東川小江干流沿線泥石流溝谷跡地空間分布的遙感解譯分析

彭銳，甘 淑,2，高莎，于輝，胡琳

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南省高校高原山地空間信息測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，昆明 650093)

近年來，泥石流災(zāi)害研究已經(jīng)成為了全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題，由于世界各國(guó)的自然地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的差異，呈現(xiàn)出不同的研究方法與技術(shù)手段，并且在研究對(duì)象的選擇上也大不相同，但是隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，各地區(qū)泥石流領(lǐng)域的研究與交流日益加深，泥石流研究的基本方法和觀念等趨于統(tǒng)一。就我國(guó)而言，針對(duì)泥石流的相關(guān)研究起步相對(duì)較晚，以致于對(duì)泥石流的理論研究和實(shí)際觀測(cè)趨于同步展開。

泥石流的形成與發(fā)生一般在交通條件較差、海拔相對(duì)較高的山區(qū)，使得實(shí)地勘察十分困難。20世紀(jì)80年代以來，隨著遙感技術(shù)的高速發(fā)展，遙感開始廣泛應(yīng)用于泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的勘察和研究。90年代以后，遙感技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、研究的必不可少的工具。目前，針對(duì)泥石流的特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)勘察工作的難點(diǎn)和盲區(qū)，遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于泥石流分布、泥石流危險(xiǎn)性分析與評(píng)價(jià)、流域內(nèi)土地利用特征等方面的研究。目前來看，運(yùn)用遙感的技術(shù)手段對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行研究和分析是比較方便的，且能真實(shí)和準(zhǔn)確的反映泥石流的特征，遙感的技術(shù)手段也比較成熟。

云南東川地區(qū)新老構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，屬于強(qiáng)地震區(qū)，自然條件和人類活動(dòng)都較特殊，促使泥石流形成發(fā)展的有利因素交織在一起，成為我國(guó)泥石流最發(fā)育地區(qū)，堪稱“泥石流的天然博物館”[1]。泥石流的頻繁發(fā)生已經(jīng)嚴(yán)重危害著東川人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題，嚴(yán)重阻礙了東川的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文通過遙感解譯，勾繪出小江干流沿線泥石流溝谷跡地，對(duì)泥石流溝谷跡地進(jìn)行空間分布分析，提取兩個(gè)典型泥石流溝谷跡地的地表覆被信息，分析泥石流溝谷跡地的主要地表覆被類型。通過對(duì)泥石流溝谷跡地的分析，使人們對(duì)泥石流有更加清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)減少泥石流災(zāi)害對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人民、財(cái)產(chǎn)帶來的危害具有重大意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

東川是云南省昆明市所轄五區(qū)之一，位于云南省的東北部，其東鄰曲靖市會(huì)澤縣，南接昆明市尋甸縣，西連昆明市祿豐縣，北與四川省會(huì)東縣隔金沙江相望。東川地區(qū)國(guó)土面積為1 859 km2，山地面積占97.3%，境內(nèi)山高谷深，地勢(shì)陡峭，最高海拔為4 344.1 m，最低海拔695 m，高差為3 649.1 m。年平均降水量為1 000.5 mm，月最大降雨量208.3 mm，日最大降雨量153.3 mm，降雨主要集中在5～9月。以平均每1 000 km2國(guó)土面積內(nèi)的泥石流溝數(shù)目為統(tǒng)計(jì)單元，東川泥石流溝的分布密度為43.7條/1 000 km2[2]。小江位于康滇地軸東緣的小江深大斷裂帶，巖層破碎，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地震活動(dòng)頻發(fā)，侵蝕作用強(qiáng)烈，滑坡崩塌發(fā)育，泥石流活動(dòng)頻繁，其中大白泥溝、小白泥溝、蔣家溝等10余條為典型的高頻泥石流溝[4]。研究區(qū)位置如圖1所示。

