遥感技术在地质灾害调查中的应用及前景

地质灾害遥感调查正由示范性实验阶段步入全面推广的实用性阶段。地质灾害的日益严重和对突发性地质灾害抢灾救灾工作的时效性要求，应用遥感技术开展地质灾害调查是极其必要的，是当代高新技术发展的必然趋势。遥感技术特点及其它相关高新技术的高速发展，已使地质灾害遥感调查成为可能。遥感技术可以贯穿于地质灾害调查、监测、预警、评估的全过程。应用遥感技术开展地质灾害调查具有广阔的前景。全面推广地质灾害遥感调查，有待于遥感工作者和地质灾害工作者的共同努力。一、地质灾害遥感调查的历史回顾近20年来，随着航空航天对地观测技术、计算机技术和电磁波信息传输技术等的深入研究，遥感技术得到了迅猛的发展，在实用化方向上迈出了重要的一步，并被广泛应用于各种国土资源调查与环境评价及灾害监测中。遥感技术应用于地质灾害调查，可追溯到上世纪70年代末期。在国外，开展得较好的有日本、美国、欧共体等。日本利用遥感图像编制了全国1/5万地质灾害分布图；欧共体各国在大量滑坡、泥石流遥感调查基础上，对遥感技术方法进行了系统总结，指出了识别不同规模、不同亮度或对比度的滑坡和泥石流所需的遥感图像的空间分辨率，遥感技术结合地面调查的分类方法，可以用GPS测量及雷达数据，监测滑坡活动可能达到的程度。我国利用遥感技术开展地质灾害调查起步较晚，但进展较快。我国地质灾害遥感调查是在为山区大型工程建设或为大江大河洪涝灾害防治服务中逐渐发展起来的。80年代初，湖南省率先利用遥感技术在洞庭湖地区开展了水利工程的地质环境及地质灾害调查工作。有关单位先后在雅砻江二滩电站、红水河龙滩电站、长江三峡工程、黄河龙羊峡电站、金沙江下游落渡、白鹤滩及乌东清电站库区开展了大规模的区域性滑坡、泥石流遥感调查；从80年代中期起，又分别在宝成、宝天、成昆铁路等沿线进行了大规模的航空摄影，为调查地质灾害分布及其危害提供了信息源。90年代起，在主干公路及铁路选线，如京九铁路沿线等也使用了地质灾害遥感调查技术。90年代末期在全国范围内开展的“省级国土资源遥感综合调查”工作中，各省（区）都设立了专门的中小比例尺“地质灾害遥感综合调查”课题，主要是识别地质灾害微地貌类型及活动性，评价地质灾害对大型工程施工及运行的影响等。特别是近年在重大工程论证中，都开展了工程地质遥感调查工作，如杭州湾跨海大桥、向山港跨海大桥等。近20年的实践，摸索了一套较为合理有效的滑坡、泥石流等地质灾害遥感调查方法，即利用遥感信息源，以目视解译为主，计算机图像处理为辅，将重点区遥感解译成果与现场验证相结合，并利用其它非遥感资料，综合分析，多方验证。综上所述，地质灾害遥感调查已基本完成了示范性实验阶段，正走向全面推广的实用性阶段，在山区大型工程建设及江河湖库的防灾减灾工作中尤其具有广阔的应用前景。遥感技术应用地质灾害调查，已取得了许多成功的经验。但是在地质灾害监测方面，成功的实例不多。充分利用航天遥感、差分干涉雷达和全球定位系统技术及其集成技术进行地质灾害监测，是未来遥感对地观测技术体系在地质灾害监测应用中的必然发展趋势。二、地质灾害遥感调查的必要性1、地质灾害的日益严重要求采用当代高新技术开展调查工作人口、资源、环境与灾害是当今社会人类面临的主要问题。人口的不断增长，导致了对资源需求的不断增加；人类活动空间和规模的迅速增大及对资源的过量开采，导致了一系列环境问题，引起了一系列自然灾害。在各种自然灾害中，地质灾害占有重要的比重。据不完全统计，全球发展中国家每年由地质灾害造成的经济损失，达到了国民生产总值的5%以上。在我国灾害及其所导致的环境问题中，据估计由地质灾害造成的损失约占整个灾害损失的35%。其中崩塌、滑坡、泥土流及人类工程活动诱发的浅表生地质灾害所造成的损失约占55%。这些灾害的一次性规模虽小于地震、洪涝灾害等，但其发生频度和涉及范围则远远高于和广于这两种灾害，一年的总损失约200亿元。我国从青藏高原向云贵高原和从云贵高原向长江中下游平原过渡的两个大陆坡度带范围内，仅上世纪80年代以来所发生的一次性伤亡人数在数十人以上或直接经济损失在数千万元以上的灾难性崩滑事件就达十余起，仅这些灾害所造成的人民生命损失已超过千人，直接经济损失上亿元，事后善后处理及整治费用则高达近十亿元，而由于灾害对社会所带来的影响所产生的间接损失则更是无法估量。湖南是我国地质灾害较严重的省区。据统计，湖南省自1949年以来，滑坡、泥石流、崩塌三类地质灾害造成的直接经济损失达数十亿元。而1991年至2000年的10年间，直接经济损失就达9亿元以上，因灾死亡536人。