遙感技術(shù)及其在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

                                         文/中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 地球科學(xué)與資源學(xué)院  張 篷   蔣 校

        摘要：遙感技術(shù)作為一門新興的科學(xué)日益表現(xiàn)出其應(yīng)用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。我國是地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家，為了避免更多的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的提前預(yù)報(bào)的重要性逐步凸現(xiàn)。
        針對(duì)這種情況，本文首先簡要介紹了遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中應(yīng)用的發(fā)展及遙感技術(shù)數(shù)據(jù)源和信息增強(qiáng)處理的手段。其次，總結(jié)了地質(zhì)災(zāi)害中適用的遙感手段，并以汶川地震中遙感技術(shù)的應(yīng)用為例介紹遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用。最后通過分析得出個(gè)人的結(jié)論，并對(duì)遙感技術(shù)應(yīng)用存在的問題進(jìn)行討論。
        關(guān)鍵詞：遙感技術(shù)；地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

        隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，遙感地質(zhì)學(xué)有了飛躍性的發(fā)展。目前，遙感地質(zhì)學(xué)已經(jīng)成為地質(zhì)工作中不可缺少的新技術(shù)手段并為地質(zhì)學(xué)的發(fā)展提供了許多新的信息和資料。借助遙感技術(shù)，能夠在一定程度上解決傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害分析評(píng)價(jià)方法的一些不足，并能較明顯地提高地質(zhì)災(zāi)害分析評(píng)價(jià)的效率和精度。

                         一、遙感技術(shù)平臺(tái)與信息增強(qiáng)處理的手段

        1. 遙感技術(shù)平臺(tái)
        遙感中搭載傳感器的工具統(tǒng)稱為遙感平臺(tái)。按平臺(tái)距地面的高度大體上可分地面平臺(tái)、航空平臺(tái)和航天平臺(tái)三類[1]。表一匯總了遙感中可能利用的平臺(tái)的高度及其使用目的。
        地面遙感平臺(tái)可以用來測定各類地物的波譜特性。航空平臺(tái)則可用于各種資源調(diào)查、空中偵察、攝影測量當(dāng)中。航天平臺(tái)中高度最高的是氣象衛(wèi)星GMS所代表的靜止衛(wèi)星，它位于赤道上空36000km的高度上，Landsat、Spot、MOS等地球衛(wèi)星高度也在700～900km之間。因此，這些遙感平臺(tái)成為數(shù)據(jù)源獲取的重要方式。
        當(dāng)然，我國也擁有一套自己的遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。例如“風(fēng)云”系列氣象衛(wèi)星、1990年10月發(fā)射的中巴資源遙感衛(wèi)星（CBERS）、2002年5月發(fā)射的FY—10海洋水色衛(wèi)星、服務(wù)于北京奧運(yùn)的“北京一號(hào)”對(duì)地觀測小衛(wèi)星，還有汶川地震中投入使用的“北斗”系列衛(wèi)星。

        2. 遙感信息增強(qiáng)處理手段
        對(duì)于遙感數(shù)據(jù)的增強(qiáng)處理手段，人們?cè)缫杨嵏擦酥饕咳斯みM(jìn)行，依賴于解譯人員的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)傳統(tǒng)影像的解譯與判讀。在科研和實(shí)際應(yīng)用方面，對(duì)于同一地區(qū)或大范圍的大量解譯工作，利用傳統(tǒng)的人工方法對(duì)多幅影像的對(duì)比解譯重復(fù)勞動(dòng)量大。
        速度快、自動(dòng)化程度高的檢測方法日益受到重視。隨著遙感信息源的不斷增加、數(shù)據(jù)量急劇增長，為了滿足對(duì)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀要求，需要更加實(shí)用的方法。根據(jù)趙英時(shí)[2]的觀點(diǎn)，將圖像經(jīng)過幾何配準(zhǔn)和輻射校正等圖像預(yù)處理后，選取不同的算法增強(qiáng)和區(qū)分遙感圖像中相對(duì)變化的區(qū)域，并將變化檢測的方法分為光譜類型特征分析、光譜變化向量分析和時(shí)間序列等三大類，其中第一大類包含多時(shí)相圖像疊合方法、圖像代數(shù)變化檢測算法、多時(shí)相圖像主成分變化檢測、分類對(duì)比檢測等四小類。鄧湘金[3]根據(jù)變化檢測方法所使用的知識(shí)，又將變化檢測方法分為三大類：基于模式識(shí)別知識(shí)的變化檢測法、基于混合技術(shù)的變化檢測法和其它變化檢測法。根據(jù)圖像配準(zhǔn)和變化檢測的數(shù)據(jù)源，李德仁院士[4]將變化檢測方法分為先進(jìn)行圖像配準(zhǔn)的變化檢測方法和變化檢測與圖像配準(zhǔn)同步進(jìn)行的方法兩大類。這樣的分類方案不僅包括圖像與圖像之間的變化檢測，還包含圖像與地圖、DEM、DOM、DLG、DRG等多源的非遙感數(shù)據(jù)，不僅是二維圖像數(shù)據(jù)之間的變化檢測，還擴(kuò)展到三維立體數(shù)據(jù)間的變化檢測問題，增加了變化檢測的難度，大大提高了變化檢測的精度。

