滑坡_泥石流遥感回顾与新技术展望

第3期,总第41期

1999年9月15日国土资源遥感　REMOTESENSINGFORLAND&RESOURCESNo.3,1999Sept.,1999

滑坡、泥石流遥感回顾与新技术展望

王　治　华

(国土资源部航空物探遥感中心,北京　100083)

摘　要　回顾了20a来我国在滑坡、泥石流遥感调查方面所取得的成绩,总结了应用遥感技

术调查滑坡、泥石流的方法和该方法在应用过程中存在的问题,指出了改善现有的滑坡、泥石流遥

感调查方法技术的迫切性,展望了滑坡、泥石流遥感调查新技术的内容及应用前景。

关键词　滑坡　泥石流　遥感

分类号　TP79:P642.2

1　技术回顾

在本世纪的最后20a里,我国完成的区域滑坡、泥石流遥感调查面积大约覆盖了10万km2的国土。我国的滑坡、泥石流遥感调查技术是在为山区大型工程建设服务中逐渐发展起来的。

从80年代初开始,我国先后在雅砻江二滩电站、红水河龙滩电站、长江三峡电站、黄河龙羊峡电站、金沙江下游溪落渡、白鹤滩及乌东德电站库区开展了大规模的区域性滑坡、泥石流遥感调查,目的是为这些大型水电工程的可行性研究提供滑坡、泥石流灾害及环境基础资料〔1〕;从80年代中期起,又分别在宝成、宝天、成昆铁路等沿线进行了大规模的航空摄影,为调查滑坡、泥石流分布及其危害提供了信息源。近10a来,先后完成了川藏、滇藏、南昆及内昆铁路等20余条新铁路线的滑坡、泥石流遥感调查。90年代起,在公路选线,公路沿线防灾工程(如川藏公路、新疆乌奎公路、东北沈丹公路等)中也使用了滑坡、泥石流遥感调查技术。这些调查主要为中等比例尺(1∶5万～1∶20万)的滑坡、泥石流宏观调查。主要的调查成果为:识别滑坡、泥石流,制作区域滑坡、泥石流分布图;判别滑坡、泥石流的微地貌类型及活动性;评价滑坡、泥石流对大型工程施工及运行的影响等。经过20a的实践,我们已经摸索出一套较为合理有效的滑坡、泥石流遥感调查方法,该套方法可以概括为:采用以彩红外航片为主要信息源,以目视解释为主,计算机图像处理为辅,并将重点区遥感解释结果与现场验证相结合,同时结合其它非遥感资料,综合分析,多方验证。

目前,遥感技术已成为区域滑坡、泥石流及其发育环境宏观调查的不可缺少的先进技术,该技术为山区大型工程建设的环境灾害调查及防灾减灾工作作出了不可磨灭的贡献。但是,随着环境灾害压力的增加,我们也发现这一技术仍存在不少问题,急待改进。

2　滑坡、泥石流遥感技术存在的主要问题

第3期王治华:　滑坡、泥石流遥感回顾与新技术展望·11·

目前,滑坡、泥石流遥感解译主要是根据滑坡、泥石流及其要素(后壁、滑体、前缘、物源区、流通区、堆积区等)的形态特征,在航空像片或卫星图像上以目视方法进行解译,但由于卫星图像的空间分辨率有限,因此,所使用的信息源主要为不同比例尺(1∶3000～1∶6万)的航片,主要的图像处理为摄影光学及化学处理,这就导致以下问题:

(1)未能充分利用航空遥感图像的空间分辨率。以常用的1∶2万比例尺的航片为例,一般来讲,在航片上可分辨的最小面状地物的直径约为2mm,而滑坡、泥石流是由多个要素组成的,根据多年实践,在航片上可识别的最小滑坡图斑面积约为5mm×5mm,其实际覆盖面积约为100m×100m。而航片的分辨率一般均可达60线/mm以上,那么,1∶2万比例尺的图像分辨率为0.017mm,实际地面分辨率应为0.33m。它的最小可识别地物应在30m2左右,而不是上述的10000m。造成如此巨大差别的原因除了目视解译方法上存有缺陷外,航片在冲洗处理过程中也会损失一部分信息,导致图像分辨率降低。此外,航片的成像方式为中心投影,图形有畸变,使用立体镜观测虽然增加了图像的立体效果,但图形仍然有纵向畸变,从而降低了分辨率。

