典型地质灾害区域遥感数据获取及应用

2015-02-19邵泽兴陈正强王兴文

地理空间信息 2015年6期

邵泽兴，穆超，陈正强，孟丹，王兴文，邱莉

（1.湖北省国土测绘院，湖北武汉 430010；2.义乌市国土资源局，浙江义乌 322000）

采用无人机获取典型地质灾害区域低空遥感数据并对其进行研究，可以更好地建立健全地质灾害应急监测体系，通过对不同类型、不同地形条件的地质灾害区域进行低空遥感数据获取及应用实验，摸索出一套切实可行的方法，推进低空遥感在地质灾害应急监测中的应用；通过无人机获取数据制作地质灾害区域DOM，实现对地质灾害点的识别与解译，查明地质灾害分布特征，为监测治理提供依据，为防灾减灾，快速应急响应工作提供技术服务。

本文所提及的4个典型地质灾害区域包含崩塌、滑坡、泥石流等常见地质灾害类型，在地域及地质灾害类型上均具有一定的代表性。通过研究4个代表性地质灾害区域遥感数据获取的特点，分析地质灾害区域遥感影像特征、地质背景解译情况、地质灾害解译情况等，揭示地质灾害成因，可以为今后同类地质灾害遥感数据获取及地质遥感解译提供很好的示范作用。

1 研究区域概况

选择典型地质灾害区域，重点选取地质灾害体特征明显、分布范围较大、灾害体内部及其周边地区有较多居民或者重要公路、建筑物等分布，危害性较高的地质灾害体。在湖北省范围内选择4个具有代表性的地质灾害区域，分别为十堰市郧县城关镇牧场沟村黄家槽滑坡（南水北调工程丹江口库区范围内）、巴东县黄土坡滑坡区（三峡库区范围内）、神农架林区松柏镇泥石流（湖北省重大泥石流）、黄石市板岩山危岩（市区边缘）（图1）。

2 典型地质灾害区域遥感数据获取技术路线

图1 黄石市板岩山危岩体卫星影像图

低空遥感地质灾害研究内容包括灾害应急监测（灾情评估和空中巡查搜救）、次生灾害排查调查以及灾后恢复治理与重建等。地质灾害应急监测需要快速生成灾害点优于0.2 m分辨率的DOM、DEM和影像解译图；灾害排查需要获取灾害区域附近大面积遥感影像，此时可适当放宽影像分辨率，获取灾害区周围0.5 m分辨率的DOM；灾后恢复治理与重建需要对灾害体进行大比例尺测绘，生产0.2 m分辨率地形数据，满足灾后重建规划和建设需求。

2.1 低空遥感数据获取

为了满足以上不同地质灾害应急监测阶段对遥感数据的应用需求，采用无人机对4个典型地质灾害区域进行航摄，完成各灾害区域1∶2 000 DLG、1∶2 000DEM和1∶2 000 DOM、1∶5 000 DOM快拼等任务，具体工艺流程见图2。

2.2 不同灾害类型航摄数据采集

低空遥感数据采集航线设计，有3点需要考虑：①保障设备仪器的安全；②同一飞行高度上，需兼顾最高点及最低点分辨率（<0.2 m）、影像重叠率（航向重叠度60%～80%、旁向重叠度15%～60%）等指标要求；③影像无航摄漏洞，尽量保证有足够的光照度，避免过大的阴影，利于地质背景条件解译。

图2 低空遥感数据获取总体技术路线

1）滑坡地质灾害类型数据采集，选择垂直于滑坡体滑动的方向飞行，根据滑坡体地形的高差，分不同摄影航高飞行，分区内地形高差不大于1/6摄影航高。主要采集滑坡的完整特征，如滑坡体、滑坡壁、滑坡舌等区域。采集范围向滑坡体区域外扩200 m为宜，有助于滑坡形态的展示和解译。

