遥感技术在中国地质灾害中的应用

杨佳旺，钱建平，龙思远，赵鹏伟

（桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541000）

0 引言

地质灾害是指地球在发展演变的过程中，由各种自然地质作用和人类自身活动所造成的灾害性地质事件[1]。地质灾害包括崩塌、滑坡、泥石流、地震、火山喷发等突发性的自然灾害以及水土流失、地面沉降和土地荒漠化等渐进性的灾害现象，其常具有易发性、隐蔽性、危害性以及大规模的破坏性等特点。我国地域辽阔，人口众多，地形地貌条件复杂多样，易于发生各种类型的地质灾害。比较而言，传统的地面监测技术已不能实现大面积、实时的地质灾害研究，遥感技术因其宏观性、高效性、多层次、多尺度的特点现已成为区域地质灾害调查不可或缺的探测手段。利用遥感技术可以根据多时相数据分析灾害孕育的机制，可以定性或定量地恢复和追踪灾害发生前后的过程，可以经济高效地监测多种自然灾害，便于做出各种应对灾害的措施，可以提前预测灾害发生的区域，告知人民群众提早进行转移，以保障自身生命财产安全，故遥感技术可以应用于地质灾害调查、监测、预警、评估的全过程中。

近年来，国内科研工作者利用卫星遥感技术、InSAR技术、航空遥感技术在地质灾害领域开展了大量的研究工作，其中卫星遥感技术在活动构造探查、灾害评估以及应急反应中已实现业务化应用，InSAR技术在地表形变监测和分析越来越凸显出其应用效能，航空遥感技术也通过其独特的优势在地质调查中的应用取得了明显效果[2]，研究表明利用遥感技术开展地质灾害的调查和研究是未来高新技术发展的必然趋势，并具有广阔的发展前景。

1 卫星遥感技术在地质灾害中的应用研究

1.1 卫星遥感技术的方法及特点

卫星遥感技术是一项对地观测的综合性技术，其应用于地质灾害研究的方法主要有：直接解译（目视解译为主，计算机图像处理为辅）、动态对比以及结合GIS、GPS技术分析等。

遥感解译是根据受灾区域与周围环境在色调、纹理、植被覆盖情况上的差异以及受灾体的形状等信息，通过对比受灾前后的影像开展对地质灾害体的监测与分析，同时结合多方面资料验证，为地质灾害的防治、救援、评估等相关工作提供基础资料。目前图像解译方法已经从目视解译发展到人机交互解译和影像的智能解译，大大提高了遥感在地质灾害识别和分析中的速度和准确率。动态对比是利用多时相卫星影像或雷达卫星数据，来调查区域土地利用变化、植被覆盖变化、海平面升降、地面沉降幅度等状况，为已发生的地质灾害或未来可能发生的地质灾害隐患进行预测与评估。3S技术可将整个图像处理和信息采集形成智能化体系，把地质灾害的发展过程用3D立体的方式进行展现，综合各类数据信息的采集分析，阐明地质灾害产生的机制，为后续地质灾害的研究提供坚实的技术基础。

与传统的地面监测和单一的GIS监测比较，卫星遥感技术在地质灾害中具有以下鲜明的特点：

（1）可开展较大范围的实时监测。地质灾害发生的区域通常较为分散，成因机制复杂，卫星遥感技术可进行大范围、全方位、无漏洞的监测，获取到目标区的全貌或个体的细节特征，为调查研究提供可靠的资料。

（2）进行多时相、多角度地定性或定量分析。研究人员既可利用同一卫星在不同时间尺度受灾地区的灾情变化情况，也可利用多颗卫星在受灾地区进行无死角、全方位监测与调查，从中获取灾情变化的详细信息并以此为依据开展灾情预防、抢灾救灾、灾后评估等工作，提高应对各种灾害的科学性与合理性。

