不同地質(zhì)災(zāi)害類型的遙感解譯機(jī)理研究

張 強(qiáng)

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì)，長春 130000）

應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和提取已成為一種普遍方法[1-5]，遙感技術(shù)具有宏觀、綜合和多尺度的特點(diǎn)。其已成為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和數(shù)據(jù)分析高效、快捷的手段[6]，特別是在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)、礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測及重大地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別等方面[7-10]。吉林省東部山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率較高，本文以吉林省臨江市為例，借助多光譜、高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)[11-12]，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害其他相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感解譯。遙感影像、1∶50 000 地形圖、1∶100 000 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查圖和DEM（數(shù)字高程模型）等多源數(shù)據(jù)融合，研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境，識(shí)別掌握地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域[13]。通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和人機(jī)交互解譯，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害類型、邊界、規(guī)模和形態(tài)特征進(jìn)行解譯[14]，提取必要的地質(zhì)災(zāi)害信息，分析地質(zhì)災(zāi)害的成因和發(fā)展規(guī)律。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

臨江市是吉林省白山市代管縣級(jí)市，位于吉林省東南部。臨江市地處長白山腹地，鴨綠江中上游北岸，與朝鮮民主主義人民共和國隔江相望，北、東、西分別與江源區(qū)、撫松縣和長白縣相連。其地理坐標(biāo)為東經(jīng)126°30′—127°49′，北緯41°31′—42°03′，面積3008.5 km2。臨江市屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，山地較多。西伯利亞和蒙古的寒流受老爺嶺山脈的制約，其影響減弱，溫暖濕潤的海洋空氣沿河流流動(dòng)，形成了鴨綠江流域獨(dú)特的氣候區(qū)。臨江市地處長白山腹地鴨綠江畔，境內(nèi)群山環(huán)抱，峽谷交錯(cuò)，河流地勢東高西低。

收集比例尺為1∶50 000 的17 幅地形圖和1∶100 000的171 幅地形圖，進(jìn)行圖像校正和地形圖參考信息提取。在工作區(qū)域采集高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)。根據(jù)調(diào)查目的和研究對(duì)象，選取2020年高分1 號(hào)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，全色分辨率為2 m，多光譜分辨率為8 m，時(shí)間為春季。此外，結(jié)合遙感地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)，以減少云、雪和植被等對(duì)地質(zhì)體的影響。選擇春季陸地衛(wèi)星和所有波段遙感圖像記錄2m、15m 全色分群率，基于多光譜率30m，收集了氣象、水文、森林植被、自然地理?xiàng)l件和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，收集了工作區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防計(jì)劃，地質(zhì)災(zāi)害的分布、地貌圖，地質(zhì)圖數(shù)據(jù)；收集了地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告及人口、居住區(qū)和工礦開發(fā)的統(tǒng)計(jì)調(diào)查資料；收集了工作區(qū)和土地變化調(diào)查資料。

2 數(shù)據(jù)處理

遙感圖像處理分為多光譜合成和幾何校正2 個(gè)步驟。根據(jù)不同的地物，選擇3 個(gè)合適的波段組合，形成30 m 分辨率的多光譜圖像，然后根據(jù)地面控制進(jìn)行幾何校正。Landsat8 遙感影像需與30 m 分辨率的多光譜影像合成，再與15 m 分辨率的全色數(shù)據(jù)融合，經(jīng)過幾何校正和地理配準(zhǔn)，最終形成15 m 分辨率的多光譜影像。幾何校正采用多項(xiàng)式擬合方法，幾何校正的均方誤差小于等于1 像素。切割融合得到Landsat8 遙感影像。高分辨率遙感數(shù)據(jù)處理是將單波段數(shù)據(jù)分別組合成8 m 分辨率的多光譜圖像，再與2 m 分辨率的pan 圖像融合，形成2 m 分辨率的多光譜圖像。用地形圖校正多光譜融合圖像。幾何校正采用多項(xiàng)式擬合方法，幾何校正的均方誤差小于等于6 像素。然后進(jìn)行拼接和切割，得到經(jīng)過處理的高分辨率遙感影像。以DEM 為基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，生成坡度圖、坡度方向圖等數(shù)據(jù)，主要為崩塌、滑坡和失穩(wěn)邊坡的提取提供數(shù)據(jù)支持，運(yùn)用水文分析模型進(jìn)行分析，為泥石流的提取提供數(shù)據(jù)支持。

3 常見地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理和遙感影像特征

根據(jù)研究區(qū)域不同地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境和孕災(zāi)環(huán)境特征，通過遙感影像呈現(xiàn)不同的特征，建立解譯標(biāo)志。在地質(zhì)遙感解譯中，常用色調(diào)深度、色調(diào)均勻性和邊界清晰度來描述黑白照片的色調(diào)特征。通常需要通過顏色、陰影、水系、紋理特征、植被和位置等來解譯目標(biāo)特征[15]。本次地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查主要研究崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的地學(xué)遙感機(jī)理。

