王福濤，王世新，周 藝*，王麗濤，閻福禮，李文俊，2，劉雄飛，2

1. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 廣西空間信息與測繪重點實驗室，桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004

高分辨率多光譜的蘆山地震次生地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測與評估

王福濤1，3，王世新1，周 藝1*，王麗濤1，閻福禮1，李文俊1，2，劉雄飛1，2

1. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 廣西空間信息與測繪重點實驗室，桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004

2013年4月20日蘆山7.0級大地震發(fā)生后，產(chǎn)生大面積滑坡、崩塌、碎屑流等次生地質(zhì)災(zāi)害，造成大量人員財產(chǎn)損失，并嚴重阻礙了應(yīng)急救援和災(zāi)后重建工作的順利開展。利用快速獲取的震前和震后航空、航天等多源遙感數(shù)據(jù)、地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)，首先結(jié)合次生地質(zhì)災(zāi)害在高分辨率多光譜影像上的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和紋理特征，對地震重災(zāi)區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和空間分布進行了有效監(jiān)測。結(jié)果顯示：蘆山縣、寶興縣和天全縣次生地質(zhì)災(zāi)害最為嚴重，各有164處、126處和71處大型次生地質(zhì)災(zāi)害點。并結(jié)合GIS技術(shù)對這些次生地質(zhì)災(zāi)害的空間分布規(guī)律，特別是同區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、烈度和地形地貌之間的關(guān)系進行了綜合分析和評估。評估結(jié)果顯示：在監(jiān)測區(qū)存在四個次生地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，其中一個聚集在震中6公里范圍內(nèi)，其他三個沿本區(qū)域兩個主要地質(zhì)斷層分布；超過97%的次生地質(zhì)災(zāi)害位于烈度Ⅶ～Ⅳ度、坡度25°～50°且海拔800～2 000 m之間的區(qū)域。最后結(jié)合震害遙感監(jiān)測評估結(jié)果，對震后恢復(fù)重建規(guī)劃及實施提出建議。

高分辨率；多光譜遙感；蘆山地震；監(jiān)測；次生地質(zhì)災(zāi)害

引 言

我國處在環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，是世界上地震災(zāi)害最嚴重的國家之一。大地震發(fā)生后，特別是在我國的西部山區(qū)，往往會導(dǎo)致大面積次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，不僅造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，而且嚴重阻礙了應(yīng)急救援和災(zāi)后恢復(fù)重建的順利實施。此時快速全面的獲取災(zāi)情信息特別是次生地質(zhì)災(zāi)害的分布信息對抗震救災(zāi)和災(zāi)后恢復(fù)重建的科學(xué)決策具有重要的意義。