（3）方便快速地应对复杂区域的监测。对于交通、通讯不便或自然条件恶劣，人力难以采集信息的地区，卫星遥感技术可代替人类进行探测。

（4）全面整合各类灾情信息进行综合研究。卫星遥感技术可通过不同地物发出的不同波长的电磁辐射能量，深入分析目标区地形地貌变化趋势、水质受污染程度、土地利用、植被覆盖、地面沉降等情况，多样化采集各类灾情数据信息，全方位准确地估测受灾地区的灾情演变情况与次生灾害发生几率。

1.2 卫星遥感技术在地质灾害中的应用

1.2.1 斜坡监测分析与应用

斜坡地质灾害主要包括崩塌、滑坡、泥石流等，其主要受到地形、地貌、地层岩性、地质构造、气象以及人为活动等多种因素的影响，利用遥感技术则可以克服诸多条件的限制，在地质灾害的调查、监测和研究工作中发挥重要的作用。长期以来遥感监测为防治地质灾害隐患、救灾抢灾、灾后评估分析等工作做出了重大贡献。

2000年4月9日，西藏易贡藏布（易贡河）发生巨型山体滑坡，通过收集不同卫星的多个时相的数据对易贡滑坡进行遥感解译分析，全面监测了该滑坡发生的地质背景、活动过程和变化情况等，快速获取了各时相的湖水面积、水位和水量，并对洪水的溃决时间进行了预测，其研究结果和实际情况相符，显示了利用卫星遥感影像进行地质灾害监测的可行性[3-4]。2010年8月7日，甘肃省舟曲县遭受特大泥石流灾害，通过利用多时相、多分辨率遥感影像，并参照地形图结合实际情况，准确进行滑坡、泥石流、受损情况等各种灾情信息的判读，有效地提取灾区的灾害信息，对泥石流的流域特征，泥石流的成因、成灾过程及若干重要参数进行分析，为今后此类重大泥石流灾害的防治提供了可资借鉴的依据[5-9]。

近几年基于多源遥感数据和3S技术进行斜坡灾害研究取得了良好的效果，LEE等[10]基于多源遥感信息的卫星图像以及研究区地质生态环境资料建立泥石流遥感解译标志，在此基础上引入模糊综合评价模型对泥石流进行风险评估。唐尧等[11]利用国产高分二号和北京二号遥感卫星影像对金沙江高位滑坡开展灾情监测，研究包括灾情信息解译、滑坡灾害前后对比、致灾演化分析以及灾蠕变特征分析等，查明研究区全域及周边的多处隐患灾害，总结了国产遥感卫星对国家地质灾害应急监测做出的重要贡献。叶振南等[12]以西藏芒康县为例，基于GF2号和Landsat-8卫星遥感影像，结合地面调查综合获取地质灾害信息，全面分析了区内斜坡地质灾害的分布特征，为高海拔地区开展区域地质灾害调查评价工作提供了技术参考。单博[13]基于3S技术对奔子栏水源地库区库岸滑坡易发性和区划滑坡风险性进行了评价及区划研究。

从目前的研究来看，卫星遥感技术已广泛应用于崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害研究中，在区域地质灾害的调查和监测方面发挥了重要的作用，同时多源遥感卫星数据和3S技术综合分析等研究手段越来越多的应用于地质灾害中。

1.2.2 地震调查研究

地震研究目前是世界各国的重点研究领域，遥感技术在地震灾害的研究主要在灾情调查和次生地质灾害调查与监测中发挥重要的作用，利用震前和震后影像特征差异进行地震灾害评估，如建筑物倒塌情况、交通道路破坏程度、人员伤亡、山体变形、地貌变迁等，确定主震部位变形特征，对震区构造的稳定性进行分析，为震灾救援和灾后重建提供决策和部署。

