用于地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的遙感新工具和技術(shù)

唐 寧

（廣東省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)中心，廣東 廣州 510080）

1 介紹

遙感通常被定義為通過(guò)分析地面或空氣或空間傳感器獲得的數(shù)據(jù)(通常是圖像)來(lái)獲取關(guān)于某一物體、區(qū)域或過(guò)程的信息的過(guò)程。關(guān)于遙感原理和數(shù)字圖像處理與解譯的背景信息，讀者可以參考教科書(shū)和手冊(cè)(如文獻(xiàn)[1-3])。由于航空照片的日益普及，遙感在地質(zhì)學(xué)上的系統(tǒng)應(yīng)用始于20 世紀(jì)。最初，黑白攝影被用于偵察地質(zhì)制圖[4]。另一個(gè)重要步驟是1972年發(fā)射地球資源技術(shù)衛(wèi)星1 號(hào)(ERTS-1)，這標(biāo)志著利用星載傳感器繪制地球資源地圖。在這里，我們討論了一些創(chuàng)新的遙感技術(shù)及其在滑坡/邊坡不穩(wěn)定、地震和火山災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用。這些危險(xiǎn)可能影響廣泛的地區(qū)，并需要天氣(可能低成本)的信息來(lái)進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)也為新的遙感技術(shù)在特定地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用提供了有代表性的參考。

2 創(chuàng)新的遙感技術(shù)和應(yīng)用

2.1 無(wú)人飛行器

無(wú)人機(jī)，也被稱(chēng)為無(wú)人駕駛航空系統(tǒng)(UAS)，遠(yuǎn)程駕駛飛機(jī)系統(tǒng)(RPAS)或簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)，通常需要一個(gè)人在地面[5]操作。無(wú)人機(jī)可以搭載各種類(lèi)型的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的成像傳感器。然而，它們通常包括用于收集非常高分辨率(cm-dcm)圖像的輕型數(shù)碼相機(jī)。鑒于調(diào)查調(diào)度的靈活性，無(wú)人機(jī)特別適合在應(yīng)急響應(yīng)階段(如文獻(xiàn)[6])快速評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害。此外，由于飛行時(shí)間延長(zhǎng)(數(shù)小時(shí))，有了一天的監(jiān)測(cè)能力，監(jiān)測(cè)活躍的地質(zhì)災(zāi)害(例如火山、滑坡)。

重要的是，作為通常低空飛行的平臺(tái)，無(wú)人機(jī)也可以在低空云層條件下獲取圖像。然而，在強(qiáng)風(fēng)的情況下，它們的應(yīng)用可能會(huì)受到限制(甚至是不可行的)。航空法規(guī)還可以顯著限制無(wú)人機(jī)的使用。機(jī)載激光雷達(dá)和衛(wèi)星分別提供區(qū)域和從區(qū)域到全球尺度的覆蓋，無(wú)人機(jī)最適合在較小的區(qū)域和局部尺度的應(yīng)用(例如，3D地圖[7]；工程地質(zhì)調(diào)查[8])。

2.2 激光雷達(dá)

Tratt[9]對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了較好的概述。激光雷達(dá)依靠激光束掃描，生成地面及相關(guān)自然和人工特征的空間“連續(xù)”高分辨率圖像(點(diǎn)云)。地面激光掃描儀(Terrestrial Laser Scanner,TLS)和機(jī)載激光掃描儀(Airborne Laser Scanner, ALS)的區(qū)別，即機(jī)載激光掃描(Airborne Laser Swath Mapping, ALSM)，前者更適合局部尺度的應(yīng)用，后者更適合區(qū)域尺度的應(yīng)用。TLS 和ALS 可以分別實(shí)現(xiàn)dcm和cm的空間分辨率以及sub-cm和dcm的測(cè)量精度。

