典型滑坡遙感影像特征研究

童立強(qiáng)，郭兆成

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

滑坡是我國(guó)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。據(jù)全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)，僅2010年全國(guó)就發(fā)生滑坡22 329起，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害共造成2 246人死亡、669人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失約63.9億元。遙感技術(shù)能夠快速、全面、非接觸地獲取地表信息，在滑坡調(diào)查和研究中得到了廣泛應(yīng)用。遙感技術(shù)在滑坡識(shí)別中的應(yīng)用歷史可追溯到20世紀(jì)70年代末，當(dāng)時(shí)日本研究人員利用黑白航空?qǐng)D像編制了1∶5萬(wàn)比例尺的全日本滑坡和泥石流分布圖。我國(guó)滑坡遙感調(diào)查起步于20世紀(jì)80年代初，早在二灘水電開(kāi)發(fā)前期論證中就采用航空遙感技術(shù)進(jìn)行了壩址及庫(kù)區(qū)周圍區(qū)域滑坡分布、規(guī)模及發(fā)育環(huán)境調(diào)查[1]。其后，由于山區(qū)大型工程建設(shè)的廣泛需要，我國(guó)滑坡遙感調(diào)查技術(shù)得到了快速發(fā)展。王治華[2-3]提出了以遙感圖像為數(shù)據(jù)源、綜合利用GIS等方法對(duì)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行識(shí)別和分析的“數(shù)字滑坡”技術(shù)。國(guó)土資源大調(diào)查工作開(kāi)展以來(lái)，應(yīng)用地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查技術(shù)，中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心先后完成了長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)、青藏鐵路沿線、喜馬拉雅山地區(qū)和川東緩傾斜坡地區(qū)等近40萬(wàn)km2的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的分布及發(fā)育環(huán)境調(diào)查[4-7]。

基于2006年以來(lái)自身參加過(guò)的“喜馬拉雅山地區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查”、“長(zhǎng)江中上游(江津—宜昌段)1∶5萬(wàn)航空遙感地質(zhì)調(diào)查(地質(zhì)災(zāi)害部分)”等國(guó)土資源大調(diào)查項(xiàng)目，以及2008年“5·12”汶川特大地震次生地質(zhì)災(zāi)害、2009年“6·5”武隆縣鐵匠鄉(xiāng)雞尾山崩滑災(zāi)害、2010年“6·28”關(guān)嶺滑坡特大地質(zhì)災(zāi)害和2010年“7·18”安康市大竹園七堰村滑坡災(zāi)害等的遙感應(yīng)急調(diào)查[8-9]工作，筆者深刻地認(rèn)識(shí)到遙感技術(shù)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害普查及應(yīng)急調(diào)查中的重要作用，并深感滑坡遙感識(shí)別的復(fù)雜性——地質(zhì)環(huán)境條件的不同、滑坡發(fā)生時(shí)間的長(zhǎng)短和滑坡運(yùn)移距離的大小等因素會(huì)使滑坡體的遙感影像特征有較大差別，尚難建立統(tǒng)一的遙感解譯標(biāo)志;尤其對(duì)于遠(yuǎn)程滑坡和緩傾滑坡，由于對(duì)其形成機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠和地面調(diào)查識(shí)別困難等原因，目前可供借鑒的前人研究成果不多。

國(guó)家規(guī)劃在未來(lái)10 a內(nèi)要完成全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)中易發(fā)區(qū)的詳細(xì)調(diào)查，遙感將是該項(xiàng)調(diào)查工作的支撐技術(shù)之一[10]，如何充分發(fā)揮遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、不斷提高地質(zhì)災(zāi)害解譯識(shí)別精度是迫切需要研究的課題。本文在初步總結(jié)、歸納幾年來(lái)在地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查工作中積累的典型滑坡遙感影像特征的基礎(chǔ)上，提出了幾種滑坡的遙感識(shí)別標(biāo)志，以期與同行專家共同商榷。

