3S技术在地质灾害详细调查中的应用研究进展

宋炯 杨煜坤 任堃 吕彬彬 徐昊 齐蒙蒙

摘  要：3S技术是遥感系统（Remote Sensing，RS）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的统称，作为一个统一的有机体，具有强大的空间信息处理以及分析能力。我国是地质灾害发生十分频繁且损失极为严重的国家之一。在地质灾害详细调查中，3S技术具有十分强大的功能。通过GPS定点调查、遥感解译、GIS室内分析，判别地质灾害体的发育规律以及发育类型，为地质灾害防灾减灾等提供了较为翔实的基础数据，并且可以为应急救援提供技术支撑。

关键词：3S技术 地质灾害 详细调查 应用

中图分类号：P694    文献标识：A                 文章编号：

Research Progress on the Application of 3S Technology in the Detailed Investigation of Geological Disasters

SONG Jiong  YANG Yukun  REN Kun  LYU Binbin  XU Hao  QI Mengmeng

（Geophysical Survey Center of China Geological Survey， Langfang， Hebei Province， 065000  China）

Abstract： 3S technology is a collective name for the remote sensing system （RS）， global positioning system （GPS）， and geographic information system （GIS）， and as a unified organism， it has strong spatial information processing and analysis capabilities. China is one of the countries where geological disasters occur frequently and the losses are extremely serious. In the detailed investigation of geological hazards， 3S technology has very powerful functions. By GPS fixed-point survey， remote sensing interpretation and GIS indoor analysis， it distinguishes the development law and type of geological hazard bodies， which can provide more detailed basic data for geological disaster prevention and mitigation， and provide technical support for emergency rescue.

Key Words： 3S technology; Geological disasters; Detailed investigation; Application

地球是一個不断运动和变化的庞大系统，体积庞大、结构和化学成分复杂，演化历史悠久[1]。进入21世纪，各国人民面临着许多紧急和重要的环境资源问题，如自然灾害、资源短缺等。这些问题从科学的研究实质看，地球系统的不同圈层是相互作用的[2]。经典的地球科学侧重于以一种分区的方式研究地球系统的某一特定圈层，因此，形成了各具特色的专业学科，具有独特的科学知识研究体系，比如气象学、地理学、地质学、海洋学等。通过人类对地球的研究水平的提升，特别是现代空间对地观测方法中的空间信息技术对解决地球科学领域内的时空变化、大尺度、多维度等关键问题起着关键作用。丰富的对地观测数据通过高分辨率的遥感技术提供[3]，海量的空间数据分析模型通过地理信息技术提供[4]，强大的海量数据的存储、共享、分析、可视化等功能通过数字地球平台和云计算、大数据等技术提供[5]。3S技术是遥感系统（Remote Sensing，RS）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的统称。3S技术的发展进步使用地球科学各个学科之间相互融合渗透，大大扩展了研究的领域范围。

因此，未来地球科学发展破除固有的学科之间的芥蒂，加强多学科融合，解决问题时应考虑地球各圈层之间的相互作用，用整体观、系统观、多时空观的统一思维模式研究地球的各种活动。3S技术以空间信息技术为支撑，同地质学、灾害学和景观生态学等相关学科研究方向结合，通过深入研究地质灾害对人类的影响，为减少地质灾害损失和精准提高预测能力打下强有力的技术支撑。

1  国内外发展与研究现状

1.1  国外发展与研究现状

20世纪70年代后期，东亚的日本是最先使用遥感影像技术制作 1∶5万比例尺地质灾害分布图的国家；西方主要发达国家通过运用遥感技术开展崩塌、滑坡、泥石流的调查工作，并对地质灾害调查情况进行系统总结，获取识别具有不同规模及特征的地质灾害体所需影像空间分辨率，并将遥感与地面调查结合，形成地空一体化的地质灾害调查和监测的技术手段方法[6]。根据资料记载，1977年，美国研究学者Brabb利用GIS 技术，研究区域地质灾害，他率先把GIS数据处理、电子绘图和数据管理作为重要的新技术方法[7]。

自20世纪80年代以来，西方国家研究学者开始在地质灾害方向拓宽研究领域，正式开启了地质灾害的评估工作[8-9]。在同一时期，Carth 与StephenD 等人也利用GIS的方法技术来研究工程地质工作[10]。

