基于卫星遥感影像的冻土灾害分类方法及装置与流程

本发明涉及遥感技术领域，具体而言，涉及基于卫星遥感影像的冻土灾害分类方法及装置。

背景技术：

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土(数小时/数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层)。地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50％，其中，多年冻土面积占陆地面积的25％。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。

因此，冻土区的地貌和地质变化对公路建设、建筑物建设和日常维护等生产生活具有十分重要的实际意义。现有技术中并没有系统的对冻土区域的地貌等进行分析处理的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于卫星遥感影像的冻土灾害分类方法及装置，可以解决上述问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于卫星遥感影像的冻土灾害分类方法，该方法包括：

获取目标区域不同时相的卫星遥感影像数据；

提取冻土区域中不同地物的冻土影像特征；

将所述卫星遥感影像数据分割成预设个图斑，每个图斑包括预设个像元；

对不同时相的卫星遥感影像数据进行比对，根据所述冻土影像特征对所述图斑中的地物进行识别分类。

进一步的，对不同时相的卫星遥感影像数据进行比对，根据所述冻土影像特征对所述图斑中的地物进行识别分类的步骤包括：

当所述冻土区域的冻土影像特征为三角形或椎体状，确定所述地物为冰锥；

当所述冻土区域的冻土影像特征为扇状，确定所述地物为冰幔；

当所述冻土区域的冻土影像特征为起伏丘状，确定所述地物为冻胀丘；

当所述冻土区域形态属于不规则状且与低洼地形吻合，确定所述地物为冻结湖塘；

当所述冻土区域的冻土影像特征为片状或条带状，确定所述地物为湿地；

当所述冻土区域的地形形态属于不规则状且与微地形积水和土壤厚度相关，确定所述地物为草甸。

进一步的，所述图斑为以大于或等于3个像元为边长的正方形；不规则形的图斑为大于或等于以2个像元和4个像元为边长的矩形；所述卫星遥感影像数据包括沟谷，所述沟谷对应的图斑的宽度大于或等于2个像元；所述冻结湖塘、湿地或草甸对应的图斑为以5个像元为边长的正方向；所述卫星遥感影像数据中的线状地物对应的图斑的宽度大于或等于2个像元。

进一步的，所述图斑的边缘提取精度小于或等于正负1至2个像元；

对符合预设条件的特殊地物对应的图斑做夸大处理。

进一步的，根据所述冻土影像特征对所述图斑中的地物进行识别分类的步骤包括：

获取所述冻土区域的水文地质数据、工程地质数据、环境地质数据及遥感资料数据；

分析所述冻土区域中不同地物的基本特征信息和遥感影像特征信息；

根据预设解译要素及地貌信息、冻土现象信息、冻土灾害信息，建立所述目标区域对应的分类体系及解译标志，并根据不同时相的卫星遥感影像数据完善所述解译标志。

进一步的，该方法还包括：

确定所述目标区域中不同冻土灾害信息的空间分布数据。

本发明还提供了一种基于卫星遥感影像的冻土灾害分类装置，该装置包括：

数据获取模块，用于获取目标区域不同时相的卫星遥感影像数据；

特征提取模块，用于提取冻土区域中不同地物的冻土影像特征；

影像处理模块，用于将所述卫星遥感影像数据分割成预设个图斑，每个图斑包括预设个像元；

分类模块，用于对不同时相的卫星遥感影像数据进行比对，根据所述冻土影像特征对所述图斑中的地物进行识别分类。

进一步的，所述分类装置对不同时相的卫星遥感影像数据进行比对，根据所述冻土影像特征对所述图斑中的地物进行识别分类的方法包括：

当所述冻土区域的冻土影像特征为三角形或椎体，确定所述地物为冰锥；

当所述冻土区域的冻土影像特征为扇状，确定所述地物为冰幔；

当所述冻土区域的冻土影像特征为丘状，确定所述地物为冻胀丘；

当所述冻土区域低于周边地貌，确定所述地物为冻结湖塘；

当所述冻土区域的冻土影像特征为片状或带状，确定所述地物为湿地；

当所述冻土区域的地形积水且土壤厚度满足预设条件，确定所述地物为草甸。

进一步的，所述图斑大于或等于3个像元为边长的正方形；

所述卫星遥感影像数据包括沟谷，所述沟谷对应的图斑的宽度大于或等于2个像元；所述图斑的边缘提取精度小于或等于正负1至2个像元；对符合预设条件的地物对应的图斑做夸大处理。

