董昊錦
(酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 酒泉 735000)
遙感技術(shù)是測(cè)繪技術(shù)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容,在地質(zhì)災(zāi)害的勘查中有著較為廣泛的應(yīng)用。遙感技術(shù)主要是指以距離感應(yīng)的相關(guān)原理,依據(jù)電磁波理論來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。該技術(shù)能夠在不接觸被測(cè)物體表面的情況下對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行測(cè)量,大多被應(yīng)用到對(duì)一些遠(yuǎn)距離、復(fù)雜的地質(zhì)條件進(jìn)行測(cè)繪的過(guò)程中。遙感技術(shù)主要能夠被應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和治理當(dāng)中,以某礦山開(kāi)采工程為例,在工程建設(shè)的過(guò)程中,應(yīng)用遙感測(cè)繪技術(shù)來(lái)對(duì)工程周邊的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),能夠依據(jù)衛(wèi)星來(lái)對(duì)地球和底層大氣的光學(xué)和電子觀測(cè)的方式,在不接觸地面物體目標(biāo)的情況下,應(yīng)用遙感器來(lái)獲取地面物體的電磁波信息,然后依據(jù)對(duì)電磁波信息的分析處理,就可以得到礦山整體生態(tài)環(huán)境的信息。[1]當(dāng)前,能夠應(yīng)用于地質(zhì)測(cè)繪的遙感技術(shù)數(shù)據(jù)源以資源衛(wèi)星、風(fēng)云衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、Landsat、Spot等光學(xué)遙感衛(wèi)星為主。
在實(shí)際應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中,一般以高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理為主要目標(biāo),具體包括波段組合、幾何精校正、圖像鑲嵌和圖像裁切處理四個(gè)主要步驟。波段組合主要是指發(fā)揮遙感技術(shù)的波段組合功能,讓高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠以波段組合的方式呈現(xiàn)出更好的效果。考慮到高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能存在幾何畸變的情況,一般需要借助地面控制點(diǎn),以方法確定、控制點(diǎn)輸入、像素重采樣和精度評(píng)價(jià)的方式來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精校正。[2]對(duì)于多景影像,一般需要對(duì)影像進(jìn)行鑲嵌和邊界裁切再處理,從而得到對(duì)被測(cè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量的實(shí)際影像。
而在應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行防治的過(guò)程中,能夠在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后的第一時(shí)間對(duì)災(zāi)害發(fā)生的坐標(biāo)位置情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將獲取到的受災(zāi)畫(huà)面信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息之后向地面?zhèn)鬟f。地面的工作人員能夠依據(jù)傳輸?shù)挠跋駚?lái)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,并及時(shí)采取相應(yīng)的措施來(lái)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行治理。例如,應(yīng)用遙感技術(shù)能夠在滑坡這一地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)繪來(lái)對(duì)一些大型塌滑體的數(shù)量、分布以及穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析,從而為治理滑坡災(zāi)害提供依據(jù)。
在實(shí)際應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行防治的過(guò)程中,主要能夠依據(jù)遙感衛(wèi)星反饋的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。以滑坡這一常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害為例,某地區(qū)在防治滑坡地質(zhì)災(zāi)害的過(guò)程中,應(yīng)用合成孔徑雷達(dá)來(lái)作為對(duì)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量的遙感設(shè)備。[3]雷達(dá)系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中,能夠向被測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)發(fā)射電磁波,電磁波在由地面物體反射之后,能夠再次被雷達(dá)系統(tǒng)的接收器接收。而合成孔徑雷達(dá)本身屬于一種主動(dòng)式的微波遙感技術(shù),能夠通過(guò)雷達(dá)傳感器來(lái)獲取雷達(dá)成像的系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠基于雷達(dá)的成像原理,測(cè)定傳感器與地面被測(cè)物體之間的距離,并利用一個(gè)小口徑的天線,在沿軌道運(yùn)行分布發(fā)射信號(hào)接收之后,可以形成一個(gè)等效的大口徑天線,這樣能夠有效提高圖像的分辨率(圖1)。
圖1 合成孔徑雷達(dá)的工作原理
依據(jù)這一工作原理,可以將合成孔徑雷達(dá)的分辨率分為兩種情況。一種是衛(wèi)星軌道方向上的分辨率為方位向分辨率,另一種則是基于雷達(dá)傳感器到地面被測(cè)物體之間的距離分辨率(圖2)。
圖2 合成孔徑雷達(dá)的兩種分辨率
其中,圖2(a)中的方位向分辨率表達(dá)式為:
Δα=L/2
(1)
式中:L為雷達(dá)天線的長(zhǎng)度。
圖2(b)中的距離分辨率表達(dá)式為:
Δγ=C/2B
(2)
式中:B為掃描帶寬;C為光速。
