中国东南地区隐性滑坡遥感识别研究

冯杭建，周爱国，唐小明，俞剑君

1) 中国地质大学(武汉)，中国武汉，430074；2) 浙江省地质矿产研究所，中国杭州，310007；3) 南洋理工大学，639798, 新加坡

内容提要: 我国东南地区植被发育，地质灾害发育规模小，以浅层的残坡积层滑坡为主，采用传统遥感解译方法识别此类地质灾害存在困难。为提高东南地区地质灾害野外调查的工作效率和正确性，提出了隐性滑坡遥感解译技术方法，其解译的直接目标不是地质灾害体本身，而是隐性滑坡，即地质灾害易发的边坡或斜坡。其技术路线包括：遥感解译GIS工作环境创建、易发程度初步分析、建立解译规则、确定解译点位和解译区段及划定重点调查区等内容。该方法在淳安县1:50000农村山区地质灾害详细调查工作中进行了实际应用，采用0.5m和1.0m分辨率的航片和5m×5m分辨率的DEM数据，基于ArcGIS平台创建了解译环境，共确定解译点位3025个和解译区段969个，划定重点调查区面积约914.18km2。经过野外实地调查，共确定地质灾害隐患和不稳定斜坡283处，其中位于解译区段内的隐患或者不稳定斜坡共计199处，占总数的70.3%；位于重点调查区内的隐患或者不稳定斜坡共计264处，占总数的93.3%。ROC计算结果表明隐性滑坡遥感解译的正确率为92.9%。野外调查及验证结果说明，隐性滑坡遥感解译技术方法能够合理地划定解译区段和重点调查区范围，从而有效地指导野外调查工作，该成果可为我国东南沿海地区如浙江省等地区的大比例尺地质灾害详细调查提供参考。

遥感技术因其具有时效性好、宏观性强、信息丰富等特点，已成为重大自然灾害调查分析和灾情评估的一种重要技术手段。国外遥感技术作为一种空间数据快速获取手段，近年来被广泛应用于滑坡编录和制图(Guzzetti et al., 2012; Ahmed et al., 2014)、滑坡危险性评价和区划(Kouli et al.,2010; Akbar et al.,2011; Akgun et al., 2012; Kirschbaum et al., 2012; Erener et al.,2013)、滑坡敏感性评价和制图(Chauhan et al., 2010; Pradhan et al., 2010; Reis et al., 2012; Nourani et al., 2014)、地震次生滑坡灾害调查(Pareek et al., 2013; Gorum et al.,2013; Xu Chong et al.，2014a)等。有研究者(Cheng Gong et al., 2013; Martha et al., 2013)进行了自动化遥感解译的研究，取得了一定的成果，但总体而言，自动识别技术还不成熟，地质灾害遥感解译仍主要以目视解译为主，结合GIS空间分析运算等自动化技术辅助解译工作，以减少目视解译的工作强度，提高解译的工作效率。

目前国内遥感技术在公路、水利水电、单体地质灾害以及区域地质灾害的调查评价等方面的应用已日趋广泛和成熟(张明华，2005；王治华，2006；喻林青等，2006；石菊松等，2007；谢韬等，2007；徐刚等，2008；梁京涛等，2012)。特别是近年来，在“5·12”汶川地震(黄润秋等，2008；苏凤环等，2008；黄庭等，2009；许冲等，2009；许冲等，2010；Gorum et al.，2011；Xu Chong et al.，2014b)、玉树地震(许冲等，2011；Xu Chong et al.，2010)、“4·20”芦山地震(常鸣等，2013；崔鹏等，2013；黄润秋等，2013；许冲等，2013a；Xu Chong et al.，2014c)、2013年甘肃岷县漳县6.6级地震(许冲等，2013b；许冲等，2013c)等地震诱发崩滑流次生地质灾害，以及甘肃舟曲特大泥石流(胡凯衡等，2010；Wang G L, 2013)等重大地质灾害的快速解译、灾情评估和灾害发育特征、分布规律等研究方面，遥感技术都发挥了前所未有的重要作用。

