四川及周邊滑坡泥石流災(zāi)害高精度航空影像及解譯數(shù)據(jù)集（2008-2020年）

曾超，曹振宇，蘇鳳環(huán)，曾珍，余長錫

1.自然資源部四川基礎(chǔ)地理信息中心，成都 610041

2.自然資源部應(yīng)急測繪技術(shù)創(chuàng)新中心，成都 610041

3.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

引 言

滑坡泥石流災(zāi)害遙感自動(dòng)化檢測和提取，對開展災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評估、應(yīng)急處置、災(zāi)害防治和災(zāi)情評估等工作具有極為重要的意義，同時(shí)也是災(zāi)害遙感領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。由于災(zāi)害體自身特征、背景環(huán)境的復(fù)雜性，目前對滑坡泥石流災(zāi)害的提取多以目視解譯為主[1,2]。近年來，以深度學(xué)習(xí)為代表的圖像識(shí)別、目標(biāo)檢測等技術(shù)的發(fā)展,為滑坡泥石流災(zāi)害的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化提取提供了機(jī)遇和前景[3,4]。然而，目前國內(nèi)外可參考的相關(guān)數(shù)據(jù)集以災(zāi)害歷史編目為主[1,5-6]，編目數(shù)據(jù)僅以矢量點(diǎn)或面文件保存（缺少對應(yīng)的影像圖片），矢量文件也多從較低分辨率的衛(wèi)星影像解譯獲取，且衛(wèi)星影像質(zhì)量受天氣、地形等影響較大，使得現(xiàn)有滑坡泥石流災(zāi)害編目數(shù)據(jù)在完整性和精度方面都無法滿足自動(dòng)化提取需要。

2008年以來，有關(guān)部門和單位通過承擔(dān)四川省及其周邊突發(fā)滑坡泥石流災(zāi)害的應(yīng)急測繪保障工作，以及實(shí)施國家和省地質(zhì)災(zāi)害防治相關(guān)測繪生產(chǎn)、科研項(xiàng)目，積累了大量的滑坡泥石流災(zāi)害無人機(jī)和有人機(jī)航空影像數(shù)據(jù)，影像分辨率為0.05-1 m，獲取時(shí)間為2008-2020年。然而，尚未對影像進(jìn)行進(jìn)一步的深加工和處理，未形成具有廣泛應(yīng)用前景的滑坡泥石流影像和解譯數(shù)據(jù)集。項(xiàng)目擬通過對歷年來積累的航空影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行深加工和處理，研制滑坡泥石流災(zāi)害高精度影像和解譯標(biāo)注數(shù)據(jù)集，為災(zāi)害的自動(dòng)化檢測和提取提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以發(fā)揮數(shù)據(jù)對防災(zāi)減災(zāi)工作的重要支撐作用。

1 數(shù)據(jù)收集和處理方法

收集2008年以來四川境內(nèi)已發(fā)生的滑坡泥石流災(zāi)害的無人機(jī)和有人機(jī)航空正射影像數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的系統(tǒng)整理和統(tǒng)一處理，并采用ArcGIS軟件及目視解譯方法，對已發(fā)生的滑坡和泥石流災(zāi)害體進(jìn)行解譯和樣本標(biāo)注，并以單個(gè)災(zāi)害體為對象，制作完成共107處滑坡泥石流災(zāi)害高精度影像和解譯樣本標(biāo)注數(shù)據(jù)集（其中滑坡59處，泥石流48處），編制與數(shù)據(jù)集對應(yīng)的災(zāi)害信息描述文本，最后對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和評估。主要技術(shù)路線如圖1。

1.1 影像數(shù)據(jù)整理與處理

1.1.1 數(shù)據(jù)查詢與整理

通過文獻(xiàn)資料或互聯(lián)網(wǎng)新聞等途徑，查詢2008年以來四川省及周邊的重大滑坡泥石流災(zāi)害事件，收集災(zāi)害事件信息（如：災(zāi)害類型、發(fā)生時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)、規(guī)模、災(zāi)情等）。根據(jù)查找出的災(zāi)害事件發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)，從歷史影像數(shù)據(jù)庫中挑選與災(zāi)害事件對應(yīng)的航空影像數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)說明見表1。挑選影像遵循以下原則：