ALS被用來(lái)制作高分辨率地形圖和數(shù)字高程模型(DEM)，用于局部到廣域的地質(zhì)災(zāi)害研究。數(shù)字相機(jī)通常用于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量，以獲取高分辨率的光學(xué)圖像。此外，通過(guò)重復(fù)的TLS或ALS測(cè)量提供地表變化檢測(cè)。該方法已被用于滑坡運(yùn)動(dòng)和土壤侵蝕體積估計(jì)[10]和火山活動(dòng)評(píng)估和監(jiān)測(cè)。重要的是，在植被茂密的情況下也可以得到很好的結(jié)果。例如，Cunningham等人報(bào)道了一個(gè)有趣的案例，即在森林覆蓋的山區(qū)繪制地震斷層圖。

然而，多時(shí)間激光雷達(dá)有重大的成本，特別是在航空調(diào)查的情況下。使用TLS 進(jìn)行常規(guī)重復(fù)測(cè)量更可行，盡管如此，在掃描過(guò)程中需要人工操作人員的在場(chǎng)。一個(gè)重要的缺點(diǎn)是TLS和ALS儀器很昂貴。

2.3 衛(wèi)星多時(shí)相干涉術(shù)

常規(guī)差分干涉測(cè)量(DInSAR)和先進(jìn)的MTI技術(shù)，如持久性散射體干涉測(cè)量-psinsar?/PSI和相關(guān)方法，以及小基線(xiàn)子集sbas和類(lèi)似方法，都依賴(lài)于定期重新訪(fǎng)問(wèn)相同感興趣區(qū)域的衛(wèi)星獲取的雷達(dá)圖像。利用這些技術(shù)，我們可以測(cè)量星載雷達(dá)傳感器與雷達(dá)發(fā)射的后向散射電磁輻射的地面特征(如建筑物、道路等人造結(jié)構(gòu)，也包括裸露的巖石和裸露的地面)之間的距離變化。

在植被稀少的地方，MTI可以提供精確(毫米厘米分辨率)的高密度測(cè)量(從幾十點(diǎn)/幾百點(diǎn)/平方公里到數(shù)千點(diǎn)/平方公里)，對(duì)緩慢(毫米—厘米/年)的地表或人造建筑變形進(jìn)行測(cè)量。雷達(dá)衛(wèi)星提供區(qū)域到全球的覆蓋以及幾乎全天候(透過(guò)云層“看”)的測(cè)量能力。在過(guò)去10年里，MTI用戶(hù)受益于新一代雷達(dá)傳感器(cosmos- skymed constellation 和 TerraSAR-X)的空間分辨率(從3～1m)和時(shí)間分辨率(從11～4d)的改進(jìn)。自2014 年起，MTI 在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用可以利用歐洲航天局的Sentinel-1 雷達(dá)衛(wèi)星任務(wù)。Sentinel-1 提供常規(guī)的全球尺度覆蓋，高時(shí)間分辨率(從12～6d)，更重要的是，免費(fèi)圖像。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，雷達(dá)干涉術(shù)已被用于研究與地震和火山災(zāi)害有關(guān)的地面變形（如歐洲航天局的一份綜合報(bào)告概述了MTI和其他空間運(yùn)載技術(shù)在具體地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用以及相關(guān)文獻(xiàn)）。在以研究為導(dǎo)向的滑坡和不穩(wěn)定邊坡工程地質(zhì)調(diào)查中，常規(guī)In-SAR 和MTI 的使用已經(jīng)在科學(xué)文獻(xiàn)中得到了充分的討論。

3 結(jié)論

新一代航空和空間傳感器以及創(chuàng)新的遙感技術(shù)能夠提供制作詳細(xì)地形圖和數(shù)字高程模型所需的高分辨率圖像。背景地形資料可以經(jīng)常更新，是地質(zhì)災(zāi)害制圖和評(píng)估的必要輸入。

此外，通過(guò)重復(fù)的激光雷達(dá)測(cè)量和MTI 可以實(shí)現(xiàn)地面位移的高精度測(cè)量。衛(wèi)星雷達(dá)非常適合于多尺度(從區(qū)域到局部尺度)的地面變形監(jiān)測(cè)，因?yàn)槠涓采w范圍廣泛/全球范圍，并且定期更新(例如Sentinel-1任務(wù))。