1 滑坡遙感識(shí)別標(biāo)志

隨著遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，滑坡遙感識(shí)別已由目視解譯發(fā)展到能充分利用遙感圖像的空間特征、光譜特征和時(shí)間特性的人機(jī)交互解譯，即解譯是在經(jīng)過(guò)幾何精糾正的數(shù)字圖像上進(jìn)行;在識(shí)別地物種類和判別其特性時(shí)，可隨時(shí)進(jìn)行圖像處理，增強(qiáng)或改善相關(guān)信息以利于滑坡特征信息的提取，幾何放大或縮小圖像以利于滑坡標(biāo)志的識(shí)別與解譯，并可隨時(shí)測(cè)得滑坡各部位的光譜特性及幾何定位數(shù)據(jù)，進(jìn)而探討滑坡的形成機(jī)理和活動(dòng)規(guī)律。

滑坡遙感識(shí)別是基于遙感圖像、利用人機(jī)交互和目視解譯方式來(lái)獲取滑坡相關(guān)信息的技術(shù)方法，其原理是基于滑坡體與其背景地質(zhì)體之間存在的色調(diào)、形狀、陰影、紋理及圖形的差異。在遙感圖像上顯示為特定的色調(diào)、紋理及幾何形態(tài)組合，被稱為滑坡識(shí)別的直接解譯標(biāo)志;而滑坡造成的地形地貌、植被、水系及景觀生態(tài)等的異常突變，可以為滑坡的判定提供某種信息，則稱為間接解譯標(biāo)志。大多數(shù)滑坡發(fā)生后，可以形成一些在遙感圖像上能夠明顯被識(shí)別的影像特征:在形態(tài)上表現(xiàn)為圈椅狀地形、雙溝同源、坡體后部出現(xiàn)平臺(tái)洼地，與周圍河流階地、構(gòu)造平臺(tái)或與風(fēng)化差異平臺(tái)不一致的大平臺(tái)地形，“大肚子”斜坡、不正常河流彎道等;原地層的整體性被破壞，一般具有較強(qiáng)的擠壓、擾動(dòng)或松脫等現(xiàn)象，巖(土)體破碎，地表坑洼不平;滑坡體后部出現(xiàn)鏡面、峭壁或陡峭地形等。具體到每個(gè)滑坡，其識(shí)別標(biāo)志往往只有其中的幾個(gè)。但是，遠(yuǎn)程滑坡經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)移已面目全非，基本上不再具有上述影像特征。因空間分辨率所限，其他一些在滑坡現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的馬刀樹(shù)、醉漢林、擦痕和建筑物變形等滑坡的細(xì)微特征在中、低空間分辨率的遙感圖像上表現(xiàn)不明顯。因此，針對(duì)多數(shù)滑坡和特殊滑坡的一般遙感影像特征，提煉出滑坡的遙感識(shí)別標(biāo)志，已成為滑坡遙感調(diào)查的基礎(chǔ)工作。

2 典型滑坡遙感影像特征

2.1 巫山縣大清坎滑坡遙感影像特征

大清坎滑坡位于巫山縣永樂(lè)鎮(zhèn)大清坎、長(zhǎng)江支流大溪左岸，與長(zhǎng)江的直線距離約3 250 m，滑坡中心的地理位置在 E109.60°，N30.99°。根據(jù) 2009 年夏季航空攝影圖像顯示的滑坡體表面新鮮、未長(zhǎng)出新植被和人類活動(dòng)擾動(dòng)不明顯等情況，推測(cè)滑坡發(fā)生的時(shí)間為航空攝影的前半年內(nèi)(即2009年初前后)。位于175 m水位以上的滑坡體長(zhǎng)570 m，寬210 m，平面面積10.2萬(wàn)m2;如果滑坡體已到溝底，則滑坡體長(zhǎng)750 m，平面面積13.2萬(wàn)m2，估算總方量在300萬(wàn)m3左右，為大型滑坡?；麦w前緣(溝底)高程100 m，后緣高程250 m，后壁頂點(diǎn)高程260 m?；挛挥陲鰵w向斜的西北翼，屬順層基巖滑坡，發(fā)生滑坡的三疊系巴東組(T2b)地層為三峽地區(qū)的易滑地層。