高分辨率多光譜遙感技術(shù)具有的觀測范圍廣，速度快，安全，不受地形、地貌的阻隔，遙感影像直觀、準確、信息豐富等優(yōu)點，可以在地震災(zāi)害應(yīng)急減災(zāi)與評估中發(fā)揮重要的作用。如日本、美國等一些國家充分發(fā)揮航空、航天遙感等現(xiàn)代空間對地觀測技術(shù)在地震發(fā)生后，準確、全面地獲取災(zāi)情圖像信息，并對后續(xù)次生災(zāi)害進行動態(tài)監(jiān)測。日本的Takanasa Makama和馬籠弘志、美國的Bolt等，利用航空遙感圖像進行震害評估，取得了良好的效果[1-2]。土耳其地震、希臘雅典地震、印尼地震海嘯、南亞地震、海地地震等發(fā)生后，均采用了遙感手段及時地獲取災(zāi)區(qū)的房屋倒塌、道路損毀和次生災(zāi)害等信息，并進行震害損失評估[3]。在我國，2003年新疆巴楚——伽師地震后，王曉青、魏成階等利用航空遙感影像，以及震前、震后SPOT5圖像，首次成功地實現(xiàn)了在地震應(yīng)急階段獲取震害遙感影像并進行了地震災(zāi)害評估[4]。在2008年汶川特大地震和2010年玉樹大地震的抗震救災(zāi)過程中遙感發(fā)揮了重要信息源的作用，遙感技術(shù)在震害監(jiān)測和評估中得到了重點應(yīng)用和推廣[5-12]。近年來，伴隨著我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(簡稱高分重大專項)的部署和實施，高分辨率的航空和航天多光譜遙感技術(shù)得到有力推進，推動了高分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)在重大自然災(zāi)害和突發(fā)事件應(yīng)急監(jiān)測與評估應(yīng)用中的跨越式發(fā)展。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2013年4月20日8點11分，四川省蘆山縣發(fā)生7.0級大地震。地震發(fā)生后，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所第一時間啟動應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，開展遙感抗震救災(zāi)工作。20日9時50分，航空遙感飛機B-4101攜帶光學(xué)傳感器從四川綿陽機場起飛，開始執(zhí)行蘆山地震災(zāi)區(qū)災(zāi)情遙感監(jiān)測任務(wù)。至20日下午第一架次返航，拍攝地震災(zāi)區(qū)蘆山、寶興、天全等縣市約5 000 km2，內(nèi)高分辨率航空遙感數(shù)據(jù)約256 GB。之后，又連續(xù)飛行3架次，以震中為中心輻射50 km，獲取原始數(shù)據(jù)247GB的航空遙感數(shù)據(jù)，生成快視影像圖130 GB，實現(xiàn)了對重點災(zāi)區(qū)的有效覆蓋(如圖1所示)。

Fig.1 Post-quake high resolution remote sensing monitoring area

本研究使用的數(shù)據(jù)就是上述航空高分辨率多光譜遙感遙影像，此外還包括部分震前的SPOT5和資源三號(ZY3)全色和多光譜遙感影像。其中航空遙感影像分辨率為多光譜0.4～0.6 m，SPOT5影像分辨率為全色2.5 m、多光譜10 m，ZY3影像分辨率為全色2.1 m、多光譜5.8 m。

2 研究方法

蘆山地震次生地震災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測與評估主要基于對地震前后高分辨率多光譜遙感影像進行專題信息提取和變化監(jiān)測分析，并利用GIS空間分析功能開展評估和制圖。具體方法步驟如圖2所示，主要包括以下五個部分。

(1)結(jié)合地震三要素(震中位置、震級和發(fā)生時間)，快速收集整理災(zāi)區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)地貌數(shù)據(jù)和災(zāi)前多光譜遙感影像。利用這些數(shù)據(jù)進行災(zāi)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景分析、地震烈度快速模擬和受影響人口快速評估[13]，確定極重災(zāi)區(qū)范圍及應(yīng)急高分遙感監(jiān)測區(qū)域。

(2)震后高分辨率多光譜遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)成功獲取后，立刻啟動遙感影像的快速處理。處理工作主要包括：影像輻射定標、系統(tǒng)幾何校正、正射校正、增強、融合及鑲嵌等。在本次應(yīng)急監(jiān)測與評估過程中主要利用25 m DEM數(shù)據(jù)對高分遙感影像進行了正射校正。此外，由于需要對震前和震后的遙感影像進行變化監(jiān)測，還進行了影像——影像的匹配校正。

