航空影像在滑坡调查与监测中的应用研究

王芳洁，陈曦

(1.宜昌市测绘大队，湖北宜昌 443000;2.中国地质大学(武汉)资源学院数学地质与遥感地质研究所，湖北武汉 430074)

1 引言

我国滑坡灾害每年都造成大量的人员及财产损失，是水电工程，公路、铁路建设中常见的地质灾害，具有强烈的破坏性。

传统的滑坡调查和监测方法有常规工程地质测量、GPS测量和近景摄影测量等等。近年来，遥感以及航测技术以其宏观快速、多时相、多种类、全天候以及不受复杂地形限制等诸多传统手段无法取代的优点，在滑坡灾害中得到了广泛的应用，随着民用商用遥感影像的日益丰富以及分辨率的大幅提高，遥感数据已经成为滑坡调查与监测中不可缺少的重要信息源。

本文采用中国航空测量遥感影像作为主要信息源，以计算机图像处理结合目视解译为手段，对该区域危岩及崩塌堆积体进行解译，为长江航道防灾减灾提供科学依据。

2 滑坡及滑坡遥感技术

2.1 滑坡定义与组成要素

滑坡是指斜坡上的土体或岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。从广义的角度讲，崩塌也属于滑坡的范畴，有的学者称其为崩滑地质灾害［1］，论文从广义的角度研究滑坡。

典型滑坡具有以下组成要素 (图1):①滑坡体;②滑动面;③剪出口;④滑坡床;⑤滑坡后壁;⑥滑坡洼地;⑦滑坡台阶;⑧滑坡台坎;⑨滑坡前部:常形成滑坡鼓丘和滑坡舌;⑩滑坡顶点;[11]滑垫面;[12]滑坡侧壁。其中滑坡后壁、滑坡体、滑动面、和滑坡床是所有滑坡都具备的要素，对于遥感图像解译，由于不能直接看见滑坡的地下部分，滑坡体和滑坡后壁是两项最基本的要素［2］。

图1 滑坡形态特征示意图

2.2 数字滑坡技术

学者在十年前提出了“数字滑坡技术”，此后又做了全面论述［3］，即以遥感(RS)和全球定位系统(GPS)方法为主，结合GIS技术和其他勘探、试验、调查手段，服务于滑坡调查、监测、研究、滑坡灾害评价、危险预测、灾情评估、减灾和防治等等各个阶段的技术。

滑坡研究可分为探测识别(调查)、监测、分析和灾害预测几个阶段［4］，将遥感技术运用于滑坡各阶段的技术被称为滑坡遥感技术，是“数字滑坡技术”的重要部分，其技术流程概括如图2所示。

3 研究区和数据源

3.1 研究区概况

图2 滑坡遥感技术流程

奉节～江津段东起重庆奉节县，向西经云阳县、万县市、忠县、丰都县、涪陵市、长寿县、重庆市，止于江津市(如图3所示)，地理坐标东经106°13'54″～109°52'46″，北 纬 29°16'49″～ 313'56″，全 长 约492.5 km。解译范围为长江干流河道沿线向两侧各5 km的带状区域。

研究区位于中纬度地带，属亚热带湿润季风气候，年降水量900 mm～1 200 mm，年均气温15℃左右;灾害性天气有干旱、暴雨洪涝;崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害在雨季多发，严重威胁人民生命财产安全，发育于大江大河两岸则对航运安全构成威胁;森林覆盖率低，水土流失严重，抗灾能力较低。

图3 工作区地理位置

3.2 数据准备

(1)遥感信息源:中国航空测量遥感影像，采用的是2004年的图像。

(2)地形、地质资料，灾害调查资料等野外调查的相关信息。

(3)以1∶5万地形图为准采集地面GPS控制点坐标。

4 滑坡解译方法

4.1 研究方法

(1)生成工作区DEM数据:根据地形图ArcGIS软件下扫描矢量化，差值计算生成DEM数据。

(2)校正航空测量影像:利用ENVI、ERDAS等遥感软件平台对工作区遥感影像进行几何精确校正、假彩色合成图像加密处理，制作可供工程调查使用的高精度图像。

(3)建立解译标志:分析和研究前人资料，了解工作区危岩及崩塌堆积体等地质现象的影像标志，研究其影像特点，建立解译标志。

(4)1∶5万滑坡灾害遥感解译:利用已建立的解译标志，进行详细地质解译。

(5)野外验证点定位:调查点均采用GPS定位仪，结合地形图及航空测量遥感影像控制定位。

(6)野外验证和重点地段野外调查:对详细解译成果野外实际验证，补充、修改室内解译资料，对一些可解译程度较低、又属重点地段采用全野外调绘法加以控制。

(7)图像增强等处理:增强和突出遥感影像上的地质信息，提高解译质量，主要方法有:①采用ArcGIS软件对全区遥感图像进行增强、交换、卷积、滤波等常规处理，以突出地质信息以便提取专题信息;②依据地质体的基本特征，输入特征数值，实现计算机地质体信息自动识别，以达到计算机地质体信息的自动识别的目的;③根据工作区可解译程度、工程重要程度，选择重点地段作为子区，进行图像处理，增强重点地段的遥感地质体信息。

