3S技術(shù)支持下呂梁地區(qū)崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及特征分析

曲彥明,馬晉文,閆俊偉,劉 超,李小波

(中國冶金地質(zhì)總局三局,山西 太原 030000)

近年來,過度的資源開發(fā)導(dǎo)致植被大量破壞,在自然與人為因素作用下,崩塌滑坡災(zāi)害發(fā)生頻率逐漸提高,給人們生活造成較大影響。這些災(zāi)害形成的誘因是山體具有較強(qiáng)的不確定性非線性結(jié)構(gòu)。山西省是崩塌滑坡災(zāi)害的高發(fā)區(qū),分布范圍廣且數(shù)量多。其中,呂梁市地處山西省中西部,是能源開發(fā)的重點(diǎn)地帶,也是災(zāi)情較為嚴(yán)重的區(qū)域。近年來,在城鎮(zhèn)化推動(dòng)下,城區(qū)建設(shè)用地少,不斷向外擴(kuò)張,大量居民在支溝中建房,破壞了本就脆弱的地質(zhì)環(huán)境,加劇了災(zāi)害發(fā)生。這些建設(shè)用地大多數(shù)都沒有進(jìn)行危險(xiǎn)評估,存在不合理性,改變了原有應(yīng)力平衡,一旦發(fā)生崩塌滑坡災(zāi)害,損失程度將無法估量。因此,調(diào)查該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害分布情況,分析災(zāi)害規(guī)律特征,對災(zāi)害防治、減少損失具有重要意義。

針對上述問題,國內(nèi)研究者提出了基于點(diǎn)空間格局算法的地質(zhì)災(zāi)害特征分析方法。利用點(diǎn)空間格局方法中的最鄰近點(diǎn)指數(shù)、空間分類函數(shù)等建立數(shù)字高程模型,構(gòu)建空間分布圖,將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的分布情況在圖中標(biāo)記,運(yùn)用GIS分析分布點(diǎn)特征,揭示災(zāi)害分布的空間規(guī)律[1]。國外學(xué)者將層次分析法用于災(zāi)害特征評價(jià),從地質(zhì)特征、環(huán)境特征和人為因素等方面選取多個(gè)指標(biāo)因子,建立災(zāi)害特征評價(jià)體系,通過層次分析法分別計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,再結(jié)合GIS技術(shù)完成評價(jià)[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息技術(shù)的發(fā)展與交叉運(yùn)用,由地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)和遙感(Remote Sensing,RS)三者組合在一起的3S技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,為崩塌滑坡等災(zāi)害的調(diào)查和分析提供了新的途徑。

GIS是一種集測繪、信息等多種技術(shù)為一體的信息系統(tǒng),具有采集、儲存、分析地理數(shù)據(jù)的功能,可實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合,通過構(gòu)建數(shù)據(jù)庫來確保數(shù)據(jù)安全,再利用決策模型完成數(shù)據(jù)分析,為相關(guān)部門提供決策依據(jù);GPS則具備實(shí)時(shí)且持續(xù)的定位能力,可以快速獲取目標(biāo)位置,為目標(biāo)地區(qū)的資源、土地等方面的調(diào)查提供便利工具;RS技術(shù)可以在很短時(shí)間內(nèi)采集目標(biāo)的光譜信息,同時(shí)提取出有價(jià)值性的數(shù)據(jù),該技術(shù)具有較強(qiáng)的時(shí)效性,受環(huán)境影響較小,可以準(zhǔn)確體現(xiàn)出目標(biāo)的變化情況,是地質(zhì)災(zāi)害分析過程中必不可少的技術(shù)[3]?；谏鲜?種技術(shù)的優(yōu)勢,本文在3S技術(shù)支持下完成了呂梁地區(qū)崩塌滑坡災(zāi)害的調(diào)查和特征分析,不但節(jié)省了調(diào)查的人力和時(shí)間,還能提高特征分析精度,為地質(zhì)數(shù)據(jù)庫更新和災(zāi)情預(yù)警提供依據(jù),在防災(zāi)過程中發(fā)揮更大的作用。

