0 引言

中国是山地丘陵面积较大、地质条件复杂，以及构造地质灾害极其频繁的国家之一。每年因灾死亡人数众多，造成的经济财产损失极为严重，地质灾害防治形势十分严峻。随着当代高新技术的迅猛发展，光学卫星、航空、雷达卫星等遥感技术在地质灾害调查中的应用发展及前景广阔，遥感技术在地质灾害防治领域大显身手，国内遥感技术在地质灾害调查中的应用也逐步从单一的光学遥感向多源遥感技术手段协同应用的方向发展（邓辉， 2007；王龙飞，2014；许强等，2022；李启亮等， 2023）。已有研究表明遥感技术在地质灾害解译中的应用效果较好，雷达遥感数据在地面塌陷地质灾害调查应用效果尤其明显，但中低分辨率光学遥感数据对小型崩塌、滑坡等地质灾害前期调查效果不佳（张健，2015；刘星洪等，2018；陆会燕等，2019）。研究成果表明多源遥感在地质灾害调查中的应用日益精进，质效逐步提升，能够提升地质灾害调查的识别能力。

鹤壁市作为豫北太行山地区资源型城市之一，以煤矿及建筑石料开采为主，主要地质灾害类型有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等（河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，2015^①）。豫北太行山地区以往地质灾害调查多采用单一的实地调查技术手段，多以已知灾害点为调查对象，对于地质灾害隐患点、地面塌陷等地质灾害的遥感调查及监测工作相对较少，本文以鹤壁市（浚县、淇滨区、山城区、鹤山区）为例开展多源遥感技术地质灾害调查中的协同应用研究，探讨在多源遥感技术协同作用下对地质灾害调查的成效。

1 多源遥感地质灾害调查方法

遥感技术的不断发展逐步形成并完善了“空-天-地”遥感观测与现场核验互相协作的地质灾害隐患调查识别技术体系（高丽琰，2018；杨婷婷， 2020；许强等，2022）。多种遥感调查手段相融合的多源遥感技术正在改变着地质灾害传统调查识别方法，已成为地质灾害调查识别的重要手段。面对河南“7·20”洪灾后极易引发地质灾害的严峻形势，采用高分系列光学卫星、哨兵雷达卫星、无人机等多源遥感技术，系统开展了鹤壁市地质灾害的识别与调查，发挥各技术手段的优势，最大限度地识别地质灾害，提升地质灾害定位和特征识别的准确度与效率。多源遥感技术调查识别鹤壁市地质灾害的流程如图1所示。

1.1 光学遥感调查

地质灾害光学遥感调查主要是通过利用光学卫星影像和其他辅助数据对地质灾害的位置、形状、大小、阴影、色调、颜色、纹理、图案、影响范围等解译标志识别具体的灾害类型，并圈定地质灾害发生及其潜在隐患的位置范围（王娟等，2014；周英杰等，2015；王晓志，2018）。本文基于光学遥感数据的地质灾害识别采用鹤壁市“7·20”前后两期（2021 年第二季度和 2022年第一季度）高分二号 1 m 分辨率全色影像和2 m分辨率多光谱数据。数据经过辐射定标、正射校正、图像融合、图像裁剪等预处理，形成遥感解译所需基础影像数据。通过建立地质灾害解译标志，采用目视解译方法，对比降雨前后两期影像数据，从而对鹤壁市地质灾害进行解译识别。

1.2 雷达遥感调查

光学遥感解译虽是目前滑坡灾害隐患大范围早期识别主要手段之一，但其受云雾环境的影响较大，且对地面塌陷灾害识别效果较弱，但干涉雷达具有大范围连续跟踪微小形变的特性，使其对变形区具有独特的识别能力，且适宜于开展地表形变分析与长期持续观测，可为地质灾害隐患早期识别与分析提供有力的数据支撑，目前已被广泛应用于地面塌陷、滑坡、泥石流等地质灾害的应急调查，在应用中具有很好的效果（刘星洪等，2018）。

