利用遙感技術(shù)和GIS模擬對滑坡風(fēng)險性進行快速填圖

1、利用遙感技術(shù)和GIS模擬對滑坡風(fēng)險性進行快速填圖1 前言編制區(qū)域滑坡災(zāi)害圖的傳統(tǒng)方法涉及到材料測試和廣泛的野外工作，而且一般進展緩慢，費用昂貴。作為探索其他低成本、高效率方法的一種手段，倫敦國際開發(fā)部（DFID）資助了一個旨在研發(fā)方法的項目，該項目可以利用遙感和GIS中的空間分析來編制初步的區(qū)域災(zāi)害分帶圖。在本次專門涉及一些發(fā)展中國家的研究中，已研制出用于快速評估滑坡災(zāi)害的遙感和GIS方法。這些方法適用于多種地形條件，并且能夠以合理的成本快速編制初步災(zāi)害圖。繼斐濟和巴布亞新幾內(nèi)亞的試點項目之后，該方法被用于牙買加（Rio Minho流域)和捷克斯洛伐克（Javorniky山脈）這些已知遭受滑坡

2、災(zāi)害的地區(qū)。選擇這些地區(qū)是因為，它們不但都受過滑坡之害，而且還具有完全不同的氣候和地貌，并包含各種各樣的地形和土地覆蓋類型。一般來說，決定滑坡發(fā)生的因素是：（1）控制因素，如巖石/土壤類型和地形條件；（2）觸發(fā)事件，如大暴雨和地震。因此，如果控制因素是已知的，而且能夠與過去的滑坡事件聯(lián)系起來，就有可能預(yù)測在哪里最可能發(fā)生滑坡。 2 方法概述本文描述了另一種方法，該方法不是提供特定場地的信息，而是描繪整個地區(qū)的粗略災(zāi)害分帶。所得出的災(zāi)害圖并不顯示任何特定地點的確切災(zāi)害，但是它們能夠用來指導(dǎo)規(guī)劃，并為開展詳細的后續(xù)研究選址。該方法基于這樣一種原則，即過去是打開未來的一把鑰匙。它把滑坡編目

3、用于研究區(qū)，借以顯示哪里已經(jīng)發(fā)生過滑坡，并將其與一系列專題圖上描繪的各種可能的控制因素加以比較。對受諸如地質(zhì)或高程等各種因素控制的程度進行評價。然后根據(jù)滑坡風(fēng)險性對這些專題圖重新分類，并最終綜合編制出災(zāi)害圖。該方法可通過利用遙感和光柵GIS來節(jié)省時間和費用?；戮幠渴峭ㄟ^解譯航片和衛(wèi)星圖像以及最低限度的野外檢查而實現(xiàn)的。然后將滑坡分布與一系列地表條件和觸發(fā)機制的分布加以比較，以了解為什么它們在已發(fā)生了的地方發(fā)生。最后，利用所了解的情況，根據(jù)這些相同因素的圖件從滑坡災(zāi)害角度對更廣闊地區(qū)進行分類。天然地質(zhì)、地貌和氣候條件是引起滑坡廣泛發(fā)育的綜合原因。改變土地利用方式（即建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)進入空

4、前陡峭的臨界穩(wěn)定土地）并不斷破壞天然植被覆蓋，會加重由滑坡引起的災(zāi)害。在牙買加，造成該島上加速發(fā)生水土流失的原因也同與滑坡有關(guān)的邊坡塊體坡移密切聯(lián)系。由于缺少信息，由滑坡造成的直接和間接累積經(jīng)濟費用和社會影響常常難以量化，而且對由滑坡運動所造成的大部分損失仍無文字記載。對廣闊地區(qū)滑坡災(zāi)害進行快速填圖的能力，依靠于利用圖系分析和GIS軟件將遙感和空間分析技術(shù)結(jié)合起來。這兩種分析技術(shù)正在相互融合，因此圖像分析軟件常常包含GIS功能性，反之亦然。因為要知道地表每個點上的風(fēng)險值，所以最好利用光柵GIS來分析風(fēng)險。這些系統(tǒng)是在針對每個數(shù)字化文件中的與點記錄鄰接數(shù)據(jù)值的網(wǎng)格上運行的。有兩個主要因素用來指導(dǎo)