如圖1所示，大清坎滑坡體在航攝圖像上表現(xiàn)為“箕”狀色調(diào)異常帶和紋理異常帶，位于較穩(wěn)定的自然斜坡凸突的負(fù)地形中，其后壁與滑坡體的交接處形成洼地，中部有多級(jí)垂直滑動(dòng)方向的臺(tái)坎。由于是新發(fā)生的滑坡，滑坡體呈相對(duì)淺色調(diào)，具有較強(qiáng)的擠壓、擾動(dòng)和松脫等現(xiàn)象，巖(土)體破碎，結(jié)構(gòu)松散，耕地、園地及林地被擾動(dòng)或者嚴(yán)重破壞，滑坡體紋理與背景呈突變關(guān)系，斷頭路明顯;在滑坡發(fā)生前(圖1(a))、后(圖1(b))圖像中的色調(diào)、紋理和地物有明顯區(qū)別。

圖1 大清坎滑坡發(fā)生前(a)后(b)航攝圖像對(duì)比Fig.1 Comparison between aerial photographs before(a)and after(b)Daqingkan landslide occurrence

2.2 秭歸縣千將坪滑坡遙感影像特征

千將坪滑坡位于三峽庫(kù)區(qū)巴東縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)千將坪、長(zhǎng)江支流沙鎮(zhèn)溪左岸，滑坡中心的地理位置在E110.61°，N30.97°?；碌陌l(fā)生時(shí)間為三峽水庫(kù)蓄水至135 m后的2003年7月13日;滑坡體長(zhǎng)850 m，寬500 m，平面面積41.8萬(wàn) m2，估計(jì)總方量約2 000萬(wàn)m3，為巨型基巖滑坡?；麦w前緣高程100 m，后緣高程400 m，后壁頂點(diǎn)高程500 m?；挛挥诎俑Ｆ骸鱽?lái)觀背斜與秭歸向斜之間，為中上部順層、下部微切地層的基巖滑坡，發(fā)生滑坡的地層為侏羅系千佛崖組(J2q)[11-12]。

如圖2所示，千將坪滑坡體在2009年航攝圖像上表現(xiàn)為“箕”狀形態(tài)特征，“大肚子”斜坡、不正常河流彎道，雖然經(jīng)過(guò)近6 a的風(fēng)化剝蝕，其后壁(形成顯著鏡面特征)、側(cè)壁及多級(jí)垂直滑動(dòng)方向的臺(tái)坎仍清晰可見(jiàn);再過(guò)一段時(shí)間，也會(huì)出現(xiàn)明顯的雙溝同源的情況。但是，耕地、園地及林地被擾動(dòng)及斷頭路等特征已不明顯，滑坡體的色調(diào)和紋理與背景幾乎沒(méi)有明顯區(qū)別。

圖2 千將坪滑坡2009年航攝圖像Fig.2 Aerial photograph(2009)of Qianjiangping landslide

2.3 武隆縣鐵匠鄉(xiāng)雞尾山遠(yuǎn)程滑坡遙感影像特征

2009年6月5日15時(shí)許，重慶市武隆縣鐵匠鄉(xiāng)雞尾山突發(fā)崩滑災(zāi)害，造成26人死亡、78人失蹤。雞尾山山脈呈NEE(N55°E)向展布，總體地形為東北高西南低，呈單面山斜坡(地形坡度角一般為20°～40°)，陡崖發(fā)育(陡崖高度在50 ～150 m);最高點(diǎn)標(biāo)高1 442 m，最低點(diǎn)鐵匠溝標(biāo)高1 000 m，相對(duì)高差442 m，屬中山地貌，區(qū)域溝系為“V”字型。