雷达数据主要处理步骤包括影像配准、干涉及空域滤波、相位解缠、地理编码等步骤。对配准及重采样后的影像进行干涉处理得到干涉相位，利用数字高程模型（DEM）去除地形相位得到差分相位，再进行解缠计算得到形变相位，最后经过地理编码得到地表变形，其解译精度可以达到厘米级甚至毫米级。干涉雷达是在2个不同时间对同一区域进行两次成像可以获取两幅单视复数影像，将这两幅影像配准重采样并共轭相乘形成一幅干涉图，干涉图中每个像元的干涉相位包含该点相对于参考位置的高程和形变信息。由于大气和地表环境在空间和时间上处于不断变化之中，导致干涉图中的干涉相位受到影响，进而使得最终的干涉测量结果产生偏差。考虑各方面影响，干涉图中任意干涉相位 φ_int可以表示为：

式（1）中：W{···}为缠绕运算；干涉相位主要包括轨道差异引起的相位分量φ_orb、地形起伏φ_dem、地表形变 φ_dis、大气相位延迟 φ_atm和噪声分量 φ_noise。干涉雷达主要用途之一是准确提取由地表形变造成的形变分量 φ_dis。式（1）中等号右边前两项可以利用传感器的轨道信息和 DEM 准确模拟并从干涉相位中剔除，大气相位延迟φ_atm和噪声分量φ_noise可通过各种滤波方法在一定程度上得到抑制消除。通过二维空间解缠就可以从干涉相位φ_dis中解算出地表形变，进而利用地质灾害所表现出的形变信号来识别隐患。

针对鹤壁市地貌类型多、地形变化大、植被覆盖中等、煤矿开采造成潜在变形区范围广等特点，采用干涉雷达技术对鹤壁市洪灾前后的地表变形进行了分析，计算中的雷达数据采用哨兵卫星上合成孔径雷达（TerraSAR-X）获取的研究区内 2021 年第二季度和 2022 年第一季度 2 期 5 m×20 m 分辨率雷达干涉图像。差分干涉处理中选用 ALOS 12.5 mDEM作为参考，进行去平地效应及地理编码。

1.3 无人机调查

光学和雷达遥感技术已被广泛应用于地质灾害调查工作中，但是两者均有各自的适用对象和局限性，对小型地质灾害的识别不够准确，且解译成果的查验依靠传统的人工地面调查排查，使得地质灾害调查工作强度大、效率低且风险大，有时个别区域人员无法到达，难以在短时间内反馈出灾情信息，以至于延误抢险救灾。近年来随着无人机技术的发展和推广应用，无人机以其独特的非接触式测量方式、精度高、灵活性强、360°全方位无死角等特点（高娇娇，2010；王晨昇等，2017），针对单体地质灾害，可多角度展现出灾害体特征以及周围区域的真实场景，清晰地展示灾害体的类型、规模大小、地形地貌特征以及灾害体及其影响区域范围，直观准确地辨识出地质灾害体的形态特征。

2 区域自然条件及地质背景

2.1 区域自然条件

鹤壁市区位于太行山东麓与华北平原的交接过渡地带（图2），属暖温带半湿润季风气候，四季分明，光照充足，无霜期长，温差较大；年降水总量在 522.5 mm 左右，属河南省比较干旱的地区，且年内年际降水分配不匀，常是春旱秋涝；年无霜期平均 220 d左右。总地势为西高东低，西部为太行山脉的断续隆起形成石灰岩侵蚀剥蚀低山区，中部为华北平原相对沉降形成的砂页岩泥岩剥蚀堆积丘陵岗台区，东部为华北平原。

2.2 地质背景

研究区主要出露地层为寒武系、奥陶系、中上石炭统、二叠系、新近系、第四系。西部山区和东部丘陵岗区尚有石炭系、二叠系，呈条带状零星分布，还有不同时期不同性质的岩浆岩分布（河南省资源环境调查三院，2020^②）。地质构造处于华北坳陷之西部和太行山隆起的东部边缘，具有长期、多次的构造运动特征，构造行迹以断裂为主，褶皱不发育。其他岩层产状平缓，倾角一般为 5°～10°，总体向东或北东倾斜，为盘石头—纣王殿背斜东翼之略具中波状起伏的单斜构造。断裂构造主要有东西向、北东向、近南北向共 3 组方向，多为压扭性，研究区内广泛分布（图3）。

