遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及災(zāi)害規(guī)律研究中的應(yīng)用
——以遼寧省建昌縣為例?

翟富榮梁帥金鑫賈艷杰

1 遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000

2 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000

3 遼寧省水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)總站，遼寧 沈陽(yáng) 110000

地質(zhì)災(zāi)害既受地質(zhì)環(huán)境條件控制，其發(fā)生、發(fā)展又與人類工程活動(dòng)關(guān)系密切；地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人類生命財(cái)產(chǎn)安全，制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

本次地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，根據(jù)遼寧省地質(zhì)環(huán)境信息化平臺(tái)2018 年6 月建昌縣地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用遙感技術(shù)，在對(duì)高分二號(hào)影像數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析及參考Google Earth 歷年影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，輔助適當(dāng)?shù)囊巴怛?yàn)證，識(shí)別滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的類型、規(guī)模和空間分布特征，為研究總結(jié)區(qū)域上地質(zhì)災(zāi)害規(guī)律及有效預(yù)防提供了詳實(shí)可靠的基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

建昌縣所處大地構(gòu)造單元為中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶-遼西臺(tái)陷及山海關(guān)臺(tái)拱。區(qū)內(nèi)出露地層包括元古界長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系；古生界寒武系、奧陶系；中生界侏羅系、白堊系及新生界第四系。區(qū)內(nèi)斷裂與褶皺較發(fā)育，主要有朝陽(yáng)-藥王廟斷裂帶和要路溝-錦西斷裂帶。研究區(qū)為低山丘陵區(qū)，地勢(shì)總體為西高東低，呈“S”階梯狀，受北東向構(gòu)造控制，中部地勢(shì)崛起，全縣分為嶺上、嶺下兩部分，地貌類型多樣。

數(shù)據(jù)選用2018 年2 月分辨率為1m 的高分二號(hào)、Google 影像數(shù)據(jù)（2015～2018 年）及DEM 數(shù)據(jù)。利用ENVI5.3、Arcgis10.4 對(duì)高分二號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正、正射校正、圖像融合等信息增強(qiáng)處理，用于該區(qū)1:5 萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害解譯，DEM 數(shù)據(jù)用于獲取該區(qū)的各地災(zāi)點(diǎn)的坡度、坡向、前后緣高程等信息。同時(shí)結(jié)合地質(zhì)圖、土地利用規(guī)劃圖等對(duì)該區(qū)進(jìn)行遙感地質(zhì)解譯及用地類型等進(jìn)行解譯。

2 遙感解譯災(zāi)害類型及分布特征

2.1 災(zāi)害類型

在遙感影像上，不同的地物有不同的特征（稱為判讀或解譯標(biāo)志），這些影像特征是判讀識(shí)別各種地物的依據(jù)。解譯標(biāo)志包括直接和間接解譯標(biāo)志，直接判讀標(biāo)志有形狀、大小、顏色和色調(diào)、陰影、位置、結(jié)構(gòu)（圖案）、紋理、分辨率、立體外貌等；間接判讀標(biāo)志有水系、地貌、土質(zhì)、植被、人類活動(dòng)等[1-2]。由于各類地災(zāi)的要素分布也不盡相同，因此在地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行遙感調(diào)查之前，需對(duì)各類地災(zāi)的形成、特征等屬性進(jìn)行初步認(rèn)識(shí)和調(diào)查。在此先驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，借助遙感多時(shí)相影像（采用Google Earth 的歷史影像數(shù)據(jù)）對(duì)比，結(jié)合目視解譯和面向?qū)ο蟮姆诸惖姆椒╗3-9]，初步解譯104個(gè)可疑地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證最終解譯地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)75 個(gè)，其中地面塌陷6 個(gè)，崩塌37 個(gè)，泥石流25 個(gè)，滑坡7 個(gè)。本次解譯地質(zhì)災(zāi)害類型特征描述如表1 所示。

表1地質(zhì)災(zāi)害類型遙感解譯特征 Table 1Geological hazard types and remote sensing interpretation characteristics

2.2 地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模及分布特征

2.2.1 地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模

研究區(qū)共解譯崩塌37 處，崩塌堆積面積在161～34039m2范圍之間，崩塌規(guī)模均為中小型，地層巖性主要為白云巖、安山巖、玄武巖等，侵入巖主要為花崗巖體，部分崩塌發(fā)育在斷裂帶上。巖石破碎，時(shí)有掉塊現(xiàn)象發(fā)生。通過(guò)對(duì)矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，總覆蓋面積為16.7137×104m2。崩塌規(guī)模特征如圖1 所示。

