韓文權

(重慶市地質環(huán)境監(jiān)測總站，重慶 401122)

遙感技術作為獲取地球表面信息的一種手段，已經(jīng)在自然資源調查、環(huán)境監(jiān)測以及自然災害監(jiān)測方面取得了巨大進展。近年來，隨著遙感平臺的日新月異，所搭載傳感器的功能多樣化，所獲得的遙感數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出種類豐富、圖像質量好、重復觀測頻率高的特點。隨著傳感器技術的發(fā)展，尤其是傳感器分辨率(空間、光譜、時間、輻射)的提高,不僅提高了遙感的觀測尺度、對地物的分辨本領和識別的精細程度,而且使遙感地質發(fā)生了由宏觀探測到微觀探測,由定性解譯到定量反演的質的飛躍[1]。范一大等將災害遙感按照應用場景分為災害遙感日常業(yè)務、災害遙感應急監(jiān)測業(yè)務和自然災害損失評估三個方面，日常業(yè)務利用多尺度的遙感衛(wèi)星開展地表孕災環(huán)境的周期性監(jiān)測；應急監(jiān)測業(yè)務適用于災后快速開展遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工作，損失評估對因災損失實物的評估[2]。在國家的大力推動下，多維、高中低分辨率結合的衛(wèi)星遙感監(jiān)測體系發(fā)展迅速，重特大災害監(jiān)測中“天—空—地—現(xiàn)場”一體化的災害立體監(jiān)測體系正逐步完善[2]。已有多位科研人員應用無人機遙感、InSAR、GIS等技術進行了地質災害的調查和監(jiān)測，并在此基礎上分析了地質災害控制因素及發(fā)展趨勢[3-7]。新的遙感技術相對于傳統(tǒng)中低分辨率遙感及航空遙感，不斷為地質災害防治工作提供新的數(shù)據(jù)種類和信息提取方法，成為地質災害防治工作提升的動力之一。

1 重慶市地質災害防治概況

重慶市位于四川盆地東部的盆周山地及盆緣斜坡之上，域內(nèi)有揚子準地臺和秦嶺褶皺系兩大構造單元，地表水系發(fā)達，地形切割強烈，巖土體結構及地質構造復雜。重慶沉積巖區(qū)多，且變化較大[8]，具有形成滑坡、崩塌、地面塌陷、泥石流等地質災害的地質條件，是我國地質災害高易發(fā)區(qū)之一[9]。重慶市地質災害頻繁，危害巨大，隨著極端氣候帶來的區(qū)域性強降雨，引起地質災害大量發(fā)生，尤其是2014年重慶8.31日渝東北區(qū)域發(fā)生了大面積特大暴雨，渝東北開縣、云陽、巫溪、奉節(jié)、巫山等5個縣的48個雨量站超過250 mm，引發(fā)大量滑坡、泥石流發(fā)生，造成房屋倒塌、公路等公共設施破壞，對社會經(jīng)濟影響巨大。

截至2019年底重慶市統(tǒng)計的地質災害隱患點共有15 000余處，面對數(shù)量眾多、分布廣泛的地質災害，監(jiān)測與防治工作需要耗費大量人力物力。頻繁出現(xiàn)的新生地質災害，由于隱蔽性強，造成的危害更大，防不勝防。因此，需要應用新技術、新方法來提升地質災害防治的技術水平和工作質量，其中遙感技術應對區(qū)域型地質災害防治作用顯著，不僅可以提供直觀的現(xiàn)場信息，而且可分析出地質災害的空間變形，為地質災害快速預警和防治工作提供了更多選擇和可能。