3 多源遥感地质灾害调查成果

3.1 光学遥感调查成果

鹤壁市境内的地质灾害主要为斜坡型地质灾害，主要类型为崩塌、滑坡、地面塌陷、泥石流等，本文通过对光学遥感影像的增强、滤波变换等手段，凸显了地质灾害的识别特征，建立了解译标志（表1），通过人机交互方式进行解译。

在遥感解译标志建立的基础上，室内解译并通过野外现场校验核实，共确定地质灾害（隐患）共27 处（图4），其中崩塌 19处，滑坡 6处，泥石流 2处；均为小型，未见大中型规模，其中以崩塌为主，滑坡、泥石流数量较少。

3.2 雷达遥感调查成果

本文提取了研究区 2021—2022 年的地表形变信息（图5），图中形变量为橙红色（负值）的代表地面沉降区域。地表形变结果显示：鹤壁市地面塌陷灾害主要分布于北部丘陵地区，共计 14 处，沉降值均在 9.5 cm 以内，其中有 8 个塌陷区地表年度沉降值为 2～9.5 cm，6个塌陷区地表年度沉降值在 2 cm 以内。但由于本研究选取的数据时序较少，且研究区西部地形起伏较大、山高谷深，几何失相关表现较大，产生了几何畸变现象，导致地表形变结果中出现了形变量为蓝色（正值）区域。

3.3 无人机遥感调查成果

采用无人机航测技术对 15 处单体地质灾害隐患进行了识别调查评估，尤其是地势陡峭、地形切割较大等人员难以到达的灾害点，着重利用无人机开展调查，拍摄灾害特征近景及整体高清晰影像资料进行验证，提供了高分辨率的正射影像和视频数据，进一步完善了地质灾害的要素特征、危害对象及范围，补充了卫星遥感影像数据在时相、精度上的不足，为地质灾害隐患现场调查和应急处置提供理论依据和数据支撑（图6）。

a—崩塌隐患点；b—泥石流地质灾害

4 成果分析

4.1 地质灾害分布

（1）与地形地貌的关系

斜坡相对高差、地形坡度、结构与形态等特征，是控制或影响地质灾害发育的主要因素。将研究区地貌分为 4 大类：侵蚀剥蚀低山、侵蚀剥蚀丘陵、侵蚀剥蚀台地、冲积平原（表2，图7a）。

基于DEM数字高程模型，分别提取高程、坡度、坡向、地形起伏等地形因子。

为便于地形地貌与地质灾害分布关系统计及地质灾害发育规律分析，本文高程划分＜200 m、 200～400 m、400～600 m、＞600 m共4个区间，坡度划分 0°～15°、15°～30°、30°～45°、45°～60°、＞60° 共 6 个区间，坡向划分北（315°～45°）、东（45°～135°）、南（135°～225°）、西（225°～315°）共 4 个方向，各地形地貌要素分区面积统计见表3~表5。

（2）与工程地质的关系

研究区岩土体按照成岩作用程度、建造类型、结构类型和岩、土颗粒间有无牢固连接，区内岩土介质可划分石灰岩、白云岩岩组，强风化岩、砂页岩组，黏性单层土体，粉质黏土、粉砂土体共 4 种工程地质类型。各类型分布情况见表6，图7b。各岩土层分布特征总结如下：

①石灰岩、白云岩岩组：主要岩性为灰岩及白云岩、白云灰岩，为寒武系—奥陶系地层，夹少量震旦系砂岩和少量火山岩。灰岩和白云岩呈厚层状，岩溶裂隙较发育，新鲜岩石抗压强度较强，工程力学性质相对较好。

②强风化岩、砂页岩较软岩组：主要岩性为强风化的变质岩（片麻岩），夹少量石炭系、二叠系砂页岩。

③黏性单层土体：由上更新统、中更新统粉土组成，土体均一结构，密实、硬塑、裂隙较发育，黏土具弱膨胀性。

④粉质黏土、粉砂土：由全新统冲积物组成，土体呈层状结构。主要分布在研究区中部及东部冲击倾斜平原、冲积平缓平原区域。

（3）与断裂构造的关系

断裂构造的形态判译标志，主要是通过线形影像显示出来，一般来说，呈条带状展布，延伸较长的线形形迹，说明断裂规模较大。而呈细线状展布，延伸较短的线形形迹说明断裂规模较小。