进一步的，所述分类模块根据所述冻土影像特征对所述图斑中的地物进行识别分类的方法包括：

获取所述冻土区域的水文地质数据、工程地质数据、环境地质数据及遥感资料数据；

分析所述冻土区域中不同地物的基本特征信息和遥感影像特征信息；

根据预设解译要素及地貌信息、冻土现象信息、冻土灾害信息，建立所述目标区域对应的分类体系及解译标志，并根据不同时相的卫星遥感影像数据完善所述解译标志。

进一步的，所述分类模块还用于确定所述目标区域中不同冻土灾害信息的空间分布数据。

在本申请实施例中，基于卫星遥感数据和冻土区域中不同地物的冻土影像特征，可以对冻土区域中的冻土灾害进行分类提取，从而可以构建冻土区域的冻土灾害信息数据库，给分析冻土区域中不良冻土地质现象对工程潜在的威胁及由此可能导致的工程病害带来数据支持，为对降低工程病害的发生率和自然灾害对工程造成的破坏提供科学指导，为未来在冻土区内新建重大冻土工程的设计和施工提供科学依据，同时给保护工程周边生态环境提供信息支持。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施方式提供的一种冻土灾害分类方法的流程示意图。

图2为本发明实施方式提供的一种冻土灾害分类方法中步骤S104的子步骤的流程示意图。

图3为本发明实施方式提供的另一种冻土灾害分类方法的流程示意图。

图4为本发明实施方式提供的一种冻土灾害分类装置的功能模块示意图。

图标：200-冻土灾害分类装置；201-数据获取模块；202-特征提取模块；203-影像处理模块；204-分类模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例提供了一种基于卫星遥感影像的冻土灾害分类方法，如图1所示，该方法包括以下步骤。

步骤S101，获取目标区域不同时相的卫星遥感影像数据。

利用卫星遥感影像可以更高效的实现对冻土灾害的类型和分布信息的调查。在本申请实施例中，可以采用我国的高分一号遥感卫星提供的遥感数据进行冻土灾害信息的分析。在进行冻土灾害信息的提取过程中，需要先获取目标区域的相关数据，并且由于冻土区域内的各种冻土灾害会因环境的变化而出现变化，因此需要获取不同时相的相关数据。

目标区域的确定可以根据实际情况的需要进行，在本申请实施例中，可以以我国的西藏地区作为研究区域。由于西藏地质构造十分复杂，新构造运动活跃，平均海拔高度达4000m以上，长期以来，一直是我国地质灾害及环境地质问题多发区之一。各类环境地质问题突出，灾害频繁、类型多样。尤其是近年来，伴随着西藏经济建设的迅速发展以及全球性灾害性天气的日益增多，在一定程度上加快了地质灾害的发生、发展，导致区内各类环境地质问题日趋严重。对人类赖以生存的环境及人民生命财产安全构成很大威胁或危害，直接或间接制约了西藏自治区国民经济建设的可持续发展。

西藏地区内环境地质问题以土地沙化、土壤侵蚀、冻胀融沉、盐碛化等为主，多呈带状或片状分布于藏北内流湖区和“一江两河”河谷地带。在自然进程与人类工程经济活动的相互作用激发下，整体呈累进性扩大、加重之势。

冻土的冻融过程会改变地下浅部岩土体物理性质，区内的工程设施的稳定性会受到影响，影响严重的会造成工程设施的破坏。常见的冻土灾害有道路翻浆、热融滑塌、地基不均匀冻融沉陷。

在西藏冻土区的人口聚集区及重要交通干线开展冻土灾害调查，调查其类型、规模、危害程度及成因，总结区域冻土灾害空间分布特征。对重大冻土灾害点开展定期观测，掌握其动态变化特征。主要针对冻土区地基土体冻胀和融沉的灾害特征，通过公路、建筑物基础冻胀和融沉防治技术的现场观测资料，分析冻土区地基冻胀和融沉的防治技术效果及其对地基下部冻土变化的影响。按照相关技术要求开展综合研究，区划西藏多年冻土分布特征，总结多年冻土区主要城镇和重要交通干线的冻土灾害类型、空间分布、危害程度及其动态变化特征。

公路交通对西藏自治区的发展具有重要的作用，在国家的大力支持和西藏人民的努力下，区内交通条件得到了极大改善，建成了青藏公路、川藏公路、新藏公路等进出西藏的重要通道，构成了以国道为主，省道为支架的国道、省道、县乡公路和边防公路的公路交通体系。

