不同地质灾害类型的遥感解译机理研究

张 强

（中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，长春 130000）

应用遥感技术对地质灾害进行风险识别和提取已成为一种普遍方法[1-5]，遥感技术具有宏观、综合和多尺度的特点。其已成为地质灾害调查和数据分析高效、快捷的手段[6]，特别是在地质环境调查与评价、矿产勘查、地质灾害监测及重大地质灾害隐患早期识别等方面[7-10]。吉林省东部山区地质灾害发生的频率较高，本文以吉林省临江市为例，借助多光谱、高分辨率遥感影像数据[11-12]，结合地质灾害其他相关数据进行遥感解译。遥感影像、1∶50 000 地形图、1∶100 000 地质灾害调查图和DEM（数字高程模型）等多源数据融合，研究区域地质灾害孕灾环境，识别掌握地质灾害易发区域[13]。通过计算机自动识别和人机交互解译，对地质灾害类型、边界、规模和形态特征进行解译[14]，提取必要的地质灾害信息，分析地质灾害的成因和发展规律。

1 研究区概况和数据源

临江市是吉林省白山市代管县级市，位于吉林省东南部。临江市地处长白山腹地，鸭绿江中上游北岸，与朝鲜民主主义人民共和国隔江相望，北、东、西分别与江源区、抚松县和长白县相连。其地理坐标为东经126°30′—127°49′，北纬41°31′—42°03′，面积3008.5 km2。临江市属于中温带大陆性季风气候，山地较多。西伯利亚和蒙古的寒流受老爷岭山脉的制约，其影响减弱，温暖湿润的海洋空气沿河流流动，形成了鸭绿江流域独特的气候区。临江市地处长白山腹地鸭绿江畔，境内群山环抱，峡谷交错，河流地势东高西低。

收集比例尺为1∶50 000 的17 幅地形图和1∶100 000的171 幅地形图，进行图像校正和地形图参考信息提取。在工作区域采集高分辨率遥感影像数据。根据调查目的和研究对象，选取2020年高分1 号遥感卫星数据，全色分辨率为2 m，多光谱分辨率为8 m，时间为春季。此外，结合遥感地质灾害的特点，以减少云、雪和植被等对地质体的影响。选择春季陆地卫星和所有波段遥感图像记录2m、15m 全色分群率，基于多光谱率30m，收集了气象、水文、森林植被、自然地理条件和当地的经济数据，收集了工作区地质灾害预防计划，地质灾害的分布、地貌图，地质图数据；收集了地质灾害防治规划、地质灾害调查与区划报告及人口、居住区和工矿开发的统计调查资料；收集了工作区和土地变化调查资料。

2 数据处理

遥感图像处理分为多光谱合成和几何校正2 个步骤。根据不同的地物，选择3 个合适的波段组合，形成30 m 分辨率的多光谱图像，然后根据地面控制进行几何校正。Landsat8 遥感影像需与30 m 分辨率的多光谱影像合成，再与15 m 分辨率的全色数据融合，经过几何校正和地理配准，最终形成15 m 分辨率的多光谱影像。几何校正采用多项式拟合方法，几何校正的均方误差小于等于1 像素。切割融合得到Landsat8 遥感影像。高分辨率遥感数据处理是将单波段数据分别组合成8 m 分辨率的多光谱图像，再与2 m 分辨率的pan 图像融合，形成2 m 分辨率的多光谱图像。用地形图校正多光谱融合图像。几何校正采用多项式拟合方法，几何校正的均方误差小于等于6 像素。然后进行拼接和切割，得到经过处理的高分辨率遥感影像。以DEM 为基础地形数据，生成坡度图、坡度方向图等数据，主要为崩塌、滑坡和失稳边坡的提取提供数据支持，运用水文分析模型进行分析，为泥石流的提取提供数据支持。