在實(shí)際對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中,考慮到雷達(dá)獲取的影像中每個(gè)像元數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存著相位和振幅兩方面的信息,因而其通常呈現(xiàn)一個(gè)復(fù)數(shù)的形態(tài)?;谶@一特點(diǎn),可以依據(jù)雷達(dá)獲取信息過(guò)程中記錄的雷達(dá)波整個(gè)發(fā)射過(guò)程中的時(shí)間,對(duì)地面被測(cè)物體與雷達(dá)天線之間的距離進(jìn)行計(jì)算。
無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)主要是指在無(wú)人機(jī)上安裝能夠用于攝影和測(cè)量的裝置,讓無(wú)人機(jī)在一些地形地勢(shì)比較復(fù)雜的環(huán)境中完成測(cè)量和攝影航拍等方面的工作(圖3)。[4]首先,高精度以及高分辨率的影像特點(diǎn)能夠大大提高測(cè)量工作的質(zhì)量;其次,三維實(shí)景模型的可量測(cè)性不僅能夠?yàn)閿z影測(cè)量技術(shù)提供具體的發(fā)展方向,還能夠間接減少城市在進(jìn)行三維建模規(guī)劃時(shí)消耗的成本;第三,與以往測(cè)量技術(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)相比,無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采集并收集的數(shù)據(jù)信息在儲(chǔ)存過(guò)程中不會(huì)占據(jù)較大的空間,因而傳輸和網(wǎng)絡(luò)共享的速度也比較快。
圖3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程
將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中,能夠依據(jù)無(wú)人機(jī)靈活和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn),對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的整個(gè)區(qū)域和范圍的情況進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)前能夠應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害測(cè)繪的無(wú)人機(jī)圖像效率范圍能夠達(dá)到15 000 m2/min,且能夠體現(xiàn)出良好的圖像精度。而無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)擁有的三維實(shí)景模型不僅能夠呈現(xiàn)出整個(gè)受災(zāi)區(qū)域的高度、長(zhǎng)度以及面積等數(shù)據(jù)信息,還能夠?qū)⑹占降臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)的分析。[5]具體而言,無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中,能夠?qū)⑴臄z的照片直接導(dǎo)入到建模系統(tǒng)當(dāng)中,將整個(gè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的全景圖像以動(dòng)態(tài)的方式呈現(xiàn)出來(lái)。這些分析結(jié)果不僅能夠?yàn)檎{(diào)查人員提供更加科學(xué)的處理方案的制定依據(jù),還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)受到地質(zhì)災(zāi)害的整體區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在降低地質(zhì)災(zāi)害的救援工作難度的同時(shí),也能夠防止二次地震災(zāi)害加重受災(zāi)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)和生命安全損失。
在實(shí)際應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)來(lái)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)信息進(jìn)行分析時(shí),首先需要做好相機(jī)標(biāo)定、方案設(shè)計(jì)、明確航攝作業(yè)要求、切塊內(nèi)存設(shè)置以及影響數(shù)據(jù)檢查與預(yù)處理等準(zhǔn)備工作。在以棋盤格標(biāo)定法來(lái)對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定之后,可以得到相機(jī)的參數(shù)值?;诒粶y(cè)范圍的大小不同,對(duì)于攝影測(cè)量方案的設(shè)計(jì),需要設(shè)置好無(wú)人機(jī)的動(dòng)作重疊度、飛行高度以及飛行速度等具體的技術(shù)參數(shù),并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)幾條不同的航線。明確航攝作業(yè)要求需要建立在對(duì)無(wú)人機(jī)的性能和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢查的基礎(chǔ)上,選擇能夠保證高分辨率和清晰度的環(huán)境條件來(lái)開(kāi)展無(wú)人機(jī)的攝影測(cè)量工作。[6]對(duì)于切塊內(nèi)存的設(shè)置,需要在考慮無(wú)人機(jī)連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存的情況下來(lái)設(shè)置具體的系統(tǒng)切塊內(nèi)存。
對(duì)于影響數(shù)據(jù)的檢查和預(yù)處理,則需要在由無(wú)人機(jī)獲取到相應(yīng)的區(qū)域畫(huà)面之后,基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和建模算法來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,用以保證無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲得的圖像質(zhì)量。而在對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理的過(guò)程中,以圖像的徑向畸變情況為例,如果在實(shí)際應(yīng)用無(wú)人機(jī)的過(guò)程中存在照相機(jī)透鏡結(jié)構(gòu)組不齊全的情況,就會(huì)導(dǎo)致徑向畸變的現(xiàn)象。對(duì)這種徑向畸變的情況進(jìn)行修復(fù),可以依據(jù)以下公式來(lái)實(shí)現(xiàn):