圖1研究區(qū)崩塌規(guī)模特征圖 Fig.1 Collapse scale feature map in the study area

滑坡常表現(xiàn)為連續(xù)的地貌形態(tài)突然被破壞，由陡坡和緩坡兩種地貌單元組成，坡體下方由于土體擠壓，有時(shí)可見(jiàn)到高低不平的地貌，地形破碎。滑坡發(fā)育地層巖性主要為粉質(zhì)粘土、白云巖、安山巖等，部分滑坡發(fā)育在斷裂帶上。共解譯滑坡7 處，滑坡外形面積在429～53571m2范圍之間。滑坡規(guī)模特征如圖2 所示。

圖2研究區(qū)滑坡規(guī)模特征圖 Fig.2 Landslide scale feature map in the study area

泥石流相對(duì)集中在西南部。解譯的25 個(gè)泥石流中，95%的流域形態(tài)為溝谷型，地貌部位多為山前區(qū)，水源類型為暴雨型，均在發(fā)育期。泥石流的流域內(nèi)基本無(wú)斷裂帶。通過(guò)對(duì)矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，泥石流集水區(qū)面積在22921.59～5516097.90 ㎡范圍之間，大中小型規(guī)模的泥石流均有。泥石流集水區(qū)規(guī)模特征如圖3 所示。

圖3研究區(qū)泥石流規(guī)模特征圖 Fig.3 Debris flow scale feature map in the study area

地面塌陷地災(zāi)點(diǎn)基本為大型和小型規(guī)模。解譯的6 個(gè)地面塌陷點(diǎn)中，主要地層巖性為礫巖夾砂頁(yè)巖及煤層、白云巖等。地面塌陷主要為采礦作用引起的向下陷落，是研究區(qū)經(jīng)常發(fā)生的一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。一旦上面有居民或道路車輛，則危害很大且難于預(yù)防。通過(guò)對(duì)矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，地面塌陷規(guī)模特征如圖4 所示。

圖4研究區(qū)地面塌陷規(guī)模特征圖 Fig.4 Ground collapse scale feature map in the study area

2.2.2 地質(zhì)災(zāi)害空間分布特征

根據(jù)研究區(qū)的各個(gè)崩塌的分布位置可以發(fā)現(xiàn)，崩塌、滑坡、泥石流的群發(fā)性特征明顯，發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)會(huì)危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷在空間上的分布位置如圖5 所示。

圖5研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害空間分布圖 Fig.5Spatial distribution map of geological hazards in the study area

3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律分析

地質(zhì)災(zāi)害是在一定的環(huán)境條件下形成和發(fā)展，地形地貌復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、巖石類型多樣、局部人類活動(dòng)強(qiáng)烈，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，潛在隱患穩(wěn)定性差，危險(xiǎn)性和危害性大。

3.1 地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

地形地貌與研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育有著強(qiáng)烈的相關(guān)性，其中地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性可以從兩方面分析：宏觀因素和微觀因素。宏觀因素為研究區(qū)的地貌，它由堆積和侵蝕作用形成，不同地貌區(qū)域的巖土性質(zhì)與結(jié)構(gòu)不盡相同，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度的影響也不盡相同；微觀因素為研究區(qū)內(nèi)坡度、坡向等，它與研究區(qū)內(nèi)崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害有著極大的相關(guān)性[3-9]。

3.1.1 宏觀地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

研究區(qū)地貌低山丘陵為主，大多為構(gòu)造剝蝕侵蝕地形，但在一些較大分水嶺地帶，山勢(shì)依然陡峻（圖6）。東北部、北部和西部地勢(shì)較高，形成一向SE 傾斜的低山丘陵地貌。本次以分水嶺為界將研究區(qū)地貌劃分為東部沖積低平原、剝蝕丘陵、緩隆起剝蝕低山和西部沖洪積平原、山間沖洪積谷地、山間坡洪積谷地、侵蝕剝蝕丘陵、侵蝕剝蝕低山丘陵、斷塊侵蝕低山、斷塊侵蝕中低山。利用Arcgis 軟件將研究區(qū)的地貌與災(zāi)害點(diǎn)分布進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在東部沖積低平原有6處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，8 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在剝蝕丘陵，6 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在緩隆起剝蝕低山，中西部8處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在沖洪積平原，15 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在山間沖洪積谷地，13 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在山間坡洪積谷地，8 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在侵蝕剝蝕丘陵，8 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在侵蝕剝蝕低山丘陵，2 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在斷塊侵蝕低山。從圖6 可以看出，這種周圍高向中部和東北部迅速降低的地勢(shì)，形成了該縣山坡陡峭，溝谷短小而急促的地形特點(diǎn)，使大部分山谷呈“V”形。地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多分布于中西部剝蝕侵蝕低山丘陵及山前山間谷地。

