遥感技术及其在地质灾害调查中的应用
文/中国地质大学（北京） 地球科学与资源学院 张 篷 蒋 校
摘要：遥感技术作为一门新兴的科学日益表现出其应用范围广、实用性强的特点。我国是地质灾害频发的国家，为了避免更多的人员伤亡和财产损失，对于地质灾害点的实时监测以及对地质灾害的提前预报的重要性逐步凸现。
针对这种情况，本文首先简要介绍了遥感技术在地质灾害调查中应用的发展及遥感技术数据源和信息增强处理的手段。其次，总结了地质灾害中适用的遥感手段，并以汶川地震中遥感技术的应用为例介绍遥感技术在地质灾害调查中的应用。最后通过分析得出个人的结论，并对遥感技术应用存在的问题进行讨论。
关键词：遥感技术；地质灾害调查
随着航天事业的不断发展和进步，遥感地质学有了飞跃性的发展。目前，遥感地质学已经成为地质工作中不可缺少的新技术手段并为地质学的发展提供了许多新的信息和资料。借助遥感技术，能够在一定程度上解决传统地质灾害分析评价方法的一些不足，并能较明显地提高地质灾害分析评价的效率和精度。
一、遥感技术平台与信息增强处理的手段
1. 遥感技术平台
遥感中搭载传感器的工具统称为遥感平台。按平台距地面的高度大体上可分地面平台、航空平台和航天平台三类[1]。表一汇总了遥感中可能利用的平台的高度及其使用目的。
地面遥感平台可以用来测定各类地物的波谱特性。航空平台则可用于各种资源调查、空中侦察、摄影测量当中。航天平台中高度最高的是气象卫星GMS所代表的静止卫星，它位于赤道上空36000km的高度上，Landsat、Spot、MOS等地球卫星高度也在700～900km之间。因此，这些遥感平台成为数据源获取的重要方式。
当然，我国也拥有一套自己的遥感数据获取系统。例如“风云”系列气象卫星、1990年10月发射的中巴资源遥感卫星（CBERS）、2002年5月发射的FY—10海洋水色卫星、服务于北京奥运的“北京一号”对地观测小卫星，还有汶川地震中投入使用的“北斗”系列卫星。
2. 遥感信息增强处理手段
对于遥感数据的增强处理手段，人们早已颠覆了主要靠人工进行，依赖于解译人员的经验和对传统影像的解译与判读。在科研和实际应用方面，对于同一地区或大范围的大量解译工作，利用传统的人工方法对多幅影像的对比解译重复劳动量大。
速度快、自动化程度高的检测方法日益受到重视。随着遥感信息源的不断增加、数据量急剧增长，为了满足对数据现状要求，需要更加实用的方法。根据赵英时[2]的观点，将图像经过几何配准和辐射校正等图像预处理后，选取不同的算法增强和区分遥感图像中相对变化的区域，并将变化检测的方法分为光谱类型特征分析、光谱变化向量分析和时间序列等三大类，其中第一大类包含多时相图像叠合方法、图像代数变化检测算法、多时相图像主成分变化检测、分类对比检测等四小类。邓湘金[3]根据变化检测方法所使用的知识，又将变化检测方法分为三大类：基于模式识别知识的变化检测法、基于混合技术的变化检测法和其它变化检测法。根据图像配准和变化检测的数据源，李德仁院士[4]将变化检测方法分为先进行图像配准的变化检测方法和变化检测与图像配准同步进行的方法两大类。这样的分类方案不仅包括图像与图像之间的变化检测，还包含图像与地图、DEM、DOM、DLG、DRG等多源的非遥感数据，不仅是二维图像数据之间的变化检测，还扩展到三维立体数据间的变化检测问题，增加了变化检测的难度，大大提高了变化检测的精度。
二、地质灾害与其适用的遥感手段
随着遥感技术在地质灾害调查中应用的日渐成熟，人们越来越意识到了它的必要性。我国是一个地质灾害多发的国家，地质灾害带来的不仅仅是经济上的损失，还有人们感情上也承受的巨大打击，这样的损失我们无法估计。所以，我们需要一个可以大范围、全面、精确的地质灾害调查方法来调查、监测和防治地质灾害的技术。而遥感技术正是一种可以帮助人们实现这种愿望的手段。