3 常见地质灾害形成机理和遥感影像特征

根据研究区域不同地质灾害发育的地质环境和孕灾环境特征，通过遥感影像呈现不同的特征，建立解译标志。在地质遥感解译中，常用色调深度、色调均匀性和边界清晰度来描述黑白照片的色调特征。通常需要通过颜色、阴影、水系、纹理特征、植被和位置等来解译目标特征[15]。本次地质灾害调查主要研究崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害的地学遥感机理。

3.1 崩塌

崩塌一般是指岩块从母岩上翻滚，岩块间相互碰撞，从斜坡上翻落下来，在坡脚堆积，形成倒岩堆[16]。崩塌一般发育在40°～75°的陡坡上，崩塌面形状较为复杂，崩塌体部分呈长条状展布。崩塌运动形式主要有坠落和崩落2 种。崩塌灾害的形成受地层岩性和岩体结构、风化和人为活动、地形地貌及地下水作用等多种因素的影响[17]。崩塌地质灾害多分布在岩性坚硬、节理发育的陡坡上，如沟谷、道路和河流等。在陡峭的山坡周围，堆积着成岩堆或倒石堆。整体图像粗糙，微地貌起伏。崩塌后出现带状险峻悬崖或断崖，向阳坡为浅色块，背阴坡在遥感影像中阴影严重。崩塌显示出具有浅色色调的不规则板像，常以组和条带形式出现。在遥感影像上呈现，植被稀疏，亮度高，存在裸露的基岩，选取植被指数、土壤亮度指数和地形指数作为崩塌地质灾害遥感解译的主要背景值。通过在遥感影像上呈现的光谱、形状、地形及边缘等特征进行识别。

3.2 滑坡

滑坡一般是在一定自然条件下形成的斜坡。滑坡体一般发育在20°～40°的斜坡上，呈条状展布。由于地下水活动、植被破坏、人工挖坡、河流冲刷或地震等因素的影响，部分岩体或土体沿某一软面或软区受到重力变形，其特征是整体、缓慢、间断和水平位移。本次滑坡遥感解译主要选取植被指数、土壤亮度指数及坡度属性指数作为背景值。在滑坡解译中引入了边缘检测和纹理特征提取方法。背景值提取滑坡的遥感信息，有许多的局限性，在实际工作中，探索了一种新的信息提取方法。滑坡在遥感图像上，呈现舌行、簸箕型、弧形或不规则型。在岩层倾向与坡向一致、岩性脆弱、大型节理发育地区和活动断裂带附近，常发生规模较大的滑坡。根据滑坡特征，建立决策树支持模型，提取信息；然后运用Canny 算子等提取灾害点边缘图像，提取灾害点范围。

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、沟谷谷坡坡型和沟床纵坡等。泥石流发生后，尤其在流通区会造成严重的植被破坏，使基岩裸露，在遥感影像上，色彩与周围对比鲜明，遥感影像上呈现的光谱、地形和形状等特征，表现实地的植被差异、长宽比和沟谷关系等。

3.4 不稳定斜坡

一般不稳定斜坡在比较陡峭的斜坡上，基岩裸露，植被稀疏，有发生崩塌、滑坡等地质灾害的可能，在遥感影像上呈浅色调，一般假彩色图像是灰色或白色，周围植被开发区是粉红色或红色，解译标志与崩塌有相似之处，地质灾害为崩塌倒桩。边坡不稳定容易发生崩塌、滑坡等地质灾害，这些灾害与边坡、边坡方向密切相关。与崩塌特征类似，但没有崩落碎石堆；滑坡型不稳定斜坡，一般有植被覆盖在真彩色影像上呈浅绿色，标准假彩色影像上呈浅红色，发育后端有浅色边缘凹凸条。

4 解译方法

4.1 计算机自动识别

4.1.1 崩塌

根据崩塌的地质灾害遥感成灾机理，基于土壤亮度指数、植被指数、第一主成分变换值及土地利用数据、地形数据为一体的解译模型如图1所示，可以获得比较理想的崩塌地质灾害的信息；顺坡阈值为大于2.5，即符合阈值要求的为顺坡。