1 調(diào)查區(qū)域背景分析

(1)地形地貌。呂梁市位于我國第三階梯上的前緣區(qū)域,西鄰黃河,東鄰汾水,北部和忻州鄰接,南部毗鄰臨汾。地勢為北高南低,平均海拔+1 000 m,最高海拔+2 831 m。眾多山脈起伏,地形多樣,主要包括山地、丘陵以及平原。在山脊區(qū)域形成樺、松森林,山脊兩旁大多有丘陵分布,雨水形成的沖溝較多。該地區(qū)的部分地形地貌如圖1所示。

(2)氣象水文。該地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候,不同季節(jié)都有明顯的特征,冬季時(shí)間較長,春季多風(fēng),夏季雨水量較多,秋季較為涼爽。年均日照量充足,平均氣溫在5 ℃,最低和最高氣溫分別出現(xiàn)在1月份和7月份。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),呂梁地區(qū)的雨水時(shí)空分布不均勻,降水一般集中在7月、8月,且蒸發(fā)速度較快[4]。

圖1 呂梁地區(qū)地形地貌Fig.1 Landform of the Lüliang area

(3)人類活動(dòng)。近年來,因地區(qū)建設(shè)需要,大量的山林被開墾,地質(zhì)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,斜坡的穩(wěn)定性逐漸下降,當(dāng)遇持續(xù)降雨時(shí),容易出現(xiàn)滑坡崩塌現(xiàn)象。該地的人類活動(dòng)主要包括切坡修路、資源開采以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)等。

2 3S技術(shù)下地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查分析方法

2.1 3S系統(tǒng)構(gòu)建

在3S技術(shù)支持下,研發(fā)了崩塌滑坡災(zāi)害的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)可以滿足災(zāi)害調(diào)查和特征分析工作的所有信息化需求。

結(jié)合調(diào)查工作的主要流程,該系統(tǒng)設(shè)置了桌面端和移動(dòng)端2個(gè)數(shù)據(jù)管理模塊,整體架構(gòu)如圖2所示。桌面端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳工作,移動(dòng)端則需完成數(shù)據(jù)的記錄和編輯[5]。

圖2 3S系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of the 3S system

2.2 3S技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于3S技術(shù)的崩塌滑坡災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)系統(tǒng)具體功能如圖3所示。

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。利用桌面端模塊,將地理數(shù)據(jù)、遙感影像、路線規(guī)劃圖等信息轉(zhuǎn)換為矢量或柵格形式,導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中。另外,系統(tǒng)可提供數(shù)據(jù)的共享與下載服務(wù)。

(2)導(dǎo)航定點(diǎn)。基于GPS技術(shù),利用取點(diǎn)導(dǎo)航的形式設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)調(diào)查路線,根據(jù)地形特征,準(zhǔn)確定位調(diào)查位置;結(jié)合調(diào)查目標(biāo)類型,完成滑坡、崩塌等災(zāi)害點(diǎn)的分類[6]。

(3)數(shù)據(jù)錄入。為滿足調(diào)查技術(shù)需求,必須將調(diào)查數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)且規(guī)范地錄入系統(tǒng)中,代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質(zhì)文件。如果描述信息較多,可開啟語音錄入功能,提高信息錄入效率。此次研究錄入的數(shù)據(jù)主要包括各災(zāi)害點(diǎn)的位置參數(shù)和特征參數(shù)等,完成錄入后,建立的數(shù)據(jù)庫如圖4所示。

(4)實(shí)體勾繪。通過點(diǎn)、線、面形的繪圖手法標(biāo)注出調(diào)查點(diǎn),勾繪出崩塌滑坡區(qū)域、危害面積以及滑動(dòng)方向等信息。另外,勾繪過程中還能隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)刪除等操作,方便修改,有利于實(shí)時(shí)勾繪。

(5)平面圖繪制。通過遙感技術(shù)采集地形環(huán)境、植被覆蓋情況等信息,使用繪圖軟件進(jìn)行套合。植被覆蓋度是影響崩塌滑坡的關(guān)鍵因素[7-9],如果植被覆蓋度高,則發(fā)生此類地質(zhì)災(zāi)害的概率較小。本文通過遙感技術(shù)提取出能夠體現(xiàn)植被生長狀況的相關(guān)參數(shù)。

