基于GF-1遙感和GIS數(shù)據(jù)翠亨新區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征及成因分析

張宇佳, 周萬蓬*, 張振森, 李永豐, 李銘鯤

(1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點實驗室,江西 南昌 330013;2.東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國土重點實驗室,江西 南昌 330013;3.廣東省地質(zhì)局第十地質(zhì)大隊,廣東 中山 528427)

0 引 言

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感的應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)手段不斷擴大和日趨成熟[1]，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中獲得了廣泛應(yīng)用[2-3]。目前遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害體的解譯提取[4-5]、影響因素分析、危險性評價[6-7]、災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測與防治[8]，以及后期災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的建設(shè)[9]等工作。對比傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，遙感技術(shù)能夠更有效地獲取地表信息，與地理信息系統(tǒng)結(jié)合使用，可大大提高地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的效率[10]。

遙感技術(shù)在城市地質(zhì)調(diào)查工作中可廣泛應(yīng)用于城市工程建設(shè)條件、城市地下空間探測(地下水)等相關(guān)調(diào)查[11]。中山市翠亨新區(qū)地理位置優(yōu)越，經(jīng)濟發(fā)展迅猛，但區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，嚴重制約著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。前人依據(jù)傳統(tǒng)的野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查(路線調(diào)查)對中山市主要地質(zhì)災(zāi)害進行了統(tǒng)計，對地質(zhì)災(zāi)害的分布特征、規(guī)律進行了初步的統(tǒng)計分析，提出了簡略的防治建議[12]。在全國進行大比例尺城市地質(zhì)調(diào)查的背景下，傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方式不適宜大比例尺的城市地質(zhì)調(diào)查，而遙感影像數(shù)據(jù)，特別是高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)可以快速實現(xiàn)對地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害信息的調(diào)查[12]。本次研究將遙感技術(shù)應(yīng)用于中山市翠亨新區(qū)1∶10 000城市地質(zhì)調(diào)查中，采用高分辨率遙感技術(shù)，精細解譯地質(zhì)背景及地質(zhì)災(zāi)害特征，分析災(zāi)害體與地質(zhì)因子之間的成因關(guān)系。

高分一號遙感數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查，尤其在地質(zhì)災(zāi)害信息提取與發(fā)育特征研究方面的應(yīng)用[13-14]。通過高分遙感影像和DEM(digital elevation model)數(shù)據(jù)解譯，可直觀地顯示地質(zhì)災(zāi)害的分布狀況[15]?；趯ρ芯繀^(qū)地形地貌等特征的綜合考慮，本次研究選取高分一號衛(wèi)星影像作為目視解譯的主要影像，通過影像預(yù)處理，結(jié)合搜集到的其他地質(zhì)資料及Google Earth影像對中山市翠亨新區(qū)進行地質(zhì)災(zāi)害信息解譯和提取工作，并分析已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害點與斷層、巖性、地層等地質(zhì)背景因子之間的關(guān)系，及時更新中山市翠亨新區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害信息，以期為當(dāng)?shù)卣鞘薪ㄔO(shè)決策提供基礎(chǔ)地質(zhì)背景資料。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

翠亨新區(qū)位于中山市東部，其所處的大地構(gòu)造單元為華南褶皺系粵中坳陷西南緣，區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育，主體受北東向構(gòu)造控制，出露的地質(zhì)體主要為白堊世、侏羅世、奧陶世的深成侵入巖(細粒-中粗粒似斑狀黑云母二長花崗巖)及第四系沉積物。研究區(qū)的地形地貌以丘陵和平原為主，地勢總體西高東低，屬珠江口三角洲平原區(qū)，可分為南朗鎮(zhèn)與馬鞍島兩部分，地貌類型簡單。

本次遙感數(shù)據(jù)選用分辨率為2 m的高分一號影像數(shù)據(jù)、資源一號(ZY-1 02C)衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Google影像數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型(gigital eldvation model，DEM)數(shù)據(jù)，利用ENVI5.1對高分一號數(shù)據(jù)與ZY-1 02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，用于1∶10 000地質(zhì)災(zāi)害解譯底圖，Google影像數(shù)據(jù)用于該區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)信息及地質(zhì)災(zāi)害點解譯成圖，DEM數(shù)據(jù)用于獲取該區(qū)地災(zāi)點的坡度、坡向等信息。同時結(jié)合前人中小比例尺的地質(zhì)資料、野外踏勘及路線調(diào)查，對地質(zhì)災(zāi)害解譯結(jié)果進行對比驗證。