                             二、地質(zhì)災(zāi)害與其適用的遙感手段

        隨著遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中應(yīng)用的日漸成熟，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到了它的必要性。我國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，地質(zhì)災(zāi)害帶來的不僅僅是經(jīng)濟(jì)上的損失，還有人們感情上也承受的巨大打擊，這樣的損失我們無法估計(jì)。所以，我們需要一個(gè)可以大范圍、全面、精確的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法來調(diào)查、監(jiān)測和防治地質(zhì)災(zāi)害的技術(shù)。而遙感技術(shù)正是一種可以幫助人們實(shí)現(xiàn)這種愿望的手段。
        眾所周知，地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性和需要緊急救災(zāi)的急迫性?；?、泥石流、洪水這樣的地質(zhì)災(zāi)害都是由于突然的大規(guī)模降水所引起的。傳統(tǒng)意義上的野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，僅僅能夠在地質(zhì)圖上建立起一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)而無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的情況，對(duì)大規(guī)模的降雨是否能造成地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和及時(shí)做好第一時(shí)間的災(zāi)后救災(zāi)工作。但是，我們可以通過衛(wèi)星遙感技術(shù)來做好防災(zāi)、抗災(zāi)、救災(zāi)工作。遙感技術(shù)，可以實(shí)時(shí)地反映災(zāi)時(shí)的具體情況，監(jiān)測重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的發(fā)展演化趨勢，增強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的預(yù)見性。
        因此，為了能及時(shí)地調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害狀況，為搶災(zāi)與救災(zāi)工作提供準(zhǔn)確資料，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中采用遙感技術(shù)這一先進(jìn)手段是非常必要的，這也是現(xiàn)代高新技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢。
        國內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查技術(shù)方法，在20年的實(shí)踐與摸索中，已掌握了各類地質(zhì)災(zāi)害的遙感影像特征，并具備了較成熟的目視解譯地質(zhì)災(zāi)害的方法技術(shù)，使應(yīng)用遙感技術(shù)開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作成為可能。
        地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生主要與地層巖性、構(gòu)造展布、植被覆蓋、地形地貌以及大氣降水強(qiáng)度等要素有關(guān)。[5]一般情況下，巖性脆弱、構(gòu)造發(fā)育、植被稀疏、地形陡峻的地段，在強(qiáng)降水過程中容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。[5]遙感技術(shù)有宏觀性強(qiáng)、時(shí)效性好、信息量豐富等特點(diǎn)，不僅能有效地監(jiān)測預(yù)報(bào)天氣狀況進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，研究查明不同地質(zhì)地貌背景下地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)段，同時(shí)對(duì)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害也能進(jìn)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)的災(zāi)情調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測和損失評(píng)估。[6]因此，遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中必將發(fā)揮重要的作用。
        現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展為遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方面的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。如TM（或ETM）圖像數(shù)據(jù)、美國發(fā)展研制的地球觀測系統(tǒng)（EOS）與TM圖像（30m）和法國SPOT衛(wèi)星圖像（10m），以及后期美國的IKONOS、Landsat—7衛(wèi)星、俄羅斯的SPIN—two衛(wèi)星、加拿大的Radar SAR衛(wèi)星、印度的IERS衛(wèi)星、我國成功發(fā)射的CBERS—1地球資源衛(wèi)星，特別是目前國內(nèi)外競相研究的小衛(wèi)星群發(fā)射，將成為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的主要信息源。這些具有高分辨率、高效率、高精度的工具，可以為我們提供大量的地質(zhì)災(zāi)害信息，使我們不得不相信，成功地應(yīng)用遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中是非常有發(fā)展前景的。