圖4 崩塌滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)庫示意Fig.4 Schematic diagram of collapse and landslide disaster database

例如,根據(jù)等密度模型可計(jì)算出植被覆蓋度:

(1)

式中,NDVI為植被歸一化系數(shù);NDVImax和NDVIsoil分別為裸土區(qū)域最大和最小面積。

其中,NDVI從遙感影像中獲取:

(2)

式中,r3、r4分別為遙感圖像中紅光與近紅外的反射率。

通過平面圖的繪制,反演出一些植被和地形特征,保證空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

(6)拍照記錄。在調(diào)查過程中,該系統(tǒng)能夠?qū)⒄{(diào)查點(diǎn)和獲取的照片自動(dòng)關(guān)聯(lián),確定準(zhǔn)確的照相位置等相關(guān)描述信息。

(7)調(diào)查路線采集。使用GPS技術(shù),根據(jù)提前設(shè)置好的采樣模式與采樣時(shí)間,記錄調(diào)查路線,便于路線查詢。

(8)工作總結(jié)。根據(jù)調(diào)查情況,記錄每天的工作情況,對調(diào)查結(jié)束的地點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯總[10-14]。

(9)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。利用桌面管理模塊,將獲取的數(shù)據(jù)和圖片以文檔形式導(dǎo)出。

3 3S技術(shù)支持下崩塌滑坡調(diào)查與特征分析

3.1 崩塌滑坡破壞模式特征分析

在3S技術(shù)支持下,分別對崩塌滑坡的破壞模式進(jìn)行研究,通過了解地質(zhì)災(zāi)害的演變過程,能夠判斷出危險(xiǎn)區(qū)域。

(1)崩塌模式。通過上述調(diào)查發(fā)現(xiàn),邊坡處剝落現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。在降雨作用下,邊坡坡面由上至下進(jìn)行沖刷,導(dǎo)致坡腳處的土體中含有較多水分,強(qiáng)度大大降低,崩塌程度比中、上部嚴(yán)重。在崩塌范圍擴(kuò)大情況下,容易出現(xiàn)內(nèi)凹,導(dǎo)致坡腳逐漸失去支撐[15-17]。另外,中上部分生成裂隙,為雨水在坡體中擴(kuò)散提供方便。在降雨持續(xù)沖刷下,拉裂面貫通,導(dǎo)致最終的崩塌。崩塌的破壞過程如圖5所示。

圖5 崩塌災(zāi)害演化模式示意Fig.5 Schematic diagram of collapse disaster evolution mode

(2)滑坡模式。滑坡通常發(fā)生在比較陡峭的斜坡處,坡型一般為直線形,坡體高度不高于50 m,滑面平直且出現(xiàn)較為明顯的擦痕。淺層滑坡在植被發(fā)育較好的地方更容易發(fā)生,這是由于植物雖然對坡面形成保護(hù)作用,但也增加了坡面自重,且植物容易出現(xiàn)根劈現(xiàn)象。在暴雨發(fā)生時(shí),雨水沿著植物根部迅速滲入,導(dǎo)致坡面含水量高,使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張,進(jìn)而出現(xiàn)滑坡。滑坡災(zāi)害整體演變過程如圖6所示。

3.2 崩塌滑坡規(guī)模參數(shù)冪律特征分析

對于崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的分析,災(zāi)害涉及的長、寬、面積等參數(shù)具有重要的研究價(jià)值[18-20]。本文利用3S技術(shù)獲取斜坡表面的幾何特征,根據(jù)這些指標(biāo)判斷滑坡規(guī)模以及造成的危害。

為準(zhǔn)確獲取災(zāi)害參數(shù)間存在的冪律特征,對呂梁地區(qū)發(fā)生災(zāi)害的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,通過冪律公式完成擬合,計(jì)算公式如下:

(3)

式中,e、a分別為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);VL、AL、L分別為災(zāi)害體積、面積和長度;Wa為災(zāi)害發(fā)生寬度。