2 地質災害主要遙感新技術

2.1 高分辨率遙感

高分辨率遙感相對傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感而言，在空間、光譜、時間方面具有較高的性能。高空間分辨率遙感可獲取空間粒度細膩的影像，具有更高的地物辨識度；高光譜遙感將地物反射光譜分成很多連續(xù)而且窄的光譜通道對地物持續(xù)遙感成像的技術，可通過光譜曲線的差異識別物化性質不同的地物；高時間分辨率遙感重返周期短，可對同一地點高頻觀測。本世紀初民用高分辨率遙感數(shù)據(jù)主要由國外衛(wèi)星獲取，如QUICKBIRD，IKONOS等，近十年來我國的高分辨率遙感取得了突飛猛進的成果，大量國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星被開發(fā)出來并投入實際應用，主要有高分系列衛(wèi)星(如高分一號2 m，高分二號0.8 m，高分五號光譜分辨率為0.3～0.5 nm等)；吉林一號(全色0.72 m，多光譜2.88 m)；高景一號(多光譜2 m，全色0.5 m)；北京一、二號，“珠海一號”星座已經(jīng)能夠提供大量的亞米級遙感影像。另外航空遙感作為重要遙感數(shù)據(jù)源，受云霧影響小，在地質災害調查、監(jiān)測及應急工作中的作用舉足輕重。

2.2 傾斜攝影測量

傾斜攝影測量是近年來發(fā)展最快的攝影測量技術之一，通過飛行平臺搭載包括垂直和多個傾斜鏡頭的攝影系統(tǒng)從不同視角同步采集數(shù)據(jù)，因其能夠從側面獲取地面詳細特征影像，尤其是垂直裂縫等傳統(tǒng)正射攝影難以獲取的地質災害信息，通過數(shù)據(jù)處理平臺可以獲得高精度三維地面模型，在地質災害詳細調查和監(jiān)測預警方面有著巨大的優(yōu)勢。

2.3 低空遙感

相對傳統(tǒng)航空遙感，低空遙感是傳感器搭載平臺飛行高度較低的一種遙感方式，通常飛行相對高度不超過1 km。低空遙感通常由飛行平臺、數(shù)據(jù)獲取設備、飛控系統(tǒng)、通訊鏈路及影像處理系統(tǒng)組成[10]。常見的低空飛行平臺有固定翼無人機、無人直升機、旋翼無人機以及固定翼與旋翼結合無人機。由于無人機的承載能力有限，通常應用微型遙感數(shù)據(jù)獲取設備，如單反相機、攝像機、紅外相機、小型微波雷達及激光雷達。由于飛行高度較低受云層影響較小，而且部署靈活快速，低空遙感成為小規(guī)模攝影測量及地質災害應急監(jiān)測的利器。

2.4 雷達遙感干涉測量(InSAR)

InSAR是利用同一位置不同時間的合成孔徑雷達回波信號所攜帶的相位信息解算相位變化，精確計算地面測量點的三維信息及其微小變化的一種技術。根據(jù)工作模式可分為交規(guī)、順軌、重復軌道三種干涉測量，其中重復軌道干涉是最為常用的方式。InSAR技術首次應用是NASA于1969年對月球表面進行觀測，隨后研究者在InSAR的基礎上發(fā)展了D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、DS-InSAR和MAI等方法[11]，在高程生成、地面沉降、地震形變、滑坡變化、火山活動、冰川運動等領域的研究與監(jiān)測方面有廣闊的應用前景。星載合成孔徑雷達(SAR)基于其全天時、全天候工作模式的獨到優(yōu)勢,已成為微波遙感領域中發(fā)展最迅速和最有成效的傳感器之一。目前合成孔徑雷達衛(wèi)星主要有高分三號、TerraSAR-X、RADARSAT-2、ALOS2、COSMO-SKyMed、Sentinel衛(wèi)星。

3 遙感新技術在重慶市地質災害防治中的應用

3.1 地質災害調查

近10多年來，重慶市已將高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)應用于多個地質災害調查項目，包括三峽庫岸1∶5萬地質災害調查、地質災害精細化調查、巖溶地區(qū)的高位危巖排查、重慶主城“四山”地質災害調查等區(qū)域性項目。高分辨率遙感結合地質基礎資料對調查區(qū)基礎地質要素、水文地質要素、地質災害體、地面植被、耕地、建筑物、交通設施等開展了綜合解譯，結合地層、斷裂、褶皺等構造，完成地質災害初步成果，以供實地驗證。

