資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)在河流塌岸調(diào)查中的應(yīng)用—以中俄界河撫遠(yuǎn)縣段為例

初 禹，張貴達(dá)，王少華

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074；2.黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江 哈爾濱 150036；3.黑龍江省齊齊哈爾礦產(chǎn)勘查開發(fā)總院，黑龍江 齊齊哈爾161006）

塌岸是指江河、湖泊岸坡在地表水流沖蝕、地下水潛蝕及凍融等因素造成岸坡坍塌變形的現(xiàn)象。該地質(zhì)現(xiàn)象幾乎存在于我國(guó)所有的江河沿岸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)長(zhǎng)江中下游干流河道發(fā)生崩岸險(xiǎn)情330處［1］，江西省段典型岸段平均崩塌速率7～10m／a，最 嚴(yán) 重 處 達(dá) 數(shù) 十 米［2］。長(zhǎng) 江 三 峽 庫(kù) 區(qū)2008年庫(kù)岸塌岸程度強(qiáng)烈的庫(kù)段長(zhǎng)117.047km，占庫(kù)岸總長(zhǎng)25.3%（干支流庫(kù)岸總長(zhǎng)5 311km）。黃河三門峽庫(kù)區(qū)潼關(guān)值三門峽河段1960—1996年塌岸長(zhǎng)210km，嚴(yán)重塌岸長(zhǎng)145km，平均年塌岸量1 872萬(wàn) m3［3］。黃河寧蒙段1958—2008年河岸后退總面積為518.38km2［4］。1997年松花江流域的嫩江、二松及松花江干流的塌岸共計(jì)125處，長(zhǎng)119.06km［5］。黑龍江和烏蘇里江是中國(guó)和俄羅斯的界河，其中黑龍江岸段長(zhǎng)1 887km，塌岸約有219處，總長(zhǎng)434.41km，每處長(zhǎng)0.5～5km，塌岸速率一般為2～15m／a，最大為30～37m／a；烏蘇里江在黑龍江省岸段長(zhǎng)771km，塌岸28處，總長(zhǎng)83km，塌岸速率一般2～3m／a，嚴(yán)重地段達(dá)6～15m／a［6］。呼倫貝爾盟境內(nèi)的中俄、中蒙（中國(guó)和蒙古國(guó)）界河－額爾古納河和哈拉哈河1995—1996年勘察50處沖刷較嚴(yán)重的地段，其中嚴(yán)重河段14處，每年流失國(guó)土3.2～3.5萬(wàn)m2，年均塌岸大于10m的河段33處，總長(zhǎng)達(dá)26.8km［7］。發(fā)生在上述界河的塌岸現(xiàn)象造成岸線持續(xù)后退和失穩(wěn)，嚴(yán)重危及河岸附近分布的大量城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村及重要的道路、橋梁、港口等建筑［8］，成為影響國(guó)土資源安全、人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重要地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題之一。

在上述背景下，本文以中俄界河撫遠(yuǎn)縣段為例，以資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)、SPOT－5數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源，從遙感技術(shù)調(diào)查的技術(shù)手段出發(fā)，輔以必要的野外實(shí)地驗(yàn)證，開展研究區(qū)我國(guó)一側(cè)塌岸地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)狀調(diào)查與動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)工作，以期為塌岸調(diào)查提供新的技術(shù)手段和數(shù)據(jù)源支撐，為當(dāng)?shù)氐乃洞紊鸀?zāi)害的防治工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和建議［9－11］。同時(shí)，充分挖掘資源一號(hào)02C衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的潛力，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)揮更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省撫遠(yuǎn)縣位于三江平原末端，是黑龍江、松花江、烏蘇里江三大河流交匯之處。該縣有209.7km河岸線，沿江分布著撫遠(yuǎn)縣縣城、3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、7個(gè)自然村等大量的居民地、港口、公路等重要的交通設(shè)施及大面積的耕地等國(guó)土資源。由于其所處的特殊地理位置及地質(zhì)條件，造成撫遠(yuǎn)縣沿江存在不同程度的塌岸等次生地質(zhì)災(zāi)害。