由于受特殊自然条件，尤其是常年低温，冻结期长，冻融循环频繁等恶劣条件的影响，加之日益提高的交通量和不断增大的轴重综合作用，导致路基沉陷变形、冻融翻浆、边坡疏松、路面开裂、松散，明显降低了公路使用性能，制约着公路交通基础设施作用的充分发挥。另外，西藏属于多年连续冻土地带，特殊的地质构造、地貌特征和复杂的气候条件，也造成了西藏公路时刻面临着滑坡、坍塌、泥石流、雪崩、流沙等多种病害的破坏，给公路的抢险保通工作带来巨大的困难。

本申请实施例可以利用我国的高分一号卫星提供的遥感数据，从中提取西藏自治区301省道、新藏公路219国道、109国道的灾害体，其研究区域分别向道路两侧外扩300m，即以公路为中线的600m研究区域，面积总共为6274km²。通过本项目的实施，构建西藏公路冻土灾害信息数据库，分析西藏公路沿线不良冻土地质现象对道路工程潜在的威胁及由此可能导致的工程病害，为对降低公路病害的发生率和自然灾害对公路造成的破坏提供科学指导，为未来区内新建重大冻土工程的设计和施工提供科学依据，同时保护公路沿线生态环境。

步骤S102，提取冻土区域中不同地物的冻土影像特征。

可以选取较典型的冻土区域中不同地物的影像，将这些影像与不同地物一一对应，对不同地物对应的影像进行分析，提取出不同地物的冻土影像特征，以便在后续的影像分析中，将符合冻土影像特征的影像数据分类提取出来。

步骤S103，将所述卫星遥感影像数据分割成预设个图斑，每个图斑包括预设个像元。

在对目标区域对应的卫星遥感影像数据进行分析时，由于目标区域的范围较大，需要先确定分析的粒度，可以根据实际需要将卫星遥感影像数据分割成包或预设个像元的图斑。

步骤S104，对不同时相的卫星遥感影像数据进行比对，根据所述冻土影像特征对所述图斑中的地物进行识别分类。

可以理解的是，如图2所示，步骤S104可以包括以下子步骤。

步骤S1041，获取所述冻土区域的水文地质数据、工程地质数据、环境地质数据及遥感资料数据。

步骤S1042，分析所述冻土区域中不同地物的基本特征信息和遥感影像特征信息。

根据预设解译要素及地貌信息、冻土现象信息、冻土灾害信息，建立所述目标区域对应的分类体系及解译标志，并根据不同时相的卫星遥感影像数据完善所述解译标志。

具体的，步骤S104可以包括：

当所述冻土区域的冻土影像特征为三角形或椎体状，确定所述地物为冰锥；当所述冻土区域的冻土影像特征为扇状，确定所述地物为冰幔；当所述冻土区域的冻土影像特征为起伏丘状，确定所述地物为冻胀丘；当所述冻土区域形态属于不规则状且与低洼地形吻合，确定所述地物为冻结湖塘；当所述冻土区域的冻土影像特征为片状或条带状，确定所述地物为湿地；当所述冻土区域的地形形态属于不规则状且与微地形积水和土壤厚度相关，确定所述地物为草甸。

冰锥是冻土地区独特的一种冻土现象，是由于地表或水面冻结而使水流运动受阻在地表或冰面冻结而形成的地表冰体。冰锥的形成受气候、地理地质、水文等诸多因素的控制，其形成特征在不同区域有不同的表现。西藏大部分地区属于高寒地区，道路冰锥及连带病害十分严重，阻碍交通，毁坏道路，引发公路翻浆、冻胀、路基边坡失稳造成滑坡等一系列问题，同时使路面形成冰坎、冰槽等，严重影响着交通运输安全，给冬季公路的养护工作造成很大困难，并在一定程度上制约着地方经济的发展。

冰幔通常发生在桥梁桩基、涵洞及斜坡路基上，可能导致桥梁桩基的剥落、破损、冻拔及涵洞的淤积、道路的掩埋、路面的破坏等，严重时同样会影响到行车的安全。

水冻结时发生体积膨胀，地层中水分冻结可以使地面抬升，这种现象叫做冻胀，冻胀的极端形式是使地面鼓起成丘，称为冻胀丘。冻胀丘是冻土地区一种常见的冰缘地貌，其形成是由于地层在冻结过程中发生水分积聚，水分冻结进而产生体积膨胀，导致地表呈现锥状、丘状、穹窿状、台状、脊状等各种形态的隆起。冻胀丘按其存在时间可分为季节性冻胀丘和多年生冻胀丘，当上述两种冻胀丘发育在路基边坡较近范围内时，可能对路基的稳定性产生不利影响，严重时将导致一侧路基边坡破坏、路基出现抬升隆起等病害，影响行车安全。