(3)開展次生地質(zhì)災(zāi)害的多光譜遙感信息分類提取。

Fig.2 Assessment flow for secondary geological disasters based on RS technology

首先，結(jié)合典型地質(zhì)災(zāi)害的遙感樣本庫和本次震后高分遙感影像的數(shù)據(jù)特點，建立次生地質(zhì)災(zāi)害的高分辨率多光譜遙感信息分類提取標志(滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害在高分辨率多光譜影像上具有明顯的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和紋理特征?；拢汉蟊谝话爿^陡峻并呈圍椅狀, 微地貌特征比較清楚；滑坡體與周圍地質(zhì)體在色調(diào)、紋理、植被發(fā)育及生長狀況上有明顯的差異；滑動面多呈簸箕型、舌形、長椅形、倒梨形等，在均質(zhì)土體中其剖面為一個近似半圓弧形。崩塌：堆積體地貌特征明顯，多發(fā)育在溝谷或河流兩側(cè)的陡崖、陡坎或巖體破碎地帶；崩塌后壁陡峭而粗糙，其顏色與巖性有關(guān)，多呈淺色調(diào)或接近灰白，一般不長植被或植被稀疏；崩塌體在坡腳形成錐狀的堆積體。碎屑流：多呈白色樹枝狀影像特征，規(guī)模較大者整個形成區(qū)呈花斑狀影像，其中有溝床順直的白色條紋和堵塞河流的影像特征)。

其次，通過變化檢測方法(比如差值法)進行地震前后的影像的變化檢測(為減少不同多光譜傳感器輻射均一性等因素帶來的影響，盡量選取和災(zāi)害發(fā)生季節(jié)相同的對比影像，并充分利用多光譜載荷輻射定標系數(shù)和光譜響應(yīng)函數(shù)將DN值轉(zhuǎn)化為反射率，最后利用直方圖匹配使兩幅影像的亮度分布盡可能地接近)，對變化區(qū)域結(jié)合遙感信息分類提取解譯標志確定具體次生地質(zhì)災(zāi)害的類型，通過人機交互解譯形成次生地質(zhì)災(zāi)害分布遙感應(yīng)急監(jiān)測結(jié)果，并及時送往國家應(yīng)急辦等相關(guān)部門以及救災(zāi)前線。

(4)利用空間分析統(tǒng)計方法(地形分析、疊加分析、統(tǒng)計分析、聚類分析和緩沖分析等)，對次生地質(zhì)災(zāi)害空間分布同地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌之間的關(guān)系，以及次生地質(zhì)災(zāi)害空間分布同地震烈度之間的關(guān)系進行分析和評估。

(5)利用以上監(jiān)測和分析評估結(jié)果，結(jié)合本區(qū)域資源環(huán)境狀況，為災(zāi)后恢復(fù)重建規(guī)劃的制定和實施提供決策建議。

3 結(jié)果與討論

3.1 震后次生地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測結(jié)果

基于地質(zhì)背景分析、高分辨率多光譜遙感影像處理和次生地質(zhì)災(zāi)害的遙感信息分類提取，研究人員有效獲取了蘆山地震高分辨率遙感監(jiān)測范圍內(nèi)的次生地質(zhì)災(zāi)害分布信息。監(jiān)測結(jié)果顯示在地震重災(zāi)區(qū)內(nèi)分布著大量地震引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害，其中滑坡、崩塌和碎屑流是最主要的三種類型。特別是在蘆山縣、寶興縣和天全縣次生地質(zhì)災(zāi)害點分布最為廣泛，如表1、圖3、圖4和圖5所示。

Table 1 Number of the secondary geological disasters in the most severely affected region

Fig.3 Monitoring results for Taiping town, Baosheng village and Longmen village in Lushan County

Fig.4 Monitoring results for Xiaohe village and Laochang village in Tianquan County

3.2 次生地質(zhì)災(zāi)害分布同地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系分析

通過高分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)有效提取次生地質(zhì)災(zāi)害分布并制圖后，我們發(fā)現(xiàn)這些次生災(zāi)害分布具有明顯的聚集特征。為了更好的理解這種現(xiàn)象，首先利用GIS技術(shù)結(jié)合空間評估模型，分析了次生地質(zhì)災(zāi)害分步同地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系(如圖6所示)。結(jié)果顯示：研究區(qū)域內(nèi)存在四個次生災(zāi)害高發(fā)(熱點)區(qū)(如表2所示)，一個位于震中6 km范圍內(nèi)(26%)；一個沿著龍門山斷裂帶中的鹽井——五龍斷層分布(21.6%)；另外兩個沿著龍門山斷裂帶中的雙石——大川斷層分布(36.6%)。地質(zhì)斷層活動對次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育和發(fā)展起綜合控制影響作用效果明顯。