2 地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯與分析

2.1 解譯標志的建立

對地質(zhì)災(zāi)害的解譯主要包括對地質(zhì)災(zāi)害體解譯以及對災(zāi)害體發(fā)生的地質(zhì)背景解譯。研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害體包括滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡，其遙感圖像目視解譯標志如表1所示。地質(zhì)背景主要包括地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌，在遙感影像上，不同的地質(zhì)背景因子存在不同的解譯標志。通過高分遙感影像與多光譜影像的波段融合，加強了斷裂構(gòu)造在影像圖上的的線性特征、色調(diào)標志、影紋特征、地形地貌特征、水文土壤特征，增強了目視解譯的準確度。地層巖性和地貌類型解譯由于植被覆蓋嚴重，主要依據(jù)前人地質(zhì)資料及路線調(diào)查確定。

表1 翠亨新區(qū)地質(zhì)災(zāi)害典型遙感解譯標志Table 1 Typical Remote Sensing Interpretation Signs of Geological Hazards in Cuiheng area

2.2 解譯結(jié)果分析

綜合運用各類解譯標志，通過遙感圖像目視解譯法和野外驗證，對翠亨新區(qū)的地質(zhì)背景和地質(zhì)災(zāi)害體進行了詳細解譯，地質(zhì)背景解譯包括斷層、地形地貌和地層巖性。

通過遙感解譯與野外調(diào)查、驗證，識別出區(qū)內(nèi)4條大斷裂(圖1)，從北到南、從西向東依次為沙溪-中山港斷裂、五桂山北斷裂、五桂山南斷裂以及白坭-沙灣斷裂。五桂山南斷裂可見十分典型的斷裂影像標志，走向大致57°，在地貌上可見斷層三角面發(fā)育，斷面較平直，山谷山脊線性影像清晰，野外驗證其破碎帶寬30～50 m，斷層角礫巖、硅化碎裂花崗巖、壓碎硅質(zhì)巖等構(gòu)造巖十分發(fā)育，帶內(nèi)及其旁側(cè)發(fā)育著密集石英細脈群，且?guī)r石經(jīng)受強烈擠壓破碎。白坭-沙灣斷裂為新發(fā)現(xiàn)的斷裂，為正斷層性質(zhì)。在研究區(qū)西側(cè)近五桂山山區(qū)，依據(jù)影像線性特征及水系、地貌錯動等間接標志，解譯出24條中小型斷裂。

通過遙感地貌范圍圈定及野外驗證，研究區(qū)內(nèi)解譯出6類地貌類型(圖1)，在五桂山地區(qū)以花崗巖剝蝕低山丘陵地貌為主，影像上表面較粗糙，呈團塊狀，為丘陵正地形；交切關(guān)系明顯，山脊線清晰，地表侵蝕切割程度明顯，樹枝狀水系發(fā)育，建有多座水庫，由于植被發(fā)育，多呈綠色色調(diào)；沖洪積平原地貌、河海堆積平原地貌和人工填土分別分布在南朗和攬邊、馬鞍島以及河海交匯邊緣地區(qū)，改造較強，影像上地勢平坦，水系交匯，城鎮(zhèn)密集；結(jié)晶巖剝蝕殘丘地貌零星分布在馬鞍島附近；山麓斜坡和谷地堆積地貌主要分布在五桂山山前谷地。由于區(qū)內(nèi)植被覆蓋嚴重，導(dǎo)致影像光譜信息反映的都是植被的光譜信息，對研究區(qū)內(nèi)的8類巖性信息主要是根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告確定，因此本研究中不再贅述。

圖1 翠亨新區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)及地形地貌、災(zāi)害點及斷裂疊合圖Fig.1 Remote sensing image and overlay map of landform types, disaster points and faults in Cuiheng new area