众所周知，地质灾害具有突发性和需要紧急救灾的急迫性。滑坡、泥石流、洪水这样的地质灾害都是由于突然的大规模降水所引起的。传统意义上的野外地质灾害调查，仅仅能够在地质图上建立起一个地质灾害点而无法做到实时监控地质灾害点的情况，对大规模的降雨是否能造成地质灾害进行准确的预报和及时做好第一时间的灾后救灾工作。但是，我们可以通过卫星遥感技术来做好防灾、抗灾、救灾工作。遥感技术，可以实时地反映灾时的具体情况，监测重点地质灾害点的发展演化趋势，增强地质灾害发生的预见性。
因此，为了能及时地调查地质灾害状况，为抢灾与救灾工作提供准确资料，在地质灾害调查中采用遥感技术这一先进手段是非常必要的，这也是现代高新技术应用发展的必然趋势。
国内外地质灾害遥感调查技术方法，在20年的实践与摸索中，已掌握了各类地质灾害的遥感影像特征，并具备了较成熟的目视解译地质灾害的方法技术，使应用遥感技术开展地质灾害调查工作成为可能。
地质灾害的发生主要与地层岩性、构造展布、植被覆盖、地形地貌以及大气降水强度等要素有关。[5]一般情况下，岩性脆弱、构造发育、植被稀疏、地形陡峻的地段，在强降水过程中容易发生地质灾害。[5]遥感技术有宏观性强、时效性好、信息量丰富等特点，不仅能有效地监测预报天气状况进行地质灾害预警，研究查明不同地质地貌背景下地质灾害隐患区段，同时对突发性地质灾害也能进行实时或准实的灾情调查、动态监测和损失评估。[6]因此，遥感技术在地质灾害调查中必将发挥重要的作用。
现代高新技术的发展为遥感技术在地质灾害调查方面的应用提供了强有力的技术支持。如TM（或ETM）图像数据、美国发展研制的地球观测系统（EOS）与TM图像（30m）和法国SPOT卫星图像（10m），以及后期美国的IKONOS、Landsat—7卫星、俄罗斯的SPIN—two卫星、加拿大的Radar SAR卫星、印度的IERS卫星、我国成功发射的CBERS—1地球资源卫星，特别是目前国内外竞相研究的小卫星群发射，将成为地质灾害调查中的主要信息源。这些具有高分辨率、高效率、高精度的工具，可以为我们提供大量的地质灾害信息，使我们不得不相信，成功地应用遥感技术在地质调查中是非常有发展前景的。
三、遥感技术在地质灾害调查中的应用
2008年5月12日的汶川地震是历史上比较罕见的特大地震。在地震发生后，由于救援人员不能及时赶往灾害发生现场，灾后的次生灾害对人们有严重的威胁，遥感技术在这次重大地质灾害的调查、救援、分析以及应对次生灾害方面起到了重要的作用。下面将结合最新案例加以举例说明。
1. 无人遥感技术在汶川地震中的应用
无人遥感系统就是本次在四川多云多雨的山区第一时间获取大量高清晰影像数据，在震后对次生灾害（如滑坡、泥石流和堰塞湖等）监测发挥了极其重要的作用的技术手段之一[8]。
汶川大地震中，无人机遥感技术作为卫星遥感和载人航空遥感的有效补充，具有灵活机动的特点，可根据具体任务要求随时起飞，并且受天气影响较小，在阴天或者小雨天气情况下可起飞，能够进行离地面几百米超低空飞行，在云下获取0. 5m或者更高空间分辨率的图像[7]。为此，2008年5月13日，针对“5•12”四川汶川特大地震，中国科学院遥感应用研究所（简称遥感所）成立了灾区一线的“无人机”遥感小分队[9-11]，并于2008年5月14日在成都电子科技大学成立，由中国科学院遥感应用研究所、成都电子科技大学、北京安翔动力科技有限公司、中国科学院成都山地研究所、西南交通大学组成的“现场无人机遥感应急赈灾联合组”，开展了基于无人机的地震灾区遥感影像获取与处理工作[10]。