Δxγ=x0(k1r2+k2r4+k3r6)
(3)
Δyγ=y0(k1r2+k2r4+k3r6)
(4)
在將無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后,需要依據(jù)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的三維模型。對(duì)于滑坡這類地質(zhì)災(zāi)害三維模型的構(gòu)建,主要以Context Capture這一類型的傾斜攝影建模軟件為主。該軟件在實(shí)際的應(yīng)用中,包括多視影像、幾何校正、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、DAM生成等具體的步驟。
地理信息技術(shù)主要是指基于地理空間來(lái)構(gòu)建被測(cè)物體和區(qū)域的信息模型,以更直觀的方式來(lái)對(duì)區(qū)域范圍的地理信息進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。地理信息技術(shù)需要依據(jù)地理信息系統(tǒng)來(lái)發(fā)揮作用,地理信息系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)、遙感以及信息工程等多方面的專業(yè)知識(shí)和內(nèi)容,能夠借助儲(chǔ)存空間廣闊的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、可視化的地圖模型以及能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜地理信息進(jìn)行空間分析的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)對(duì)被測(cè)區(qū)域的地理空間信息進(jìn)行分析。[7]將地理信息技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害隱患的防治工作當(dāng)中,能夠在更全面、完整地了解區(qū)域地理信息環(huán)境情況的基礎(chǔ)上,及時(shí)發(fā)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)可能存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患問(wèn)題。
例如,地理信息技術(shù)能夠被應(yīng)用到氣象地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警工作當(dāng)中,借助DOM影像和DEM數(shù)字高程模型來(lái)建立三維場(chǎng)景。在三維場(chǎng)景中疊加河流、湖泊、溪流以及地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)等與氣象地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的要素,從而明確被測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的道路、居民地、經(jīng)濟(jì)體的分布情況。在明確場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容之后,需要將各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息融合起來(lái),建立一個(gè)基于氣象因素的山洪地質(zhì)災(zāi)害模型,并將可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害按照嚴(yán)重性和緊急程度劃分為不同的類型,以便能夠及時(shí)對(duì)各類地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。[8]在明確區(qū)域范圍內(nèi)可能產(chǎn)生的各種地質(zhì)災(zāi)害之后,還需要對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況進(jìn)行模擬。對(duì)于山洪這類較為常見(jiàn)的氣象地質(zhì)災(zāi)害,需要從降雨、山洪水淹范圍、水淹深度以及泥石流等方面來(lái)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的破壞力和影響力進(jìn)行分析,以便能夠及時(shí)制定山洪氣象地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案。
將地理信息技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害隱患防治工作當(dāng)中,主要能夠通過(guò)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性和危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方式,為地區(qū)防治地質(zhì)災(zāi)害提供更為科學(xué)的依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用地理信息技術(shù)時(shí),需要基于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的實(shí)際情況和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的原因,制定對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的程度進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要單元和指標(biāo)。
從地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性角度來(lái)看,應(yīng)用地理信息技術(shù),首先需要選擇好實(shí)際的評(píng)價(jià)單元。以滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例,針對(duì)某一地區(qū)容易發(fā)生的滑坡地質(zhì)災(zāi)害情況,在對(duì)區(qū)域的面積坡度進(jìn)行測(cè)量時(shí),需要依據(jù)等高線數(shù)據(jù)以插值法的方式來(lái)生成DEM數(shù)據(jù),由DEM數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)區(qū)域內(nèi)斜坡的坡度和坡向等內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算。在得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果之后,就可以將區(qū)域內(nèi)的斜坡劃分為幾個(gè)不同的斜坡單元。