(8)内业整理:野外工作成果的整理汇编与统计分析，有关图件及表格的补充和完善。

4.2 滑坡解译标志

滑坡遥感解译是利用滑坡地区在遥感影像上反映出的特殊地形地貌特征(解译标志)识别滑坡体，并结合地学背景与相关手段对影响的解译过程。一般说来，滑坡遥感解译标志如下:

(1)滑坡地质灾害多发生在沟谷、河流、公路(图4)、铁路等陡峭的山坡边坡和局部凹陷地段以及河道变异异常和侵蚀基准面发生急剧变化的河流交汇处，沿着线性构造(如山脊河流)密集带或环形构造(如盆地和环形山岳)边缘呈线状或带状分布。

图4 工作区遥感影像(一)

图5 工作区遥感影像(二)

(2)滑坡体后缘即滑坡壁发育有直线或弧形异常影像，有绝壁、陡坎等等，存在明显的地形变异线和色调异常线，有时在滑坡壁后方可见后缘拉张裂隙。滑坡壁颜色与岩性有关，多呈浅色调或接近灰白，无植被(图5);有时呈深色调，是崩塌壁岩石色调本身较深所致。

(3)崩滑堆积体识别标志。崩滑堆积体在谷底或斜坡平缓地段，多呈扇形、簸箕形、舌形或不规则形等形态，相对于滑坡壁呈深色调。表面坎坷不平，具粗糙感，常有地形微突起，或大块石影像。

多数崩滑轮廓线明显，在遥感图像上较易辨认。新的崩滑体色调较浅，植被不发育;趋向于稳定的崩滑体(图6)，其崩塌壁色调呈深色调，或在深色调中具浅色斑点，生长少量植物，其上方陡坡仍明显存在，崩塌体以粗颗粒碎石土为主;稳定的崩塌，其滑坡体色调较深(一般为均匀的深绿色)，植被生长较密，岩层主要为细颗粒土组成，其上方陡坡已明显变缓。

(4)滑坡体内部常形成相对独立封闭的汇水区和特殊的水网系统，或与邻近区域不协调的网纹结构，坡体两侧的自然沟切割较深，滑坡的后缘常形成小湖或一连串的洼地和水塘等。

图6 工作区遥感影像(三)

4.3 典型滑坡的解译

表1

续表1

4.4 解译结论

宜昌～江津段滑坡地质灾害点较多，由解译结果可以看出，滑坡及崩塌灾害主要沿长江干流两岸及主要公路边缘分布，大部分由河水冲刷及人工开挖边坡形成，其中在坡度值为10°～20°之间，尤其土质松软时，易形成滑坡，55°～75°时极易产生崩塌，对长江主河道及沿岸公路形成较大安全隐患。

5 方法改进

常规的滑坡遥感调查方法主要是室内目视解译，野外查证，建立解译标志，再对全区进行解译。以这样的工作流程开展工作对解译人员的经验要求高，工作量大，也很容易遗漏。

根据前人的资料和工作区前人野外调查验证资料的综合分析，危岩体一般位于陡峻的山坡段，一般在55°～75°的陡坡前易发生滑坡或者崩滑地质灾害，呈上陡下缓状，崩塌体堆积在谷底或斜坡平缓地段。

依据这一特点，可以使用DEM高程影像选取坡度在55°～75°的区域作为感兴趣区域，进行重点解译，以期减少解译工作量，加快解译速度，提高解译质量。

选取了全段的一部分区域作为研究区域，截取该区域的DEM影像(图7)，根据坡度范围(大于55°并且小于75°)建立决策树(图8)。得到的坡度大于55°的区域只占到了研究区域的0.14%，且没有坡度大于75°的区域。

图7 试验区DEM

图8 决策树

图9 决策树分类结果

根据决策树分类结果，得到了感兴趣区域(图9)。将感兴趣区域与航空影像做叠加分析，与原目视解译结果进行对比得出:感兴趣区域内目视解译所得滑坡体15处，除一处外全部位于决策树提取的感兴趣区域内，证明以该方法可以明显提高解译效率和质量。

6 结语

本文利用航空影像、结合滑坡体以及崩滑堆积体等解译标志对宜昌～江津段进行了滑坡解译，实验证明文中的方法能大范围并准确的获取灾害地区的环境变化，为防灾减灾工作提供科学依据。本文对常规的滑坡体目视解译方法进行了改进，利用DEM数据建立决策树，提取坡度为55°～75°的区域作为感兴趣区域，与航空影像叠加后进行重点解译，由于提取的感兴趣区域只占到了研究区域的0.14%，并且解译结果与原目视解译结果基本吻合，说明该方法可以大量减少了目视解译的工作量，提高了解译的效率与质量。由此看出通过航空影像DEM数据提取坡度信息建立决策树的方法对于滑坡识别监测具有一定的研究价值。

随着研究的深入和遥感技术的成熟，滑坡遥感技术正在朝着滑坡的短期和临期预报方向发展，多源多时相数据进行滑坡调查将更大程度上替代传统方法，大幅减少外业工作量，并逐渐成为滑坡前兆监测预报的有效手段，解译结果也将更加真实可靠。

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