汶川地震发生后，我国遥航中心以及各单位迅速通过卫星获取抗震救灾的第一手遥感影像资料，对灾区震灾的遥感调查解译及开展应急评估工作[14-17]。自四川汶川地震中大规模使用卫星遥感影像开展地震监测评估以来，卫星遥感技术在此方面的应用迅速发展，许冲等[18]获取了汶川震后的多源遥感影像，采用人工目视解译对震后崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害进行遥感解译分析，绘制了研究区的地震次生地质灾害分布图与点密度图，并研究地震次生地质灾害分布与高程、坡度、地震烈度之间的关系。袁小祥等[19]根据玉树地震后获取的LandsatETM+和SPOT遥感影像对地震造成的地表破裂进行解译,获得地表破裂的空间分布，分析了地表破裂与断裂活动的关系。吴玮莹等[20]获取了2017年四川九寨沟地震后的高分二号和北京二号遥感影像，通过人工目视解译得到地震滑坡初步编目，研究了地形（坡度、坡向）、地震（地震烈度、距震中的距离）等影响因子与地震滑坡空间分布之间的关系。董秀军等[21]利用多源遥感数据在九寨沟地震区开展地质灾害研究工作，划分了地层岩性和断裂构造，并建立灾害三维解译标志，为景区重建提供了技术支撑。

大量的研究表明，遥感技术现已成为地震灾害调查研究不可或缺的重要手段，可为地震损失评价提供可靠的技术支撑；可为进一步研究地震次生地质灾害的发育规律、发生机理、预测理论、灾区恢复重建与选址等问题提供重要的地质灾害基础信息；也可为地震应急救援、震后重建以及地质灾害预防提供重要的参考。

1.2.3 水土流失动态监测

水土流失分布范围广，面积大，严重制约区域经济的可持续发展。我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，多年来水土流失依然是我国面临的重大自然灾害问题，基于卫星遥感技术开展水土流失灾害监测可以采取有效措施，及时预防灾害带来的损失，为水土流失的预防和治理提供关键的技术支持。

杨成英等[22]通过Landsat TM数据和RESOURCESAT-1数据对桂林毛村地下河流域的地形坡度、植被覆盖度土地利用等信息进行提取，然后结合GIS对研究区两个时期的水土流失进行对比分析；屈创等[23]基于资源3号卫星影像采用面向对象的影像分类方法在黄河流域进行水土流失动态监测；陈斌等[24]基于3S技术对太湖流域水土流失进行动态监测，通过三因子综合评价法评价该区水土流失状况。

研究表明，遥感技术目前主要在水土流失范围监测和灾害损失评估两个方面发挥重要作用，通过动态监测可掌握区域水土流失的变化规律与发展趋势，为水土流失的监测、评价、预测和治理提供参考，对完善区域生态环境监测、落实国家生态环境保护以及灾后建设决策具有重要意义。

总体来说，卫星遥感技术基本适合各种地质灾害的调查、监测和研究工作，不受地域和时间的限制，大大提高了灾区抢险救灾的工作时间和效率。但由于受到空间分辨率、时效性、天气状况等条件的制约，大多数研究人员基于地质灾害本身特征，对受灾地区的地质构造、岩性、断裂、水文地质条件等方面展开研究，而对灾区人文经济状况方面研究偏少。随着3S技术的快速发展，会围绕对地质灾害的信息获取、灾害演变分析、灾害防护与治理等多方面研究，并整合各种资料形成地质灾害的三维空间表达来进行相关分析，以实现对地质灾害的监测、评价、预测、预警、决策及管理的全过程。

2 In SAR技术在地质灾害中的应用研究

2.1 InSAR技术介绍及处理流程

合成孔径雷达干涉测量（Interferome tric SAR，InSAR）技术是近几十年来遥感技术深度发展的产物，为大尺度地表形变监测提供了有利的技术支持。它是基于空间相干性估计和二维相位解缠等技术，利用雷达波相位差测量地表三维空间位置及其微小变化的一项技术。其具有全天时、全天候、大范围、高精度等特点，在地表形变监测中广泛应用，例如地震前后的地表形变监测，矿区塌陷、城市地面沉降、滑坡形变监测等。

目前，已有的SAR卫星数据有TerreSARX、RadarSat-2、TanDEM-X、COSMO-SkyMed、ALOS-2和Sentinel-1等，我国也于2016年8月10日在太原成功发射了高分三号（GF-3）卫星，实现了我国SAR卫星零的突破。其数据处理流程主要有：数据聚焦、生成干涉图、干涉图去平、相干生成、相位解缠、轨道精炼和重去平、高程转码和地理编码等。