1.1 地形地貌

研究區(qū)地勢(shì)整體低平遼闊，地形由西向東傾斜，沿岸地貌可分為沖積、湖積低平原及沖積泥砂質(zhì)河谷平原。沖積河谷平原主要分布于烏蘇里江河谷，標(biāo)高40～70m，最低海撥34m。撫遠(yuǎn)三角洲是兩面臨江，溝河密布的廣闊平原。河曲較發(fā)育，多見心灘、邊灘、汊流、天然堤、牛軛湖、古河道、水泡等微地貌。

1.2 地層巖性

研究區(qū)地層單元相對(duì)簡(jiǎn)單，沿江地層單元主要為第四系上全新統(tǒng)（Qh2）沖積層、湖沼沉積層。其中沖積層上部為黃土狀粉質(zhì)砂土，呈黃色—灰黃色，厚1～2m，下部為灰黃色砂礫石、礫卵石層，厚5～10m。湖沼沉積層分布于閉流洼地與古河道中，沼澤、湖泡廣布，河網(wǎng)密集，喜水植物繁茂。巖性由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)砂土、灰黑色腐泥及泥炭堆積層組成，厚1～2m，此層孢粉化石較豐富。

1.3 地表水特征

烏蘇里江是黑龍江右岸的一大支流，并于撫遠(yuǎn)三角洲處匯入黑龍江。撫遠(yuǎn)縣范圍內(nèi)水域?qū)贋跆K里江下游，典型的平原性河流，河曲發(fā)育，比降小，水流平穩(wěn)，洪水沒有猛漲猛落現(xiàn)象。河寬1 000～2 000m，正常水位平均水深2～5m，洪水期比降1／20 000。這一江段河床擺動(dòng)頻繁，河道不穩(wěn)定，江岸土質(zhì)疏松，沖淤作用強(qiáng)烈。

1.4 塌岸狀況

研究區(qū)內(nèi)塌岸現(xiàn)象較為嚴(yán)重［12］。由于烏蘇里江干流河床增寬、增深，流量增大，側(cè)蝕作用明顯具有由上游至下游逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。隨著支流匯合，河道裁彎取直，導(dǎo)致河床擺動(dòng)加大，水量增大，側(cè)蝕作用也變得越強(qiáng)烈。在這一江段出現(xiàn)三個(gè)大彎，其中以向東凸的轉(zhuǎn)彎－亮子里轉(zhuǎn)彎最大，也是塌岸現(xiàn)象較為嚴(yán)重的地段之一。據(jù)1999～2002年黑龍江中俄界河塌岸地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，在塌岸較嚴(yán)重地段，塌岸速率1～5m／a，局部地段塌岸速率達(dá)5～10m／a。每逢特大洪水一次塌岸達(dá)30m，河流側(cè)蝕作用強(qiáng)烈，河床隨之發(fā)生變化［12］。

塌岸發(fā)生時(shí)間多處于每年的春季和夏季。由于研究區(qū)沿江地區(qū)多為季節(jié)性凍土，由于凍融作用改變了土體結(jié)構(gòu)，在重力作用下凍土融化后塌岸現(xiàn)象比較普遍，幅度一般小于0.5m。在春夏洪水期，由于江水長(zhǎng)時(shí)間的浸泡作用，江水回落時(shí)的卸荷作用使江岸前緣容易造成塌岸。該類型塌岸多發(fā)生在地勢(shì)較低的低漫灘段，汛期江水極易出槽，長(zhǎng)期處于江水的浸泡，水深達(dá)1～2m。

2 遙感數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理

由于烏蘇里江撫遠(yuǎn)段位于烏蘇里江的下游，較短時(shí)間間隔很難監(jiān)測(cè)，岸線變化不明顯，因此，本文采用2012－05－11資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)（全色波段（hr）空間分辨率為2.36m、多光譜波段（pms）空間分辨率10m）、2005－05－14SPOT－5數(shù)據(jù)（全色波段空間分辨率為2.5m、多光譜波段空間分辨率10m），使用PCI 9.0軟件進(jìn)行正射校正。