本文所用數(shù)據(jù)為2017年3月由陸地資源衛(wèi)星Landsat8拍攝的分辨率為30 m的遙感影像，其中Band8為全色波段，分辨率為15 m，可用于與多光譜影像進(jìn)行融合。數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)(http://www.gscloud.cn/)發(fā)布的免費(fèi)數(shù)據(jù)，研究區(qū)域上空平均云量為0.22，影像已做過地形參與的幾何校正，一般情況下可以直接使用而不需要做幾何校正。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 區(qū)域地表覆被空間信息遙感提取技術(shù)一般方法

地表覆被是指地球陸地表層和近地面層的自然狀態(tài)，它是自然過程和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果[5]。地表覆被信息包括地球表面由于自然和人為影響而形成的所有覆蓋物，例如植被、水體、建筑物、道路、巖石和沙丘等。這些信息對(duì)于地表、近地面系統(tǒng)、地球各圈層之間的相互作用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境變化等方面研究具有重要作用，導(dǎo)致地表覆被信息的獲取成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

地表覆被空間信息遙感提取的一般流程如圖2所示，數(shù)據(jù)處理流程分為3個(gè)部分：①對(duì)遙感影像的預(yù)處理，預(yù)處理包括自定義坐標(biāo)系、圖像幾何校正、圖像融合、圖像裁剪；②圖像分類包括基于像素分類和基于對(duì)象分類?；谙袼胤诸愔饕吮O(jiān)督分類和非監(jiān)督分類、基于專家知識(shí)的決策樹分類?；趯?duì)象分類除了利用光譜信息，還利用了紋理、形狀等信息。本文使用監(jiān)督分類，先建立訓(xùn)練樣本，使用最大似然法進(jìn)行分類。③圖像分類得到的是初步結(jié)果，難以達(dá)到最終的應(yīng)用目的。所以，對(duì)獲取到的分類結(jié)果還需要再進(jìn)行一些處理過程，這些處理過程稱為分類后處理，常用的分類后處理包括更改分類顏色、分類統(tǒng)計(jì)分析、小斑點(diǎn)處理、柵矢轉(zhuǎn)換等操作。

圖2 地表覆被提取的一般方法

1.3 高山峽谷的小江干流沿線泥石流溝谷跡地遙感專題調(diào)查技術(shù)應(yīng)用方法

針對(duì)小江沿線泥石流溝谷跡地遙感專題調(diào)查的流程如圖3所示，分為：①數(shù)據(jù)預(yù)處理：幾何校正、圖像融合、圖像裁剪，使用全色波段和多光譜進(jìn)行圖像融合，這樣不僅使圖像具有多光譜的特征，還提高了圖像的分辨率，使用流域邊界對(duì)影像進(jìn)行裁剪；②溝谷識(shí)別勾繪：在進(jìn)行溝谷勾繪前，先進(jìn)行圖像增強(qiáng)，將Band6、Band5、Band2分別賦予紅、綠、藍(lán)波段，合成假彩色圖像，可以清晰的分辨泥石流溝，利用目視解譯對(duì)泥石流溝進(jìn)行勾繪；③跡地結(jié)構(gòu)識(shí)別勾繪：根據(jù)泥石流特征分析，可將泥石流溝分為3個(gè)部分，分別為物源區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)，對(duì)于溝谷型泥石流，3個(gè)區(qū)段的區(qū)別很明顯。物源區(qū)位于溝谷的中上游，坡度在30°～60°，是泥石流松散固體物質(zhì)和水源的補(bǔ)償區(qū)；流通區(qū)位于溝谷的中下游，一般地形較順直，坡度較大；堆積區(qū)位于溝谷的下游或溝口處，是泥石流固體物質(zhì)停積的場(chǎng)所，坡度較小，一般在2°～5°之間，堆積地貌的形態(tài)多呈扇形、錐形或帶狀；④地表覆被提?。喊磮D2流程進(jìn)行，本文采用監(jiān)督分類，先建立訓(xùn)練樣本，樣本包含5類，分別是耕地、林地、荒草地、居民地和泥石流，使用最大似然法進(jìn)行分類；⑤專題圖層入庫。