(2)未能充分利用航片的光谱信息。目视解译航片上的滑坡、泥石流时,主要根据地物的色彩、色调、纹理、阴影等所形成的几何形态特征,并未考虑地物波谱特性。由于冲洗底片及印制像片过程中的疏忽,常常使同一波谱特征值的地物有多种色彩、色调显示,或者不同波谱特征值的地物为同一种色彩、色调。所以,利用目视解译方法常常难以判别地物的波谱特征。

(3)未能充分利用遥感图像的时间特征。不同时相的遥感图像有不同的波谱及空间特征,但由于(1)、(2)原因,目视解译难以准确地识别不同时相地物波谱特征的变化,也难以识别地物的空间变化。仍以1∶2万比例尺的航片为例,实际地物线性分辨率小于20m(图像上约1mm),当不同时相遥感图像的滑坡、泥石流的空间变化达不到20m时,目视方法就很难解译出其变化,而活动滑坡、泥石流的位移量往往小于该数量级。所以,实际上滑坡、泥石流遥感解译中未能充分利用遥感图像的空间特征。

上述滑坡、泥石流遥感调查中的方法技术问题,往往导致以下的应用问题:

(1)现有的滑坡、泥石流遥感调查只能提供区域宏观的,定性的或半定量的解译成果,不能提供比较精确的滑坡信息,这样就难以满足滑坡减灾防灾工作的需要,特别是难以满足城市滑坡防治工程的需要。

(2)历经20a,覆盖约10万km的地质灾害遥感调查成果未能形成有准确空间位置的数据库,大多以这些灾害的分布图及文字报告形式表达。

(3)未能形成有实用意义的评价模型。

(4)调查成果不便于保存、复制、携带及传输。

因此,面对日益严重的滑坡、泥石流灾害,滑坡遥感技术迫切需要改进和提高,而这种提高只有在滑坡地学理论的基础上,吸收信息科学理论的营养及综合利用现代空间技术、计算机技术才可能实现,才能使侧重于识别、分类、形成条件分析的宏观滑坡调查提高为能进行一定时空滑坡物质及能量相互作用的模拟、活动监测、灾害评价及防治对策的数字滑坡技术。223　改进滑坡、泥石流遥感技术方法的必要性及可行性

·12·

3.1　必要性　　　　国　土　资　源　遥　感1999年

以往的滑坡、泥石流遥感调查,主要是为山区大型工程建设服务的,特别是为工程建设前期的环境调查提供有关灾害方面的基础资料,所以,宏观调查成果基本可以满足需要。随着人口增长和经济发展的山区开发,城镇滑坡问题愈来愈突出。我国除西南、西北山区和长江上游河谷滑坡、泥石流高发区外,在东部沿海丘陵地区的滑坡、泥石流灾害也有逐a增加的势头。处于热带、亚热带气候条件下的广东、广西、海南、香港、台湾、澳门、福建、浙江等沿海丘陵山地型沿海城市不时地发生滑坡、泥石流灾害,并且造成了严重的人员伤亡和经济损失。以香港为例,随着50年代开始的大规模开发建设,滑坡、泥石流灾害变得愈来愈严重,灾害性暴雨滑坡、泥石流数量不断增加,70年代以来的灾害损失更加惨重,1972年发生的东九龙秀茂坪滑坡和港岛宝珊道滑坡分别造成71人死亡,60人受伤和67人丧生,该次滑坡、泥石流所造成的伤亡总人数达250人,经济损失数亿元〔3〕。滑坡、泥石流在城市所造成的灾害更严重,所以迫切要求遥感能提供更加详细深入的滑坡、泥石流信息,以满足城市防灾工作需要。

3.2　可行性

(1)20a国内外滑坡、泥石流遥感调查技术方法的积累。国内外滑坡、泥石流遥感调查技术方法主要是在本世纪最后20a发展起来的,并已基本上形成工程化技术,在滑坡、泥石流遥感识别、分类、编目及制作相应的图件方面都有较成熟的技术及经验。如,日本利用黑白航片解译滑坡、泥石流,编制了1/5万比例尺的全国滑坡地形分布图。该图较详细地表示了滑坡地形的位置、边界、滑坡各要素的平面特征及平面规模等