5、選擇用于滑坡災(zāi)害研究的數(shù)據(jù)，即所要填圖的滑坡規(guī)模和研究區(qū)的氣候。對于大多數(shù)小規(guī)?；聛碚f，使用的是航空傳感器，為的是分辨有意義的要素。雖然新的高分辨率衛(wèi)星系統(tǒng)（如IKONOS）正在使情況發(fā)生轉(zhuǎn)變，但是對許多地區(qū)來說，航空攝影易于做到，并且在未來一段時間內(nèi)仍然是一種重要的信息源。主要問題出現(xiàn)在被云層持續(xù)覆蓋的地區(qū)。在這類地區(qū)，能穿透云層的雷達數(shù)據(jù)是有價值的輔助信息源。災(zāi)害分析依賴于滑坡編目與各個信息層的統(tǒng)計對比。對分析中所包含的圖層選擇，取決于從當?shù)亟嵌瓤紤]哪些控制因素是重要的。本次研究在最終分析中利用了各種不同的主題，包括地質(zhì)、土壤、高程、坡度角、坡向、與斷層的距離、降雨量和森林覆蓋。利用一種

6、簡單的交叉列表途徑來判斷每個主題內(nèi)各個類別的意義。它是依次與每個控制因素主題以及所測得的每個類別內(nèi)的滑坡面積進行交叉列表的。如果滑坡面積大于該主題作為整體的平均滑坡面積，則認為該類別對滑坡敏感性大于平均值。必須采取一致的方式來評估這一敏感性，因此還要考慮其他兩個因素。首先必須對特定主題（如地質(zhì)）的總體意義進行評估。這是利用從0（表示不相關(guān)）到最大值1之間變化的統(tǒng)計相關(guān)系數(shù)來完成的。在分別評估每個專題之后，下一步是評估它們的綜合影響。將每個主題重新劃分為一種關(guān)系圖，接著根據(jù)其與滑坡作用的相關(guān)性進行加權(quán)。然后對其求和，并利用這些相關(guān)系數(shù)之和對結(jié)果進行一體化。這導(dǎo)致建立數(shù)值介于-1+1之間的滑坡風(fēng)險

7、性模型，它可以利用與單個關(guān)系圖相同的方式加以解釋。所得出的災(zāi)害圖是按175 000比例尺編繪的。在滑坡風(fēng)險性圖上識別出了4個層次的滑坡風(fēng)險性：帶1 一般具有高滑坡風(fēng)險性的地區(qū)，區(qū)內(nèi)可能發(fā)生重大滑坡活動。雖然可能存在一些安全地點，但是許多地方會出現(xiàn)難以接受的風(fēng)險。帶2 一般具有中等滑坡風(fēng)險性的地區(qū)，區(qū)內(nèi)可能發(fā)生局部或較廣泛的滑坡作用。該帶將包含較高與較低風(fēng)險混合區(qū)。帶3 一般具有低滑坡風(fēng)險性的地區(qū)，區(qū)內(nèi)可能發(fā)生一些局部滑坡作用。在場地穩(wěn)定性令人擔(dān)憂的情況下，應(yīng)當對現(xiàn)有構(gòu)造的脆弱性做出評估。帶4 具有最低滑坡風(fēng)險性的地區(qū)。沿著河岸和公路邊緣可能發(fā)生較小的崩塌，但是一般來說，由于坡度角小，因此將排除