圖3 遙感專題調(diào)查

2 研究結(jié)果分析

2.1 小江干流沿線泥石流溝谷空間分布分析

小江干流沿線共解譯出18條比較明顯的泥石流溝谷，如圖4所示的紅色區(qū)域，其中小江干流西岸有13條，從北向南依次升序編號(hào)，東岸有5條，依次進(jìn)行編號(hào)。小江干流長(zhǎng)度為44.25 km，分布有18條大型泥石流溝和大量的沖溝，從圖4中可以看出泥石流溝分布比較密集，且都分布在小江干流沿線，東西部分布不均勻，西部分布更加密集，而且數(shù)量更多。

圖4 泥石流溝谷空間分布圖

如表1所示，按照從北至南的順序分別統(tǒng)計(jì)小江干流東岸和西岸泥石流溝的流域面積。根據(jù)小江水流從南至北走向，結(jié)合表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以得出小江干流的中上游分布的泥石流溝的流域面積大于下游，下游分布的都是小型泥石流溝，流域面積小于10 km2，小江下游泥石流發(fā)育沒有中上游發(fā)育異常，且多為一些沖溝。

泥石流溝谷的空間分布差異較大，通過統(tǒng)計(jì)泥石流溝流向，如表2所示，得到泥石流溝流向的分布情況。通過泥石流溝流向表，可以直觀的看出，泥石流溝流向分布在60°～110°范圍之間，泥石流溝口的流向近乎垂直于河道。

表1 泥石流溝流域面積

表2 泥石流溝流向

2.2 典型溝谷的泥石流跡地空間結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)溝谷的泥石流跡地空間結(jié)構(gòu)分析，選取了小江流域兩條典型的泥石流溝，蔣家溝和大白泥河。蔣家溝是小江干流沿線泥石流溝研究重點(diǎn)區(qū)域，位于小江流域中游，流域面積48.6 km2。地質(zhì)構(gòu)造上受小江深大斷裂帶影響，該斷裂的兩條分支在蔣家溝附近交匯，使流域內(nèi)巖層破碎，坡面極不穩(wěn)定，崩塌滑坡異常發(fā)育，為泥石流活動(dòng)提供了豐富的固體物質(zhì)，流域內(nèi)>25°的陡坡地占總面積的61%，為地表快速匯流和泥石流起動(dòng)提供了有利條件，流域內(nèi)最大降水量出現(xiàn)在海拔2 500～3 000 m的地區(qū)，年降水量1 200 mm，這一帶正是蔣家溝泥石流的物源區(qū)，極其有利的自然條件導(dǎo)致蔣家溝泥石流異常發(fā)育，成為小江流域泥石流暴發(fā)最頻繁的泥石流溝[7,8]，圖5所示為蔣家溝泥石流跡地。大白泥河位于小江流域中上游的大白河左岸，主溝長(zhǎng)10.3 km，流域面積26.62 km2，是小江流域活動(dòng)強(qiáng)度較大的一條大型泥石流溝，圖6所示為大白泥河溝泥石流跡地。

圖5 蔣家溝流域結(jié)構(gòu)

圖6 大白泥河流域結(jié)構(gòu)