我国目前正在开展地质灾害高发区1:50000崩塌滑坡泥石流详细调查，中国地调局专门编制了《滑坡崩塌泥石流灾害调查规范(1:50000)》，其强调遥感技术的应用。在延安市宝塔区地质灾害详细调查示范项目(张茂省等，2011)，以及陆续开展的四川泸定县、石棉县等地区的地质灾害详细调查中(张景华等，2009；张景华等，2011)，遥感调查均贯穿于详细调查工作的室内和野外工作的全过程，取得了良好的应用效果。

综上不难发现，遥感技术在地质灾害调查中应用较为成功的区域，主要为我国西部地区特别是震区，这些区域具有共性的特点是：地表裸露程度一般较高，地质灾害发育规模普遍较大，灾害体在遥感影像上反应比较明显，容易以人机交互的方式进行目视识别。然而，我国东南沿海地区地质环境条件与西部地区差别较大，其山区植被发育，地质灾害多为房屋、道路建设等切坡活动引发，多数滑坡为浅层的残坡积层滑坡。由于东南沿海地区残坡积层的厚度一般较小，特别是火山岩覆盖区，一般小于1m，导致滑坡灾害发育规模普遍很小，如浙江省规模小于10000m3的滑坡数量，约占总数的78.1%(王永，2012)。浙江省2013年发生的778起突发地质灾害中，规模为小型的占98.7%❶。如此小规模滑坡想通过遥感解译来直接识别，现有遥感技术下实现难度很大。因此，目前遥感技术在地质灾害调查工作中的成功应用经验在我国东南沿海地区可能并不完全适用。

2005～2008年，浙江省开展了全省48个山区县市小流域泥石流地质灾害专项调查评价工作，有过一些遥感解译应用经验和探索(冯杭建等，2008；唐小明等，2008)，但其主要是针对泥石流单一灾种而言。从整体上来说，目前我国东南地区地质灾害区域调查工作中遥感技术应用研究程度还不高，因此探索一条符合浙江省等我国东南沿海地区地质灾害详细调查工作中遥感技术应用的技术路线，就成了一个迫切需要解决的问题。浙江省于2012年全面开展了1:50000县(市、区)农村山区地质灾害详细调查评价工作，本文通过总结浙江省淳安县农村山区地质灾害详细调查工作中遥感技术应用的经验，提出隐性滑坡遥感解译技术方法，以提高野外调查的工作效率和准确率，旨在为浙江省其他县市以及我国东南沿海或其他类似地区开展大比例尺地质灾害详细调查起到抛砖引玉的作用。

1 隐性滑坡遥感解译技术路线

1.1 思路与流程

我国东南沿海山区植被发育，地质灾害具有规模小、多为切坡人类活动引发等特点，直接目视遥感解译这些地质灾害体存在困难。针对此问题，提出隐性滑坡遥感解译技术方法，其主要思想为：遥感解译的直接目标不是地质灾害体本身，而是隐性滑坡，即地质灾害较易发的边坡或斜坡；通过应用GIS空间分析功能，在遥感影像上叠加地形地貌、地层岩性、地质构造等要素，进行地质灾害易发程度分析或敏感性分析，在此基础上，通过人机交互，以推理预测的方式，解译出对居民点、道路、重要工程设施等威胁较大的边坡或斜坡，据此划定解译点位、解译区段和地质灾害重点调查区作为野外重点调查的依据。简单来说，“隐性”的直接含义即通过坡度、岩性、构造等诸多影响因素预测推理出地质灾害易发的区域，而并不是直接解译灾害体本身。隐性滑坡遥感解译强调GIS空间分析和高精度遥感影像及DEM数据的应用，以数据挖掘的方式确定隐性滑坡的区段和点位。

图1为隐性滑坡遥感解译的技术路线和流程，解译工作贯穿地质灾害详细调查工作的始终，其主要步骤有5个：①创建遥感解译GIS工作环境；②初步易发程度分析即敏感性分析；③建立解译规则；④确定解译点位和解译区段及划定重点调查区；⑤遥感解译野外调查和验证。