表1 影像數(shù)據(jù)說明Table 1 Aerial remote sensing image data description

（1）需為災(zāi)害發(fā)生后的影像數(shù)據(jù)，影像獲取與災(zāi)害發(fā)生時(shí)間間隔小于10天，避免因流水長時(shí)間的沖刷影響災(zāi)害體樣本的完整性。

（2）需為較為典型的或重點(diǎn)地區(qū)的災(zāi)害影像，如：2008年“5·12”汶川地震、2013年“4·20”蘆山地震、2013年“7·10”特大山洪泥石流、2017年“6·24”茂縣疊溪山體滑坡、2018年“10·11”金沙江山體滑坡等。

（3）影像數(shù)據(jù)分辨率需優(yōu)于1 m，多數(shù)優(yōu)于0.5 m，且無云層或其他遮擋物覆蓋。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理

完成影像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、影像匹配、影像拼接和融合等處理。

（1）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），地理坐標(biāo)以度為單位，用雙精度浮點(diǎn)數(shù)表示。高程采用1985國家高程基準(zhǔn)，單位為米。將挑選后的影像數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CGCS2000。

（2）影像匹配。以基本比例尺地形圖或基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)的高質(zhì)量數(shù)字正射影像（DOM）為基準(zhǔn)，對經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，完成影像數(shù)據(jù)的幾何糾正。

（3）影像拼接。對同一區(qū)域連續(xù)分布，且獲取時(shí)間相同的多幅影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。盡可能保證分布在不同圖幅的同一個(gè)災(zāi)害體的完整性。

（4）影像融合。對影像數(shù)據(jù)的色調(diào)、重影、噪聲等進(jìn)行必要的處理，使影像清晰、紋理豐富、反差適中、色調(diào)均衡，無明顯接邊痕跡，無模糊、錯(cuò)位、拉伸、扭曲等現(xiàn)象，保證不同圖幅影像之間色調(diào)基本一致。

1.2 滑坡泥石流解譯與標(biāo)注

為保證數(shù)據(jù)集的精度和準(zhǔn)確性，本文解譯和標(biāo)注的滑坡泥石流災(zāi)害主要滿足幾項(xiàng)條件：①所見所得，解譯對象為已發(fā)生的滑坡泥石流災(zāi)害，不包括未發(fā)生的災(zāi)害隱患點(diǎn)的識(shí)別，解譯的滑坡包含崩塌。②保證準(zhǔn)確，災(zāi)害發(fā)生后沒入水下的，通過影像無法判斷的滑坡泥石流災(zāi)害體不作識(shí)別。③力求完整，單個(gè)大型滑坡整體作為勾繪單元，周邊淺表層崩塌體不作為其組成部分；群發(fā)性且連片分布的滑坡或崩塌作為整體解譯。

在實(shí)際操作中，利用地質(zhì)災(zāi)害專家知識(shí)，建立滑坡泥石流影像解譯標(biāo)志，并采用目視解譯方式，結(jié)合全省三維模型數(shù)據(jù)對滑坡泥石流災(zāi)害體進(jìn)行解譯，采用ArcGIS軟件完成災(zāi)害體邊界的勾繪，生成矢量面狀數(shù)據(jù)。將矢量面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成僅含0和1的二值柵格圖像數(shù)據(jù)（1標(biāo)注為滑坡，0為其他地物）。邊界勾繪要力求災(zāi)害體完整和精準(zhǔn)，主要解譯標(biāo)志如下：

（1）滑坡（含崩塌）解譯特征?；麦w與周圍環(huán)境在形態(tài)、色調(diào)、紋理、植被發(fā)育及生長狀況上有明顯的差異。主要表現(xiàn)在：滑坡災(zāi)害通常呈簸箕形或舌形的平面形態(tài)，部分可見滑坡壁、流通區(qū)刮鏟痕跡和舌狀堆積區(qū)等地貌特征?；碌暮蟊诙妇⒊蕠螤?，形態(tài)常呈弧形或折線形，崩塌的后壁受巖體結(jié)構(gòu)面控制，常表現(xiàn)為陡直的破碎巖壁，坡度通常超過55°（圖2）?；律{(diào)呈高亮度顯示，與周邊綠色植被明顯區(qū)分，其紋理較路面和建筑地表粗糙?；麦w上的樹木有明顯的傾斜或傾倒。數(shù)據(jù)集還根據(jù)災(zāi)害事件信息區(qū)分了地震滑坡和降雨滑坡。