特别是2001年，湖南省共发生严重地质灾害1000余处，造成108人死亡，38人失踪，451人受伤，损毁房屋16283间，毁坏农田64167亩，损毁公路313公里，直接经济损失81494万元。可见，地质灾害已经严重地威胁着人民的生命财产安全，阻碍了社会经济可持续发展。利用当代高新技术加大对地质灾害调查、监测和防治，已成为刻不容缓的任务。2、地质灾害的突发性与救灾的迫切性要求利用遥感技术进行调查暴雨是诱发地质灾害的催化剂。暴雨的冲刷、淋漓和渗透，一方面降低了岩土体的抗剪强度，特别是降低地质体结构面的抗滑强度，使其发展成为滑动面和崩塌界面；另一方面增加了岩土体的自重、并增大了地下水的动压力和静压力，进一步降低了斜坡的稳定性，进而诱发滑坡。另外，崩塌体和滑坡体在高强度水流作用下形成泥石流。由此可以看出，地质灾害多发生于暴雨天气，常具有突发性特点。一般地，暴雨多呈面型分布，因此，由暴雨引发的地质灾害也相应地大多表现为区域性，且多形成地质灾害链。这种在暴雨恶劣天气下突发的地质灾害，若用传统的调查方法，不仅因为大面积调查难以做到实时性，也难以保证真实性和准确性。但是，卫星遥感中的“星载雷达技术”具有穿透云雨特点，不受天气条件影响。利用星载雷达可以实时而准确的开展突发性地质灾害调查。遥感对地观测技术是当代高新技术的重要组成部分，是20世纪末几年开始执行的“对地观测系统（EOS）”计划的主体。它具有时效性好、宏观性强、信息量丰富等特点。利用全球卫星定位系统（GPS）可以准确地监测地质灾害体的形变与蠕动情况，从卫星遥感图像上可实时或准实时地反映灾时的具体情况，监测重点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，根据国民经济建设与可持续发展的需要，在地质灾害调查中采用遥感技术这一先进手段，是尤为必要的，这也是现代高新技术应用发展的必然趋势。三、地质灾害遥感调查的可行性1、地质灾害遥感调查技术经验的积累国内外地质灾害遥感调查技术方法主要是在上世纪最后20年发展起来的，现已基本形成了规范化的技术流程，在地质灾害遥感判读、分类及制作相应的图像方面都取得了较成熟的经验。湖南省遥感中心承担的湖北鹤峰县娄水江坪河水库的地质灾害调查，利用黑白航片解译了一系列的滑坡、崩塌、泥石流等，编制了1/5万地灾分布图。该图较详细地表示了各种地质灾害的位置、边界、要素等时空特征及平面规模，成为水电部门规划设计甚至地灾评估的重要基础资料及基本依据之一。近年来完成的“湖南省地质灾害遥感综合调查”项目，对全省地质灾害进行了系统的遥感解译，并进行了滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害分区与定量的灾情等级评价，从宏观上进行了致灾成因分析和发展趋势预测。20年的实践与摸索，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。2、遥感技术特点为有效地进行地质灾害调查提供了可能地质灾害的发生主要受制于地层岩性、构造展布、植被覆盖、地形地貌以及大气降水强度等要素。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。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时的灾情调查、动态监测和损失评估。因此，遥感技术在地质灾害调查中必将发挥重要的作用。3、现代高新技术的发展是地质灾害遥感调查的强有力技术支持空间技术、信息技术和计算机技术是20世纪发展最迅速的科学技术。就空间技术而言，光机扫描遥感仪器的实验成功（代替了摄像管技术），是空间光学-传感器技术发展的转折，它解决了从空间获取可见光和红外两个重要电磁波段数据的关键技术性问题，也为遥感技术提供了更宽波段范围内的服务。如TM（或ETM）图像数据，虽然从技术发展来看，已达到自身的性能极限，但在众多的领域内，它正在或在相当长的一段时间内，可作为重要的信息源服务于广大用户。另一方面，它也为进一步探索空间传感器的机理奠定了基础；对地观测的遥感器目前已涉及从紫外、可见光、红外、微波到超长波的各个波段。其中，可见光一红外波段间的波谱分辨率已达纳米级。目前，成像光谱仪技术已获得了重大突破，如美国在上世纪90年代发展研制的地球观测系统（EOS），为直接监测和区分地物提供了可能性。