1.2 创建遥感解译GIS工作环境

目前，实际遥感目视解译中存在的问题主要有：过度依赖影像的色彩、纹理、阴影、位置等解译要素，片面追求影像的解译标志，DEM、DTM数据的利用程度低，DEM、GIS空间分析、3D可视化等新的技术方法的应用较少等(石菊松，2008)。为解决上述问题，隐性滑坡遥感解译技术强调GIS空间分析和高精度遥感影像及DEM数据的应用，基于GIS软件平台创建遥感解译GIS工作环境。图2为基于ArcGIS软件平台构建的遥感解译GIS工作环境，主要由空间数据库、空间分析工具、人机交互界面环境等组成，遥感解译最终的输出成果为遥感影像图、坡度分析图和地形地质图等野外工作手图，解译的人机交互界面可以是平面的ArcMap工作环境，也可以是ArcScene构建的3D虚拟环境。

图1 隐性滑坡遥感解译工作方法和流程Fig. 1 The methodology and workflow of remote sensing interpretation of implicit landslides

解译GIS工作环境的核心是空间数据库和空间分析，空间数据库强调高分辨率遥感影像数据、高精度DEM数据和其他地形、地质、灾害等多源数据的综合应用，如DEM数据采用5m×5m分辨率、基础地形数据采用1:1万比例尺精度，遥感影像采用0.5m分辨率航片等，并采用坡度、坡向、Hydrology、各类矢量栅格空间算子等空间分析工具进行计算，形成坡度图、坡向图、hillshade、流域边界等中间分析结果存储入空间数据库，以辅助半人工解译。解译的最终成果存入解译成果数据库，并将其叠加到野外工作手图上进行纸质图件输出。

1.3 初步易发程度即敏感性分析

图2 基于GIS的遥感解译工作环境架构Fig. 2 The GIS-based architecture of remote sensing interpretation working environment

初步地质灾害易发程度分析即敏感性分析，并非进行真正意义上的地质灾害易发程度区划，因为以往开展的县(市)地质灾害调查与区划、历年地质灾害排查、地质灾害防治规划等成果数据，其数据精度还无法满足1:50000比例尺地质灾害详细调查评价与区划的要求。因此，初步易发程度分析，主要是对历年积累的地质灾害调查成果数据进行总结分析，如地质灾害与坡度、坡向、地层、构造、土地利用、水系和人类活动等之间统计关系分析，提出后续遥感解译的要点，即建立遥感解译规则，如采用多大的坡度值来定义易发坡体等。同时，根据解译要点的要求，通过GIS空间分析功能，为遥感解译准备好坡度图、坡向图、流域边界(山脊线)、Hillshade、建构筑物所处坡度、水系和断层缓冲区等中间成果数据。另外，若有大比例尺如1:10000乡镇地质灾害易发程度编图成果，也可叠加进来辅助解译。

图3为采用ArcGIS ModelBuild可视化建模工具自动化、流程化分析建筑构物与地形坡度的关系，得出结果将辅助人工目视解译。

图3 建筑物与坡度图叠加空间分析(ModelBuilder可视化建模工具)Fig. 3 Spatial analysis of intersection between buildings and the slope map using ModelBuilder (a visualization modeling tool)

1.4 建立解译规则

在通常的地质灾害遥感解译中，一般需要建立灾害体的解译标志。由于东南沿海地区直接识别灾害体难度大，因此在隐性滑坡遥感解译中，并不建立灾害体解译标志，而是在易发程度初步分析的基础上，按照调查区地质灾害发育规律和特点建立解译规则，通过坡度、地形、植被等影响要素，间接地预测判断出哪些空间位置可能存在易发并且威胁较大的边坡或斜坡。例如针对浙江省地质灾害发育以及地形地貌的特点，总结归纳出一些通用解译规则，如：“以人为本”，树立风险意识，突出重点；重点关注高陡边坡和坡度较大自然斜坡；重点关注灾害，对历史已发生地质灾害的区域重点解译，地质灾害中易发以上区域，应划定为解译区段；重点关注道路沿线建筑和近年新建构筑物；重点关注大型开挖工程建设等。

1.5 确定解译点位和解译区段及划定重点调查区

解译点位指的是地质灾害最易发且风险最大的空间点位置，野外调查需重点定点记录；解译区段指的是地质灾害易发且风险较大的斜坡体或人工边坡所处空间范围，是野外调查的核心地段和区域，需重点穿越调查；将解译区段沿着交通干线等连接成片，或将相同地质环境条件的区域合并，即为重点调查区。

