用于地質(zhì)災(zāi)害評估的遙感新工具和技術(shù)

1、用于地質(zhì)災(zāi)害評估的遙感新工具和技術(shù)摘要:地質(zhì)災(zāi)害是在大自然各種地質(zhì)營利及人類自身社會活動雙重作用下所 導(dǎo)致的一種災(zāi)難性事件，對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有巨大的破壞作用，如何采取有效 的技術(shù)手段對地質(zhì)災(zāi)害事件進(jìn)行有效的調(diào)查、監(jiān)測及評估是人類世界面臨的一項(xiàng) 重要課題。隨著遙感測量技術(shù)的不斷進(jìn)步，其具有的監(jiān)測范圍廣域性、遙感數(shù)據(jù) 實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)獲取及時(shí)性以及探測方式的無接觸性等諸多優(yōu)點(diǎn)為地質(zhì)災(zāi)害的防治 帶來了較好的輔助效果。本文從遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、監(jiān)測及評估三個(gè)方 面所起到的作用出發(fā)，對遙感技術(shù)的適用性進(jìn)行了綜合性概述，并最終對我國遙 感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害方面的應(yīng)用前景及發(fā)展方向做出了分析。關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)

2、害評估；遙感工具；技術(shù)引言遙感（RemoteSensing）意即“遙遠(yuǎn)的感知”，是在航空攝影技術(shù)基礎(chǔ)之上 發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。他是利用各種航空航天平臺（如人造衛(wèi)星、航空飛機(jī)、 小型無人機(jī)等）上裝載的各種遠(yuǎn)距離探測儀器，對地面目標(biāo)進(jìn)行無接觸探測，并 通過信息傳輸、圖像處理、修正、解譯等一系列復(fù)雜技術(shù)流程實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的 識別。該技術(shù)具有廣域范圍內(nèi)對目標(biāo)物體同步觀測、信息獲取速度快、動態(tài)信息 量豐富等一系列優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著航天、航空技術(shù)的不斷進(jìn)步和遙感 技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感技術(shù)逐漸在國民經(jīng)濟(jì)的各行各樣展現(xiàn)出巨大的適用性和價(jià) 值性，例如在農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測、水土保持、自然資源督察、海洋環(huán)

3、境（大氣環(huán) 境）監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理等多方面的工作中均展現(xiàn)出了 巨大的優(yōu)勢。另一方面，我國國土面積遼闊、地質(zhì)構(gòu)造特征復(fù)雜導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻 發(fā)。近年來人類活動對大自然的改造越發(fā)強(qiáng)烈，進(jìn)一步加劇了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻 率。例如大到8.0級的四川汶川地震、7.1級的青海玉樹地震，小到各種泥石流、 山體滑坡、礦區(qū)地面沉降、土地凍融、沙漠化及荒漠化等。此類地質(zhì)災(zāi)害無不對 社會財(cái)產(chǎn)以及人身安全帶來了極大的危害，如何利用各種手段對地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、 監(jiān)測以及預(yù)防成為一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。近年來，隨著遙感平臺、遙感傳感器等相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品的日益豐富，所獲取的遙感數(shù)據(jù)在質(zhì)量方面也出現(xiàn)了較大的提 升。尤

4、其是傳感器分辨率的提升，導(dǎo)致遙感觀測所得數(shù)據(jù)的分辨率、精細(xì)程度以 及觀測尺度都有了質(zhì)的飛躍，數(shù)據(jù)類型極大豐富、圖像質(zhì)量明顯提升、重復(fù)觀測 周期也越來越短。技術(shù)的提升使得遙感在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測以及后期的治理方 面都發(fā)揮了巨大的作用。遙感技術(shù)已經(jīng)成為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過程中以及后期區(qū)域環(huán) 境治理不可或缺的技術(shù)支持手段之一。1地質(zhì)災(zāi)害的分類和屬性所謂的地質(zhì)災(zāi)害，是在人類歷史進(jìn)程中由于大自然各種營力以及人類自身的 活動所帶來的具有破壞性質(zhì)的地質(zhì)事件。更多時(shí)候，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與人類和地 質(zhì)環(huán)境兩方面因素共同作用有關(guān)。到目前為止，學(xué)術(shù)界對于地質(zhì)災(zāi)害的分類并沒 有統(tǒng)一的劃分方案。但總的來看地質(zhì)作用所導(dǎo)致的災(zāi)害性