20世纪90年代，研究人员着重研究地质灾害评价分析和区划相关内容，这些工作还没有达到定量的研究程度。由于GIS 技术具有空间数据分析处理的功能特点，这项技术的应用范围较广。20世纪90年代初期，美国的弗吉尼州地质调查局的 Russel H. Campbell 研究团队开展山区地灾害的分析和环境评价工作，利用的就是GIS与 RS融合技术[11]。20世纪90年代初期中期，以GIS 技术为基础，建立防震减灾信息管理系统，对灾后应急、响应提供决策支持，美国科学家利用ARCINFO对洛杉矶大地震研究就是很好的实例。日本科学家利用GIS技术对横滨地震的灾后效果和影响进行了判断评估，建立了地图数据库，并通过层层叠加的方式提取有价值的应急信息。

进入21世纪以后，世界主要研究地质灾害的国家都有了脱胎换骨的进步。欧洲学者在亚平宁半岛北部、阿尔卑斯山脉的山前地带利用 GIS 技术在开展地质灾害危险性区域划分研究[12]；21世纪初，福斯特等研究学者绘制了滑坡灾害易发生地分区图，也是利用GIS技术在地质灾害的研究评价基础上的[13]；下一年，Wooten 等研究学者在美国North Carolina进行了利用GIS 技术的地质灾害易发性分析和图件绘制工作，获得业界一致好评[14]。

由于GPS技术的高精度定位特点，地质灾害的野外调查工作会更加便利；GIS技术具有集合图形图像、属性数据的管理和处理、空间分析、输入输出等功能的特点，这些特征造就GIS技术在地质灾害预测评价具有绝对优势。

1.2  国内发展与研究现状

在地质灾害调查应用领域，我国利用遥感技术进行研究具有开始晚、发展快的特点。国内在保障服务山地地区大型工程建设和大型江河洪涝灾害防治过程中，逐渐发展利用遥感地质研究。在地质灾害中的主要应用中，包括地质灾害模拟、评价、预测、防治，地理空间数据库建立、空间定位分析等内容[15]。

20世纪80年代早期，在地质灾害数据的采集、处理以及应用等工作中，国内工作人员最早使用GIS和RS技术强大的空间数据处理、分析功能在湖南省洞庭湖地区开展水利工程地质环境灾害调查。20世纪80年代中期，国内学者在西南地区开展大规模航空摄影测量，其成果资料成为地质灾害调查的重要数据信息来源，在宝成铁路和成昆铁路沿线选址中发挥了重要作用。20世纪90年代末期以来，我国持续开展“省级国土资源遥感综合调查”工作，各省均设立了专门的中小比例尺调查项目，利用RS和GIS技术识别地质灾害的分布特征及活动性，并为重大工程论证以及建设提供数据支持。进入21世纪以来，国内的3S技术在地质灾害的研究领域发展迅速。21世纪初，中科院研究学者对西南地区某段道路的地质背景做了遥感和GIS方面的分析；2003 年，中国地质环境监测院在完成“三峡库区地质灾害调查评估综合研究”项目过程中，根据调查研究成果建成三峡库区地质灾害数据库，综合分析评价三峡库区地质灾害分布特征、成灾机理以及交叉影响机制，编制了地质灾害防治相关图件[16]。2010 年，殷坤龙开发研制了滑坡灾害信息系统和实时预测预报系统，就是以WebGIS 为基础，利用 GIS技术和MapGIS软件为平台[17]。

综上所述，利用GIS、GPS、RS做地质灾害调查研究，已经取得了很多经验，尽管在地质灾害监测仍有很多不足，伴随着时代的进步，通过集成全球定位系统、航空遥感技术、地理信息系统等技术对地质灾害的监测是将来的发展趋势 [18]。

2  地质灾害详细调查

我国是地质灾害发生频率高、危害极其严重的国家之一。中国大陆约有一百万个地质灾害地点，每年约上千人死于地质灾害。随着人口的增长和人类工程、经济活动的加剧，危害人类生命财产安全和经济建设的地质灾害程度持续增加，防灾、抗灾、减灾已为全社会的一项急迫任务。不稳定斜坡、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝是地质灾害调查的主要内容。我国每年因崩塌、滑坡、泥石流及人類工程活动导致的浅表地质灾害占半成以上，地质灾害造成的损失占所有灾害损失的三成 [19]。

2.1  滑坡调查

滑坡是世界上破坏力最大的自然地质灾害之一。根据数据显示，我国陆地面积约有两成以上直接受到滑坡灾害威胁或间接受到滑坡威胁。滑坡调查对滑坡进行类型、规模和特征等的调查，主要包括区域地质环境调查、水文地质特征调查、地形地貌调查、滑坡体特征调查、滑坡变形活动特征、成因及危害性调查等内容。在地质灾害调查中，根据强降雨、地表水渗透、地下水活动、构造活动对斜坡稳定状态的影响情况以及人类工程建设活动对斜坡的破坏状况，可以判断滑坡发生的可能性、危险性和危害范围等 [20]。