在建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的過(guò)程中,首先需要基于區(qū)域地理信息的實(shí)際情況,選取坡度、坡高、坡型以及巖土結(jié)構(gòu)等因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的主要因子,并將這些因子按照地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素進(jìn)行分類。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定,一般需要通過(guò)構(gòu)造判斷矩陣、計(jì)算各個(gè)因子相對(duì)權(quán)重、計(jì)算組合權(quán)重的步驟。對(duì)于判斷矩陣的構(gòu)造,一般需要應(yīng)用1-9的標(biāo)度法,在對(duì)各層要素對(duì)上層因素的重要程度進(jìn)行對(duì)比分析之后,就可以得到相應(yīng)的判斷矩陣。而在對(duì)各個(gè)因子的相對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算時(shí),一般需要依據(jù)MATLAB軟件對(duì)判斷矩陣的最大特征值λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量進(jìn)行計(jì)算,然后再對(duì)矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)各因子的相對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,一般需要依據(jù)以下公式:
CR=CI/RI
(5)
(6)
式中:CR為判斷矩陣的一致性比例,n為判斷矩陣內(nèi)比較因子的具體個(gè)數(shù)。判斷矩陣的一致性比例是否能夠達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),以0.1為界限。依據(jù)公式計(jì)算得到的CR結(jié)果不超過(guò)0.1,則證明構(gòu)造的矩陣符合一致性要求,能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在得到相應(yīng)的評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果之后,就可以通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化來(lái)得到相應(yīng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。
而在應(yīng)用地理信息技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),選取的評(píng)價(jià)因子需要在地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素的基礎(chǔ)上,增加一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)因素,即災(zāi)點(diǎn)密度。依據(jù)相同的方式對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定,然后就可以對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行量化分析。具體而言,對(duì)評(píng)價(jià)因子的量化分析,主要包括災(zāi)點(diǎn)密度、承災(zāi)體的重要程度兩個(gè)方面,在依據(jù)評(píng)價(jià)因子的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行量化分析之后,需要將各因子以疊加的方式進(jìn)行計(jì)算,從而得到針對(duì)某一具體地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。
遙感技術(shù)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以及地理信息技術(shù)是當(dāng)前能夠應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害測(cè)量的主要技術(shù)。結(jié)合我國(guó)不同地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的差異,對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用,需要建立在對(duì)地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行充分了解的基礎(chǔ)上,選擇更合適的測(cè)繪技術(shù)來(lái)滿足對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和防治的要求。而在對(duì)以上三種技術(shù)進(jìn)行分析之后,結(jié)合當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害隱患防治提出的要求,在實(shí)際應(yīng)用測(cè)繪技術(shù)的過(guò)程中,需要盡可能將幾種不同的測(cè)繪技術(shù)結(jié)合起來(lái),將測(cè)繪技術(shù)貫穿于整個(gè)地質(zhì)環(huán)境勘察工作當(dāng)中,從而更好地為防治地質(zhì)災(zāi)害提供更加科學(xué)的依據(jù)。
綜上所述,測(cè)繪技術(shù)能夠應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的防治當(dāng)中,但不同的測(cè)繪技術(shù)有其限制的應(yīng)用條件和范圍,在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的技術(shù)限制。地質(zhì)災(zāi)害會(huì)對(duì)區(qū)域地理和人居環(huán)境產(chǎn)生較大的影響,直接威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳】蛋踩?也會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染和破壞。在未來(lái)的地質(zhì)勘察工作中,需要結(jié)合測(cè)繪技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),對(duì)不同類型和原理的測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和創(chuàng)新,不斷擴(kuò)大測(cè)繪技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害防治中的應(yīng)用范圍,提高測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際效果。