5、事件都被認(rèn)定為地質(zhì)災(zāi) 害，它包括礦區(qū)地面沉降、地面崩塌、泥石流滑塌、采礦導(dǎo)致的地裂縫、水土流 失、河流湖泊塌岸等災(zāi)害現(xiàn)象。不能看出，大多數(shù)的地質(zhì)災(zāi)害背后都隱藏著人類 對自然界過渡改造的因素。不同學(xué)術(shù)界對于地質(zhì)災(zāi)害的分類并不統(tǒng)一，比如研究 大地構(gòu)造系統(tǒng)的學(xué)者將地質(zhì)災(zāi)害劃分為內(nèi)動力地質(zhì)災(zāi)害、外動力地質(zhì)災(zāi)害；而研 究地理地貌的學(xué)者又主張將地質(zhì)災(zāi)害劃分為山地地質(zhì)災(zāi)害、平原地質(zhì)災(zāi)害、海岸 地質(zhì)災(zāi)害、海底地質(zhì)災(zāi)害。由此可見，不同學(xué)者因?yàn)楦髯匝芯砍霭l(fā)點(diǎn)不同很難有 統(tǒng)一的劃分方案?？傮w來看，在地質(zhì)災(zāi)害的基本屬性方面不同學(xué)者的認(rèn)知較為統(tǒng) 一：地質(zhì)災(zāi)害既是自然現(xiàn)象又是社會現(xiàn)象、既有自然屬性又有經(jīng)濟(jì)屬性、既不可 避

6、免又可控可防；地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模等既表現(xiàn)出了高度的隨機(jī)性, 又表現(xiàn)出不規(guī)則的周期性，因而被認(rèn)為是一種較為復(fù)雜的隨機(jī)性事件；地質(zhì)災(zāi)害 事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模既具有偶然性，但總體來看一系列的災(zāi)害事件相互 誘導(dǎo)形成因果，又表現(xiàn)出了群發(fā)特征；地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與人類社會生產(chǎn)活動的能 力呈現(xiàn)出高度的一致性，即人類對于大自然改造能力越強(qiáng)、地質(zhì)災(zāi)害越頻發(fā)。2遙感新工具2.1無人飛行器無人機(jī)，也被稱為無人駕駛航空系統(tǒng)(UAS),遠(yuǎn)程駕駛飛機(jī)系統(tǒng)(RPAS)或簡 單的無人機(jī)，通常需要一個(gè)人在地面操作。無人機(jī)可以搭載各種類型的簡單或復(fù) 雜的成像傳感器。然而，它們通常包括用于收集非常高分辨率(cm-de

7、m)圖像的輕 型數(shù)碼相機(jī)。鑒于調(diào)查調(diào)度的靈活性，無人機(jī)特別適合在應(yīng)急響應(yīng)階段，重要的 是，作為通常低空飛行的平臺，無人機(jī)也可以在低空云層條件下獲取圖像。然而, 在強(qiáng)風(fēng)的情況下，它們的應(yīng)用可能會受到限制(甚至是不可行的)。航空法規(guī)還可 以顯著限制無人機(jī)的使用。機(jī)載激光雷達(dá)和衛(wèi)星分別提供區(qū)域和從區(qū)域到全球尺 度的覆蓋，無人機(jī)最適合在較小的區(qū)域和局部尺度的應(yīng)用。2激光雷達(dá)Tratt對激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了較好的概述。激光雷達(dá)依靠激光束掃描，生成 地面及相關(guān)自然和人工特征的空間“連續(xù)”高分辨率圖像(點(diǎn)云)。地面激光掃描 儀(TerrestrialLaserScanner, TLS)和機(jī)載激光掃描儀 (Ai

8、rborneLaserScanner, ALS)的區(qū)別，即機(jī)載激光掃描 (AirborneLaserSwathMapping, ALSM),前者更適合局部尺度的應(yīng)用，后者更適合 區(qū)域尺度的應(yīng)用。TLS和ALS可以分別實(shí)現(xiàn)dem和cm的空間分辨率以及sub-cm 和dem的測量精度。ALS被用來制作高分辨率地形圖和數(shù)字高程模型(DEM),用于 局部到廣域的地質(zhì)災(zāi)害研究。數(shù)字相機(jī)通常用于機(jī)載激光雷達(dá)測量，以獲取高分 辨率的光學(xué)圖像。此外，通過重復(fù)的TLS或ALS測量提供地表變化檢測。該方法 已被用于滑坡運(yùn)動和土壤侵蝕體積估計(jì)和火山活動評估和監(jiān)測。重要的是，在植 被茂密的情況下也可以得到很好的結(jié)果。