地价评估的重要基础资料及基本依据之一。〔4〕〔2〕,成为日本山区开发、灾害防治甚至

欧共体各国在大量滑坡、泥石流遥感调查的基础上,对遥感方法技术进行了系统总结〔5〕,指出了识别不同规模、不同对比度(滑坡、泥石流与周围环境地物影像特征比较的差异程度)的滑坡和泥石流所需的遥感图像的空间分辨率,遥感结合地面调查的分类方法,用GPS测量及雷达数据监测滑坡活动及利用目前的遥感方法进行滑坡、泥石流危险性分析可能达到的程度,现有的滑坡、泥石流遥感调查技术方法所包含的不确定性等〔5〕。

总之,通过20a的实践,我们已掌握了滑坡、泥石流的遥感影像特征,并具有了较成熟的目视解译滑坡、泥石流的方法技术。

(2)迅速发展的空间技术、信息技术及计算机软硬件技术可能提供强有力的技术支持。空间技术、信息技术及计算机技术是20世纪发展最迅速的科学技术。对地观测的遥感器目前已覆盖了从紫外、可见光、红外、微波到超长波的各个波段,其中,可见-红外波段的细分高光谱分辨率已达纳米级。目前,成像光谱仪技术已取得重大突破,90年代美国遥感发展的一个主要计划即地球观测系统(EOS),它的重要仪器之一就是成像光谱仪,其高光谱分辨率为直接监别和区分地物提供了可能性。64位成像光谱已在发达国家进入了实用阶段。除10m分辨率的法国SPOT图像外,俄罗斯已可提供米级的全色卫星数据。所以在今后的滑坡、泥石流遥感工作中可以期待使用更高光谱分辨率、几何分辨率及更高数据质量的遥感数据。

GPS技术大大改进了滑坡、泥石流调查中的定位工作。目前,美国和俄罗斯都有全球定位系统,其提供数据的差分精度可达厘米级。我国的基础地理框架工作也取得了长足进步,1/100万比例尺的全国数字地形已进入Internet,1/25万比例尺的全国数字地形也已经完成,测1

第3期王治华:　滑坡、泥石流遥感回顾与新技术展望·13·数据将对实现滑坡、泥石流遥感调查新技术提供了有力支撑。

我国王之卓院士在1978年提出“全数字化自动化测图”的研究方案,80年代国际上开始发展数字测图仪,90年代已有各种数字测图仪出现。经过十几年的努力,我国以张祖勋教授为首的研究小组已经开发出国际先进水平的全数字摄影测量软件VIRTUOZO,该软件具有数字化测图,自动生成DEM/DTM和等高线,生成正射影像和三维立体显示等功能〔6〕,该项技术是滑坡、泥石流遥感新技术的最重要组成部分。

作为处理、管理空间数据工具的地理信息系统技术,目前在国内外发展迅速。该技术不仅为计量地理学或统计空间分析提供了先进的技术手段,而且在图形、图像三维显示与空间分析方面有了较大的进步。正在努力从模糊数学和分形分维的理论与方法方面寻求突破,这是一门综合分析、模拟与预测能力愈来愈强的空间信息科学。目前,已有非常可靠、通用的软件能够改善以往的滑坡、泥石流遥感调查方法,如ARC/INFO,ARCVIEW,MAPGIS等。

数字图像处理同样是一项方兴未艾的技术,除功能强大的PCI、ERDAS等软件可进行数字图像的校正、数据变换、增强、合成及镶嵌外,新的ENVI图像处理软件还具有较好的像元光谱测量、分析、分类及矢量化功能,而且操作更简便。

此外,高速发展的计算机技术使运算速度迅速提高,硬盘及内存容量都大大增加,IBM最近推出的芯片内存已达到几百Mbit,第二代Internet的传输速度比第一代提高了1000倍,使对滑坡、泥石流遥感调查新技术中迅速膨胀的海量数据进行复杂的运算成为可能。〔7〕

4　滑坡、泥石流遥感调查新技术

这里的滑坡、泥石流遥感调查新技术(以下简称新技术)主要是指调查过程中所使用的信息源、采取的解译方法及最终成果的处理方式等。

4.1信息源

(1)多时相、高分辩率、高光谱的遥感数据。包括航空摄影底片经高分辩率扫描形成的数字影像及多时相、高分辩率、高光谱的卫星遥感数据。

(2)GPS控制点数据。利用均匀分布在地球6个轨道面上的21个工作卫星和GPS接收机进行的滑坡、泥石流工作区的定位测量,获取准确的滑坡、泥石流定位信息,定位精度可达到厘米级或更高。