热融湖塘是指由自然或人为因素引起季节融化深度加深，导致地下冰或高含冰量多年冻土局部融化，地表随之热融沉陷、积水后形成的湖塘。热融湖塘水具有较强渗透作用，表现出较强的侧向热侵蚀作用，这种侧向热侵蚀作用范围随深度逐渐增大。热融湖塘的形成一方面对寒区环境产生较大影响，造成多年冻土的局部融化甚至融穿；同时，热融湖塘的侧向热侵蚀也会导致周围多年冻土融化深度加深，地温升高。另一方面热融湖塘的发育也对寒区工程产生较大影响，尤其是侧向的热侵蚀可能会造成附近的路基产生不均匀沉陷，造成路基坡脚滑塌。

西藏湿地属于高寒湿地，其特点一般是地势平坦,水流缓慢,排水不畅,同时温度比较低,冻土普遍发育。在高寒地区,湿地软基季节性冻融交替,公路修筑时既不能阻断湿地水源通道,破坏湿地的生态环境现状,又要保证路基不被季节性冻胀破坏。

高寒嵩草草甸类草地是西藏公路沿线分布面积比较广的植被类型之一，在西藏草地畜牧业中占有重要地位，也是当地民族赖以生存的物质基础。但由于其特殊地理和气候条件，生态系统十分脆弱，受自然因素和人为因素的影响，尤其是人类工程的影响,常常导致草地生态系统结构和功能的改变，从而影响整个区域的生态过程。

根据冻土灾害类型及对公路的影响，可以制定出以下分类体系。

在本申请实施例中，对图斑进行分析辨识时，需要进行一定的精度控制和取舍控制。可以理解是，依据一定的取舍标准，所述图斑为以大于或等于3个像元为边长的正方形；不规则形的图斑为大于或等于以2个像元和4个像元为边长的矩形；所述卫星遥感影像数据包括沟谷，所述沟谷对应的图斑的宽度大于或等于2个像元；所述冻结湖塘、湿地或草甸对应的图斑为以5个像元为边长的正方向；所述卫星遥感影像数据中的线状地物对应的图斑的宽度大于或等于2个像元。

在一些实施例中，所述图斑的边缘提取精度小于或等于正负1至2个像元；对符合预设条件的特殊地物对应的图斑做夸大处理。对图斑进行夸大处理一般是针对较特殊的地物，例如双线河流或者连续沟谷等等。

对于水文地质、工程地质、环境地质现象影像上特征明显的要素可以采用直判法，特征不十分明显的要素可以采用对比法、邻比延伸法或逻辑推理法。

此外，如图3所示，该方法还包括：

步骤S105，确定所述目标区域中不同冻土灾害信息的空间分布数据。

卫星遥感数据中可以包含有目标区域的具体位置信息，在通过上述分类方法将符合要求的地物分辨出来后，可以根据分类出的不同的冻土灾害信息对应的具体位置，即空间分布数据，以便进行分析统计。

本申请实施例还提供了一种冻土灾害分类装置200，如图4所示，该装置包括：数据获取模块201、特征提取模块202、影像处理模块203和分类模块204。

数据获取模块201用于获取目标区域不同时相的卫星遥感影像数据、特征提取模块202用于提取冻土区域中不同地物的冻土影像特征。影像处理模块203用于将所述卫星遥感影像数据分割成预设个图斑，每个图斑包括预设个像元。分类模块204用于对不同时相的卫星遥感影像数据进行比对，根据所述冻土影像特征对所述图斑中的地物进行识别分类。

各个模块具体的处理方法可以参见上述方法实施例的描述，这里不再赘述。

综上所述，在本申请实施例中，基于卫星遥感数据和冻土区域中不同地物的冻土影像特征，可以对冻土区域中的冻土灾害进行分类提取，从而可以构建冻土区域的冻土灾害信息数据库，给分析冻土区域中不良冻土地质现象对工程潜在的威胁及由此可能导致的工程病害带来数据支持，为对降低工程病害的发生率和自然灾害对工程造成的破坏提供科学指导，为未来在冻土区内新建重大冻土工程的设计和施工提供科学依据，同时给保护工程周边生态环境提供信息支持。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。