9、然而，多時(shí)間激光雷達(dá)有重大的成本， 特別是在航空調(diào)查的情況下。使用TLS進(jìn)行常規(guī)重復(fù)測量更可行，盡管如此，在 掃描過程中需要人工操作人員的在場。一個(gè)重要的缺點(diǎn)是TLS和ALS儀器很昂貴。3衛(wèi)星多時(shí)相干涉術(shù)常規(guī)差分干涉測量(DInSAR)和先進(jìn)的MTI技術(shù)，如持久性散射體干涉測量- psinsar/PSI和相關(guān)方法，以及小基線子集sbas和類似方法，都依賴于定期重 新訪問相同感興趣區(qū)域的衛(wèi)星獲取的雷達(dá)圖像。利用這些技術(shù)，我們可以測量星 載雷達(dá)傳感器與雷達(dá)發(fā)射的后向散射電磁輻射的地面特征(如建筑物、道路等人 造結(jié)構(gòu)，也包括裸露的巖石和裸露的地面)之間的距離變化。在植被稀少的地方,MTI可以提供精確

10、（毫米厘米分辨率）的高密度測量（從幾十點(diǎn)/幾百點(diǎn)/平方公里到 數(shù)千點(diǎn)/平方公里），對緩慢（毫米一厘米/年）的地表或人造建筑變形進(jìn)行測量。 雷達(dá)衛(wèi)星提供區(qū)域到全球的覆蓋以及幾乎全天候（透過云層“看”）的測量能力。 在過去10年里，MTI用戶受益于新一代雷達(dá)傳感器（cos-mos-skymedconstellation和TerraSAR-X）的空間分辨率（從3lm）和時(shí)間分辨率（從 114d）的改進(jìn)。自2014年起，MTI在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用可以利用歐洲航天局 的SentinelT雷達(dá)衛(wèi)星任務(wù)。SentinelT提供常規(guī)的全球尺度覆蓋，高時(shí)間分 辨率（從126d）,更重要的是，免費(fèi)圖像。自20世

11、紀(jì)90年代以來，雷達(dá)干涉術(shù) 已被用于研究與地震和火山災(zāi)害有關(guān)的地面變形。在以研究為導(dǎo)向的滑坡和不穩(wěn) 定邊坡工程地質(zhì)調(diào)查中，常規(guī)In6AR和MTI的使用已經(jīng)在科學(xué)文獻(xiàn)中得到了充分 的討論。3地質(zhì)災(zāi)害中遙感技術(shù)的應(yīng)用遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用對已經(jīng)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效監(jiān)測是災(zāi)害治理前的必要手段。所謂地質(zhì)災(zāi) 害監(jiān)測，就是對災(zāi)害目前狀況進(jìn)行總體分析，掌握災(zāi)害規(guī)模、災(zāi)害現(xiàn)狀，預(yù)測災(zāi) 害發(fā)展的趨勢，為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害治理提供行之有效的一手資料。地質(zhì)災(zāi)害所導(dǎo)致 的地面塌陷、巖體崩塌、泥石流滑坡等現(xiàn)象在遙感影像中具有典型的信息特征， 災(zāi)害發(fā)生的程度、破壞的規(guī)模以及持續(xù)的時(shí)間等信息都可以通過遙感技術(shù)獲取。 這

12、些海量遙感信息獲取后，通過專業(yè)的技術(shù)分析、影像研判可以有效分析災(zāi)害發(fā) 生區(qū)域內(nèi)相關(guān)信息，監(jiān)測災(zāi)害發(fā)生的具體位置、規(guī)模、分布以分析地質(zhì)災(zāi)后的后 續(xù)進(jìn)展。地質(zhì)災(zāi)害的有效監(jiān)測是通過對災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展、變化進(jìn)行持續(xù)的觀測, 尋找其變化規(guī)律。而遙感可以通過紅外波段、微波波段等技術(shù)措施，對災(zāi)害發(fā)生 地區(qū)地貌、植被、坡降、降水量以及水平面等因素的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對比前 后動態(tài)變化情況，掌握地質(zhì)災(zāi)情的規(guī)模、特征、演變以及后續(xù)發(fā)展趨勢。作為遙 感技術(shù)深度發(fā)展的產(chǎn)物一InSAR技術(shù)的產(chǎn)生，為大尺度地表變形監(jiān)測提供了有利 的技術(shù)支持。彼時(shí)區(qū)域性地形圖的測繪開始成為一種趨勢。得益于InSAR技術(shù)定 量測量地表變化的