(3)其它信息。地质、水文、土壤、植被、岩土物理力学特性及人类活动等资料,这些资料由其它方法技术获取。

4.2　解译技术方法

与以往的滑坡、泥石流遥感调查方法不同的是,新方法是将数字化摄影测量技术、卫星数字图像处理技术及光谱技术引入滑坡、泥石流的解译当中,所以在定性和定量解译两方面都有很大进步。具体介绍如下:

(1)须进行图像预处理。新方法在使用遥感图像时,须进行数字图像的预处理,即通过几何精校正、多波段数字合成、镶嵌、数据变换等方法产生一幅能较清晰反映滑坡、泥石流特征的航空或卫星图像,供解译用。,,

·14·　　　　国　土　资　源　遥　感1999年GPS数据,进行空中三角测量,获取在全区均匀分布的控制点数据,并生成工作区的DTM/DEM(需要时还可生成等高线)。数字航摄图像经几何校正、地理配准及镶嵌后,再经色度、亮度、饱和度等图像处理,形成全工作区具有精确定位的、统一的数字图像,供解译用。

(2)图像几何形态特征与光谱特征解译并重。以往的遥感解译是根据滑坡、泥石流发生后形成的特殊微地貌在图像上的形态特征来识别的。而在新技术方法中除应用几何形态特征外,还将应用光谱特征,即了解不同物质成分、结构构造、不同含水量、不同土地覆盖状况、不同发育时期的滑坡、泥石流及其发育环境的光谱特征。所以,在新技术方法中,要求对工作区的地物进行光谱测量,并希望使用高光谱数字图像。

(3)人机交互解译。新方法中无论是定性还是定量解译都以人机交互方法进行。在识别滑坡、泥石流,判别其特性时,要随时做图像处理,以增强或改善图像视觉效果,以利解译。

4.3　解译成果处理

以往的滑坡、泥石流遥感解译成果通常以图形、数据表格及文字形式载于纸质介质中,而且表达的内容主要为滑坡、泥石流的位置、边界、所处地层及断裂构造位置,有时将滑坡、泥石流表示在现成的地形图上。因此,所表示的内容相对较少,且复制、携带均不便。

新技术滑坡、泥石流遥感调查成果则成为能用GIS技术有效、快速地存储和管理的数字信息产品。该产品有如下特点:

(1)信息丰富。由于使用了高分辨率、高光谱的遥感数据源,并用正射影像进行人机交互解译,所以解译成果既有图形,又有彩色图像,同时也有各类数据图表及文字报告,因此信息丰富,数据量激增。以往一个2000km2的工作区,1∶5万比例尺的滑坡、泥石流遥感调查成果的图形(将其数字化)、图表及文字的总数据量约为2～10M,而新技术成果的数据量猛增至2～10G。但由于是数字信息产品,可载于多种数字介质上(如CD-ROM、磁带及计算机硬盘上),因此,携带及处理更加方便。

(2)以数据库形式存储。新技术所获得的滑坡、泥石流遥感调查成果,每个滑坡、泥石流均有准确的地理位置,即具有空间特性,利用GIS技术及滑坡、泥石流专业知识,对遥感解译所获得的滑坡、泥石流及其发育环境的各要素可进行足够细致的分类,并赋于相应的属性,这些属性与空间特征之间有准确的关联,使解译成果形成有准确空间特性的和拓朴结构的数据库,利于成果的管理和作专业研究。

(3)可进行复杂的空间分析。由于解译成果能表达滑坡、泥石流及其发育环境各要素的空间及属性特征,故可对其进行复杂的空间分析,如了解滑坡、泥石流的形态、规模及活动与地质岩性分布、构造部位、地表覆盖的关系,进行灾害危险性区划等。

(4)利于建立表示滑坡、泥石流及其发育环境复杂关系的模型。在对解译成果空间分析的基础上,有可能建立层次数据模型,网络模型及关系模型等。以滑坡为例,可将其分为地表覆盖层、岩性构造层、地下层以及历史活动层、目前状态层等。每一层又可分为几类,各类都有自已的属性。各层、各类的空间及属性都是按照一定的规律关联的,找到了这种关系,便建立了模型。

(5)可提供滑坡、泥石流图谱。滑坡、泥石流图谱就是在深入研究滑坡、泥石流的基础上,以系列图形、图像的形式来表现滑坡、泥石流的的形态、结构、类型、灾害、发育环境、形成机理