1.5.1 解译点位、解译区段和重点调查区的关系

解译点位、解译区段和重点调查区是逐渐递进的关系，一个解译区段内可包含多个解译点位，而一个重点调查区可包含多个解译区段(图4)。

图4 解译点位、解译区段与重点调查区关系图Fig. 4 The relationship between interoperation points, zones and important survey regions

图5为淳安县中洲镇遥感解译成果图，从图中可以看出解译点位、解译区段和重点调查区三者之间的相互空间关系。

图5 遥感解译成果图(淳安县中洲镇)Fig. 5 The result map of remote sensing interpretation (Zhongzhou town, Chun’an county)

1.5.2 划定解译区段和解译点位

解译区段的划定，主要是划定地质灾害易发坡体及承灾体所处的空间范围。易发坡体判定的主要依据是遥感解译规则，其中最核心的判定要素是斜坡坡度，如预先的地质灾害易发程度分析认为斜坡坡度在25°～50°范围地质灾害最易发，则将该坡度范围斜坡划定为易发坡体。在此基础上，根据易发坡体空间展布初步确定承灾体、危险区范围等内容，据此划定解译区段。

解译点位是在解译区段划定的基础上，在最易发生地质灾害的位置布设，一般位于斜坡最陡位置。浙江农村山区房前屋后的人工边坡，规模一般较小，高度一般在5m以下；近年新建的一些房屋，特别是沿道路沿线的新建房屋，边坡高度可能会稍大。若以影像纹理、色彩等来识别这些边坡，难度较大，因此人工边坡的判定，主要是根据易发坡体分布、地形坡度、建筑构物的布局、交通线路等来推断人工边坡可能分布的区域。图6为淳安县梓桐镇河联村解译区段及解译点的划定结果。

图6 解译区段及解译点的划定(淳安县梓桐镇河联村)Fig. 6 Determination of interpretation points and zones (Heliang village, Zhitong town, Chun’an county)

1.6 遥感解译野外调查与验证

室内的遥感解译工作，是对地质灾害发生可能性较大区域即隐性滑坡的一个预测和划定过程，并非真正确定地质灾害隐患及不稳定斜坡，隐患或不稳定斜坡的最终确定，需通过野外调查来完成。对于野外确认的隐患或不稳定斜坡，还需在现场圈定其规模范围、危险区、承灾体范围，并划定重点巡查区范围、撤离路线和避险场所等内容，具体边坡高度、坡度、坡长等特征参数也需在现场测量。在出野外调查之前，需事先将解译成果转绘到地形地质图、坡度分析图和遥感分析图等野外工作手图上，而在野外现场调查时，则需将现场调查内容如危险区、受威胁房屋、巡查路线等绘制至遥感图等手图上，并及时整理录入数据库。

2 应用实例

2.1 研究区概况

图7 研究区位置图(浙江省淳安县)Fig. 7 The map of study area (Chun’an county, Zhejiang province)

本次研究区实例为浙江省淳安县，位于浙江省西部，杭州市西南(图7)，地理坐标为：北纬29°11′～30°02′，东经118°20′～119°20′。淳安县是浙江省面积最大的县，总面积4427km2，其中千岛湖水域面积573km2。研究区是浙江省地层出露最为齐全的地区之一，除三叠系、古近系和新近系外，从元古宙至新生代地层均有分布。其中南华系—石炭系发育较齐全，出露面积较大，中元古界、新元古界青白口系和二叠系、侏罗系—白垩系及第四系等仅局部地段有零星分布。

2.2 解译环境构建

(1) 数据准备：研究区遥感解译工作GIS平台选择ArcGIS10.0，由于淳安县面积较大，所涉及空间数据近65G，为了利用现有的计算机硬件条件，同时考虑解译人员分工协作的方便，数据采用以乡镇为单位的方式进行组织。解译环境选择使用高精度的遥感影像及DEM数据，遥感影像有0.5m和1.0m分辨率的航空影像正射图，DEM数据精度为1:10000比例尺。其他主要还有数据1:10000比例尺精度地形数据，1:50000和1:200000地质背景数据和各类地质灾害调查成果数据。