2.2 崩塌调查

崩塌是指陡崖前缘的不稳定岩（土）体，主要在重力作用下，突然崩坠塌落的现象。崩塌调查的主要内容有崩塌区的基本特征调查，包括地形地貌、地层岩性、岩层产状及其与陡崖坡向的关系、构造断裂和水文地质特征；先期崩塌体特征调查，包括崩塌体產出位置、规模与物质组成及结构、运移的斜坡形态、稳定状况；潜在崩塌体（危岩体）特征调查，包括危岩体产出位置、规模、地层岩性、边界、开裂缝的组数与特征、内部组构，稳定状况和可能运移的斜坡形态及最终堆积场地，崩塌后可能的影响范围；崩塌成因因素调查，包括自然动力因素与人类工程经济活动对崩塌发生与发展的影响；崩塌危害调查和崩塌防治工程及其效果调查。

2.3  泥石流调查

泥石流是指介于水流和土石滑动之间的饱含大量泥沙与石块的洪流。区域环境地质调查中对泥石流的调查内容主要有：泥石流沟流域调查、泥石流活动情况调查、泥石流危害程度调查和泥石流防治工程及其效果的调查。

2.4 地质灾害详细调查目的

地质灾害详细调查是复杂的系统性工作，在环境地质区划工作的基础上，通过结合空基、天基、地基等调查方法获取地质、环境、气候、植被、人类活动等有效数据信息，进一步查明影响人类社会生产生活的地质灾害及隐患的地质环境条件，揭示其分布特征、发生发展规律和成灾机理，综合分析评价其危险等级和危害程度，为下一步的防灾减灾工作提供决策依据[21-22]。在地质灾害详细调查过程中要求在方法上要具有针对性、适用性、可行性的特点。

地质灾害调查还具备过程复杂、影响因素多、信息依赖程度高的特点。具备一定可靠的信息技术是在对地质灾害进行详细调查过程中的必要条件，此外，地质灾害发生的地带往往具有地质环境恶劣、交通不畅通、易忽略重要地质信息的特点。当前亟须解决的问题是总结一套符合时代要求的新型地质灾害调查技术方法。

3  3S技术工作方法

3.1   RS技术在地质灾害详细调查中的应用

地质灾害的形成、发展和演化受到地形、地貌、构造、降水、气候、人类活动等因素的综合影响，RS技术是以遥感影像为基础，结合基础地质资料和目标任务在多尺度、多层次、多领域上对地质灾害的各种特征开展遥感解译工作。RS技术调查的目的是分析解释调查区域主要灾害的时空分布特征和演化规律，规划设计野外工作方案和调查路线，圈定地质灾害发育的重点调查研究区域，并且遥感解译的成果还可以为地质灾害基础数据库建设提供数据支持。

地球表面物质的反射的光谱颜色、形态和综合特征信息，得出多样的影像资料，以此解译类别名称，这就是遥感解译的标志。在具体工作中，要把已有的遥感解译成果资料充分收集，在野外实践中根据地球表面物质反射的波普特点与空间信息资料，建议以图像为基础的区域地质环境条件因子，如植物类型、人工工程标志、岩体特征以及各种地质灾害的遥感解译标志。

3.2  GIS 技术在地质灾害详细调查中的应用

数据分析功能和空间数据管理是GIS 技术运用的主要方法。GIS技术首先依据遥感解译结果和野外踏勘资料建立数据模型，再在此基础上分析在空间上的规律，然后做动态的时间评价，最后得出地质灾害发生的根本原因，这样就为地质灾害的防治提供了相应的技术支持。其中，地质灾害的发生主要有4个因素。

（1）地形坡度：常见地质灾害主要分布于 20°～ 40°坡度范围内。

（2）地形坡向：斜坡阳坡方向上分布个数多，斜坡阴坡方向上相对较少。

（3）斜坡高度：地质灾害主要分布于0～150 m 的坡高范围内。

（4）地层岩性：地质灾害主要集中分布于夹砂岩、砂岩、泥岩夹砾岩和白垩系砂岩、含砾砂岩。

3.3  3S技术综合应用

3S技术在地质调查的综合运用，其目的主要是快速反应获取工作区的精确位置、地形地貌和其他地质对象资料数据。

3S技术地质灾害调查是将现象属性和空间信息联系起来，使遥感数据有定位信息，实现RS与GIS有机结合起来，全球定位系统也成为地质调查的一种信息来源与更新信息的手段，同时地质属性和空间信息相对应，为传统地质提供了新型武器，通过解决遥感数据的定位问题，达到RS信息和GIS 数据库相结合的目的[23]。GPS 是地质调查工作的一种全新的信息源手段，利用遥感技术开展遥感解译工作，得到发生区的定位、区域范围和地形地貌、地质构造、水文分布和人类活动等，通过地质灾害区域分布图，为下步野外调查路线和重点区域调查打下基础[24-25]，与此同时，利用 GIS 技术对广域地质灾害进行充分分析，建立丰富的空间数据分析库。