                           三、遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

        2008年5月12日的汶川地震是歷史上比較罕見的特大地震。在地震發(fā)生后，由于救援人員不能及時(shí)趕往災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場，災(zāi)后的次生災(zāi)害對(duì)人們有嚴(yán)重的威脅，遙感技術(shù)在這次重大地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、救援、分析以及應(yīng)對(duì)次生災(zāi)害方面起到了重要的作用。下面將結(jié)合最新案例加以舉例說明。
        1. 無人遙感技術(shù)在汶川地震中的應(yīng)用
        無人遙感系統(tǒng)就是本次在四川多云多雨的山區(qū)第一時(shí)間獲取大量高清晰影像數(shù)據(jù)，在震后對(duì)次生災(zāi)害（如滑坡、泥石流和堰塞湖等）監(jiān)測發(fā)揮了極其重要的作用的技術(shù)手段之一[8]。
        汶川大地震中，無人機(jī)遙感技術(shù)作為衛(wèi)星遙感和載人航空遙感的有效補(bǔ)充，具有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，可根據(jù)具體任務(wù)要求隨時(shí)起飛，并且受天氣影響較小，在陰天或者小雨天氣情況下可起飛，能夠進(jìn)行離地面幾百米超低空飛行，在云下獲取0. 5m或者更高空間分辨率的圖像[7]。為此，2008年5月13日，針對(duì)“5•12”四川汶川特大地震，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所（簡稱遙感所）成立了災(zāi)區(qū)一線的“無人機(jī)”遙感小分隊(duì)[9-11]，并于2008年5月14日在成都電子科技大學(xué)成立，由中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所、成都電子科技大學(xué)、北京安翔動(dòng)力科技有限公司、中國科學(xué)院成都山地研究所、西南交通大學(xué)組成的“現(xiàn)場無人機(jī)遙感應(yīng)急賑災(zāi)聯(lián)合組”，開展了基于無人機(jī)的地震災(zāi)區(qū)遙感影像獲取與處理工作[10]。
        在汶川大地震中，保證災(zāi)情信息的實(shí)時(shí)性與有效性非常重要?？晒┛拐鹁蜑?zāi)指揮中心使用的無人機(jī)影像信息三維可視化系統(tǒng)，使得無人機(jī)獲取的實(shí)時(shí)高分辨率光學(xué)影像數(shù)據(jù)能與其他空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，具有組織管理、三維可視化表達(dá)以及空間分析功能，為抗震救災(zāi)提供直觀可靠的實(shí)時(shí)災(zāi)情信息，為抗震救災(zāi)指揮決策提供實(shí)時(shí)有效的支撐[8]。無人機(jī)影像三維可視化系統(tǒng)，為決策者及時(shí)快速了解震后災(zāi)區(qū)的房屋、道路等損毀程度與空間分布、地震次生災(zāi)害如滑坡、崩塌以及因此形成的堰塞湖的分布狀況與動(dòng)態(tài)變化等，提供了快速有效的數(shù)據(jù)來源和分析手段[9]。
        2. 航空航天遙感技術(shù)在汶川地震災(zāi)情監(jiān)測與評(píng)估中的應(yīng)用
        關(guān)于地震災(zāi)害的監(jiān)測，航空航天遙感技術(shù)在汶川地震災(zāi)情監(jiān)測原則上是按照“全面掌握、重點(diǎn)突出、快速了解”進(jìn)行點(diǎn)面結(jié)合，獲取衛(wèi)星、數(shù)碼航空影像、無人機(jī)數(shù)碼影像等多平臺(tái)、多時(shí)相、多種傳感器的航空航天遙感數(shù)據(jù)。[12]中國測繪科學(xué)研究院的張繼賢等利用遙感技術(shù)收集受災(zāi)區(qū)人口分布及社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息，以及國土、交通、水文、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等專題圖件，在參考已有基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)、國土資源調(diào)查監(jiān)測及地質(zhì)災(zāi)害遙感應(yīng)急調(diào)查規(guī)范[13]，制定了災(zāi)情綜合地理信息遙感監(jiān)測指標(biāo)[12]。他們?cè)谶M(jìn)行多組數(shù)據(jù)源綜合遙感監(jiān)測中采用“質(zhì)量優(yōu)先、填平補(bǔ)齊”的策略，充分利用高質(zhì)量航空影像能快速、準(zhǔn)確進(jìn)行解譯的優(yōu)勢，發(fā)揮SPOT5、ALOS、福衛(wèi)2號(hào)、EROS、WorldView、QuickBird等高分辨率衛(wèi)星影像覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，補(bǔ)充使用TerraSAR、COSMO等雷達(dá)衛(wèi)星的全天候數(shù)據(jù)獲取能力，填補(bǔ)無數(shù)據(jù)區(qū)的空白[12]。運(yùn)用遙感技術(shù)監(jiān)測時(shí)，按照航空、光學(xué)衛(wèi)星、雷達(dá)的優(yōu)先級(jí)順序，實(shí)現(xiàn)全覆蓋區(qū)域的監(jiān)測。圖像糾正采用自主開發(fā)的ImageInfo軟件PixelGrid模塊，進(jìn)行稀少、無控制點(diǎn)幾何處理和正射影像生成，采用ImageInfo融合模塊進(jìn)行多源影像融合處理；針對(duì)不同類型影像色彩反差較大的情況，采取不進(jìn)行鑲嵌處理而直接在GIS環(huán)境下進(jìn)行疊加后判讀，大大降低了數(shù)據(jù)處理量和判讀時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量[12]。
        在只能獲取雷達(dá)遙感影像的災(zāi)害初期，他們采用了單一時(shí)相的合成孔徑雷達(dá)影像進(jìn)行災(zāi)情信息的快速判讀。汶川地震發(fā)生后，因山體大面積滑坡，河流堵塞，形成多處堰塞湖，可在雷達(dá)影像上得到明確判讀。除此以外，對(duì)于滑坡造成的受損道路、橋梁和大壩等災(zāi)害信息也表現(xiàn)明顯。地震災(zāi)害發(fā)生后，由于天氣條件往往變得十分惡劣，嚴(yán)重阻礙災(zāi)情信息獲取以及救援行動(dòng)的實(shí)施，于是，采用雷達(dá)影像這種具有全天時(shí)、全天候工作特點(diǎn)的技術(shù)十分重要。這項(xiàng)運(yùn)用可克服多云多雨條件下光學(xué)手段難以獲得遙感數(shù)據(jù)的缺陷，迅速傳回災(zāi)區(qū)地面信息數(shù)據(jù)。地震災(zāi)害過后，常會(huì)發(fā)生滑坡這樣的伴生災(zāi)害。技術(shù)處理中選取合適的滑坡災(zāi)害影響因子，包括坡度、坡向、土地利用、植被指數(shù)、水系分布、地層巖性特征、斷層、地面高程及巖土參數(shù)等，利用SINMAP空間危險(xiǎn)性評(píng)估模型[14]和基于因子層分級(jí)加權(quán)方法[15]結(jié)合地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大空間分析功能[16]，并將這些因子圖柵格化后在GIS軟件中按照一定的模型疊加獲得滑坡災(zāi)害等級(jí)圖。然后，災(zāi)害評(píng)估結(jié)果與判讀結(jié)果作對(duì)比分析，確證判讀結(jié)果的正確性。
        通過以上的兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例，我們可以看到遙感技術(shù)對(duì)于大量信息的高強(qiáng)處理和高效解決應(yīng)急性問題的特性。就是這種手段讓我們看到了汶川地震災(zāi)后的救援迅速和有效地避免了次生地質(zhì)災(zāi)害造成重大傷亡損失的局面。

