基于遙感和三維分析技術(shù)的震后滑坡信息提取研究

張潔何琳潘丹馬犇丁娟（安徽省地震局，安徽 合肥230031）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多地震的國(guó)家，也是世界上遭受地震災(zāi)害最為深重的國(guó)家之一，地震災(zāi)害嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也成為制約和諧社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。誘發(fā)滑坡地震在全國(guó)大部分省區(qū)都有發(fā)生，尤其在山區(qū)較多的地區(qū)，其中以云南、四川地震滑坡造成的災(zāi)害損失最為嚴(yán)重。地震滑坡災(zāi)害在我國(guó)分布極為廣泛,近年來(lái)，隨著遙感影像分辨率的提高和遙感信息提取技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)逐漸成為快速獲取地震災(zāi)情信息、震后應(yīng)急和震害快速評(píng)估的有效手段。因此，利用現(xiàn)代遙感影像(RS)、遙感圖像處理和三維分析(ArcGIS)等技術(shù)，高度逼真地呈現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害形狀、概略計(jì)算滑坡體的表面面積與體積、劃定地質(zhì)災(zāi)害影響范圍及危害性評(píng)估具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 遙感技術(shù)在地震中的應(yīng)用

近年來(lái)，各項(xiàng)新技術(shù)新方法應(yīng)用在地震中，而地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展相關(guān)的研究方法和技術(shù)也日趨成熟，為遙感在地震中的應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

第一，利用中低分辨率的遙感影像獲取震后災(zāi)情的宏觀分布情況，以判斷地震的影響范圍，對(duì)活動(dòng)斷層、地震破裂帶及次生地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查，分析活動(dòng)斷層的幾何特性、構(gòu)造地貌等。

第二，利用遙感影像可以得到震后房屋的詳細(xì)破壞情況，以滿足災(zāi)情的詳細(xì)判斷和震災(zāi)評(píng)估的精度要求，以便盡可能地獲取災(zāi)情信息，從而迅速地為專家進(jìn)行震后評(píng)估提供數(shù)據(jù)源；通過(guò)遙感影像的解譯，可以估算出山體滑坡的面積、土方，還可以通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)推斷出潛在的滑坡區(qū)域，為民眾的疏散以及次生災(zāi)害的預(yù)防提供參考。

第三，雷達(dá)衛(wèi)星采用主動(dòng)微波遙感方式，不受光照和氣候條件的限制，可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)Φ匚镞M(jìn)行觀測(cè)，初步確定震中位置和推定地震烈度分布，為制定救災(zāi)決策提供重要的參考信息。

2 三維分析技術(shù)模塊簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)的表達(dá)和顯示，是空間數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。利用ARCGIS的3D Analyst模塊可以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)三維地形和交互式地圖，從而更好地實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的可視化和分析處理。

數(shù)據(jù)的三維可視化，一般通過(guò)以下3種方式實(shí)現(xiàn)。第一種是疊加影像到空間相應(yīng)區(qū)域的DEM上。第二種是設(shè)置圖層屬性，以三維立體高度反映矢量數(shù)據(jù)圖層中每個(gè)特征的字段值大小。第三種是直接使用3D Analyst三維分析模塊提供的三維轉(zhuǎn)換工具，將已有矢量數(shù)據(jù)特征轉(zhuǎn)換到三維空間中。

本文主要采用第一種處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和三維圖像顯示，并利用三維分析模塊中的aera and volume statistics功能，來(lái)初略計(jì)算目標(biāo)物的表面積和體積。

3 數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

3.1 數(shù)據(jù)收集

研究區(qū)以某城市的山區(qū)為研究區(qū)域，收集的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括30m分辨率的TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、1:50000等高線數(shù)據(jù)，使用軟件包括ERDASIMAGINE 9.2和ARCGIS 9.3等。

圖1 研究區(qū)遙感影像圖

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

TM遙感數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容主要是對(duì)原始遙感圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、正射校正、圖像裁剪等，提高其識(shí)別率，從而滿足遙感解譯和識(shí)別地物的需要。由于原始遙感圖像色調(diào)對(duì)比度不大，灰度級(jí)較集中，遙感層次較少，影像分辨力和解譯力均較差，不適宜直接應(yīng)用于遙感解譯，因此首先要對(duì)遙感影像進(jìn)行分段線性拉伸處理，對(duì)圖像進(jìn)行正射校正以減少地形起伏對(duì)遙感影像產(chǎn)生的投影偏差，最后根據(jù)實(shí)際工作需要對(duì)圖像進(jìn)行了分幅剪裁處理。處理后的圖像如圖所示：