在汶川大地震中，保证灾情信息的实时性与有效性非常重要。可供抗震就灾指挥中心使用的无人机影像信息三维可视化系统，使得无人机获取的实时高分辨率光学影像数据能与其他空间信息数据进行集成，具有组织管理、三维可视化表达以及空间分析功能，为抗震救灾提供直观可靠的实时灾情信息，为抗震救灾指挥决策提供实时有效的支撑[8]。无人机影像三维可视化系统，为决策者及时快速了解震后灾区的房屋、道路等损毁程度与空间分布、地震次生灾害如滑坡、崩塌以及因此形成的堰塞湖的分布状况与动态变化等，提供了快速有效的数据来源和分析手段[9]。
2. 航空航天遥感技术在汶川地震灾情监测与评估中的应用
关于地震灾害的监测，航空航天遥感技术在汶川地震灾情监测原则上是按照“全面掌握、重点突出、快速了解”进行点面结合，获取卫星、数码航空影像、无人机数码影像等多平台、多时相、多种传感器的航空航天遥感数据。[12]中国测绘科学研究院的张继贤等利用遥感技术收集受灾区人口分布及社会经济信息，以及国土、交通、水文、地质、农业和林业等专题图件，在参考已有基础地理信息产品生产、国土资源调查监测及地质灾害遥感应急调查规范[13]，制定了灾情综合地理信息遥感监测指标[12]。他们在进行多组数据源综合遥感监测中采用“质量优先、填平补齐”的策略，充分利用高质量航空影像能快速、准确进行解译的优势，发挥SPOT5、ALOS、福卫2号、EROS、WorldView、QuickBird等高分辨率卫星影像覆盖范围广的优势，补充使用TerraSAR、COSMO等雷达卫星的全天候数据获取能力，填补无数据区的空白[12]。运用遥感技术监测时，按照航空、光学卫星、雷达的优先级顺序，实现全覆盖区域的监测。图像纠正采用自主开发的ImageInfo软件PixelGrid模块，进行稀少、无控制点几何处理和正射影像生成，采用ImageInfo融合模块进行多源影像融合处理；针对不同类型影像色彩反差较大的情况，采取不进行镶嵌处理而直接在GIS环境下进行叠加后判读，大大降低了数据处理量和判读时网络传输数据量[12]。
在只能获取雷达遥感影像的灾害初期，他们采用了单一时相的合成孔径雷达影像进行灾情信息的快速判读。汶川地震发生后，因山体大面积滑坡，河流堵塞，形成多处堰塞湖，可在雷达影像上得到明确判读。除此以外，对于滑坡造成的受损道路、桥梁和大坝等灾害信息也表现明显。地震灾害发生后，由于天气条件往往变得十分恶劣，严重阻碍灾情信息获取以及救援行动的实施，于是，采用雷达影像这种具有全天时、全天候工作特点的技术十分重要。这项运用可克服多云多雨条件下光学手段难以获得遥感数据的缺陷，迅速传回灾区地面信息数据。地震灾害过后，常会发生滑坡这样的伴生灾害。技术处理中选取合适的滑坡灾害影响因子，包括坡度、坡向、土地利用、植被指数、水系分布、地层岩性特征、断层、地面高程及岩土参数等，利用SINMAP空间危险性评估模型[14]和基于因子层分级加权方法[15]结合地理信息系统的强大空间分析功能[16]，并将这些因子图栅格化后在GIS软件中按照一定的模型叠加获得滑坡灾害等级图。然后，灾害评估结果与判读结果作对比分析，确证判读结果的正确性。
通过以上的两个应用实例，我们可以看到遥感技术对于大量信息的高强处理和高效解决应急性问题的特性。就是这种手段让我们看到了汶川地震灾后的救援迅速和有效地避免了次生地质灾害造成重大伤亡损失的局面。
四、结论及讨论
从以上的论述可以得到遥感技术在地质灾害调查中的应用有以下的特性。（1）数据处理的高效性。在海量数据堆叠的时候，我们可以快速提取和判读有用信息并对及时处理地质灾害重大问题做出最佳判断。（2）多方手段的综合应用性。遥感技术在地质灾害中的应用并不是基于某一个平台完成的，它需要各种如MapInfo、ArcGis等技术平台的支持。（3）遥感技术对于地质灾害监测具有实时性。遥感技术采用的监测手段可以克服很多诸如天气、地质条件等方面的不利因素，对于灾害区域和地质体进行不间断的监测，保证人们可以密切观测和预警灾害的发生和发展。