为便于地质构造与地质灾害分布关系统计及地质灾害发育规律分析，断层线按 0～100 m、100～200 m、200～500 m、500～1000 m、1000～2000 m、 2000～3000 m、＞3000 m 缓冲距离进行空间分析统计（表7，图7c）。

（4）地面塌陷灾害与煤矿开采活动关系

通过与收集煤矿开采资料（鹤壁市国土资源局，2018^③）对比，地面塌陷多在历史上煤矿开采活动范围内（图7d），多呈近圆形，可见研究区内地面塌陷地质灾害与历史上煤矿开采活动关系密切。

4.2 地质灾害发育规律

研究区内地质灾害类型以崩塌和地面塌陷为主。其中崩塌灾害多为小型，主要分布在 400 m 高程以内、地形坡度 30°以内侵蚀低山地貌，受道路施工、人工采石活动影响明显；地质构造条件对区内地质灾害发育总体影响较明显。地面塌陷灾害主要分布在煤矿破坏区范围内，与历史煤矿开采活动关系密切，同时受自然重力和强降雨等其他外界触发因素的作用，诱发灾害发生。

5 结论

（1）利用光学、雷达技术和无人机等多源遥感技术协作方法，初步圈定出了地质灾害（含隐患点） 共 41 处。经核查共确定地质灾害 35 处，其中崩塌 15处、滑坡6处、泥石流2处、地面塌陷12处，有效识别率为85.37%。

（2）鹤壁市崩塌、滑坡、泥石流地质灾害均为小型，未见大中型规模，其中以崩塌为主，滑坡、泥石流数量较少；主要分布在鹤壁市西部低山、丘陵地区，受建筑石料露天矿山开采、道路施工等人类活动影响较大。地面塌陷地质灾害多为大、中型，主要分布在鹤山区、山城区煤矿破坏区，主要为历史上煤矿开采活动形成的采空区沉降，地表年度沉降值均在 9.5 cm 以内，其中有 8 个塌陷区地表年度沉降值为 2～9.5 cm，4 个塌陷区地表年度沉降值在 2 cm以内。

（3）多源遥感技术协同开展地质灾害遥感调查工作的应用方法能够提升识别的准确率，减少工作时间和强度，结合无人机遥感对疑难点和技术人员难以到达地灾点检查协同作业，效果明显，多源遥感数据解译成果可靠，能够有效提高工作质效、保障技术人员野外安全。

（4）光学、雷达、无人机等遥感技术都有各自的优势和识别范畴，单一的遥感调查手段难以完全有效地解决地质灾害隐患识别问题；地面塌陷区在光学遥感影像中无明显特征，无法直观地进行解译，说明光学遥感影像对地面塌陷灾害难以进行识别，应用效果较差，而雷达遥感能够对地表发生的变形进行有效识别；无人机遥感数据对于规模较小的地质灾害能够有效、精确识别。由此可见，地质灾害遥感调查中单一的技术方法具有一定局限性，多种遥感技术手段相协作的调查方法能够互补，调查结果更有效、更准确。利用多种遥感技术手段相互融合、优势互补的综合调查识别技术手段，是区域性地质灾害调查的有效途径。

a—地质灾害与地貌分布关系图；b—地质灾害与工程地质分布关系图；c—地质灾害与地质构造分布关系图；d—地面塌陷与煤矿开采活动分布关系图

注释

① 河南省有色金属地质矿产局第七地质大队 .2015. 河南省鹤壁市1∶5万矿山地质环境调查评价成果报告[R].

② 河南省资源环境调查三院 .2020. 鹤壁市地质灾害防治“十四五”规划（2021~2025年）[R].

③ 鹤壁市国土资源局 .2018. 鹤壁市矿产资源总体规划（2016～2020年）[R].

参考文献