圖2 遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

DEM數(shù)據(jù)的生成，是將傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖上的信息，通過(guò)ARCGIS軟件進(jìn)行數(shù)字化處理，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)，實(shí)質(zhì)上是為將掃描得到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形線性數(shù)據(jù)，利用得到的矢量圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源源，精確定義圖形數(shù)據(jù)中的各種拓?fù)潢P(guān)系，生成數(shù)字表達(dá)地形表面形態(tài)的屬性信息，其數(shù)字描述是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字高程模型(DEM)。對(duì)1：50000地形圖進(jìn)行校正并矢量化，得到shp格式矢量圖，用ArcToolBox模塊中的3D analyst Tool的功能技術(shù)，將SHP格式矢量化成DEM-TIN的格式圖形文件，再生成由TINDEM轉(zhuǎn)化的地形高程灰階圖。

圖3 研究區(qū)DEM圖

4 滑坡解譯與三維可視化

4.1 滑坡的解譯

滑坡的解譯是斜坡變形現(xiàn)象中最復(fù)雜的一種，自然界中的斜坡變形千姿百態(tài)，特別是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期變形的斜坡，往往是多種變形現(xiàn)象的綜合體。遙感影像上滑坡的解譯主要是通過(guò)影像中色調(diào)、陰影、紋理、形態(tài)進(jìn)行，在對(duì)滑坡進(jìn)行解譯時(shí)，除了直接對(duì)滑坡體本身做辨認(rèn)外，還應(yīng)對(duì)附近斜坡地形、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、植被、水系等進(jìn)行解譯。遙感影像上滑坡體的色調(diào)與周圍穩(wěn)定地形有著明顯的區(qū)別，剛發(fā)生不久的地震滑坡，坡體上大都有著松散的堆積物質(zhì)組成，表面具有較強(qiáng)的波譜反應(yīng)能力，在影像上呈現(xiàn)淺色調(diào)為主，處于變形階段的滑坡，滑坡體周邊一般具有相比滑坡平面形態(tài)色調(diào)較淺的色環(huán)，或在后緣出現(xiàn)淺色線條甚至前緣出現(xiàn)局部的崩塌現(xiàn)象。

4.2 三維遙感立體圖形

利用ArcGIS軟件的三維擴(kuò)展功能模塊，在ArcScene中，將已形成的DEM數(shù)據(jù)信息添加到高程圖層，遙感影像信息添加到紋理圖層，經(jīng)過(guò)透視法疊加組合，從DEM獲取高程數(shù)據(jù)，并設(shè)置拉伸系數(shù)后，實(shí)現(xiàn)三維仿真效果立體圖，災(zāi)害體的位置、范圍等信息表現(xiàn)更準(zhǔn)確、清晰展現(xiàn)。

圖4 三維立體圖

4.3 計(jì)算滑坡體表面積和體積

ArcGIS軟件具有計(jì)算某形體的表面面積和體積的作用功能，利用3D Anyalyst→Surface Anyalyst→area and volume statistics的分析模塊，可計(jì)算出在指定高程以上或以下，不同形態(tài)地質(zhì)體的表面面積和體積。

文中選取某塊區(qū)域?yàn)榛曼c(diǎn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算其滑坡面積與體積，得出該滑坡體表面面積為1.3×104m2，利用高程值計(jì)算估算其體積約為1.82×104-3.25×104m3。

5 結(jié)論

通過(guò)ArcGIS三維分析技術(shù)所提供的各種分析功能模塊使用，能夠完成簡(jiǎn)單二維地理信息系統(tǒng)所無(wú)法完成的任務(wù)。與二維平面地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)圖比較，三維立體地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)圖，可使研究區(qū)域內(nèi)的地形、地貌特征更直觀表現(xiàn)，對(duì)災(zāi)害體的位置、范圍等信息表現(xiàn)更準(zhǔn)確、清晰展現(xiàn)。文中由于受數(shù)據(jù)獲取難度與精度等限制，選取不具有代表意義的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，但估算滑坡體表面積和體積的方法是可具有普適性,在真實(shí)地震中將得到較好的應(yīng)用。

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