13、技術(shù)優(yōu)勢，該技術(shù)從理論上可以對地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的地形地貌變 化進(jìn)行定量測控，并提供可靠的海量實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)。隨后的幾十年中，InSAR在泥石流滑坡、地面沉降、巖體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮了越來越大的作用。 進(jìn)入新世紀(jì)以來，InSAR遙感技術(shù)在時(shí)間頻率、測繪精度和廣域范圍內(nèi)的應(yīng)用等 諸方面取得較大進(jìn)步。隨著衛(wèi)星系統(tǒng)的逐步完善和數(shù)據(jù)處理方式的不斷優(yōu)化提升, 海量遙感數(shù)據(jù)對于地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測將起到舉足輕重的作用。2遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害評估中的應(yīng)用地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生所導(dǎo)致的危害包括災(zāi)區(qū)人員的傷亡、礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)坍塌、環(huán) 境的破壞等諸多方面。對地質(zhì)災(zāi)害的評估是后續(xù)開展救援、恢復(fù)工作的關(guān)鍵。雖 然遙感技術(shù)無法直接對地質(zhì)

14、災(zāi)害區(qū)域的復(fù)工復(fù)產(chǎn)沒有直接的作用，但通過遙感大 數(shù)據(jù)的支持可以對災(zāi)區(qū)的損情況及災(zāi)害發(fā)生的具體區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)治理提 供技術(shù)支持，間接起到輔助作用。以某地區(qū)礦山山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害的遙感評估項(xiàng) 目為例，遙感對地質(zhì)災(zāi)害的評估關(guān)鍵步驟包括以下幾方面：第一在前人研究基礎(chǔ) 之上，通過對收集到的大量災(zāi)區(qū)高精度遙感影像的判讀，對地質(zhì)災(zāi)害的平面展布、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及災(zāi)害類型等熟悉進(jìn)行解譯；第二利用QuickBird影像建立地質(zhì)災(zāi)害 體積估算方法，并提取災(zāi)害的細(xì)節(jié)屬性特征、建立災(zāi)害的定量評價(jià)方法。第三步 利用高分辨率的SPOT圖像結(jié)合航片的研判，對地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)今狀況進(jìn)行提取， 利用合理的數(shù)學(xué)評價(jià)模型建立相對可靠的

15、評價(jià)指標(biāo)，對災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行定量評價(jià), 為后期地質(zhì)災(zāi)害的綜合治理提供必要的指標(biāo)支持。4遙感技術(shù)的發(fā)展我國遙感技術(shù)的應(yīng)用及后續(xù)發(fā)展應(yīng)注重注意以下幾個(gè)方面：（1）在遙感應(yīng) 用到地質(zhì)災(zāi)害防治的工作中，我們應(yīng)當(dāng)具有統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范。遙感是一門先進(jìn)的、 具有較高行業(yè)門檻的技術(shù)，作為一門基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)非本專業(yè)人員很難對遙感影像 所蘊(yùn)含的各種信息進(jìn)行專業(yè)的判讀。而專業(yè)遙感從業(yè)人員對于地質(zhì)災(zāi)害的認(rèn)知又 很難達(dá)到相當(dāng)?shù)母叨?。因此遙感專業(yè)人士與地質(zhì)災(zāi)害防治專家應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一制定我國 的遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害防治方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保地質(zhì)災(zāi)害信息能夠被準(zhǔn) 確解譯。（2）進(jìn)一步加強(qiáng)遙感數(shù)據(jù)的獲取能力、提高遙感數(shù)據(jù)的精度。我國遙 感技術(shù)起步晚、研究深度及精度還有待提高。在防災(zāi)救災(zāi)方面，我們的實(shí)際經(jīng)驗(yàn) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到歐美及日本等發(fā)達(dá)國家的水平。正視自己的不足、加強(qiáng)國際間的溝通交流、拓寬我們遙感數(shù)據(jù)的獲取渠道、提升遙感數(shù)據(jù)的精度將是我們在接下來一 段時(shí)間內(nèi)的工作重點(diǎn)，也是我們工作的難點(diǎn)。結(jié)束語遙感技術(shù)的不斷發(fā)展為地質(zhì)災(zāi)害的減災(zāi)救災(zāi)工作帶來了極大的便利，究其原 因主要是因?yàn)檫b感技術(shù)具有以下先進(jìn)性：同時(shí)探查范圍廣、探查周期短、速度快、 安全零損傷、受地形地貌的局限小、觀測數(shù)據(jù)海量化、觀測信息實(shí)時(shí)化、形象信 息形象可