图1 崩塌地质灾害遥感解译流程图

4.1.2 滑坡

根据滑坡的地质灾害遥感成灾机理，建立决策树支持模型，提取信息；然后运用Canny 算子等提取灾害点边缘图像，提取灾害点范围，其技术流程如图2所示。

图2 滑坡地质灾害遥感解译流程图

4.1.3 泥石流

实际工作中，关于泥石流解译主要包括本底值计算、阈值选取、沟谷范围提取、沟壑密度和泥石流信息筛选。

（1）泥石流信息遥感本底值计算：通过对植被指数、土壤亮度指数和遥感经主成分变换得到的第一主成分（PCI）图像的集成计算，获取新的第一主成分图像。

（2）阈值选取：对上一步图像进行集成运算，应用多峰直方图阈值选取算法进行泥石流阈值的自动获取，并根据获取的阈值提取出泥石流候选区，在此过程中需要利用形态滤波的闭运算（先膨胀、后腐蚀）对新的灰度图像的部分不纯净像元进行处理。

（3）沟谷范围提取：首先对DEM 数据进行平滑处理，用以除去“短枝”和离散点，再对数据进行形态学闭运算，以获得连续性较好的沟谷中心线；再次对利用形态滤波膨胀算法对已获取的连续沟谷中心线进行一定核大小的膨胀运算后得到沟谷范围。

（4）泥石流信息筛选：基于泥石流候选区的二值图像和沟谷范围二值图像进行图像匹配处理，得到可疑泥石流栅格图斑将其矢量化。然后，以泥石流形成的条件和泥石流的空间特征为筛选条件对矢量图斑进行面积、坡度和顺坡性筛选，最终得到泥石流矢量图斑。

4.2 人机交互解译

对高分影像、计算机自动识别数据、地质灾害防治规划图、地质灾害分布与易发区图等数据进行分析，判读提取地质灾害信息，填写地质灾害遥感解译点信息表。

5 结论

从基于遥感的地质灾害提取结果可以看出，临江市地质灾害的主要类型为崩塌和泥石流。崩塌主要发生在调查区西部。泥石流主要发生在西南地区，其中西南和正南地区泥石流较为严重。地质灾害常发生在山脚下和植被稀疏地区。据统计：崩塌面积达93.04 hm2，受灾点94 个，现场核查93 个，另一个因道路障碍、地形及周边环境复杂无法到达。经现场验证，有75 处解译正确，准确性为79.79%。滑坡面积24.81 hm2，现场验证了7 个灾害点，解译精度100%。泥石流发生面积54.88 hm2，受灾点27 个，经现场验证，正确解译19 处，准确率为70.37%。滑坡为27.17 hm2，现场验证了6 个灾害点，解译精度100%。灾害总面积达199.90 hm2，地质灾害解译灾害点134 个，野外验证133 个，现场验证率达99.25%，综合解译精度达79.85%。

从方法论角度看，采用的多光谱、高分辨率遥感影像能够满足1∶50 000 地质灾害的遥感解译要求，从而实现工作目标，完成工作任务。经现场验证，解译精度达到技术规范要求。地质灾害的发生主要受自然因素和人为因素的影响。人为因素主要表现为人类的生产和生活活动，包括道路的建设、隧道的开挖和矿山的开采等。自然因素主要有地貌、岩性等地质环境条件，以及日晒和降雨。崩塌主要发生在道路附近，泥石流主要发生在受雨水冲刷且有一定坡度的沟谷区域。遥感解译是地质灾害判断的重要手段。遥感解译的准确性可以指导地质灾害的调查。但是，由于遥感影像成像的内外因素的影响，存在“同物异谱，异物同谱”的现象。同时，受个人形象解读经验的影响，一些解读点存在着不准确。解译精度总体上能满足技术规范的要求，达到解译的目的，在地质灾害调查和区划中发挥作用。