3.1 崩塌

崩塌一般是指巖塊從母巖上翻滾，巖塊間相互碰撞，從斜坡上翻落下來，在坡腳堆積，形成倒巖堆[16]。崩塌一般發(fā)育在40°～75°的陡坡上，崩塌面形狀較為復(fù)雜，崩塌體部分呈長條狀展布。崩塌運(yùn)動(dòng)形式主要有墜落和崩落2 種。崩塌災(zāi)害的形成受地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化和人為活動(dòng)、地形地貌及地下水作用等多種因素的影響[17]。崩塌地質(zhì)災(zāi)害多分布在巖性堅(jiān)硬、節(jié)理發(fā)育的陡坡上，如溝谷、道路和河流等。在陡峭的山坡周圍，堆積著成巖堆或倒石堆。整體圖像粗糙，微地貌起伏。崩塌后出現(xiàn)帶狀險(xiǎn)峻懸崖或斷崖，向陽坡為淺色塊，背陰坡在遙感影像中陰影嚴(yán)重。崩塌顯示出具有淺色色調(diào)的不規(guī)則板像，常以組和條帶形式出現(xiàn)。在遙感影像上呈現(xiàn)，植被稀疏，亮度高，存在裸露的基巖，選取植被指數(shù)、土壤亮度指數(shù)和地形指數(shù)作為崩塌地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯的主要背景值。通過在遙感影像上呈現(xiàn)的光譜、形狀、地形及邊緣等特征進(jìn)行識(shí)別。

3.2 滑坡

滑坡一般是在一定自然條件下形成的斜坡?；麦w一般發(fā)育在20°～40°的斜坡上，呈條狀展布。由于地下水活動(dòng)、植被破壞、人工挖坡、河流沖刷或地震等因素的影響，部分巖體或土體沿某一軟面或軟區(qū)受到重力變形，其特征是整體、緩慢、間斷和水平位移。本次滑坡遙感解譯主要選取植被指數(shù)、土壤亮度指數(shù)及坡度屬性指數(shù)作為背景值。在滑坡解譯中引入了邊緣檢測和紋理特征提取方法。背景值提取滑坡的遙感信息，有許多的局限性，在實(shí)際工作中，探索了一種新的信息提取方法?；略谶b感圖像上，呈現(xiàn)舌行、簸箕型、弧形或不規(guī)則型。在巖層傾向與坡向一致、巖性脆弱、大型節(jié)理發(fā)育地區(qū)和活動(dòng)斷裂帶附近，常發(fā)生規(guī)模較大的滑坡。根據(jù)滑坡特征，建立決策樹支持模型，提取信息；然后運(yùn)用Canny 算子等提取災(zāi)害點(diǎn)邊緣圖像，提取災(zāi)害點(diǎn)范圍。

3.3 泥石流

泥石流形成的地貌因素主要是地形高差、山坡坡度、溝谷谷坡坡型和溝床縱坡等。泥石流發(fā)生后，尤其在流通區(qū)會(huì)造成嚴(yán)重的植被破壞，使基巖裸露，在遙感影像上，色彩與周圍對(duì)比鮮明，遙感影像上呈現(xiàn)的光譜、地形和形狀等特征，表現(xiàn)實(shí)地的植被差異、長寬比和溝谷關(guān)系等。

3.4 不穩(wěn)定斜坡

一般不穩(wěn)定斜坡在比較陡峭的斜坡上，基巖裸露，植被稀疏，有發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能，在遙感影像上呈淺色調(diào)，一般假彩色圖像是灰色或白色，周圍植被開發(fā)區(qū)是粉紅色或紅色，解譯標(biāo)志與崩塌有相似之處，地質(zhì)災(zāi)害為崩塌倒樁。邊坡不穩(wěn)定容易發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，這些災(zāi)害與邊坡、邊坡方向密切相關(guān)。與崩塌特征類似，但沒有崩落碎石堆；滑坡型不穩(wěn)定斜坡，一般有植被覆蓋在真彩色影像上呈淺綠色，標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像上呈淺紅色，發(fā)育后端有淺色邊緣凹凸條。

4 解譯方法

4.1 計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別

4.1.1 崩塌

根據(jù)崩塌的地質(zhì)災(zāi)害遙感成災(zāi)機(jī)理，基于土壤亮度指數(shù)、植被指數(shù)、第一主成分變換值及土地利用數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)為一體的解譯模型如圖1所示，可以獲得比較理想的崩塌地質(zhì)災(zāi)害的信息；順坡閾值為大于2.5，即符合閾值要求的為順坡。

圖1 崩塌地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯流程圖

4.1.2 滑坡

根據(jù)滑坡的地質(zhì)災(zāi)害遙感成災(zāi)機(jī)理，建立決策樹支持模型，提取信息；然后運(yùn)用Canny 算子等提取災(zāi)害點(diǎn)邊緣圖像，提取災(zāi)害點(diǎn)范圍，其技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯流程圖