3S技术伴随着科学进步不断向前推进，可以从越来越多的渠道获取空间基础数据，数据质量也就越来越具有时效性，通过这些信息的充分利用，提高作业的效率，提升了准确度，节省了不必要的人力和经济消耗。其的综合应用方法分为4个部分：（1）通过GPS技术控制测量的优势，校正获取的遥感影像的准确坐标位置；（2）通过几何校正、配准、影像融合一定分辨率的卫星遥感影像图（数据），制成数字正射影像图；（3）通过数字正射影像图当作室内预测和外部制图的工作底图，得到野外数据信息资料；（4）通过GIS技术处理的数据，建立地质灾害的数据库以及信息管理系统[26]。

伴随着信息技术的快速发展，计算机网络把3S各个部分互相连接，使得 3S技术构成了一个统一有机整体，通过信息数据共享，研究人员可以进一步进行分析研究利用，调查结果通过互联网及时向政府和公众公布，以此构成了通过信息技术为支撑的具有评价管理决策功能的地质灾害详细调查系统[27]。

3.4  3S技术应用优势

我国幅员辽阔，地质环境复杂多样，地质灾害频发。由于之前的地质灾害调查方法往往使用较多人力物力在现场开展调查，存在定位不精确、调查区域面积小和数据量冗繁处理表难度大的特点，且在一些复杂特殊地质环境中难以进入实地直接开展人工调查工作。传统地质灾害调查首先经现场调查获取数据之后，然后利用计算机、数学、力学等技术方法进行综合分析，以获取地质灾害的分布特征、发展演化规律以及成灾机理等有效信息，最后根据前期综合调查成果撰写调查报告以及绘制相关图件。地质灾害调查能够获取大量的基础数据资料，但是由于地质灾害发育不规律、时空分布广泛、成灾机理不一致等因素，因此開展数据分析以及数据挖掘等工作是未来研究地质灾害的主要方向之一。近年来，3S技术发展迅速，根据其自身优势可以快速获取地质灾害的多维时空数据，能够从多个方面对地质灾害进行描述与分析，这使得3S技术在地质灾害详细调查和评价成为可能[28]。

传统技术方法在查明地质灾害体工程地质特征存在一定的局限性，例如地质环境复杂多变且脆弱、构造地质背景复杂且运动强烈、地震频发、降雨充沛等地灾易发区，人员、车辆和装备难以在调查的第一时间进入现场开展实地调查。相对而言，3S技术受地表环境条件的影响较小，可以快速反应，及时获取地质灾害体的分布、体量、时空变化等有效信息（见图1）。因此，3S技术方法具有经济性、快速性、信息丰富等优点，能有效地反映滑坡体的范围、稳定性等特征，得到了广泛的应用，对滑坡治理方案的选择具有重大意义，为高效、系统地开展地质灾害详细调查和评价任务以及做好工程防治、监测预警、避灾搬迁等相关工作提供技术和数据支持[29-31]。

4  结语

我国地质灾害复杂多样、发生频繁，地质灾害详细调查作为一项基础性、公益性的工作，仍需要长期投入开展理论和实践研究。传统方法在地质条件极其复杂特殊的区域开展地灾详查工作，受环境影响较大，调查工作进展缓慢，方法存在一定不足。通过野外调查和综合分析研究，基于3S技术的地灾详查技术方法能够有效弱化地质环境影响，第一时间开展调查工作并迅速获取多维时空数据资料，通过综合分析研究，获取地质灾害体的分布特征、演化规律、成灾机理等有效信息。3S技术方法具有经济性、快速性、信息丰富等优点，为高效、系统地开展地质灾害详细调查和评价任务提供技术服务，为做好工程防治、监测预警、避灾搬迁等工作提供数据支持，具有广阔的应用前景。

参考文献[1] 刘光鼎.论地球科学[J].地学前缘，1998（1）：2-9.

[10] 林梅惠.地质灾害综合信息管理系统的实现与应用[D].福州：福建师范大学，2010.