（2）泥石流解譯特征。典型的泥石流流域可劃分為物源區(qū)、流通區(qū)與堆積區(qū)，本文主要以堆積區(qū)特征進(jìn)行解譯。根據(jù)溝口的地貌特征，即發(fā)現(xiàn)溝口有明顯的堆積扇，則判別其為泥石流溝，堆積扇輪廓明顯，質(zhì)感細(xì)膩且色調(diào)較淺，扇面無固定溝槽，多呈漫流狀態(tài)。根據(jù)泥石流流域形態(tài)，進(jìn)一步劃分為溝谷泥石流與坡面泥石流。溝道泥石流流域呈扇形或狹長條形，物源區(qū)范圍大，部分有支溝，有明顯流通區(qū)，溝谷長且兩側(cè)陡峭（圖3），一次沖出規(guī)模較大，其流域面積小于100平方千米，堆積扇坡度通常小于10°，且以2°-7°為主[8]；坡面泥石流流域呈斗狀或扇形，物源區(qū)面積小，無支溝，無明顯流通區(qū)，溝短坡陡，規(guī)模較小，其流域面積通常小于0.4平方千米，主要發(fā)育在20-40°的山體坡面，堆積區(qū)坡度為6°-21°[9-10]。

1.3 影像和解譯標(biāo)注數(shù)據(jù)集制作

按滑坡泥石流災(zāi)害體完整性原則，對每處災(zāi)害體影像數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的解譯標(biāo)注數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)矩形進(jìn)行裁剪，生成一對大小相等、位置一致的影像和解譯標(biāo)注數(shù)據(jù)，依次完成共107處滑坡泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)集制作，最后根據(jù)收集的滑坡泥石流災(zāi)害事件信息，制作數(shù)據(jù)集描述文檔。

數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)組織方式安排如下（圖4）：

（1）存儲(chǔ)形式：按照滑坡和泥石流兩類分類存儲(chǔ)，每類災(zāi)害包括三個(gè)部分文件，即：正射影像圖片數(shù)據(jù)、解譯標(biāo)注圖片數(shù)據(jù)和描述文檔。

（2）圖片尺寸及格式：正射影像圖片數(shù)據(jù)按照300dpi存儲(chǔ)，圖片大小根據(jù)災(zāi)害體范圍調(diào)整，解譯標(biāo)注數(shù)據(jù)集范圍和分辨率與正射影像圖片保持一致，兩者均采用TIF格式存儲(chǔ)，如：Landslides001、LandslidesLabel001；Derisflow001、DerisflowLabel001。描述文檔按照、、、、、、、統(tǒng)一的命名規(guī)則，即對應(yīng)的影像獲取時(shí)間、影像地面分辨率、災(zāi)害名稱、災(zāi)害時(shí)間、位置（緯度、經(jīng)度）、災(zāi)害類型、災(zāi)害面積、災(zāi)害規(guī)模，采用TXT文件存儲(chǔ)。

（3）目標(biāo)物體的定義：正射影像圖片外邊界應(yīng)包含災(zāi)害體全部及其周邊小部分地物（如：植被、房屋、道路、河流等），且災(zāi)害體與周邊環(huán)境在色彩、紋理、形狀等方面有明顯差異；解譯標(biāo)注圖片為二值化柵格數(shù)據(jù)，刪數(shù)據(jù)值為1表示滑坡或泥石流，0則表示其他地物。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

選取了具有典型代表意義的數(shù)據(jù)樣本對本數(shù)據(jù)集作例證說明（圖5）。具體如下：

（1）溝谷泥石流。共31處樣本，選取2010年“8.13”文家溝泥石流作為典型樣本（圖5a，b），影像獲取時(shí)間為2010年8月15日，地面分辨率為0.4 m，災(zāi)害位置為31.549°N、 104.112°E，堆積區(qū)面積70萬平方米，災(zāi)害規(guī)模為430萬立方米。范圍包含了泥石流堆積區(qū)和主要流通區(qū)。

（2）坡面泥石流。共17處樣本，選取2013年“7·10”G213線（汶川縣境內(nèi)）坡面泥石流作為典型樣本（圖5c，d），影像獲取時(shí)間為2013年7月20日，地面分辨率為0.6 m，災(zāi)害位置為31.219°N、103.486°E，堆積區(qū)面積8.4萬平方米，無災(zāi)害規(guī)模記錄。