從圖1可以看出，孔內(nèi)溫度變化受巖層節(jié)理裂隙影響，具體表現(xiàn)為：ZK001孔在揭露F1斷裂(133.65～139.65 m)時(shí)節(jié)理裂隙較發(fā)育，孔內(nèi)溫度驟增4.0 ℃,涌水量也增加，向下節(jié)理裂隙不發(fā)育，溫度逐漸下降；ZK003孔在31.05～42.90 m溫度驟增6.0 ℃，之后逐漸下降；ZK201孔揭露到連通F1斷裂的裂隙，溫度驟升至51.0 ℃，向下孔內(nèi)溫度逐漸下降。

殷躍平[13]認(rèn)為，“雞尾山山體在經(jīng)歷長(zhǎng)期應(yīng)力積累積聚了巨大的應(yīng)變能后，因前緣局部垮塌而失去‘關(guān)鍵塊體’支撐，整個(gè)山體沿軟弱夾層產(chǎn)生連鎖式的滑動(dòng)破壞，并迅速解體，在躍下約50 m高的陡坎后，獲得巨大的動(dòng)能，產(chǎn)生高速滑動(dòng)”。在此過(guò)程中，高速運(yùn)動(dòng)的306萬(wàn)m3的滑坡體以強(qiáng)大的沖擊力沖垮其前緣一突出的山體(鏟刮方量達(dá)155.3萬(wàn)m3)，刨蝕和鏟刮前緣坡下原有的松散堆積物。高速滑動(dòng)巖體在越過(guò)鐵匠溝谷底后沖向?qū)Π?，因受到?duì)岸陡峻斜坡的阻擋，轉(zhuǎn)向沿溝谷以碎屑流的方式向下游運(yùn)動(dòng)，形成長(zhǎng)度約1.5 km的堆積區(qū)，堆積總量為614.2萬(wàn)m3。

如圖3所示，武隆縣鐵匠鄉(xiāng)雞尾山崩滑災(zāi)害分為崩滑區(qū)、大塊石堆積區(qū)、碎屑堆積區(qū)、撒落區(qū)、鏟刮區(qū)、鏟刮后堆積區(qū)、鏟刮蠕動(dòng)區(qū)和蠕動(dòng)殘留區(qū)等8種類型9個(gè)區(qū)域，同時(shí)在溝的上游形成堰塞湖。

圖3 武隆縣鐵匠鄉(xiāng)雞尾山崩滑災(zāi)害航攝圖像遙感解譯圖Fig.3 Remote sensing interpretation of aerial photograph of Jiweishan landslide in Tiejiang village，Wulong county

根據(jù)航攝圖像和滑坡前后DEM綜合解譯可知，滑坡發(fā)生后，在崩滑區(qū)形成長(zhǎng)626 m，最寬231 m，平均寬142 m，最大深度95.3 m，平均深度42 m，面積7.25萬(wàn) m2，體積 305.9 萬(wàn) m3的“滑坡空腔”(即滑坡體全部滑走后形成的相對(duì)負(fù)地形);滑坡體將其前方一突出的山體鏟刮，鏟刮的最大厚度達(dá)50 m(圖4)。

圖4 雞尾山滑坡發(fā)生后崩滑區(qū)及鏟刮區(qū)地形高程變化Fig.4 Elevation change after Jiweishan landslide occurrence

在距“滑坡空腔”400 m的溝底形成長(zhǎng)1 520 m，平均寬214 m，最大厚度70 m，平均厚度19 m，面積32.5萬(wàn)m2，體積600萬(wàn)m3的壟崗狀碎屑堆積。滑坡發(fā)生后溝系由“V”字型溝變成了“U”字型溝(圖5)。

圖5 滑坡發(fā)生前后溝底地形對(duì)比Fig.5 Comparison between topography before and after landslide occurrence