根據(jù)泥石流的溝谷形態(tài)特征，分別把蔣家溝和大白泥河溝劃分為物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，從圖5和圖6可以看出，蔣家溝和大白泥河溝分區(qū)明顯，屬于典型的溝谷型泥石流。分別統(tǒng)計(jì)蔣家溝和大白泥河溝的分區(qū)面積，如表3所示。物源區(qū)一般位于流域的中上游，呈羽毛狀，面積較大，蔣家溝的物源區(qū)占整個(gè)流域面積的81.14%，大白泥河溝物源區(qū)占整個(gè)流域面積的62.25%，物源區(qū)段為泥石流的發(fā)生提供了豐富的匯水量和大量的固體物質(zhì)，物源區(qū)段的泥石流體供給量往往決定了泥石流的規(guī)模，因此蔣家溝的泥石流規(guī)模大于大白泥河溝。從蔣家溝的物源區(qū)可以看出，上游溝腦已侵蝕到分水嶺，有堅(jiān)硬的基巖露出，侵蝕溝兩側(cè)已有雜草叢生，溝道內(nèi)階地發(fā)育，形態(tài)明顯；大白泥河溝物源區(qū)內(nèi)，上游侵蝕激烈，有大量的滑坡體存在，呈亮白色，各類不良地質(zhì)過程發(fā)育，溝道內(nèi)有明顯的泥石流沉積物，呈灰白色。流通區(qū)位于流域的中下游，是泥石流形成后快速通過的地段，此段谷深，呈“V”型，植被稀少，常發(fā)生崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。蔣家溝流通區(qū)段較短小，占整個(gè)流域面積的6.93%，而大白泥河溝流通區(qū)占整個(gè)流域的31.07%，流通區(qū)較長(zhǎng)且有大量的滑坡體存在。堆積區(qū)是泥石流固體物質(zhì)大量存放的地方，位于流域的下游，溝口處，地勢(shì)較平坦，呈不規(guī)則的扇形。蔣家溝堆積區(qū)已無明顯的泥石流堆積，泥石流堆積較少，有灌叢和林木生長(zhǎng)，溝內(nèi)有近期泥石流的沉積物；大白泥河溝堆積區(qū)有明顯的泥石流沉積物，灌叢和樹林稀少，荒草地較多。綜上所描寫的各個(gè)區(qū)段的特征，可以判斷蔣家溝處于發(fā)育階段的老年期泥石流，大白泥河溝屬于發(fā)育階段的壯年期泥石流。

表3 典型泥石流溝谷分區(qū)面積

2.3 典型溝谷的泥石流跡地的地表覆被分析

針對(duì)溝谷的泥石流跡地的地表覆被分析，同樣選擇典型溝谷泥石流溝蔣家溝和大白泥河溝，通過監(jiān)督分類，分別提取蔣家溝和大白泥河溝的地表覆被信息，統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)段地表覆被的分類所占的百分比，制作如表4所示的泥石流溝谷的地表覆被?？偟膩砜?，蔣家溝的地表覆被以耕地為主，百分比為40.44%，其次是荒草地21.53%，百分比為由于隨著人口的增長(zhǎng)，需要更多的糧食作物才能養(yǎng)活，居民地百分比為16.5%，耕地大多是由開荒而來，生態(tài)環(huán)境較脆弱，容易發(fā)生水土流失和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。大白泥河溝同樣也是耕地為主，其次是荒草地，百分比分別為45.08%和23.07%，但大白泥河溝的植被覆蓋率高于蔣家溝，其中林地比蔣家溝高了7個(gè)百分點(diǎn)。通過對(duì)比分析幾個(gè)分區(qū)的地表覆被情況，得出物源區(qū)的植被覆蓋率相對(duì)較高，蔣家溝物源區(qū)的林地為13.43%，大白泥河溝物源區(qū)的林地為24.19%，大白泥河溝物源區(qū)的林地分布比蔣家溝物源區(qū)的要多，且荒地較少。流通區(qū)段地勢(shì)陡峭，不適合居住，居民地較少，蔣家溝流通區(qū)段居民地僅為9.13%，耕地居多，大白泥河溝居民地為4.66%，耕地大多分布在居民地周圍，大白泥河溝流通區(qū)居民地比蔣家溝流通區(qū)居民地少，所以耕地也比蔣家溝流通區(qū)的少。相比蔣家溝流通區(qū)，大白泥河溝流通區(qū)荒草地比較多，為31.21%，比物源區(qū)多。堆積區(qū)是山區(qū)寶貴的土地資源，由于地勢(shì)較平緩，具有良好的水熱條件，往往成為山區(qū)人民生產(chǎn)和生活的集中區(qū)域，但是堆積區(qū)也是泥石流破壞最嚴(yán)重的區(qū)域。堆積區(qū)和其他區(qū)段對(duì)比，居民地相對(duì)較多，蔣家溝堆積區(qū)居民地為14.76%，大白泥河溝堆積區(qū)居民地為5.20%，由于蔣家溝泥石流已步入老年期，已無明顯的泥石流堆積，所以解譯出來的泥石流較少，為10.81%，而大白泥河溝泥石流屬于壯年期泥石流，堆積區(qū)以泥石流為主，占比較高，為50.54%，同時(shí)荒草地也比較多，為31.22%，植被覆蓋率也是最低的，林地為1.33%。