(1)崩塌規(guī)模參數(shù)特征分析。利用上述公式計(jì)算出各參數(shù)之間的相關(guān)性,則崩塌面積和體積、長度以及寬度之間的擬合結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,面積和長度、寬度、體積之間都具有相關(guān)性。其中,面積和體積的擬合性更強(qiáng),冪律關(guān)系更加明顯。這說明當(dāng)崩塌面積越大時(shí),崩塌的體積也會隨之增大。

圖7 崩塌災(zāi)害參數(shù)之間的冪律特征Fig.7 Power law characteristics between collapse disaster parameters

(2)滑坡規(guī)模參數(shù)。在滑坡災(zāi)害中,滑坡面積與長度、寬度、體積間的冪律特征如圖8所示。

圖8 滑坡災(zāi)害參數(shù)之間的冪律特征Fig.8 Power law characteristics of landslide hazard parameters

由圖8可以看出,滑坡參數(shù)與崩塌參數(shù)之間的關(guān)系較為相似,滑坡面積與體積之間的擬合性最強(qiáng),冪律特征最顯著。

3.3 崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害空間分布特征

通過對以往災(zāi)害點(diǎn)的調(diào)查,利用值衡量災(zāi)害點(diǎn)在空間上的分布情況,該值能夠描述災(zāi)害點(diǎn)的分散和聚集程度,計(jì)算公式如下:

(4)

式中,di為災(zāi)害點(diǎn)i和最近災(zāi)害點(diǎn)的間距;n為全部災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量;B為目標(biāo)區(qū)域整體面積。

Z值對應(yīng)的聚集分散模式以及顯著水平見表1。

呂梁地區(qū)崩塌滑坡災(zāi)害空間分布特征見表2。

分析表2可知,孝義市、臨汾市以及靈石市地處平原地帶,災(zāi)害發(fā)生的可能性較小,且災(zāi)害點(diǎn)非常分散,潛在災(zāi)害點(diǎn)也較少;交城縣、古交市和文水縣位于呂梁地區(qū)偏北區(qū)域,該區(qū)域土壤覆蓋度很薄,且以花崗巖、灰?guī)r為主,由于這些巖石硬度較大且完整性好,提高了穩(wěn)定性,發(fā)生崩塌滑坡災(zāi)害的可能性也較小;臨縣的斜坡較多,比較容易發(fā)生災(zāi)害,但近年來人口逐漸遷移、人居密度小,減少了對環(huán)境的破壞,災(zāi)害點(diǎn)較為分散;晉源區(qū)與清徐縣的人口密度較大,人類工程活動(dòng)頻繁,地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,是地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū),另外潛在的災(zāi)害點(diǎn)較多,需要采取合理的防災(zāi)措施。

3.4 崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害時(shí)間分布特征

結(jié)合調(diào)查結(jié)果和收集的相關(guān)資料,1年中地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間分布如圖9所示。

圖9 呂梁地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害時(shí)間分布Fig.9 Time distribution of geological disasters in the Lüliang area

由圖9可知,呂梁地區(qū)的崩塌滑坡大多發(fā)生在7—9月,其中8月份崩塌滑坡次數(shù)最多。這是因?yàn)檫@些月份降雨頻繁,為當(dāng)?shù)氐难雌?降水對地質(zhì)災(zāi)害的作用較為強(qiáng)烈,因而增加了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

在3S技術(shù)支持下,對呂梁地區(qū)的崩塌滑坡災(zāi)害進(jìn)行了調(diào)查與特征分析。利用3S技術(shù)建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)分析了該地區(qū)災(zāi)害發(fā)生模式,明確各災(zāi)害參數(shù)之間的冪律特征;挖掘出崩塌滑坡在空間和時(shí)間上的分布特點(diǎn)。研究結(jié)果有助于相關(guān)部門制定更加合理的防災(zāi)措施。針對當(dāng)?shù)鼐唧w情況,呂梁地區(qū)因該從生物控制與限制控制2個(gè)方面著手:①減少植被破壞,合理種植;②對當(dāng)?shù)匕l(fā)展提出限制條件,減少不必要的工程改造,從根本上減少災(zāi)害發(fā)生。