8、橫跨該帶發(fā)生滑坡的可能性。在主災(zāi)害圖上還顯示出公路、學(xué)校、醫(yī)院、教堂、社區(qū)中心、警察局和蓄水池的位置。這些在緊急救援情況下是重要單位，將它們標在圖上為的是使用戶能夠?qū)υ搮^(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)生的相對風(fēng)險性做出初步評估。如果意識到滑坡風(fēng)險性圖在適用性和精度方面的局限性，則它們能夠為滑坡災(zāi)害管理和土地規(guī)劃提供極為有效的基礎(chǔ)。遙感傳感器技術(shù)的發(fā)展以及正在逐漸提高的數(shù)據(jù)分辨率和GIS技術(shù)，使得快速并低廉、高效地編制這些圖件成為可能。依照既定的方法，利用有限的現(xiàn)有數(shù)據(jù)對區(qū)域進行快速評估，進而導(dǎo)致編出“初步”或“初期階段”風(fēng)險性圖是可能的。借助GIS的功能，很容易提高圖件的精度，或者隨著更多數(shù)據(jù)的收錄來改變編圖的比

9、例尺。 3 研究實例3.1 牙買加牙買加具有地質(zhì)上年輕的地貌、山坡陡峭、年降雨量高，由于熱帶風(fēng)暴和颶風(fēng)而出現(xiàn)周期性短時間毫雨。Rio Minho盆地被高原區(qū)所包圍，高原區(qū)由第三紀黃色和白色灰?guī)r層構(gòu)成并被切割成WNW向的山脊山谷系統(tǒng)，下伏有白堊紀火山碎屑巖和沉積巖。一條大的走滑斷層線Rio Minho/Crawle River斷層帶將內(nèi)圍層一分為二。灰?guī)r的地形由波浪式到丘陵并具有落水洞和陡崖(黃色灰?guī)r)直至“溶坑”巖溶景觀(白色灰?guī)r)。Bullhead山(845m)、主山脊(約700800m)和Juan de Bolas山在區(qū)內(nèi)最高。平緩的沖積物集中在Minho和Thomas 河的匯合

10、處以及沿Minho 河的Trour Hall地區(qū)。白堊紀巖石在內(nèi)圍層的中心出露并形成東西向切割劇烈的山脊，本項目的研究區(qū)正是位于這一地帶內(nèi)。島上一些最引人注目、造成破壞的滑坡起源于構(gòu)成高原的第三紀灰?guī)r與下伏強度較低白堊紀和第三紀早期巖石之間的斷層接觸。牙買加每年記錄到400500次地震，歷史上發(fā)生過兩次破壞性地震。研究中識別滑坡主要靠航片分析，根據(jù)航片解譯選區(qū)進行快速野外踏勘，利用115 000的航片可識別測區(qū)大多數(shù)滑坡，了解其分布特征。但識別植被茂盛地區(qū)與開山修路有關(guān)的中小型滑坡遇到一些困難，因此研究了衛(wèi)星雷達作為一種替代的信息源，1998年在項目區(qū)上獲得了C-波段細波束Radarsat合成

11、孔徑干涉雷達(SAR)數(shù)據(jù)，其分辨率達6.25m，可作大比例尺顯示和特征分析。然而，只有較大的旋轉(zhuǎn)滑坡可在圖像上區(qū)分。因此，迄今航片是最合適的遙感數(shù)據(jù)。在研究區(qū)總共識別出827個滑坡，占地面總面積的約0.55%，產(chǎn)生滑坡的最重要控制因素是地質(zhì)環(huán)境、風(fēng)化物質(zhì)的深度和類型、坡度、地下水面淺和斷層作用。多數(shù)滑坡為淺部巖屑滑動，涉及到某些巖性基巖的風(fēng)化物，這些巖層的巖性特征有助于使風(fēng)化較深，一旦大雨來臨或雪蓋大量融化，特別當坡度陡時，極易造成滑坡。已發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)滑坡發(fā)育在四種不同的巖石單元上，其中以礫質(zhì)巖石為主。在21種土壤類型中有7種顯示與滑坡有關(guān)，其中兩種：Pennants粘壤土和Cuffy Gu

