提供重要的遙感數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

應(yīng)急響應(yīng)啟動后，第一時間與自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心取得聯(lián)系，啟動應(yīng)急條件數(shù)據(jù)獲取推送模式，獲取了GF-2號和GF-3號SAR影像，同時整理和處理災(zāi)區(qū)存檔遙感影像數(shù)據(jù)以及像控資料、DEM等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。應(yīng)急保障工作前線小分隊配備了兩架垂直起降固定翼無人機(jī)、一架小型多旋翼無人機(jī)以及圖形工作站等設(shè)備。依據(jù)滑坡區(qū)地勢情況合理規(guī)劃航線，采用多架次、多航高飛行方式，在7月22日-31日共飛行10架次，航攝覆蓋總面積為79.28 km2，獲取地面分辨率優(yōu)于0.1 m的航攝相片7 286張。

判斷恩施滑坡屬于突發(fā)性單體滑坡，應(yīng)急監(jiān)測關(guān)鍵是滑坡特征信息提取、災(zāi)害信息提取和次生災(zāi)害實時動態(tài)監(jiān)測。獲取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)后，利用多源遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)快速制作DOM，同時制作了滑坡前后高分辨率光學(xué)遙感影像對比專題圖，從而確定滑坡影響范圍；獲取無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)后處理軟件Agisoft PhotoScan完成無控空三加密，快速獲取DEM、DOM和三維模型數(shù)據(jù)，作為災(zāi)區(qū)一覽圖，再利用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)和Smart3D生產(chǎn)高精度DEM、DOM和三維模型。通過滑坡前后DOM提取了房屋等建筑物損毀、道路破壞、耕地植被損毀等災(zāi)情信息；通過多時相DEM和三維模型數(shù)據(jù)采集裂縫信息，對堰塞湖壩體高程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，為指揮部應(yīng)急決策提供依據(jù)。同時制作了滑坡區(qū)域5.0 km2的1∶1 000 DLG，為移民安置點規(guī)劃提供輔助信息。

4 結(jié) 語

本文提出的多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同的滑坡應(yīng)急監(jiān)測方法體系有效規(guī)避了單一來源遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測存在的風(fēng)險，利用先進(jìn)的自動化手段，完善了應(yīng)急響應(yīng)的監(jiān)測體系和成果要求，并在2020年7月21日恩施屯堡鄉(xiāng)馬者村沙子壩滑坡應(yīng)急監(jiān)測中取得了良好成效，具有應(yīng)用推廣價值。

本文僅從方法技術(shù)層面剖析了多源遙感數(shù)據(jù)在滑坡應(yīng)急監(jiān)測方面的協(xié)同應(yīng)用，有待進(jìn)一步將方法體系納入遙感應(yīng)急服務(wù)機(jī)制和體系建設(shè)中，構(gòu)建遙感數(shù)據(jù)資源共享與交換平臺，實現(xiàn)不同模式遙感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實時獲?。淮罱ㄟb感數(shù)據(jù)協(xié)作處理平臺，實現(xiàn)海量遙感數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，提高應(yīng)急效率。