從上述分析可以看出，這類滑坡在發(fā)生后幾年內(nèi)的遙感圖像中，影像特征仍然會(huì)很明顯，比較容易識(shí)別;但在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)期的自然風(fēng)化剝蝕、流水侵蝕、植被生長(zhǎng)恢復(fù)及人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)影響下，遙感識(shí)別難度則大大增加。其典型的影像特征為斜坡上的負(fù)地形、“V”字型溝系中的“U”字型異常溝、溝谷中坑洼不平的壟崗狀地形異常以及堰塞湖等，在溝底大規(guī)模分布的巖石碎屑在高清晰度遙感圖像上也能得到識(shí)別。2010年“6·28”貴州關(guān)嶺遠(yuǎn)程滑坡和2010年“7·18”陜西安康市大竹園七堰村遠(yuǎn)程滑坡都具有類似的遙感影像特征。

2.4 西藏102滑坡群遙感影像特征

G318國(guó)道102滑坡群位于西藏自治區(qū)波密縣通麥鎮(zhèn)，自1991年大規(guī)模滑動(dòng)后一直在活動(dòng)?；虑熬壸畹秃０? 120 m，后緣最高海拔2 525 m，相對(duì)高差達(dá)400 m以上，滑坡體積約510×104m3;滑坡體表面呈階梯狀，發(fā)育多級(jí)平臺(tái)。102滑坡群周圍的森林為針葉和闊葉混交林，但102滑坡群上全是闊葉林，不見(jiàn)針葉林。同樣情況在西藏也是常見(jiàn)的，如2008年筆者實(shí)地考察2000年發(fā)生的易貢高速遠(yuǎn)程滑坡時(shí)也觀察到在滑坡堆積體上發(fā)育著闊葉林(其堵塞堰塞湖潰決沖刷區(qū)有類似現(xiàn)象)。這樣，在遙感圖像上闊葉林呈現(xiàn)的較均一的植被色調(diào)就成為解譯識(shí)別滑坡體的一個(gè)重要輔助標(biāo)志。而背景的色調(diào)不均勻，色調(diào)飽和度不穩(wěn)定，既有闊葉林色調(diào)，又有針葉林色調(diào)，也有兩者的混和色調(diào)。在TM7(R)，4(G)，1(B)假彩色合成圖像(圖6)上，針葉林通常為顆粒狀的深綠色調(diào)，闊葉林為淺綠色調(diào)。

圖6 G318國(guó)道102滑坡群TM7(R)，4(G)，1(B)假彩色合成圖像(2010年7月)Fig.6 False color image(2010－07)composed of TM7(R)，4(G)，1(B)of 102 landslide along G318 national highway

2.5 喜馬拉雅山地區(qū)滑坡遙感影像特征

喜馬拉雅山地區(qū)處于抬升階段，風(fēng)化層較薄，人類活動(dòng)相對(duì)較少，對(duì)森林植被的人為破壞相對(duì)較弱;但高程普遍在4 000 m以上，地形起伏大。高海拔和巨大的相對(duì)高差決定了那里的滑坡體的遙感圖像識(shí)別標(biāo)志與其他地區(qū)有明顯的差異。大多數(shù)滑坡體除具有常見(jiàn)的形態(tài)、紋理和地形標(biāo)志外，還存在特有的識(shí)別標(biāo)志——滑坡體的整體紋理和色調(diào)與背景環(huán)境明顯不一致。

圖7 朗縣各答山滑坡群TM7(R)，4(G)，1(B)假彩色合成立體影像圖(2000年6月)Fig.7 False color image(2000－06)composed of TM7(R)，4(G)，1(B)of Gedashan landslides in Lang County