Fig.6 Relationship between the distribution of the secondary geological disasters and geological structure

Table 2 Statistics of the secondary geological disasters in the high-hazard zones

3.3 次生地質(zhì)災(zāi)害分布同地震烈度及地形地貌之間的關(guān)系分析

基于DEM數(shù)據(jù)和地震烈度數(shù)據(jù)，我們重點分析了蘆山地震次生地質(zhì)災(zāi)害分布同地震烈度、高程和坡度之間的關(guān)系。結(jié)果顯示：研究區(qū)內(nèi)，超過97%的次生地質(zhì)災(zāi)害分布于海拔800～2 000 m之間、坡度為25°～50°之間的Ⅶ—Ⅳ度地震烈度區(qū)域內(nèi)，如表3和圖7所示?？梢姵刭|(zhì)構(gòu)造影響因素外，地震烈度大小和地形地貌等因素同次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和分布也具有緊密的聯(lián)系。

Table 3 Statistics of the secondary geological disasters in the Lushan Earthquake intensity

Fig.7 Distribution of the secondary geological disasters overlaid with the Lushan Earthquake intensity

3.4 震后恢復(fù)重建規(guī)劃及實施建議

蘆山地震災(zāi)區(qū)位于青藏高原向四川盆地急劇過渡地帶，地理環(huán)境復(fù)雜，山區(qū)廣布，生態(tài)環(huán)境相對脆弱。本次強震發(fā)生后，山地災(zāi)害風(fēng)險顯著增強，資源與環(huán)境承載能力有所下降?；诒緟^(qū)域次生地質(zhì)災(zāi)害的分布監(jiān)測結(jié)果，考慮本區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境背景條件以及暴雨頻發(fā)的氣候特點，在震后恢復(fù)與重建過程中，建議實施次生地質(zhì)災(zāi)害治理與預(yù)防并重的綜合管理模式。

(1)建議迅速開展更為翔實、全面的地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查，特別是確定區(qū)域主要活動斷層的精確位置對后續(xù)的防災(zāi)避險具有重要意義。并以此為基礎(chǔ)建立斷層兩側(cè)15～50 m的建設(shè)避讓帶。

(2)根據(jù)震后次生地質(zhì)災(zāi)害分布高分辨率遙感監(jiān)測結(jié)果以及次生地質(zhì)災(zāi)害對居民區(qū)和主干道路的損毀評估情況，為減少后續(xù)次生地質(zhì)災(zāi)害的威脅，建立適當(dāng)?shù)拇紊刭|(zhì)災(zāi)害避讓區(qū)非常必要。參考國外經(jīng)驗，建議居民區(qū)和重點工程設(shè)施避讓滑坡和崩塌的距離為50～100 m，避讓大型碎屑流的距離為200～300 m。

(3)參照2008年汶川5.12特大地震以及2010年玉樹4.14大地震震后次生災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展經(jīng)驗，估計本區(qū)域崩塌的數(shù)量在震后1年時間內(nèi)將穩(wěn)步增加，2～3年后逐漸減少。而滑坡和碎屑流(泥石流)的狀況在震后1～6年的時間內(nèi)都將比較嚴重，特別是在5月到8月的雨季期間。因此，加強災(zāi)區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害的治理和防御非常重要，建議將次生地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)的次生地質(zhì)災(zāi)害點治理、區(qū)域綜合防御和災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案制定緊密銜接，形成點——線——面配套的綜合治理和防御體系。