控制點(diǎn)來(lái)源于1∶50 000比例尺的地形圖和從地形圖提取的等高線生成的DEM數(shù)據(jù)。正射校正模型采用PCI軟件的有理多項(xiàng)式校正模型，該模型通過(guò)采集控制點(diǎn)來(lái)計(jì)算RPC模型參數(shù)，其實(shí)質(zhì)是利用RPC模型擬合嚴(yán)格幾何模型。分別對(duì)資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)多光譜波段（pms）和全色波段（hr）進(jìn)行正射校正后，采用主成分分析法進(jìn)行波段融合，完成數(shù)據(jù)的正射處理工作；SPOT－5數(shù)據(jù)采用與資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)正射校正相同的方法完成圖像的處理工作。

影像正射校正精度評(píng)定主要是以野外實(shí)測(cè)GPS控制點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，分別在正射校正后的資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)和SPOT－5數(shù)據(jù)讀取檢查點(diǎn)坐標(biāo)值，計(jì)算其中誤差。中誤差計(jì)算公式

式中：RMS為檢查點(diǎn)中誤差，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)，xi，yi為檢查點(diǎn)在正射影像上的坐標(biāo)值，Xi，Yi為實(shí)測(cè)GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)。

本次工作選取15個(gè)GPS實(shí)測(cè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，評(píng)價(jià)正射數(shù)據(jù)的校正精度。其中，SPOT－5數(shù)據(jù)的中誤差為2.28m，資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)的中誤差為2.55m，兩種數(shù)據(jù)之間的中誤差為0.27m。根據(jù)國(guó)家1∶10 000數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)精度要求，在平原、丘陵地區(qū)DOM地物點(diǎn)相對(duì)于實(shí)地同名地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于5m。

3 塌岸地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查方法

由于塌岸具有不易觀測(cè)的特性，傳統(tǒng)的依靠單一空間尺度、時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)建立解譯標(biāo)志進(jìn)行遙感提取的方式很難準(zhǔn)確、全面地判定塌岸位置，以及獲取塌岸隨時(shí)間變化的特征數(shù)據(jù)，如塌岸的長(zhǎng)度、塌寬、侵蝕的速率等演變情況。因此，對(duì)兩個(gè)不同時(shí)相的研究區(qū)界河岸線進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，能夠有效地提取塌岸信息，進(jìn)而分析塌岸發(fā)育、發(fā)展的規(guī)律（見圖1）。本次塌岸地質(zhì)災(zāi)害信息的提取方式主要是采用對(duì)遙感影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯與野外實(shí)地驗(yàn)證相結(jié)合的方法，以2005年提取的烏蘇里江岸線為基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)2012年江河岸線進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方式提取侵蝕地段，然后采取野外實(shí)地驗(yàn)證的方式最終確定塌岸地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地段。

圖1 塌岸提取技術(shù)流程

4 研究結(jié)果

4.1 研究區(qū)塌岸分布現(xiàn)狀

撫遠(yuǎn)縣范圍內(nèi)沿烏蘇里江岸線塌岸地質(zhì)災(zāi)害共存在13段。如表1所示，2005—2012年，研究區(qū)侵蝕面積共34.47hm2，年侵蝕率4.92hm2／a。其中，最大侵蝕面積為6.27hm2，最小侵蝕面積為0.5hm2；最大侵蝕寬度為33.3m，最小侵蝕寬度為4.6m；寬度最大侵蝕率為4.75m／a，寬度最小侵蝕率為0.65m／a。其中，中度侵蝕岸段11處（塌岸侵蝕速率1～5m／a），塌岸長(zhǎng)度176.6m；輕度侵蝕岸段2處（塌岸侵蝕速率小于1m／a），塌岸長(zhǎng)度11.5m。按區(qū)域位置由南向北劃分，塌岸地質(zhì)災(zāi)害地段分布在四合村、海青鄉(xiāng)、抓吉鎮(zhèn)和通鄉(xiāng)江附近。

表1 研究區(qū)塌岸地段侵蝕程度統(tǒng)計(jì)

4.2 塌岸類型及資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)影像特征

結(jié)合塌岸在資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)影像特征與野外實(shí)地驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)研究區(qū)內(nèi)塌岸類型及相應(yīng)的資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)影像特征進(jìn)行梳理總結(jié)。按塌岸的發(fā)育特征分為：片狀塌岸、條狀塌岸、窩狀塌岸3類。研究區(qū)內(nèi)共調(diào)查塌岸13處，其中片狀塌岸3處，條狀塌岸6處，窩狀塌岸4處。由于塌岸形成過(guò)程不同，影像特征也各具特點(diǎn)。結(jié)合資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)分別闡述3種塌岸影像特征。