2.2 InSAR技术在地质灾害中的应用

2.2.1 地表形变监测与应用

InSAR技术在地表形变监测应用广泛，至今已经积累了很多成功的经验。王超等[25]获取了张北-尚义地震前后的ERS-1/2 SAR影响数据，利用InSAR技术通过做重复轨道差分处理得到地震前后的干涉图，根据地震同震形变场的空间分布分析了形变特征和震源构造，推动了国内InSAR技术的发展。沈正康等[26]以汶川地震为例，将GPS数据和InSAR技术拟合观测同震形变，对地震相关的断层几何结构和滑动分布进行了研究，得到断层的几何结构沿长度发生变化，并分析其变化规律。高二涛等[27]采用Sentinel-1A影像利用D-InSAR技术获取了九寨沟地震的同震形变场，对形变场进行了系统的分析，为地震断层位置反演做好了前期基础。

大量研究表明，InSAR技术可以为地震震间、同震和震后阶段的地表形变测量提供有效的信息，对地震机理的研究和断层分布的反演具有重要意义。

2.2.2 矿区塌陷监测与应用

马海涛等[28]基于ENVISAT卫星的SAR雷达数据对武安市铁矿区地面沉降进行监测，通过二路差分和三路差分干涉处理获得了研究区最大沉降值和沉降带分布，探索了无目标、无时域、大范围、高精度的对地表进行沉降监测的方法，并得出影响结果精度的主要因素。王鹏辉等[29]在山西大同矿区采用三轨法D-InSAR技术对该区进行地面沉降监测，结果发现矿区及其周围环境存在的一些由人为因素、人类生产活动所导致的区域沉降问题，对后续矿区治理方面具有现实意义。孙赫等[30]采用InSAR技术探测安徽省谢桥煤矿的地表形变，得到矿区存在多处沉降漏斗，分析了其沉降规律。

已有的研究成果显示了InSAR技术在矿区监测中的优势，能得到矿区沉陷的地表形变场，分析矿区塌陷的动态变化规律，为矿区塌陷的危险性评估提供参考，并对今后矿区治理具有一定的现实意义。

2.2.3 城市地面沉降中的应用

国内研究人员在城市地面沉降方向也开展了广泛的研究，张诗玉等[31]利用2003—2007年ENVISAT卫星的SAR影像通过差分干涉测量处理，对河北廊坊市、霸州市城市地面沉降进行监测，获取了该城市的地面沉降量及沉降漏斗中心，结果表明地下水开采和城市建设对地面沉降有加剧的趋势，显示InSAR技术对城市地面沉降提供了技术支持。马培峰等[32]联合使用Sentinel-1，COSMO-SkyMed和TerraSAR-X图像对粤港澳大湾区进行大尺度地面沉降监测，研究发现沉积物固结是该区域沉降的主要原因，地下水开采和人工负荷诱发因素，表明多传感器SAR影像协同应用区域多尺度沉降监测的实用性。

从InSAR在城市地面沉降的监测案例来看，该技术能够较好地应用于地面沉降的长期监测，为预防城市建筑物塌陷、房屋毁坏、道路桥梁设施坍塌等灾害提供指示作用，减少因地面沉降而造成的人民生命和财产损失。

2.2.4 滑坡形变监测

InSAR技术对地表形变的高度敏感使得其成为滑坡监测应用中的热点技术。例如刘晓杰等[33]利用升降Spot-mode TerraSAR-X数据分析了西北地区黑方台黄土滑坡的形变模式和破坏模式，研究发现升降SAR图像得到的二维形变结果与黄土-基岩平面滑动、退化破坏和黄土滑动三种典型的黄土滑坡模式相一致。熊志强等[34]利用多源雷达和光学卫星图像监测西南地区白格滑坡的形变特征，展示了混合遥感技术调查滑坡形变的可用性。陈立权等[35]利用InSAR和改进的偏移量跟踪技术相结合的方法对贵州省尖营山滑坡的时空变形过程进行演化，揭示了滑坡体与周围地区不同的形变特征，并总结了西南岩溶山区滑坡的地表演化机制和破坏模式。王哲等[36]通过长时序光学卫星遥感影像对西藏易贡滑坡受灾前后进行解译，获取了灾害的演化过程，并采用InSAR技术对滑坡近期的地表形变进行时序监测，分析滑坡的时空演化特征。