当然，我们也应当看到这一高效手段的不足。首先，中国的多数遥感数据都来自于美国发射的卫星，没有自主的数据源。第二，虽然遥感技术可以实时观测地质灾害点的相关活动，但做不到大面积的覆盖和广泛的民用性。第三，遥感技术在地质灾害调查中的应用作为一个新的领域，尚需要更多的技术性人才对观测的数据进行准确的分析，并做出对地质灾害的准确预报。
任何的新生事物要得到人们的承认和广泛的应用都需要一个漫长的过程。遥感技术作为一门新兴的高新技术手段来开展地质灾害调查不仅是必要的，而且具有很大的发展空间。遥感技术不仅可以应用于地质灾害调查、监测、预警、评估的全过程，而且，随着遥感技术理论的逐步完善和遥感图像分辨率的不断提高，遥感技术必将成为地质灾害调查中不可缺少的手段之一。这也应当成为广大遥感技术研究人员和地质人的努力方向。 责编/齐 尚
参考文献：
[1] 孙家抦. 遥感原理与应用[M]. 武汉：武汉大学出版社,2003.
[2] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.
[3] 邓湘金.基于模式识别知识的遥感图像变化检测研究[D].北京:中国科学院电子研究所,2002.
[4] 李德仁.利用遥感影像进行变化检测[J].武汉大学学报, 2003, 28 (S1): 7-12.
[5] 曹伯勋.地貌学及第四纪地质学[M].北京：中国地质大学出版社，1995.
[6] 李晋明,冯文珍.遥感地质学[M].武汉地质学院，1982.
[7] 马瑞升,孙涵,林宗桂等.微型无人机遥感影像的纠偏与定位[J].南京气象学院学报,2005, (10): 634—639.
[8] 周洁萍等.汶川地震灾区无人机遥感影像获取与可视化管理系统研究[J].遥感学报,2008,12(6):877-878.
[9] 中国科学院调动力量投入科技救灾[N].科学时报, 2008-05-18.
[10] 中国科学院遥感应用研究所,中国科学院三架无人飞机已获取第一批灾区遥感监测数据[K].2008-05-15.
[11] 虚拟地理环境:汶川地震[K]. 2008-05-15.Virtual Geographic Environment Wenchuan Earthquake [K].2008-05-15.
[12] 张继贤等. 汶川大地震灾情综合地理信息遥感监测与信息服务系统[J]. 遥感学报,2008,12(6):871-872
[13] 中国地质调查局.地质灾害航天遥感应急调查技术要求(草案)[S]. 2008.
[14] Pack R T, Tarboton D G, Goodwin C N, et al. SINMAP 2. A Stability Index Approach to Terrain Stability Hazard Mapping, Technical Description and Users guide for version 2. 0 [R],Utah State University, USA, 2005.
[15] 刘正军,王坚,张继贤等.基于因子层分级加权的三峡库区万州滑坡风险分区评估研究. [A]2007环境遥感学术年会—自然灾害遥感专题研讨会论文集, [C]辽宁大连，2007.
[16] 胡德勇,李京,陈云浩等•GIS支持下滑坡灾害空间预测方法研究[J]•遥感学报, 2007,11(6): 852—85.
作者简介:
1. 张篷，女，吉林白山人，中国地质大学（北京）地球科学与资源学院06级地质学专业在读本科生。
2. 蒋校，男，吉林四平人，中国地质大学（北京）地球科学与资源学院06级资源勘查工程专业在读本科生。