經(jīng)野外驗證，翠亨新區(qū)共解譯出較大的地質(zhì)災(zāi)害點61處，其中崩塌6處，滑坡31處，泥石流1處，不穩(wěn)定斜坡23處。面積在1 762.8～143 552.1 m2，規(guī)模以中小型居多，集中分布在五桂山余脈地區(qū)。結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模劃分標準，對解譯的災(zāi)害面積數(shù)據(jù)進行數(shù)量與面積分級，結(jié)果顯示，翠亨新區(qū)主要發(fā)育中小型滑坡、不穩(wěn)定斜坡，大型地質(zhì)災(zāi)害點較少；從地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量來看，平面面積104～105 m2的災(zāi)害體數(shù)量最多，占57.38%。

3 地質(zhì)災(zāi)害控制因子分析

地質(zhì)災(zāi)害是在一定的環(huán)境條件下形成，一般受地質(zhì)條件、自然環(huán)境條件以及多種誘發(fā)因素制約[16]。近年來研究者利用GIS(geographic information system)的空間分析功能對造成地質(zhì)災(zāi)害的多種因素進行量化分析應(yīng)用較廣[7,13]，本文利用GIS著重分析地形地貌、斷裂構(gòu)造、地層巖性三個方面對災(zāi)害體分布的影響，探討地質(zhì)災(zāi)害體的發(fā)育及分布規(guī)律。

3.1 地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

研究區(qū)地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育有著強烈的相關(guān)性。從災(zāi)害點分布的空間位置與地貌類型疊加情況分析可知：44處地質(zhì)災(zāi)害點分布在花崗巖剝蝕低山丘陵區(qū)，占解譯災(zāi)害點的72%，該區(qū)地形呈現(xiàn)西部向東部大幅降低，山坡陡，溝谷短小而急促，大部分山谷呈“V”形。這種地形條件為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了致災(zāi)物源和通道，大部分滑坡和不穩(wěn)定斜坡發(fā)育在翠亨新區(qū)中西部剝蝕侵蝕低山丘陵及山前谷地(圖1)。

斜坡體的穩(wěn)定性決定了地質(zhì)災(zāi)害隱患點的穩(wěn)定性，坡度、坡向、高度等因素的差異間接控制了不穩(wěn)定斜坡向滑坡和崩塌發(fā)展的趨勢[17-18]。將地形量化為坡度、高程、坡向等具體的量化值，分析其與地質(zhì)災(zāi)害點的分布頻率與數(shù)量，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害點主要發(fā)育在高程范圍為51～150 m、坡度范圍為23°～40°、坡向范圍為102°～167°及300°～360°的地區(qū)。統(tǒng)計表明，在坡度為23°～40°的范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害分布32處，以不穩(wěn)定斜坡為主。該地形條件下巖土體穩(wěn)定性低，植被覆蓋率低。不穩(wěn)定斜坡多發(fā)育較多裂隙、節(jié)理，雨水沖刷條件下更易轉(zhuǎn)化為泥石流。經(jīng)野外實地考察，高程為150 m左右的中低山地貌，地勢較陡，表層為第四系覆蓋層，以花崗巖類等脆性巖層和軟硬相間的松散巖石風(fēng)化物為主，滑體結(jié)構(gòu)破碎，易受外力影響，遇水穩(wěn)定性降低快，故滑坡多易在溝谷處發(fā)生。

3.2 地層巖性、構(gòu)造與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展與地層巖性密不可分，地層巖性決定著巖土體的力學(xué)性質(zhì)，巖土體的穩(wěn)定性在一定程度上制約著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展和分布。通過對地質(zhì)災(zāi)害點與巖石地層分布空間疊加分析，結(jié)果顯示大部分的滑坡和不穩(wěn)定斜坡都位于相對堅硬的巖層范圍內(nèi)，如不同地層年代的二長花崗巖巖體、花崗斑巖巖體，結(jié)合該區(qū)域內(nèi)山麓地貌，較堅硬巖石破碎、節(jié)理發(fā)育易形成不穩(wěn)定斜坡，外力擾動形成崩塌的可能性大大增加。