这些研究表明，InSAR技术可以详细地反映滑坡的形变特征和运动规律，为区域滑坡的监测和评估提供重要的技术支撑，同时也呈现出利用InSAR技术与其他光学卫星遥感影像、地面测量等多重手段协同分析的趋势。

从地质灾害监测的应用和发展进展来看，InSAR技术己经基本成熟，处在广泛的业务应用阶段，可以较好地应用于地面形变的长期监测。但是InSAR技术在实际应用中会出现各种外在因素或者受SAR系统本身性能因素的干扰，例如出现干涉图中引入噪音、干涉图中没有可识别的干涉条纹、干涉相位呈无规律的随机分布等问题，一些误差因素也可能会降低InSAR技术的监测精度，因此，还需尽量规避或削弱若干限制因素的影响。总的来说InSAR技术可以实时监测地面形变或区域差异性沉降，通过综合应用多传感器SAR影像、高分辨率卫星遥感技术以及地质调查等手段，来实施地面形变调查和监测，能够及时发现研究区域的地表形变状况，掌握其隐患信息，大范围地减少我国的地表形变方面的地质灾害。

3 航空技术在地质灾害中的应用研究

3.1 航空遥感技术介绍

航空遥感是以飞机、无人机、飞艇等航空飞行器作为搭载平台的遥感技术，为野外地质调查工作带来了新的、可靠的技术保障。按航空飞行平台的不同，航空遥感可分为有人机航空遥感和无人机航空遥感；按传感器所使用的电磁波谱段不同，又可分为航空多光谱遥感、航空高光谱遥感、数字航空摄影、机载雷达和机载激光扫描等。

航空遥感技术在地质灾害的应用特点有：

（1）空间分布率高，可获取更多的地表细节信息。

（2）机动性强，能够迅速确定受灾位置范围，了解灾区实情，并对重点区域或目标设定飞行航线进行连续观测。

（3）手段多样，产品丰富，有效解决了卫星遥感技术受重返周期和天气状况制约等问题。

3.2 航空遥感技术在地质灾害中的应用

3.2.1 三峡库区航空遥感调查

三峡库区是我国地质灾害较为严重的地区之一，遥航中心利用航空遥感技术多次开展高精度航空遥感地质调查工作，例如80年代起开始组织大比例尺航空摄影，并进行地质灾害解译研究；2003年在该区部署了新的1∶50000比例尺彩红外航空摄影项目，之后开展了地质灾害遥感动态监测示范；2017年采用数字航空摄影、倾斜摄影、无人机遥感等航空遥感多种技术手段，对三峡库区开展了崩塌、滑坡、泥石流等主要地质灾害问题航空遥感地质调查，通过多期、多种航空遥感手段的库区地质调查工作，为库区地质环境保护、地质灾害监测与防治管理等工作。

3.2.2 汶川地震航空遥感调查

5.12汶川大地震发生后，我国各单位以航空遥感技术为主参与救灾工作，快速将其应用在灾情调查方面，利用航空摄影获取地震灾区现场，通过航空遥感影像迅速确定灾区的分布范围，解译了地震造成的房屋倒塌、公路损坏、江河堵塞和被破坏基础设施的位置、规模等灾情信息，以及次生地质灾害类型、分布及其规模信息，为抢救生命、修复交通线和估算灾情提供了基本依据[38]。

3.2.3 泥石流航空遥感监测

航空遥感技术对泥石流的周围环境进行监测能够有效预测泥石流活动。例如舟曲发生特大泥石流后，无人机航摄、航空遥感拍摄获取了灾区图像，使抢险救灾人员清楚地了解灾害损失的细节、严重程度及空间分布，为灾后救援工作方面提供了技术支持[39-40]。