12、lly 砂壤土與滑坡關(guān)系更密切(大約高出一倍)。大多數(shù)起始點離填出的斷層不到1 500m。3.2 斯洛伐克斯洛伐克的研究區(qū)是Javorniky 山脈的一部分，該山脈又是由斯洛伐克延伸至羅馬尼亞的西喀爾巴阡弧的組成部分。該區(qū)地形起伏大，具有潮濕溫和的中歐氣候，冬天高山積雪達45個月，夏天溫度可接近40?；略谒孤宸タ巳撤磸?fù)發(fā)生，對環(huán)境破壞較大，據(jù)國家地質(zhì)檔案館統(tǒng)計有13000多起記錄在案的滑坡，覆蓋面積約1620km2，占全國地表3%以上。多山的高地，尤其是下伏有復(fù)理石沉積者，山坡有40%發(fā)生滑坡，斯洛伐克中東部與新第三紀火山巖有關(guān)的高地有60%的山坡由于滑坡而變形。新生代構(gòu)造盆地的沉積和內(nèi)喀

13、爾巴阡復(fù)理石沉積相對未變形，發(fā)生滑坡的坡地占坡地總面積的12%70%。在喀爾巴阡高地有兩種類型的復(fù)理石沉積；一個是經(jīng)構(gòu)造變形的、褶皺和逆沖的第三紀復(fù)理石外帶，包括斯洛伐克西部的Javorniky研究區(qū)，一個是相對未變形的復(fù)理石沉積內(nèi)帶，在斯洛伐克中部。這兩類沉積都包含1km厚的泥巖和砂巖互層，有一些泥灰?guī)r和礫巖。第三紀復(fù)理石外帶與形成山脊的侏羅白堊紀的灰?guī)r、白云巖、頁巖和礫巖的Klippen帶呈構(gòu)造接觸，第四紀時復(fù)理石建造的風(fēng)化和侵蝕作用，主要是冰緣泥流作用，形成的土壤/風(fēng)化層剖面，在坡的較高處相對薄，但在山麓地帶厚度可達1020m。巖石/巖塊滑動沿強砂巖與強度差的泥砂巖和泥巖之間的弱化帶，尤

14、其是后來被平行層理和褶皺構(gòu)造的排水系統(tǒng)利用的巖性界面發(fā)生。利用傳統(tǒng)的反光立體鏡以模擬方式對航片進行分析，填繪斷層、裂隙以及滑坡。照片是1992年以127 500比例尺獲得的，由斯洛伐克軍事地形研究所提供給本項目，利用航片在研究區(qū)共識別出83處滑坡。在林區(qū)識別滑坡的困難可能導(dǎo)致空間的位移，在最終分析中已將此考慮在內(nèi)。解譯的第一步是決定滑坡分類方法。在本次研究中采用一種簡單方法，藉以通過位于擾動物質(zhì)內(nèi)部某處的一點識別每個滑坡，不論滑坡的種類和巖屑覆蓋的面積如何，該信息在轉(zhuǎn)繪到底圖和數(shù)字化之前先用手工記錄。也可遵照更復(fù)雜的分類方案，它們記錄其它的有用信息，如起始點的坐標、滑坡的形態(tài)和巖屑扇覆蓋的面積。此處采用的簡單方法其優(yōu)點是能編出統(tǒng)一的滑坡目錄，便于理解，它也可以使隨后GIS分析相對直截了當。已發(fā)現(xiàn)地質(zhì)特征與滑坡相關(guān)關(guān)系最密切，尤其是東西向穿過本區(qū)的地塹(泥巖)。構(gòu)造也很重要，大多數(shù)滑坡發(fā)生在照片上線性體400m范圍內(nèi)，大部分滑坡發(fā)生在海拔700m以下地區(qū)，在此以上斜坡上的林地可能起到固坡作用。大多數(shù)滑坡出現(xiàn)在緩坡上(小于20°)。與坡向的關(guān)系不明顯，有些坡向略高于通常情況。在本項研究中降水量與滑坡關(guān)系不大，