(2) 数据组织和管理：根据数据类型、工作目的等的不同，分类型、分格式、分目录进行遥感解译工作数据组织和管理，以宋村乡为例，其数据组织结构见图8。

图8 解译数据组织和管理(宋村乡)Fig. 8 Data structure of interpretation database (Songcun township)

2.3 解译过程及结果

(1) 确定易发坡体坡度：斜坡坡度是地质灾害最重要的影响因素之一。易发坡体坡度范围的确定，主要依据淳安县历史灾害信息以及相关调查成果资料。据2001年《淳安县地质灾害调查及区划报告》❷统计，当时调查确定的488处地质灾害点中，斜坡坡度>50°的在220处以上，25°～50°的斜坡近140处，坡度大于25°的灾害占总数的73.8%。据2010年《淳安县地质灾害隐患再排查总结报告》以及多年的汛期排查报告，滑坡大多数发生于25°以上的斜坡，崩塌多发生在坡度为45～80°的陡坡。因此，淳安县遥感解译将易发坡体临界坡度定为25°。

(2) 解译过程：淳安县地质灾害遥感解译过程，是按照隐性滑坡遥感解译的技术路线，逐个乡镇完成解译。解译工作通过以下两个遍历过程，做到县域范围农村山区居民点全覆盖解译，这两个过程是：① 居民点名称遍历：以乡镇为单位，选择出所有居民点名称，包括行政村、自然村等地名，对其遍历一遍，逐个居民点解译；② 易发坡体遍历：以乡镇为单位，从1:10000地形图中提取所有建构筑物(居民点房屋等)多边形，构建10m缓冲区，通过与坡度图的叠加分析，自动计算出所有坡度大于25°以上的多边形，对其遍历一遍，确保每个建构筑物都能够解译到。

(3) 解译结果：项目组共完成了淳安县所有23个乡镇的遥感解译工作，共确定解译点位3025个，解译区段969处(图9a)，面积74.6km2，约占淳安县陆域总面积的1.9%。以遥感解译成果为基础，划定重点调查区和一般调查区(图9b)，其中重点调查区总面积约914.18km2(包括所有解译区段)，约占陆域总面积的23.7%，一般调查区总面积约2939.8km2，约占陆域总面积的76.3%。

图9 基于地名和缓冲区的遥感解译遍历Fig. 9 Iterative remote sensing interpretation based on place names and buffers

2.4 野外调查结果及验证

根据遥感解译成果，项目组开展了为期半年的地质灾害野外详细调查工作，主要遵循技术规范为中国地质调查局《滑坡崩塌泥石流灾害调查规范(1：50000)》和浙江省国土资源厅《浙江省农村山区地质灾害调查评价补充技术要求》。共确定地质灾害隐患和不稳定斜坡283处(图10)。其中，地质灾害隐患点134处，滑坡隐患、滑坡隐患和泥石流隐患分别为78处、37处和19处。其中，位于解译区段内的隐患或者不稳定斜坡共计199处，约占总数的70.3%；位于重点调查区内的隐患或者不稳定斜坡共计264处，约占总数的93.3%。

有效性验证指的是对分区结果的可靠性、真实性或者说分区结果与实际情况一致性的检验，是危险性区划及风险区划的难点(石菊松等，2009)。有学者(许冲等，2012；Xu Chong et al.，2012)采用地质灾害数量百分比累加—危险性面积百分比累积曲线下面积法来评价滑坡空间预测的合理性，本文主要参考该方法进行遥感解译合理性分析，运用地质灾害隐患和不稳定斜坡数量百分比累加—调查区面积百分比累积曲线下面积法，对解译结果的正确率进行定量检验。将淳安县域范围按照解译区段、重点调查区(包括解译区段)和一般调查区进行分段，各分段内所含灾害点百分比采用单位面积均值化处理，构建的解译区类型面积百分比累加与灾害点百分比累积曲线，即结果评价曲线图如图12所示。其中两个重要拐点为：① 1.9%的解译区段面积内包含70.3%的灾害点；② 23.7%的重点调查区面积内包含93.3%的灾害点。用曲线下面积百分比来定量衡量评价结果的正确率，结果表明隐性滑坡遥感解译的正确率为92.9%。