表4 泥石流溝谷的地表覆被

3 結(jié)論

由于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法和處理難度太大，而且效率較低，所以需要使用遙感技術(shù)進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)。遙感影像能真實(shí)反映調(diào)查區(qū)的實(shí)際情況，且不受交通和空間的限制?；谶b感技術(shù)的調(diào)查對(duì)于大區(qū)域范圍來說具有優(yōu)越性，可以節(jié)省人力物力。東川泥石流以其分布之廣、規(guī)模之大、類型齊全、爆發(fā)猛烈而著名，以東川泥石流為研究對(duì)象具有一定的代表性，對(duì)其進(jìn)行研究有利于掌握泥石流災(zāi)害規(guī)律及制定防災(zāi)減災(zāi)措施。但是遙感影像也有一定的局限性，遙感影像受天氣影響比較大，云層會(huì)在影像上形成陰影，增加解譯的難度，遙感影像在泥石流災(zāi)害解譯中的最大弱點(diǎn)是缺少立體視覺。

通過對(duì)小江干流沿線的泥石流溝谷跡地的空間分布分析，得到小江干流沿線泥石流溝分布密集，且東西部分布不均，西部較多，東部較少。統(tǒng)計(jì)所有泥石流溝的流域面積，發(fā)現(xiàn)小江干流上游分布有大型泥石流溝，下游出水口處分布的是小型泥石流溝 。從泥石流溝流向與河道的夾角來看，泥石流溝的流向幾乎垂直于河道。從泥石流溝的空間結(jié)構(gòu)，分析兩條典型溝谷型泥石流溝蔣家溝和大白泥河溝的物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)的形態(tài)特征，得到蔣家溝目前處于老年期，而大白泥河溝屬于壯年期。通過提取兩條泥石流溝的地表覆被信息，可以看出泥石流溝的整體植被覆蓋率較低，耕地分布在居民地周圍，物源區(qū)的植被覆蓋率相對(duì)較高，流通區(qū)的居民地相對(duì)較少，蔣家溝已步入老年期，蔣家溝的堆積區(qū)以耕地為主，而大白泥河溝屬于壯年期，大白泥河溝的堆積區(qū)以泥石流和荒草地為主。

本文只使用了遙感數(shù)據(jù)對(duì)泥石流進(jìn)行研究，存在不足之處，需要使用多種數(shù)據(jù)對(duì)泥石流進(jìn)行深入的研究，分析泥石流溝谷的時(shí)空分布規(guī)律，加強(qiáng)對(duì)泥石流的認(rèn)識(shí)，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的效果。隨著人口的增多，人類對(duì)自然資源的需求也在增加，致使生態(tài)環(huán)境不斷惡化，植被遭到破壞，水土流失嚴(yán)重，泥石流活動(dòng)不斷加劇。為了減少泥石流的危害，需要人們?cè)鰪?qiáng)對(duì)泥石流的認(rèn)知，實(shí)行退耕還林、減少植被破壞等舉措。