4.1.3 泥石流

實(shí)際工作中，關(guān)于泥石流解譯主要包括本底值計(jì)算、閾值選取、溝谷范圍提取、溝壑密度和泥石流信息篩選。

（1）泥石流信息遙感本底值計(jì)算：通過對(duì)植被指數(shù)、土壤亮度指數(shù)和遙感經(jīng)主成分變換得到的第一主成分（PCI）圖像的集成計(jì)算，獲取新的第一主成分圖像。

（2）閾值選取：對(duì)上一步圖像進(jìn)行集成運(yùn)算，應(yīng)用多峰直方圖閾值選取算法進(jìn)行泥石流閾值的自動(dòng)獲取，并根據(jù)獲取的閾值提取出泥石流候選區(qū)，在此過程中需要利用形態(tài)濾波的閉運(yùn)算（先膨脹、后腐蝕）對(duì)新的灰度圖像的部分不純凈像元進(jìn)行處理。

（3）溝谷范圍提取：首先對(duì)DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，用以除去“短枝”和離散點(diǎn)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算，以獲得連續(xù)性較好的溝谷中心線；再次對(duì)利用形態(tài)濾波膨脹算法對(duì)已獲取的連續(xù)溝谷中心線進(jìn)行一定核大小的膨脹運(yùn)算后得到溝谷范圍。

（4）泥石流信息篩選：基于泥石流候選區(qū)的二值圖像和溝谷范圍二值圖像進(jìn)行圖像匹配處理，得到可疑泥石流柵格圖斑將其矢量化。然后，以泥石流形成的條件和泥石流的空間特征為篩選條件對(duì)矢量圖斑進(jìn)行面積、坡度和順坡性篩選，最終得到泥石流矢量圖斑。

4.2 人機(jī)交互解譯

對(duì)高分影像、計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃圖、地質(zhì)災(zāi)害分布與易發(fā)區(qū)圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判讀提取地質(zhì)災(zāi)害信息，填寫地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯點(diǎn)信息表。

5 結(jié)論

從基于遙感的地質(zhì)災(zāi)害提取結(jié)果可以看出，臨江市地質(zhì)災(zāi)害的主要類型為崩塌和泥石流。崩塌主要發(fā)生在調(diào)查區(qū)西部。泥石流主要發(fā)生在西南地區(qū)，其中西南和正南地區(qū)泥石流較為嚴(yán)重。地質(zhì)災(zāi)害常發(fā)生在山腳下和植被稀疏地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：崩塌面積達(dá)93.04 hm2，受災(zāi)點(diǎn)94 個(gè)，現(xiàn)場核查93 個(gè)，另一個(gè)因道路障礙、地形及周邊環(huán)境復(fù)雜無法到達(dá)。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，有75 處解譯正確，準(zhǔn)確性為79.79%?；旅娣e24.81 hm2，現(xiàn)場驗(yàn)證了7 個(gè)災(zāi)害點(diǎn)，解譯精度100%。泥石流發(fā)生面積54.88 hm2，受災(zāi)點(diǎn)27 個(gè)，經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，正確解譯19 處，準(zhǔn)確率為70.37%?；聻?7.17 hm2，現(xiàn)場驗(yàn)證了6 個(gè)災(zāi)害點(diǎn)，解譯精度100%。災(zāi)害總面積達(dá)199.90 hm2，地質(zhì)災(zāi)害解譯災(zāi)害點(diǎn)134 個(gè)，野外驗(yàn)證133 個(gè)，現(xiàn)場驗(yàn)證率達(dá)99.25%，綜合解譯精度達(dá)79.85%。

從方法論角度看，采用的多光譜、高分辨率遙感影像能夠滿足1∶50 000 地質(zhì)災(zāi)害的遙感解譯要求，從而實(shí)現(xiàn)工作目標(biāo)，完成工作任務(wù)。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，解譯精度達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生主要受自然因素和人為因素的影響。人為因素主要表現(xiàn)為人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)，包括道路的建設(shè)、隧道的開挖和礦山的開采等。自然因素主要有地貌、巖性等地質(zhì)環(huán)境條件，以及日曬和降雨。崩塌主要發(fā)生在道路附近，泥石流主要發(fā)生在受雨水沖刷且有一定坡度的溝谷區(qū)域。遙感解譯是地質(zhì)災(zāi)害判斷的重要手段。遙感解譯的準(zhǔn)確性可以指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查。但是，由于遙感影像成像的內(nèi)外因素的影響，存在“同物異譜，異物同譜”的現(xiàn)象。同時(shí)，受個(gè)人形象解讀經(jīng)驗(yàn)的影響，一些解讀點(diǎn)存在著不準(zhǔn)確。解譯精度總體上能滿足技術(shù)規(guī)范的要求，達(dá)到解譯的目的，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和區(qū)劃中發(fā)揮作用。