圖6研究區(qū)地貌與災(zāi)害點(diǎn)關(guān)系圖 Fig.6Map of landforms and hazard sites in the study area

3.1.2 微觀地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

斜坡的穩(wěn)定性主要取決于斜坡體的形態(tài)，斜坡體的形態(tài)受高度、長(zhǎng)度、平面結(jié)構(gòu)、臨空面等因素影響，這些因素決定了斜坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布，決定了斜坡體的穩(wěn)定性，控制了斜坡中滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[10-12]。依據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)，從坡度和坡向兩個(gè)方面討論斜坡體與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系。

對(duì)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的斜坡坡度調(diào)查并利用Arcgis 對(duì)研究區(qū)地區(qū)坡度分析表明，發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害的斜坡坡度主要在0°～65°，其中0°～20°有7 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，主要為地面塌陷；20°～65°有43 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，主要為崩塌和滑坡，此段坡度主要集中在邊坡陡峻邊緣或順向斜坡、松散土類較發(fā)育斜坡；65°以上有3 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，主要集中在基巖山區(qū)。由野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出災(zāi)害隨斜坡坡度變化而不同，崩塌和滑坡主要集中在坡度高的陡崖、陡坡邊緣或順向斜坡、松散土類較發(fā)育斜坡。坡度低的區(qū)域地面塌陷發(fā)育

坡向與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育有一定的相關(guān)性，坡向影響斜坡體接受日照時(shí)間的長(zhǎng)短，影響斜坡體的日夜溫差，進(jìn)而影響斜坡體風(fēng)化程度，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育有一定的影響。斜坡坡向主要和崩塌、滑坡兩種地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)，野外調(diào)查中共統(tǒng)計(jì)了43處滑坡和崩塌與坡向的關(guān)系，得出：在100°～200°坡向中滑坡發(fā)育，其他坡向滑坡不發(fā)育；90°～250°坡向內(nèi)崩塌發(fā)育，其他坡向崩塌不發(fā)育。利用Arcgis 對(duì)研究區(qū)的坡向進(jìn)行分析，得出坡向與崩塌滑坡的關(guān)系，分析得出研究區(qū)坡向90°～250°之間滑坡和崩塌發(fā)育。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

研究區(qū)大地構(gòu)造單元為中朝準(zhǔn)地臺(tái)-燕山臺(tái)褶帶-遼西臺(tái)陷及山海關(guān)臺(tái)拱?？h內(nèi)斷裂與褶皺較發(fā)育，省內(nèi)聞名的朝陽(yáng)-藥王廟斷裂帶、要路溝-錦西斷裂帶從本縣通過(guò)（圖7）。研究區(qū)共解譯8 條斷裂帶與1 處褶皺帶，分別為：要路溝-錦西斷裂帶、朝陽(yáng)-藥王廟斷裂帶、楊樹(shù)底下斷裂、湯土溝斷裂、鴿子洞斷裂、王寶營(yíng)子斷裂、黃家溝扭性斷裂束、化杖子斷裂和娘娘廟向斜。各斷裂與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育都有一定的相關(guān)性[13-14]。通過(guò)野外調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，斷裂帶及褶皺周圍共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害15 處，其中滑坡4處，崩塌9 處，地面塌陷2 處。地質(zhì)災(zāi)害主要分布于要路溝-錦西斷裂帶及湯土溝斷裂帶上，近東西向路溝-錦西斷裂帶與北北東向的湯土溝斷裂帶地貌上屬于侵蝕剝蝕中低山，擠壓片理、劈理、構(gòu)造透鏡體發(fā)育，巖石破碎，受降雨沖刷剝蝕，易形成崩塌和滑坡。利用Arcgis 對(duì)研究區(qū)的斷裂帶進(jìn)行分析，得出斷裂帶與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系圖。