4 結(jié) 論

在對多次地震遙感應(yīng)急監(jiān)測與評估實踐經(jīng)驗進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，歸納了利用高分辨率多光譜數(shù)據(jù)開展地震次生地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測與評估的技術(shù)流程。不僅在蘆山地震震后第一時間有效開展了次生地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急遙感監(jiān)測，而且對次生地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律進行了綜合分析和評估。監(jiān)測與評估結(jié)果顯示：在監(jiān)測研究范圍內(nèi)，次生地質(zhì)災(zāi)害(超過361個災(zāi)害點)主要位于蘆山縣、寶興縣及天全縣等極重災(zāi)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，且分布具有典型的聚集特征，同地質(zhì)斷層、地形坡度、高程以及地震烈度存在密切的關(guān)系。相關(guān)監(jiān)測和分析結(jié)果及時報送到抗震救災(zāi)相關(guān)部門和決策機構(gòu)，有力支持了應(yīng)急救援前線工作的開展，并為制定科學(xué)合理的災(zāi)后重建規(guī)劃、避免和減少次生地質(zhì)災(zāi)害后期影響提供了依據(jù)。

綜上所述，以高分辨率多光譜遙感為代表的空間信息技術(shù)，不僅提供了快速獲取震害分布等災(zāi)情信息的有效手段，而且在宏觀監(jiān)測和決策分析方面具有明顯的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。特別是伴隨著我國高分一號(GF1)、高分二號(GF2)衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射以及高分航空系統(tǒng)的進一步完善，利用高分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)開展重大自然災(zāi)害和突發(fā)事件的應(yīng)急監(jiān)測與評估將得到更好的應(yīng)用和更快的發(fā)展。

致謝：在蘆山大地震震害監(jiān)測與評估過程中，得到了下列部門或單位及時、豐富的數(shù)據(jù)支持，在此感謝：中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所航遙中心和地面站提供了災(zāi)后高分多光譜遙感影像和災(zāi)前SPOT-5圖像支持;國家資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的災(zāi)前資源三號數(shù)據(jù)支持；中國地震局提供的地震烈度地面調(diào)查數(shù)據(jù)以及國家遙感中心提供的部分無人機數(shù)據(jù)支持。

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[13] Wang Futao, Wang Shixin, Zhou Yi, et al. Disaster Advances，2012, 5(4): 1414.

*Corresponding author

High Resolution Remote Sensing Monitoring and Assessment of Secondary Geological Disasters Triggered by the Lushan Earthquake

WANG Fu-tao1，3, WANG Shi-xin1, ZHOU Yi1*, WANG Li-tao1, YAN Fu-li1, LI Wen-jun1，2, LIU Xiong-fei1，2

1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3. Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China

The secondary geological disasters triggered by the Lushan earthquake on April 20, 2013, such as landslides, collapses, debris flows, etc., had caused great casualties and losses. We monitored the number and spatial distribution of the secondary geological disasters in the earthquake-hit area from airborne remote sensing images, which covered areas about 3 100 km2. The results showed that Lushan County, Baoxing County and Tianquan County were most severely affected; there were 164, 126 and 71 secondary geological disasters in these regions. Moreover, we analyzed the relationship between the distribution of the secondary geological disasters, geological structure and intensity. The results indicate that there were 4 high-hazard zones in the monitored area, one focused within six kilometers from the epicenter, and others are distributed along the two main fault zones of the Longmen Mountain. More than 97% secondary geological disasters occurred in zones with a seismic intensity of VII to IX degrees, a slope between 25 A degrees and 50 A degrees, and an altitude of between 800 and 2 000 m. At last, preliminary suggestions were proposed for the rehabilitation and reconstruction planning of Lushan earthquake. According to the analysis result, airborne and space borne remote sensing can be used accurately and effectively in almost real-time to monitor and assess secondary geological disasters, providing a scientific basis and decision making support for government emergency command and post-disaster reconstruction.

High Resolution；Multi-spectral remote sensing；Lushan earthquake；Monitoring；Secondary geological disasters

Sep. 1, 2014; accepted Dec. 18, 2014)

2014-09-01，

2014-12-18

國家自然科學(xué)基金項目(41301501，41201441，41371363)，國家高分重大專項-電子政務(wù)災(zāi)后重建項目(00-Y30B15-9001-14/16)和廣西空間信息與測繪重點實驗室課題項目(1207115-18)資助

王福濤，1983年生，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副研究員 e-mail：wangft@radi.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: zhouyi@radi.ac.cn

TP79

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0181-05