1）片狀塌岸。資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)影像特征主要表現(xiàn)為色調(diào)呈灰白色，江岸邊緣存在狹窄、裙?fàn)畹臑┩浚ㄒ妶D2）。主要發(fā)生在地勢(shì)較低、土體較為松軟的低漫灘地段以及江岸的表層；形成過(guò)程簡(jiǎn)單，塌岸產(chǎn)生的時(shí)間較短，長(zhǎng)度僅有數(shù)十米。

2）條狀塌岸。由于條狀塌岸多呈斜直立狀，在資源一號(hào)02C數(shù)據(jù)特征上主要表現(xiàn)為沿江分布、長(zhǎng)條型，亮白色調(diào)，無(wú)明顯的灘涂（見圖3）。在研究區(qū)較為普遍，多發(fā)生在沿岸河流流速較快，岸體較為順直的一級(jí)階地、高漫灘地段。塌岸長(zhǎng)度可達(dá)十多米至幾十米。

3）窩狀塌岸。如圖4所示，窩狀塌岸影像特征呈半圓形凹陷于江岸當(dāng)中，具有明顯的弧線型特征，色調(diào)呈亮白色，底部存在狹窄的裙?fàn)顬┩俊Ｔ擃愋退兑?guī)模較大，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十米甚至上百米，多發(fā)生于岸體較高、岸坡較陡峭的凹岸段，發(fā)生時(shí)間一般出現(xiàn)在枯水期，少數(shù)在洪水期。岸體為一元結(jié)構(gòu)的圓礫層，且分布不均勻。

圖2 片條狀塌岸

圖3 海青鄉(xiāng)附近條狀塌岸

5 結(jié) 論

本次研究采用資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)和SPOT－5數(shù)據(jù)，對(duì)撫遠(yuǎn)縣烏蘇里江沿岸塌岸地質(zhì)災(zāi)害開展了調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作，獲取了該地區(qū)塌岸地段分布位置、塌岸的分布類型等現(xiàn)狀情況。根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和岸坡的物質(zhì)組成等特點(diǎn)，結(jié)合本地區(qū)烏蘇里江河道的特點(diǎn)，分析本地區(qū)塌岸地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的因素。岸坡的物質(zhì)組成和地層地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素與江河的侵蝕、水位的漲落、凍融作用和人為活動(dòng)等外部因素相互作用，是產(chǎn)生江河塌岸的主要原因。

1）與岸線的物質(zhì)組成和地層結(jié)構(gòu)相關(guān)。研究區(qū)界河我國(guó)一側(cè)沿岸岸體土質(zhì)較為疏松，分布較不均勻，抗河流沖擊能力較差。在汛后枯水期，該類型土質(zhì)結(jié)構(gòu)較易被沖刷形成塌岸。從坡體形態(tài)上講，產(chǎn)生塌岸現(xiàn)象的地段多屬于高陡邊坡，極易形成土體江岸的坍塌現(xiàn)象。

圖4 團(tuán)結(jié)村附近窩狀塌岸

2）江水侵蝕作用。洪水沖刷、侵蝕對(duì)塌岸的速率、幅度影響最大，即塌岸的速率取決于洪水發(fā)生的幅度與頻率。洪水越大，塌岸越嚴(yán)重。下游低漫灘段地勢(shì)較低，汛期江水對(duì)江岸產(chǎn)生浸泡作用，使堤岸土體浸泡，極易造成塌岸。

3）凍融作用。土體江岸在反復(fù)凍結(jié)、融化作用下，原土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在重力作用下產(chǎn)生崩解塌岸。

4）植被影響。研究區(qū)沿河谷分布較多的草本沼澤草甸，且地勢(shì)低洼、常年積水或季節(jié)性積水，造成岸體抗侵蝕能力較低，極易形成塌岸。

5）人為活動(dòng)。研究區(qū)沿江分布眾多的居民地，人類活動(dòng)頻繁，破壞沿岸岸體的土體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致江岸侵蝕程度加劇，形成新的塌岸。

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