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以斷裂為主。斷裂控制著巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的發(fā)育程度，間接地控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展和分布[19]，斷裂錯動形成的固體碎裂物為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了部分物源，促進了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。本文通過建立斷層的多級緩沖區(qū)來探討斷層與地質(zhì)災(zāi)害分布之間的空間關(guān)系。結(jié)果顯示，大斷裂與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系不明顯，而在次生小斷裂600 m的影響范圍內(nèi)發(fā)育了近41處地質(zhì)災(zāi)害，占總數(shù)的67.2%。這可能由于研究區(qū)大斷裂硅化蝕變強烈，使大斷裂附近巖石具備更強的力學(xué)性質(zhì)，再加上大斷裂影響范圍大，斷裂帶內(nèi)部易于形成相一致的巖土體條件，而次生斷裂附近，構(gòu)造透鏡體發(fā)育、巖石破碎、后期蝕變膠結(jié)弱，再著中低山的地貌條件和降雨沖刷的自然因素影響，更易形成滑坡和不穩(wěn)定斜坡。同時顯示次生斷層破碎帶附近地段地質(zhì)災(zāi)害群發(fā)育明顯，呈線狀沿斷裂帶附近展布。

3.3 討 論

通過定量、定性分析地質(zhì)災(zāi)害體與各影響因素之間的關(guān)系，可以看出地質(zhì)災(zāi)害與研究區(qū)的地形、巖性和地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切。在野外路線調(diào)查與觀測發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害點多發(fā)生在斷層附近，線性分布特征較為明顯，主要是分布在次級斷裂廣泛發(fā)育的花崗巖地區(qū)，由于斷層通過的地區(qū)多發(fā)生斷層錯動，造成巖體破碎程度更高，其形成的碎屑物質(zhì)為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了物質(zhì)來源，也是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的基礎(chǔ)，而花崗巖較強的抗侵蝕能力形成研究區(qū)內(nèi)由西北向東南傾斜的斜坡，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了地形條件。同時斷層發(fā)育改變了巖土體的力學(xué)性質(zhì)，巖體由于卸荷作用更易形成不穩(wěn)定巖體，在適當(dāng)?shù)耐饬l件或水文條件下更易發(fā)展為崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。綜合分析地形、巖性和地質(zhì)構(gòu)造3種控制因素中，本文認為斷層對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生影響明顯，其具體機理仍需進一步進行調(diào)查與探討。

4 結(jié) 論

綜合高分遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及地質(zhì)數(shù)據(jù)，解譯了中山市翠亨新區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害，同時綜合分析影響地質(zhì)災(zāi)害體發(fā)生的地質(zhì)條件，分析各地質(zhì)背景因子下地質(zhì)災(zāi)害的空間分布特征和成因分析，本次研究得出以下主要結(jié)論。

1)利用高分辨率遙感影像可以快速準確地解譯識別中小范圍地區(qū)的構(gòu)造、巖性以及地形地貌，準確地解譯滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，獲取地質(zhì)災(zāi)害的類型、位置、形態(tài)等基本特征。運用GIS技術(shù)可以得到地質(zhì)災(zāi)害體分布的高程、坡度、主要巖性等災(zāi)害特征參數(shù)信息，便于預(yù)測潛在地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2)本次翠亨新區(qū)城市地質(zhì)調(diào)查中，解譯出較大的地質(zhì)災(zāi)害點61處，其中滑坡(包含潛在滑坡)31處，崩塌和潛在崩塌點6處，泥石流1處，不穩(wěn)定斜坡23處；從平面面積分級統(tǒng)計來看，該區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害以中小型居多，偶見有大型的災(zāi)害體。

3)從災(zāi)害體分布與各環(huán)境因子之間的關(guān)系來看，翠亨新區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點主要分布在50～130 m的低山丘陵區(qū)，地勢相對陡峭，表層覆蓋層較厚，在坡度為23°～40°五桂山余脈地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量分布最多，該坡度范圍以山麓斜坡地貌為主，地層巖性以剝侵蝕的二長花崗巖為主，坡體結(jié)構(gòu)破碎松散，易受外力影響形成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，同時在次級小斷裂廣泛發(fā)育的地區(qū)，巖石松動破碎，易形成不穩(wěn)定斜坡。這將是今后地質(zhì)災(zāi)害防治的重點地區(qū)。

4)從中山市翠亨新區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)背景因素分析來看，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、分布與高程(海拔51～150 m)、地形坡度(23°～40°)、次一級斷裂、地貌類型及地層巖性密切相關(guān)，其中次級斷裂對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生影響更大。