2）泥石流地质灾害类型数据采集，选择平行于泥石流的流动方向飞行，由于泥石流多发于山谷之间，需特别注意仪器设备安全。在容许的情况下，可适当牺牲影像分辨率，换取更高的摄影航高。数据范围主要采集泥石流的流通区、堆积区及周边至山脊区域。流通区坡面岩石破碎严重，滑坡众多；堆积区一般属于危害区，宜重点采集。

3）崩塌地质灾害类型数据采集，选择东西向平行于灾害范围直线飞行，崩塌一般区域较小，可采用同一摄影航高飞行。数据主要采集崩塌面及坡脚处形成的崩塌倒石堆（危害区），由于崩塌面往往属于倾角很大的界面，所以某些崩塌面影像利用无人机垂直摄影难以获取，此时可采用带倾斜相机的无人机或旋翼型无人机。

3 低空遥感影像地质灾害遥感解译

利用地质灾害区域最终DOM成果，对选定的4个地质灾害区进行地质要素遥感解译。并针对解译结果，进行野外验证和校正，验证解译结果的准确性，形成最终的解译标志，编制遥感解译图件。在分析和研究工作区已有资料和遥感数据特征的基础上，获取区域地质背景及地质灾害体信息。采用Erdas、ENVI和ArcGIS等专业软件作为平台，建立以上各解译目标的解译标志，完成遥感解译工作。

3.1 典型地质灾害区域遥感解译标志的建立

3.1.1 滑坡

滑坡属于斜坡变形形成的不良地质现象，指斜坡上的部分土体或岩体沿着一定的面或带整体向下滑移的现象。滑坡的遥感解译主要通过遥感图像的形态、色调、阴影、纹理等进行。结合遥感数据特征，对滑坡遥感影像解译标志特征归纳如下：

1）典型的影像特征。滑坡在遥感图像上多呈簸箕形、舌形、椭圆形、长椅形、倒梨形、牛角形、平行四边形、菱形、树叶形、叠瓦形或不规则状等平面形态，个别滑坡可以见到滑坡壁、滑坡台阶、滑坡舌、滑坡周长、封闭洼地、大平台地形（与外围不一致、非河流阶地、非构造平台或风化差异平台）、反倾向台面地形、小台阶与平台相间、浅部表层塌滑广泛等。

2）地貌形态特征。除上述对滑坡体本身图像进行解译外，还应从大范围的地貌形态进行判断，如滑坡多在峡谷中的缓坡、分水岭地段的阴坡、侵蚀基准面急剧变化的主、支沟交会地段及其源头等处发育。河谷中形成的许多重力堆积的缓坡地貌，大部分系多期古滑坡堆积地貌。在峡谷中见到垄丘、坑洼、阶地错断或不衔接、阶地级数变化突然或被掩埋成平缓山坡、蠕滑成起伏丘体、谷坡显著不对称、山坡沟谷出现沟槽改道、沟谷断头、横断面显著变窄变浅、沟靡纵坡陡缓显著变化或沟底整体上升等，这些现象都可能是滑坡存在的标志。

3）植被特征。滑坡体上的植被与周围植被不一致，较周围植被年轻等。

4）水文特征。不正常河流弯道、局部河道突然变窄、滑坡地表的湿地和泉水等，斜坡前部地下水呈线状出露，也是滑坡的良好解译标志。

3.1.2 崩塌

崩塌一般发生在节理裂隙发育的坚硬岩石组成的陡峻山坡与峡谷陡岸上。崩塌堆积体的解译相对简单，对崩塌遥感影像解译标志特征归纳如下：

1）位于陡峻的山坡地段，一般在55°～75°的陡坡前易发生，上陡下缓，崩塌体堆积在谷底或斜坡平缓地段，表面坎坷不平，有时可出现巨大块石影像。

2）崩塌轮廓线明显，有时处于遥感图像的阴影区，不易识别。崩塌壁颜色与岩性有关，但多呈浅色调或接近灰白，不长植物，崩塌体上植被不发育，仅在老崩塌堆积体可见零星分布的植被，近期发生的崩塌，崩塌面和锥状崩塌堆积物的色调与周围地物具有显著差异，崩塌壁在斜坡上呈条带状，在平面上呈锯齿状，其下方杂乱的崩塌堆积物在图像上呈斑点状纹理，植被较外围稀少或基本没有植被生长。

