基于哨兵二號(hào)數(shù)據(jù)的同震滑坡解譯研究

杜玲玲

（成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

地震滑坡（也稱同震滑坡）是指由地震引發(fā)，震時(shí)突發(fā)滑坡或震后一定時(shí)間發(fā)生的滑坡[1]，是發(fā)生在山區(qū)地震的一種重要的次生災(zāi)害類型，其造成的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失往往占地震災(zāi)害相當(dāng)大的比例[2]。例如1933 年8 月25 日四川疊溪7.5 級(jí)地震引起許多滑坡，造成大批堰塞湖，其中疊溪臺(tái)地和教場(chǎng)壩滑坡阻塞岷江，形成4 個(gè)超大堰塞湖，不久湖壩決口，高達(dá)60 m的水頭傾瀉而下，12 m 高水頭沖至灌縣，使兩岸群眾遭遇災(zāi)難。這次地震造成6 800 多人死亡，而滑坡災(zāi)害又奪去2 500 多人生命，其中僅疊溪一處滑坡就造成全鎮(zhèn)577 人死亡，僅15 名群眾幸免于難[1]。

傳統(tǒng)的人工調(diào)查方式能夠近距離的觀察識(shí)別滑坡，但工作量大，效率低下，且工作人員有安全風(fēng)險(xiǎn)[3]?；聻?zāi)害發(fā)生后，尤其是地震引起的滑坡，由于山區(qū)地形特征復(fù)雜且地域廣闊，傳統(tǒng)地調(diào)方法很難在短時(shí)間內(nèi)獲得滑坡的準(zhǔn)確位置、數(shù)量和大小信息[4]。利用光學(xué)遙感影像目視解譯滑坡，精度高，花費(fèi)少，保證了工作人員的人身安全。但滑坡目視解譯雖然精度較高，但此方法過度依賴遙感影像特征和解譯標(biāo)志，不能充分使用遙感影像中所包含的豐富信息，并且需要解譯者具有大量知識(shí)儲(chǔ)備，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能滿足應(yīng)急救援的迫切需求[5]。且在光學(xué)影像中道路、滑坡和建筑三類地物色調(diào)相似，不易區(qū)分。因此，本文以九寨溝漳扎鎮(zhèn)同震滑坡為例，通過DEM 數(shù)據(jù)提取坡度因子，從地形特征出發(fā)提取滑坡，分析滑坡的空間分布特征。

1 研究區(qū)域及思路

1.1 研究區(qū)域

漳扎鎮(zhèn)隸屬于四川省九寨溝縣，地處青藏高原東北緣向四川盆地過渡地帶，東接白河自然保護(hù)區(qū)，南與松潘縣的漳臘河相鄰，西與大錄鄉(xiāng)交界，北與黑河鄉(xiāng)、陵江鄉(xiāng)比鄰，距九寨溝縣46 km。地理坐標(biāo)北緯33°17′28.36″，東經(jīng)103°52′24″，位于長(zhǎng)江系嘉陵江上游白水江源頭。其獨(dú)特的地形地貌地質(zhì)環(huán)境使得區(qū)域滑坡災(zāi)害頻發(fā)，并且伴隨九寨溝地震的發(fā)生，漳扎鎮(zhèn)內(nèi)同震滑坡分布廣泛。所選漳扎鎮(zhèn)研究區(qū)地理位置如圖1 所示。

圖1 漳扎鎮(zhèn)研究區(qū)地理位置示意圖

1.2 研究思路

Sentinel-2 是多光譜高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，可免費(fèi)獲取，且具有13 個(gè)光譜波段，從可見光、近紅外到短波紅外，具有不同的空間分辨率。不同波段空間分辨率分別為10 m、20 m 以及60 m，可滿足不同的實(shí)際生產(chǎn)需要，也可通過SNAP 軟件重采樣為10 m 的光學(xué)影像。目前，哨兵影像數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害評(píng)價(jià)、土壤穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、土地覆蓋、精細(xì)農(nóng)業(yè)估產(chǎn)等方面的研究[6]。Sentinel-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在成像儀類型、波段數(shù)和分辨率方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且是免費(fèi)數(shù)據(jù)源中時(shí)間分辨率和空間分辨率最高的遙感影像數(shù)據(jù)[7]。

本文利用Sentinel-2 影像數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行大氣校正、重采樣等預(yù)處理后，通過支持向量機(jī)分類方法將研究區(qū)域初步分為植被和其他（包含滑坡、道路、建筑）兩類，圈定可能的滑坡點(diǎn)。利用DEM 數(shù)據(jù)提取坡度，根據(jù)滑坡的地形特征區(qū)分滑坡和道路等其他地物，從而精確提取漳扎鎮(zhèn)研究區(qū)同震滑坡區(qū)域。