（3）地震滑坡。共36處樣本，選取2008年“5·12”汶川地震唐家山滑坡作為典型樣本（圖5e，f），影像獲取時(shí)間為2008年5月16日，地面分辨率為0.9 m，災(zāi)害位置為31.843°N、104.433°E，滑坡體面積89.7萬平方米，災(zāi)害規(guī)模為2037萬立方米。

（4）降雨滑坡。共23處樣本，選取2018年“10·11”金沙江白格滑坡作為典型樣本（圖5g，h），影像獲取時(shí)間為2008年10月12日，地面分辨率為0.2 m，災(zāi)害位置為31.082°N、98.706°E，滑坡體面積149.8萬平方米，災(zāi)害規(guī)模為850萬立方米。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

本數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)來源明確，數(shù)據(jù)處理過程和結(jié)果精確，解譯標(biāo)注準(zhǔn)確可信，災(zāi)害信息詳實(shí)，實(shí)現(xiàn)了各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

（1）本數(shù)據(jù)集采用的航空影像數(shù)據(jù)源明確（獲取時(shí)間、分辨率等指標(biāo)明確），均為測繪權(quán)威部門在歷年災(zāi)害事件發(fā)后第一時(shí)間獲取的影像數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)處理嚴(yán)格按照航空正射影像生產(chǎn)流程，部分?jǐn)?shù)據(jù)通過了權(quán)威機(jī)構(gòu)（四川省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站）質(zhì)量檢驗(yàn)。

（2）滑坡泥石流災(zāi)害目視解譯過程，均有地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜抑笇?dǎo)或參與，保證解譯標(biāo)注數(shù)據(jù)的專業(yè)和準(zhǔn)確性。每個(gè)災(zāi)害樣本均有對應(yīng)的災(zāi)害信息可查，保證數(shù)據(jù)集的完備性。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

與國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)數(shù)據(jù)集相比，本數(shù)據(jù)集在數(shù)據(jù)源質(zhì)量、數(shù)據(jù)集完備性和潛在應(yīng)用等方面都更具價(jià)值。

（1）數(shù)據(jù)源精度高且覆蓋時(shí)間長，數(shù)據(jù)精度達(dá)0.2-0.9 m，時(shí)間為2008-2020年，涵蓋了四川省及周邊典型的滑坡泥石流災(zāi)害事件。前人相關(guān)成果多利用較低分辨率（差于1 m）的衛(wèi)星影像解譯獲取，且衛(wèi)星影像質(zhì)量受天氣、地形等影響較大。

（2）數(shù)據(jù)集完備，包含了影像圖片數(shù)據(jù)、解譯標(biāo)注數(shù)據(jù)和文本描述數(shù)據(jù)，而前人的相關(guān)成果多為災(zāi)害歷史編目，僅以矢量點(diǎn)或面文件保存，缺少對應(yīng)的影像圖片。

（3）潛在應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，本數(shù)據(jù)集不僅可用于滑坡泥石流災(zāi)害的自動(dòng)化解譯，還可用于災(zāi)害分布規(guī)律、風(fēng)險(xiǎn)分析等研究工作。

致 謝

感謝四川測繪地理信息局提供數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

曾超（1986—），男，四川省成都市人，博士研究生，高級工程師，山地災(zāi)害遙感與風(fēng)險(xiǎn)評估、自然資源調(diào)查監(jiān)測。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)集總體設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)滑坡泥石流災(zāi)害解譯，影像及解譯樣本數(shù)據(jù)集制作。

曹振宇（1978—），男，四川省成都市人，博士研究生，正高，地理信息系統(tǒng)與遙感。主要承擔(dān)工作：負(fù)責(zé)影像數(shù)據(jù)集質(zhì)量控制。

蘇鳳環(huán)（1977—），女，四川省成都市人，博士研究生，副研究員，災(zāi)害遙感與風(fēng)險(xiǎn)評估。主要承擔(dān)工作：負(fù)責(zé)滑坡泥石流災(zāi)害解譯，數(shù)據(jù)集質(zhì)量控制。

曾珍（1988—），女，四川省成都市人，碩士研究生，工程師，災(zāi)害遙感。主要承擔(dān)工作：負(fù)責(zé)滑坡泥石流災(zāi)害解譯及解譯數(shù)據(jù)集制作。

余長錫（1986—），男，四川省成都市人，碩士研究生，高級工程師，地理信息系統(tǒng)。主要承擔(dān)工作：負(fù)責(zé)滑坡泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)收集與處理。