在空间分辨率上，利用了长达20年之久的美国TM图像（30m）和法国SPOT卫星图像（10m）已被近年来发射的米级甚至分米级卫星图像所取代，美国IKONOS、Landsat—7卫星，俄罗斯的SPIN—two卫星，加拿大的RadarSAR卫星，印度的IERS卫星等空间分辨率均达米级，我国1999年成功发射的CBERS—1地球资源卫星的空间分辨率也达19.5m。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之一。人造地球卫星的发展与计算机的发展有类似之处，即既向大型方向发展又向小型微型方向发展。发射人造地球卫星需要雄厚的物质基础和技术基础，但是，发射小卫星具有费用低，周期短等优点。一个省（市）区，甚至一所学校，乃至学生作的实验都可发射一颗小卫星。如我国清华大学与英国Surrey大学协作，于1999年成功地发射了“清华一号”和“清华二号”小卫星，遥感传感器的分辨率达到1.8m；哈尔滨工业大学，中科院上海冶金研究所和空间中心也都准备发射自己的小卫星。可以肯定，小卫星的自主研制与发射必将推动地质灾害遥感调查工作。GPS技术大大改进了滑坡、泥石流等地质灾害调查中的定位工作。目前，美国和俄罗斯都有全球定位系统，其提供数据的差分精度可达毫米级。我国的基础地理框架工作也取得了长足进步，1/100万比例尺的全国数字地图已进入Internet，1/25万全国数字地图也已完成，部份重点地区的1/5万基础1/1万的数字地图制作工作也初具规模。这些基础数据对实现地质灾害遥感调查新技术提供了有力的支撑。遥感图像处理是一项方兴未艾的工作。目前，除功能强大的PCI、ERDAS等软件可进行数字图像的校正、数据变换、增强、合成及镶嵌外，全球最新遥感图像处理软件ENVI还具有较好的像元光谱测量、分析、分类及矢量化功能。我国三联公司自行开发的RSIES遥感图像处理软件，自问世三年来，已得到了很大的完善。此外，高速发展的计算机技术使运算速度迅速提高，硬盘及内存容量都大大增加。计算机技术的飞速发展使地质灾害遥感调查中的海量数据存储与运算成为可能。总之，卫星遥感中不同轨道高度的陆地卫星、气象卫星、海洋卫星、雷达卫星等遥感平台的多层次性，像元大小从0.61m（QuickBird）到4000m（气象卫星）的多空间分辨率，从紫外，可见光、红外到微波的多光谱分辨率，以及从光谱校正、几何校正、影像增强、特征信息提取、自然识别分类、自动成图、数据压缩及数据库、地理信息系统、网络技术（Internet）的连接等遥感应用模型的广泛性，为地质灾害遥感调查提供了丰富的信息源和信息获取途径。四、地质灾害遥感调查内容分析1、孕灾背景调查与研究研究表明，地质灾害的孕灾背景主要有如下8种因子：①时日降水量；②多年平均降水量；③地面坡度；④松散堆积物的厚度及分布；⑤构造发育程度（控制岩石破碎程度和稳定性）；⑥植被发育状况；⑦岩土体结构（反映岩土体抗侵蚀、破碎的能力）；⑧人类工程活动程度。由于气象卫星可以实时监测降雨强度与降水量，陆地资源卫星不仅具有全面系统的调查地表地物的能力，其红外波段及微波波段还具有调查分析地下浅部地物特征的作用。因此，在上述8种因子的孕灾背景中，第①与第②种因子可通过气象卫星与地面水文观测站予以调查统计，其它因子可通过陆地资源卫星并结合适当的实地踏勘资料得以查明。利用遥感技术有效地调查研究地质灾害孕灾背景是地质灾害调查中最基础而又最重要的工作内容。2、地质灾害现状调查与区划地质灾害作为一种特殊的不良地质现象，无论是滑坡、崩塌、泥石流等灾害个体，还是由它们组合形成的灾害群体，在遥感图像上呈现的形态、色调、影纹结构等均与周围背景存在一定的区别。因此，对崩、滑、泥等地质灾害的规模、形态特征及孕育特征，均能从遥感影像上直接判读圈定。由此，通过地质灾害遥感解译，可以对目标区域内已经发生的地质灾害点和地质灾害隐患点进行系统全面的调查，查明其分布、规模、形成原因、发育特点、发展趋势以及危害性和影响因素。在此基础上进行地质灾害区划，划分地质灾害易发区域，评价易发程度，为防治地质灾害隐患，建立地质灾害监测网络提供基础资料。3、地质灾害动态监测与预警地质灾害的发生是缓慢蠕动的地质体（如滑坡体等）从量变到质变的过程。一般情况下，地质灾害体的蠕动速率是很小而且稳定的，当突然增大时预示着灾害的即将到来。由于全球卫星定位系统（GPS）的差分精度达毫米级，可以满足对蠕动灾体监测的精度要求。因此，利用卫星定位系统可以全过程地进行地质灾害动态监测，在此基础上有效地进行地质灾害的预测