                                  四、結(jié)論及討論

        從以上的論述可以得到遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用有以下的特性。（1）數(shù)據(jù)處理的高效性。在海量數(shù)據(jù)堆疊的時(shí)候，我們可以快速提取和判讀有用信息并對(duì)及時(shí)處理地質(zhì)災(zāi)害重大問題做出最佳判斷。（2）多方手段的綜合應(yīng)用性。遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用并不是基于某一個(gè)平臺(tái)完成的，它需要各種如MapInfo、ArcGis等技術(shù)平臺(tái)的支持。（3）遙感技術(shù)對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測具有實(shí)時(shí)性。遙感技術(shù)采用的監(jiān)測手段可以克服很多諸如天氣、地質(zhì)條件等方面的不利因素，對(duì)于災(zāi)害區(qū)域和地質(zhì)體進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，保證人們可以密切觀測和預(yù)警災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展。
        當(dāng)然，我們也應(yīng)當(dāng)看到這一高效手段的不足。首先，中國的多數(shù)遙感數(shù)據(jù)都來自于美國發(fā)射的衛(wèi)星，沒有自主的數(shù)據(jù)源。第二，雖然遙感技術(shù)可以實(shí)時(shí)觀測地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的相關(guān)活動(dòng)，但做不到大面積的覆蓋和廣泛的民用性。第三，遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用作為一個(gè)新的領(lǐng)域，尚需要更多的技術(shù)性人才對(duì)觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，并做出對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。
        任何的新生事物要得到人們的承認(rèn)和廣泛的應(yīng)用都需要一個(gè)漫長的過程。遙感技術(shù)作為一門新興的高新技術(shù)手段來開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查不僅是必要的，而且具有很大的發(fā)展空間。遙感技術(shù)不僅可以應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警、評(píng)估的全過程，而且，隨著遙感技術(shù)理論的逐步完善和遙感圖像分辨率的不斷提高，遙感技術(shù)必將成為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中不可缺少的手段之一。這也應(yīng)當(dāng)成為廣大遙感技術(shù)研究人員和地質(zhì)人的努力方向。                                                                                                                    責(zé)編/齊 尚

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作者簡介:
1. 張篷，女，吉林白山人，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院06級(jí)地質(zhì)學(xué)專業(yè)在讀本科生。
2. 蔣校，男，吉林四平人，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院06級(jí)資源勘查工程專業(yè)在讀本科生。