國內(nèi)多個研究機構也將國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)用于三峽庫區(qū)地質災害遙感調查與監(jiān)測研究[12-13]。2009年應用全市1∶1萬航測正射影像圖完成渝東南5個區(qū)縣1∶5萬地質災害詳細調查，重慶市都市圈城市地質調查及每年全市地質災害的調查排查工作；2012年無人機航測完成38個區(qū)縣城區(qū)正射影像圖及地質災害監(jiān)測。隨著資源衛(wèi)星02C、高分一號、高分二號衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)，國產(chǎn)衛(wèi)星影像大量應用于地質災害防治工作，同時建立高分影像數(shù)據(jù)庫用于地質災害應急。自然資源部航空物探遙感中心在2003、2009、2017年多次開展三峽庫區(qū)高精度航空遙感地質調查工作[14]，完成的三峽庫區(qū)重慶段正射影像圖為庫區(qū)地質災害防治提供了航空遙感數(shù)據(jù)支撐與科學依據(jù)。2016年起將傾斜攝影測量技術應用于地質災害調查中，完成多個大中型地質災害三維地表模型，使地質災害細微特征的解析更加直觀。目前，正在進行的奉節(jié)、巫山等多個區(qū)縣地質災害詳細調查和精細化調查，高分辨率遙感數(shù)據(jù)處理和解譯結果是野外工作開展的基礎。

3.2 地質災害防災預案

地質災害防災預案是為了在地質災害發(fā)生災情、險情后，能夠快速開展調查和應急處置而預先制定的應對措施，包括用于區(qū)域防災的區(qū)域性應急預案和對單個地質災害的詳細應急措施。重慶市現(xiàn)已將高分辨率遙感數(shù)據(jù)應用于地質災害預案編制，高分辨率航測數(shù)據(jù)和高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)都是有效的數(shù)據(jù)源，通過在遙感圖上直接測量地質災害影像對象類型、面積、長度等參數(shù)，結合DEM或者三維地表模型估算地質災害規(guī)模，評估可能會造成的損失并制定應對措施，為人員逃生制定撤離路線。

3.3 地質災害監(jiān)測預警

地質災害監(jiān)測預警是地質災害防災體系中的重要工作，通過大量的地質災害變形觀察和儀器測量，發(fā)現(xiàn)地質災害的變化情況，及時在危險發(fā)生之前采取應對措施，撤離人員以防造成不必要的人員傷亡。目前重慶市對已發(fā)現(xiàn)的地質災害隱患點建立了群測群防與自動化監(jiān)測相結合的監(jiān)測預警體系，通過大量巡查與高頻率變形數(shù)據(jù)監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的災害。但是，在監(jiān)測環(huán)境不理想?yún)^(qū)域，如危險性特別大、人員難以到達的地質災害隱患區(qū)域，低空遙感、微波遙感監(jiān)測是有效的手段，將前后兩次遙感影像對比分析，通過測量遙感影像中裂縫寬度、裂縫條數(shù)、地面位移等參數(shù)，掌握地質災害穩(wěn)定狀況，并根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)預測變化規(guī)律并提供預警信息，如遙感技術在巫山縣望霞危巖、奉節(jié)藕塘滑坡等地質災害監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。近年來，中科院武漢測量與地球物理研究所、長安大學等多個研究機構在重慶萬州、奉節(jié)、巫山等區(qū)縣開展了基于雷達遙感干涉測量的地質災害變化監(jiān)測應用試驗，應用日本ALOS衛(wèi)星和歐空局的Sentinel-1、2號衛(wèi)星的合成孔徑雷達(SAR)影像對巫山縣地質災害變化遙感監(jiān)測，證明InSAR技術在地質災害監(jiān)測中有應用價值，國產(chǎn)高分三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地質災害變化干涉測量預警也在研究中。2020年重慶市將開展InSAR技術在渝東北區(qū)域地質災害早期識別中的應用，應用Sentinel-1、2號衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)進行區(qū)域干涉測量，通過變形量發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生地質災害區(qū)域并進行預警。