图10 淳安县遥感解译成果图: (a)解译区段分布图；(b)重点调查区和一般调查区分布图Fig. 10 Remote sensing interpretation result maps of Chun’an: (a) the map of interoperation zones; (b) the map of important survey regions and ordinary survey regions

图11 淳安县地质灾害隐患和不稳定斜坡分布图Fig. 11 The map of geohazards and unstable slopes in Chun’an

图12 遥感解译结果评价曲线图Fig. 12 Success rate for results of remote sensing interpretation

3 结论与讨论

(1)我国东南沿海地区地质灾害具有发育规模小、所在山区植被发育等特点，传统遥感目视解译方法对此类地质灾害的解译存在困难。针对该问题，提出了隐性滑坡遥感解译的思路和技术路线，对主要工作流程，包括创建遥感解译GIS工作环境、初步易发程度分析即敏感性分析、建立解译规则、确定解译点位和解译区段及划定重点调查区、遥感解译野外调查和验证等内容，进行了较为系统的论述。

(2)隐性滑坡遥感解译方法在我国东南浙江淳安县1:50000农村山区地质灾害详细调查中进行了实际应用。在基于ArcGIS10.0平台的解译工作环境下，通过解译工作，共确定解译点位3025个和解译区段969个，在此基础上，划定重点调查区面积约914.18km2。经过野外实地调查，共确定地质灾害隐患和不稳定斜坡283处，其中位于解译区段内的的隐患点或者不稳定斜坡共计199处，占总数的70.3%；位于重点调查区内的隐患点或者不稳定斜坡共计264处，占总数的93.3%。

(3)隐性滑坡遥感解译的对象是隐性滑坡，即地质灾害易发的边坡或斜坡，其主要的工作任务是划定隐性滑坡所在的区域范围即解译区段，将其作为野外调查的重点地段。如果在最终较小面积的解译区段里使得包含的实际地质灾害点数量最大化，那么这个解译结果是较合理的，它能提高野外调查工作效率并优化有限的人力物力资源的分配。通过淳安县实例研究，其最终的解译区段总面积仅约占淳安县陆域总面积的1.9%，但却包含了约70.3%的地质灾害隐患和不稳定斜坡。验证计算结果表明隐式遥感解译的正确率为92.91%，证明解译结果比较理想，能有效的指导野外实际调查工作。

(4)我国东南地区地质灾害主要以切坡引发的小规模浅层滑坡为主，因此在大比例尺的地质灾害详细调查中，采用高分辨率的遥感数据和高精度的DEM数据是必要的，淳安县的遥感解译采用了0.5m和1.0m分辨率的航片和5m×5m分辨率的DEM数据，并且还叠加了1:10000比例尺的基础地形数据，实际调查的结果证明，该数据配置能较好的满足1:50000比例尺精度的农村山区地质灾害调查。

(5)地质灾害的解译精度受遥感数据分辨率的影响较大，许冲等(2013d)提出了一种基于遥感影像空间分辨率的地震滑坡编目误差分析方法，由于本文并不直接对灾害体进行解译，而是对野外重点调查区域的划定，从而在有限的人力物力条件下尽可能提高野外调查工作的效率，目前无法直接使用类似的指标进行精度评价工作。如何设计客观合理的评价指标来考察遥感影像精度对隐性滑坡遥感解译结果的影响，是今后一个有意义的研究课题。

(6)虽然隐性滑坡遥感解译技术方法在淳安县的农村山区地质灾害详细调查中得到了较好的应用，但仍有改进的空间，比如遥感解译应引入并强化风险管理的理念，强调农村房屋结构、楼层等承灾体风险评价信息的获取；尽可能利用DEM等数据进行空间分析，辅助斜坡威胁范围的划定等；易发边坡或斜坡体划定能够更加智能化、流程化，以提高解译的工作效率和正确性。对于本文所提出方法在我国西部及国外其他地区的应用和验证还有待后续研究进一步深入探索。

注 释 / Notes.

❶ 浙江省国土资源厅. 2014. 浙江省地质环境公报(2013年度).

❷ 浙江省地质调查院. 2001. 淳安县地质灾害调查及区划报告.