圖7研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與災(zāi)害點(diǎn)關(guān)系圖 Fig.7Relationship between geological structure and hazard sites in the study area

3.3 地層巖性與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

地層巖性與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育有極強(qiáng)的相關(guān)性，主要原因在于地層巖性決定了土體的力學(xué)性質(zhì)，在其它地質(zhì)條件相對(duì)一致的前提下，巖土體的力學(xué)穩(wěn)定性就決定了坡體的穩(wěn)定性。研究區(qū)分布有四大類地層，分別為：元古界長(zhǎng)城系-青白口系、古生界寒武-奧陶系、中生界侏羅系-白堊系和第四系。利用Arcgis 對(duì)研究區(qū)的地層進(jìn)行分析，得出地層與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系圖。

寒武-奧陶系灰?guī)r出露于東北部和東南的緩隆起的剝蝕低山。巖土體穩(wěn)定性高，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育。侏羅系-白堊系的安山巖、玄武巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、砂巖、礫巖在大凌河兩側(cè)溝谷及剝蝕低山丘陵中出露。巖體受斷裂帶和支流水系影響，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)一半以上的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育于侏羅系-白堊系中。元古界長(zhǎng)城系的白云巖分布于東南部的剝蝕丘陵，受斷裂和人類采礦活動(dòng)的影響，該地層中地面塌陷發(fā)育。第四系的亞粘土、亞砂土、砂礫石主出露于山間谷地及河流兩岸，其中大部分地層條件穩(wěn)定，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育。

圖8研究區(qū)水系與災(zāi)害點(diǎn)關(guān)系圖 Fig.8Relationship between water system and hazard sites in the study area

3.4 水系與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

河流主要表現(xiàn)在對(duì)河谷兩側(cè)斜坡巖土體的長(zhǎng)期側(cè)蝕和對(duì)坡腳的長(zhǎng)期浸泡，增大了斜臨空面，降低巖土體抗剪強(qiáng)度，從而誘發(fā)滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害，這在大凌河兩沿表現(xiàn)明顯，利用Arcgis 分析研究區(qū)水系與災(zāi)害點(diǎn)關(guān)系，得出水系與災(zāi)害點(diǎn)關(guān)系圖（圖8）。從圖8 中可以看處崩塌與滑坡主要分布于主要支流旁，而泥石流多發(fā)育于支流匯集處。

3.5 人類工程活動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

隨著研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類工程活動(dòng)不斷加劇，引發(fā)崩塌、滑坡和地面沉降的機(jī)率也在增大。研究區(qū)人類工程活動(dòng)主要表現(xiàn)在礦石開(kāi)采、修筑公路、村莊建設(shè)等方面。人類工程活動(dòng)破壞了原有巖性的穩(wěn)定性，容易引發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，此外，礦石開(kāi)采過(guò)程中的多余碎石就堆棄于溝道中，擠壓過(guò)水?dāng)嗝?，暴雨時(shí)易引發(fā)泥石流災(zāi)害。利用Arcgis 將土地規(guī)劃圖中的建筑用地與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)疊加分析得出人類工程活動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的關(guān)系圖。結(jié)合本圖及野外調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 處地面塌陷分布于采礦用地，崩塌與滑坡多位于鐵路公路及村莊用地。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，類型較多。利用ENVI5.3、Arcgis10.4 軟件對(duì)高分二號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要采用人機(jī)交互的方式，建立1:5 萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害詳查遙感解譯標(biāo)志，初步解譯出地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)104 個(gè)，后經(jīng)野外實(shí)地驗(yàn)證，最終解譯出災(zāi)害點(diǎn)75 個(gè)。其中地面塌陷6 個(gè)，崩塌37 個(gè)，泥石流25 個(gè)，滑坡7 個(gè)。

（2）通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)已圈定的崩塌、泥石流、地面塌陷、滑坡災(zāi)害面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并投圖，基本上查清了該區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模及空間分布特征。

（3）結(jié)合研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征，利Arcgis10.4空間分析功能，對(duì)遙感解譯地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與地貌、坡度、坡向、構(gòu)造、水系及人類工程活動(dòng)等因子進(jìn)行疊加分析，進(jìn)一步提高了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的效率和精度，總結(jié)了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律，為該縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查和預(yù)防工作提供翔實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。