3.4 地質災害應急處置

當?shù)刭|災害發(fā)生災情或者險情時需要進行防災處置或救援時，快速掌握災險情的詳細情況是應急工作部署的重要基礎。面對隨時可能發(fā)生的次生災害，人力調查不僅危險性大，而且需要的時間長，有時會造成決策過程的延長。應用遙感技術可有效解決上述問題，歷史存檔高分辨率遙感影像提供災險情發(fā)生前地質環(huán)境狀況，低空遙感快速獲取災險情后影像，為地質災害應急工作部署提供第一手資料。地基雷達干涉測量也是地質災害應急變形監(jiān)測的重要手段。2007年武隆縣雞尾山特大型滑坡發(fā)生后，自然資源部航遙中心應用低空遙感技術獲得現(xiàn)場影像用于制定工作方案；2014年9月，奉節(jié)縣大樹鎮(zhèn)發(fā)生大面積山體滑坡，中科院武漢測量與地球物理研究所等機構應用IBIS—L地基InSAR系統(tǒng)對大樹鎮(zhèn)滑坡體的整體地形、滑坡面分布特征和坡面重點活動部位以5 min間隔對滑坡體進行持續(xù)60 h的連續(xù)高頻觀測，發(fā)現(xiàn)滑坡體上存在兩處顯著活動區(qū)。

4 拓展方向

4.1 多源數(shù)據(jù)融合應用

多平臺、多層面、多傳感器、多時相、多光譜、多角度以及多空間分辨率遙感的融合應用，是目前遙感技術的重要發(fā)展方向[15]。重慶市以往的地質災害遙感應用大都是應用單一來源遙感數(shù)據(jù)解譯，缺乏多源遙感數(shù)據(jù)之間的融合應用。光學衛(wèi)星影像色彩多樣，信息豐富，但是不可穿透云霧，在重慶市受氣象條件和地形限制。雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以穿透云霧，但是波段少，信息不夠豐富。將雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)和多光譜影像融合，將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和低空遙感數(shù)據(jù)融合、遙感數(shù)據(jù)和基礎地質數(shù)據(jù)的融合使用將會為重慶市地質災害防治提供多樣性選擇，并能夠加深對數(shù)據(jù)的利用程度。

4.2 數(shù)據(jù)深度挖掘

隨著國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星及其他高分辨率遙感影像的獲取，遙感數(shù)據(jù)極大豐富，針對高空間分辨率遙感、高光譜遙感、雷達遙感快速更新和變化監(jiān)測的前沿技術已取得了一定的進展。重慶市地質災害中遙感數(shù)據(jù)解譯主要還是目視解譯為主，面向全市大范圍地質災害的高頻遙感監(jiān)測，需要巨大的人力，因而有待將數(shù)據(jù)挖掘、機器學習以及深度學習方法應用于地質災害遙感監(jiān)測中，探索準確且快速的數(shù)據(jù)檢測方法。

4.3 高光譜遙感應用

高光譜在地質行業(yè)中的應用主要集中在找礦中，通過識別蝕變信息發(fā)現(xiàn)礦脈。已經(jīng)開展的地質災害遙感應用中，主要集中于多光譜遙感、雷達遙感，缺乏高光譜的豐富波段信息，未來需要探索高光譜在地質災害中的應用方法，從連續(xù)光譜特征發(fā)現(xiàn)地質災害與穩(wěn)定地層之間的區(qū)別。

5 結語

在重慶市地質災害防治、監(jiān)測預警工作中，已經(jīng)將遙感新技術應用于地質災害調查評價、防災預案編制、監(jiān)測預警和應急處置工作中，并開展了多種遙感新技術在地質災害防治領域的研究和應用，取得了明顯效果，提升了地質災害防治水平。

隨著計算機視覺、數(shù)據(jù)挖掘及深度學習領域技術革命性的發(fā)展，為遙感數(shù)據(jù)的分析和信息發(fā)掘帶來了動力和技術可能。重慶市地質災害防治領域遙感新技術應用還處于初步階段，需逐步探索多源遙感數(shù)據(jù)和地質基礎資料的的融合應用，遙感數(shù)據(jù)處理技術和機器學習、深度學習等計算機領域新技術的融合應用，挖掘出地質災害遙感新領域，提出新的應用思路和技術。