3）崩塌体上部外围有时可见到张节理形成的裂缝影像。

4）有时巨大的崩塌堵塞了河谷，在崩塌处上游形成小湖，而崩塌处的河流本身则在崩塌处形成一个带有瀑布状的峡谷。

3.1.3 泥石流

泥石流是一种由泥砂石块等松散碎屑物质和水、气构成的流体。根据不同的发育阶段和形态特征可分为坡面泥石流和沟谷泥石流。泥石流解译内容包括类型、流域面积、主沟长度、主沟纵降比、流域平均坡度和堆积物厚度、危害区范围等。泥石流解译一般要划分出物源区、流通区和堆积区，通过对物源区微地貌及地表景观变化、流通区沟谷特征和堆积区泥石流扇体形态及纹理特征等的综合解译判定泥石流。

3.2 典型地质灾害区地质背景解译情况

对选取的4个典型地质灾害区域进行地质遥感解译，分别从灾害体遥感影像特征、地质背景解译情况、地质灾害解译情况等方面分析地质灾害成因。下面以黄家槽滑坡区为例进行说明，见图3。

图3 黄家槽滑坡三维影像图

1）灾害体遥感影像特征。黄家槽滑坡呈灰绿色，居民区密集，滑坡后缘表面植被破坏严重，黄褐色土体出露，后缘以弧状山脊为界，其展布方向大致为北西向，中段向北东向外突。边界线较明显，后缘壁为岩质陡坎，呈圈椅状。滑坡前缘直抵汉江河漫滩，临空条件较好。滑坡左侧以凸形坡为界，凸形坡走向近东。滑坡右侧以凸形山嘴为界，其侧缘展布方向近西向。该处覆盖层较薄，边界明显受基岩控制。

2）地质背景解译情况。工作区内地层上部以第四系残坡积（Qel+dl）碎石土为主，表部为较薄的粉质粘土夹砾石。下伏基岩为白垩系上统寺沟组（K2S）粉砂质泥岩夹含砾粉砂岩，斜坡为土质斜坡，下伏基岩岩层产状与坡向构成逆向坡结构。两陨断裂从工作区穿过，黄家槽滑坡位于两陨断裂以北约3.3 km处，该断裂呈北西走向，贯穿郧县县境，两侧多发育平行的次级构造。目前滑坡区整体处于基本稳定状态，区内早期变形的3处小型滑坡在应力释放后，滑体由高势能态转为低势能态而趋于稳定。

3）地质灾害解译情况。无人机航摄工作区共解译15处地质灾害点，灾害类型均为滑坡。黄家槽滑坡区位于汉江北岸岸坡中下部、牧场沟村居民聚集区，所处斜坡为一凹形坡，前缘临空，其坡向235°，坡面经人工改造成阶梯状，总体坡度约29°。坡顶高程229 m，坡脚为汉江二级阶地，高程170 m，坡高59 m。滑坡区属侵蚀堆积丘陵地貌，前缘为宽广的河漫滩，坡度约5°。汉江于此处流向为135°方向，其支沟较发育。

3.3 解译过程中存在的问题及解决方法

无人机航摄飞行高度较低，空间分辨率高，在晴朗无云天空采集的影像亮度较大，地物本身形成的阴影不明显，使得地形识别有困难，用于地质灾害解译方面难度增加。神农架松柏镇位于大山区域，地形起伏较大，无人机在飞行过程中遇到了种种困难，造成成果影像反差较大，云阴影较重，也使灾害体识别难度增加。采用的解决方法是通过加载DEM，来更好地区分区域的地形变化，辅助识别地质灾害体。

DEM和DOM是地质灾害点解译中不可缺少的资料，三维仿真模拟能够宏观展示区内地形地貌情况，真实地反映工作区内地形起伏状况，由于滑坡、泥石流受地形影响较大，因此三维影像对这两种地质灾害的解译起到了重要的指导作用。同时辅以地形、地质数据，可以更好地了解区域环境条件。