3.2.4 无人机技术在地质灾害中的应用

无人机可搭载光学、激光雷达或多光谱、高光谱传感器，能够快速获取到目标区的遥感影像数据，为地面灾情解译提供丰富的数据源。它既可以弥补卫星因天气、时间等条件造成的目标区遥感影像的空缺，又能克服航空及航天遥感空间分辨率低、受制于长航时、大机动、恶劣气象条件、危险环境等因素的影响，为指挥灾害救援工作及时提供真实可靠的图像和数据。

近年来，我国无人机技术愈加成熟，以灵活机动、操作简单、成本低、风险小等独特优势在地质灾害领域得到了广泛的应用。黄皓中等[41]运用无人机飞行获取的数据在矿山进行遥感地质解译，对无人机进行矿山地质灾害监测具有重要意义。黄海宁等[42]将无人机遥感技术应用于高陡边坡危岩体调查中，为高陡边坡危岩调查提供一种可行的技术方法和实践参考。胡才源等[43]基于无人机遥感技术对油杉河景区的高位崩塌地质灾害进行调查，实现了实景三维立体模型，测得精确的崩塌参数，为定量研究地质灾害提供了可靠的统计分析数据。李小玲等[44]利用无人机遥感对地形条件复杂的贵州大方县法启村的崩塌群进行了详细的地质调查研究，为地质灾害精准治理提供科学依据。

大量的无人机遥感技术用于地质灾害的案例表明，该技术是传统遥感手段的有利补充，尤其在一些复杂的、特殊的、人力难以开展调查的地形和区域，无人机可以不受区域地形因素的影响展开研究工作，该技术的应用在地质灾害监测、应急处理、灾情评估等方面具有极大的优势。

综上所述，航空遥感技术在地质灾害调查中扮演了举足轻重的作用，以其独特的优势在地质灾害领域的研究应用广泛。但目前的发展也有一定的局限性，例如航空遥感获得的影像幅宽较小，对于受灾区域大的地区需要很大的工作量才能完成；另外相对而言航空遥感数据的快速处理能力与实际需求还有一些差距。随着无人机遥感平台、传感器平台、计算机技术等的蓬勃发展，相信未来航空遥感的传感器波谱覆盖范围会进一步扩展，数据处理效率和自动化水平也会不断提升，其数据获取和处理方法可以更加方便快捷，今后将向着航空遥感数据自动化与智能化分析处理以及多源航空遥感数据一体化分析处理等方向快速发展。

4 结论

卫星遥感技术、InSAR技术、航空遥感技术都是从遥感的角度深度发展衍生出来的技术，本文简要总结了三者各自在地质灾害调查中的特点，对卫星遥感技术、InSAR技术、航空遥感技术在崩塌、滑坡、泥石流、地震、水土流失、地面沉降、水利工程等具体的地质灾害监测中的应用进行了梳理和综述，并阐述了三者在地质灾害调查中存在的不足以及发展动向。总的表明卫星遥感技术基本适合各种地质灾害的监测研究，可广泛应用于地质灾害领域，InSAR技术在地表形变的研究已趋于成熟，可应用于地表形变的长期监测，航空遥感技术很好的弥补了传统遥感手段的不足，取得了显著成效。在具体的地质灾害问题研究中，应该从实际出发，恰当地选择监测手段，最大限度地发挥遥感技术独特的优势，并综合利用GIS、GPS等多种技术的特点，形成多层次、多方位、大范围、大尺度的研究格局，即围绕“天-空-地-现场”一体化的地质灾害遥感评估业务，对灾害发生区域的受灾情况、灾后影响等进行全面监测，以采取合理的防控措施。

综合近年来的一些研究工作可知，我国研究人员已经摸索了一套较为合理有效的地质灾害遥感调查方法，但还存在一些亟待解决的问题，相信我国遥感研究人员在广泛的应用过程中会应对和克服各种困难，为地质灾害孕灾环境宏观调查、灾体动态监测以及灾情预警、灾情损失评估等方面做出重要的贡献。随着未来遥感技术的进步与发展，以及研究人员在处理技术上的不断改进，遥感技术必然会发展为一项成熟的对地观测技术，对地质灾害的调查与监测产生巨大的影响。