多數(shù)滑坡體的圈椅狀地形、雙溝同源、峭壁或陡地形不明顯，滑坡體后部的平臺(tái)洼地隱約可見(jiàn)，表面坑洼不平?；麦w最醒目的影像特征是具有明顯的紋理和色調(diào)異常。其色調(diào)異常是由不同植被引起的(滑坡體上的植被為灌木林，背景的植被主要為松樹(shù)林);紋理異常則主要是由于滑坡使原地層的整體性被破壞，巖(土)體破碎，滑坡體上水系密度降低，無(wú)尖棱狀條紋及紋理，與背景明顯不一致。

3 滑坡其他指示信息

除了在遙感圖像中顯示的解譯標(biāo)志外，對(duì)滑坡的識(shí)別還可以借助其他指示信息。例如，位于四川盆地緩傾斜坡地區(qū)的馮店滑坡，其滑坡發(fā)生地的小地名為“垮梁子”;江津縣柏林鎮(zhèn)地區(qū)存在較多的古滑坡，其中一處具有典型圈椅狀特征的古滑坡地名為“椅子村”[7](圖8)。

圖8 椅子村滑坡航攝圖像與解譯圖Fig.8 Aerial photograph and interpretation of Yizicun landslide

4 結(jié)論與討論

盡管滑坡災(zāi)害存在地質(zhì)環(huán)境條件不同、發(fā)生時(shí)間長(zhǎng)短不同、運(yùn)移距離大小不同等變化，不同地區(qū)的滑坡具有的遙感識(shí)別標(biāo)志有較大差別，但在遙感圖像上還是有規(guī)律可循的。

1)滑坡在遙感圖像上的識(shí)別標(biāo)志主要表現(xiàn)為滑坡體本身的形態(tài)、紋理和地形標(biāo)志，色調(diào)特征也是某些滑坡的重要識(shí)別標(biāo)志。對(duì)于發(fā)生時(shí)間較長(zhǎng)的老滑坡或古滑坡，由于滑坡形成后的自然風(fēng)化剝蝕、流水侵蝕、植被生長(zhǎng)恢復(fù)及人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)，使某些或大部分影像特征變得模糊不清，給野外現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別和遙感解譯帶來(lái)了極大的不確定因素。在這種情況下，滑坡體的紋理及色調(diào)與背景環(huán)境在宏觀上的不協(xié)調(diào)就成為滑坡遙感識(shí)別的重要參考。

2)新發(fā)生的滑坡災(zāi)害由于自然破壞和人為破壞都不太嚴(yán)重，因而滑坡體本身的形態(tài)、紋理和色調(diào)等都保持有明顯的影像識(shí)別標(biāo)志，滑坡體的紋理及色調(diào)與背景影像之間的差異性非常明顯。

3)盡管遠(yuǎn)程滑坡的滑坡體通常在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生解體，但其在斜坡上的負(fù)地形、在異地堆積而造成的“V”字型溝系中的“U”字型異常溝、溝谷中坑洼不平的壟崗狀地形異常、溝谷中大規(guī)模分布的巖石碎屑異常和堵塞溝谷形成的堰塞湖水體等影像特征是其獨(dú)有的遙感識(shí)別標(biāo)志。

4)本文主要根據(jù)筆者主持和參與過(guò)的巫山大清坎滑坡、千將坪滑坡、武隆滑坡及西藏102滑坡群等滑坡災(zāi)害遙感調(diào)查的成果，初步提出了一些典型滑坡的遙感識(shí)別標(biāo)志，以期拋磚引玉，與同行專家廣泛討論，促進(jìn)滑坡遙感識(shí)別的深入研究。

5)滑坡的類型繁多，并不是對(duì)所有類型的滑坡都能進(jìn)行遙感識(shí)別和分析的。如何結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有滑坡分類方案，針對(duì)遙感手段能夠識(shí)別的滑坡類型，全面總結(jié)滑坡遙感識(shí)別標(biāo)志將是下一步工作的重點(diǎn)。如何綜合滑坡遙感識(shí)別標(biāo)志和GIS空間分析等進(jìn)行滑坡形成基本條件和滑坡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究應(yīng)是今后工作關(guān)注的問(wèn)題。

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