研究思路如圖2 所示，研究數(shù)據(jù)見表1。

圖2 技術(shù)路線圖

表1 研究數(shù)據(jù)信息

2 滑坡提取

2.1 Sentinel-2 遙感影像分類

首先對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，實(shí)現(xiàn)滑坡初步解譯。監(jiān)督分類方法有最小距離法，專家決策樹分類法、光譜角填圖、支持向量機(jī)以及經(jīng)典的最大似然法等，本文選擇支持向量機(jī)法對(duì)遙感圖像進(jìn)行分類。支持向量機(jī)具有大量的核函數(shù)可以使用，靈活解決大量非線性的分類，并且計(jì)算復(fù)雜性不取決于樣本空間的維數(shù)，而是支持向量的數(shù)目，能極大避免“維數(shù)災(zāi)難”問題。SVM 學(xué)習(xí)問題可以表現(xiàn)為凸優(yōu)化問題，能運(yùn)用已知的有效算法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的全局最小值，具有優(yōu)秀的泛化能力。從各方面綜合來講，支持向量機(jī)方法解譯滑坡是較優(yōu)的選擇。

由于監(jiān)督分類是根據(jù)像元間的相似度和地物光譜特征來分類，而在遙感影像上滑坡與建筑、道路色調(diào)相近，像元相似度高，監(jiān)督分類方法很難區(qū)分彼此，所以此次研究在初步解譯中將滑坡、建筑、道路歸為一類，植被為一類。初步解譯結(jié)果如圖3 所示。

圖3 初步解譯結(jié)果圖

2.2 地形特征提取滑坡

不同的地物地形特征不一樣，一般說來坡度大于10°，小于45°，下陡中緩上陡、上部成環(huán)狀的坡形是發(fā)生滑坡的有利地形。地震產(chǎn)生的滑坡大多發(fā)生40~50°的坡度，但是道路與村莊均處于平緩地帶，坡度小于一定值，因此利用坡度，可以降低甚至消除道路、村莊和裸地對(duì)滑坡識(shí)別的影響。

運(yùn)用ArcGIS 軟件通過DEM 數(shù)據(jù)提取漳扎鎮(zhèn)大于40°坡度圖層，以及通過初步解譯結(jié)果提取滑坡道路建筑圖層，用坡度圖層裁剪滑坡道路建筑圖層得到同震滑坡區(qū)域如圖4 所示。

3 結(jié)果分析

從圖4 中可以看出九寨溝漳扎鎮(zhèn)地區(qū)由于“8·8九寨溝地震”引起的同震滑坡主要分布在中西部地區(qū)和西南地區(qū)這些高程較高，坡度較陡的地區(qū)。從表2 可知地震引發(fā)的滑坡范圍廣泛，滑坡面積達(dá)到3.16 km2，幾乎與研究區(qū)內(nèi)道路河建筑的占地面積持平。從圖4和圖5 谷歌地球歷史影像結(jié)合對(duì)比分析，可以看出利用坡度特征區(qū)分滑坡和道路是行之有效的方法，整體提取效果較好，滑坡主體基本圈出。研究表明利用地形特征提取滑坡具有非常重要的意義。

圖4 同震滑坡提取結(jié)果圖

表2 面積統(tǒng)計(jì)表

圖5 地震前與地震后對(duì)比圖

4 結(jié)論

同震滑坡發(fā)生迅速，極大地危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全，為了滿足人民日益增長(zhǎng)的對(duì)美好生活的向往，災(zāi)害防治與預(yù)警工作尤為重要?；伦鳛槿笾亓Φ孛矠?zāi)害之一，是自然災(zāi)害防治的主要對(duì)象，因此，如何更精確地監(jiān)測(cè)和提取滑坡隱患成為亟待解決的問題。

本文使用了一種地形特征約束的同震滑坡解譯方法，并對(duì)九寨溝漳扎鎮(zhèn)典型同震滑坡區(qū)域進(jìn)行了滑坡提取。這種方法能有效區(qū)分滑坡和道路、建筑，因?yàn)榈缆泛徒ㄖ鄬?duì)而言地勢(shì)平坦，起伏不大，且具有特殊的紋理特征；而滑坡與裸地的區(qū)別較道路、建筑來說不甚明顯，利用地形特征可剔除一部分裸地，但裸地也可存在于坡度陡峭的地區(qū)。因而，此研究方法存在一定的不足之處，進(jìn)一步的研究可以根據(jù)不同研究區(qū)設(shè)置自適應(yīng)的坡度閾值，結(jié)合深度學(xué)習(xí)與無人機(jī)攝影測(cè)量更好地排查同震滑坡。