利用遥感技术和GIS模拟对滑坡风险性进行快速填图.doc

利用遥感技术和GIS模拟对滑坡风险性进行快速填图1 前言编制区域滑坡灾害图的传统方法涉及到材料测试和广泛的野外工作，而且一般进展缓慢，费用昂贵。作为探索其他低成本、高效率方法的一种手段，伦敦国际开发部（DFID）资助了一个旨在研发方法的项目，该项目可以利用遥感和GIS中的空间分析来编制初步的区域灾害分带图。在本次专门涉及一些发展中国家的研究中，已研制出用于快速评估滑坡灾害的遥感和GIS方法。这些方法适用于多种地形条件，并且能够以合理的成本快速编制初步灾害图。继斐济和巴布亚新几内亚的试点项目之后，该方法被用于牙买加（Rio Minho流域)和捷克斯洛伐克（Javorniky山脉）这些已知遭受滑坡灾害的地区。选择这些地区是因为，它们不但都受过滑坡之害，而且还具有完全不同的气候和地貌，并包含各种各样的地形和土地覆盖类型。一般来说，决定滑坡发生的因素是：（1）控制因素，如岩石/土壤类型和地形条件；（2）触发事件，如大暴雨和地震。因此，如果控制因素是已知的，而且能够与过去的滑坡事件联系起来，就有可能预测在哪里最可能发生滑坡。2 方法概述本文描述了另一种方法，该方法不是提供特定场地的信息，而是描绘整个地区的粗略灾害分带。所得出的灾害图并不显示任何特定地点的确切灾害，但是它们能够用来指导规划，并为开展详细的后续研究选址。该方法基于这样一种原则，即过去是打开未来的一把钥匙。它把滑坡编目用于研究区，借以显示哪里已经发生过滑坡，并将其与一系列专题图上描绘的各种可能的控制因素加以比较。对受诸如地质或高程等各种因素控制的程度进行评价。然后根据滑坡风险性对这些专题图重新分类，并最终综合编制出灾害图。该方法可通过利用遥感和光栅GIS来节省时间和费用。滑坡编目是通过解译航片和卫星图像以及最低限度的野外检查而实现的。然后将滑坡分布与一系列地表条件和触发机制的分布加以比较，以了解为什么它们在已发生了的地方发生。最后，利用所了解的情况，根据这些相同因素的图件从滑坡灾害角度对更广阔地区进行分类。天然地质、地貌和气候条件是引起滑坡广泛发育的综合原因。改变土地利用方式（即建筑物和基础设施的开发进入空前陡峭的临界稳定土地）并不断破坏天然植被覆盖，会加重由滑坡引起的灾害。在牙买加，造成该岛上加速发生水土流失的原因也同与滑坡有关的边坡块体坡移密切联系。由于缺少信息，由滑坡造成的直接和间接累积经济费用和社会影响常常难以量化，而且对由滑坡运动所造成的大部分损失仍无文字记载。对广阔地区滑坡灾害进行快速填图的能力，依靠于利用图系分析和GIS软件将遥感和空间分析技术结合起来。这两种分析技术正在相互融合，因此图像分析软件常常包含GIS功能性，反之亦然。因为要知道地表每个点上的风险值，所以最好利用光栅GIS来分析风险。这些系统是在针对每个数字化文件中的与点记录邻接数据值的网格上运行的。有两个主要因素用来指导选择用于滑坡灾害研究的数据，即所要填图的滑坡规模和研究区的气候。对于大多数小规模滑坡来说，使用的是航空传感器，为的是分辨有意义的要素。虽然新的高分辨率卫星系统（如IKONOS）正在使情况发生转变，但是对许多地区来说，航空摄影易于做到，并且在未来一段时间内仍然是一种重要的信息源。主要问题出现在被云层持续覆盖的地区。在这类地区，能穿透云层的雷达数据是有价值的辅助信息源。灾害分析依赖于滑坡编目与各个信息层的统计对比。对分析中所包含的图层选择，取决于从当地角度考虑哪些控制因素是重要的。本次研究在最终分析中利用了各种不同的主题，包括地质、土壤、高程、坡度角、坡向、与断层的距离、降雨量和森林覆盖。利用一种简单的交叉列表途径来判断每个主题内各个类别的意义。它是依次与每个控制因素主题以及所测得的每个类别内的滑坡面积进行交叉列表的。如果滑坡面积大于该主题作为整体的平均滑坡面积，则认为该类别对滑坡敏感性大于平均值。必须采取一致的方式来评估这一敏感性，因此还要考虑其他两个因素。首先必须对特定主题（如地质）的总体意义进行评估。这是利用从0（表示不相关）到最大值1之间变化的统计相关系数来完成的。在分别评估每个专题之后，下一步是评估它们的综合影响。将每个主题重新划分为一种关系图，接着根据其与滑坡作用的相关性进行加权。然后对其求和，并利用这些相关系数之和对结果进行一体化。这导致建立数值介于-1+1之间的滑坡风险性模型，它可以利用与单个关系图相同的方式加以解释。所得出的灾害图是按175 000比例尺编绘的。在滑坡风险性图上识别出了4个层次的滑坡风险性：带1 一般具有高滑坡风险性的地区，区内可能发生重大滑坡活动。虽然可能存在一些安全地点，但是许多地方会出现难以接受的风险。带2 一般具有中等滑坡风险性的地区，区内可能发生局部或较广泛的滑坡作用。该带将包含较高与较低风险混合区。带3 一般具有低滑坡风险性的地区，区内可能发生一些局部滑坡作用。在场地稳定性令人担忧的情况下，应当对现有构造的脆弱性做出评估。带4 具有最低滑坡风险性的地区。沿着河岸和公路边缘可能发生较小的崩塌，但是一般来说，由于坡度角小，因此将排除横跨该带发生滑坡的可能性。在主灾害图上还显示出公路、学校、医院、教堂、社区中心、警察局和蓄水池的位置。这些在紧急救援情况下是重要单位，将它们标在图上为的是使用户能够对该区滑坡灾害发生的相对风险性做出初步评估。如果意识到滑坡风险性图在适用性和精度方面的局限性，则它们能够为滑坡灾害管理和土地规划提供极为有效的基础。遥感传感器技术的发展以及正在逐渐提高的数据分辨率和GIS技术，使得快速并低廉、高效地编制这些图件成为可能。依照既定的方法，利用有限的现有数据对区域进行快速评估，进而导致编出“初步”或“初期阶段”风险性图是可能的。借助GIS的功能，很容易提高图件的精度，或者随着更多数据的收录来改变编图的比例尺。3 研究实例3.1 牙买加牙买加具有地质上年轻的地貌、山坡陡峭、年降雨量高，由于热带风暴和飓风而出现周期性短时间毫雨。Rio Minho盆地被高原区所包围，高原区由第三纪黄色和白色灰岩层构成并被切割成WNW向的山脊山谷系统，下伏有白垩纪火山碎屑岩和沉积岩。一条大的走滑断层线Rio Minho/Crawle River断层带将内围层一分为二。灰岩的地形由波浪式到丘陵并具有落水洞和陡崖(黄色灰岩)直至“溶坑”岩溶景观(白色灰岩)。Bullhead山(845m)、主山脊(约700800m)和Juan de Bolas山在区内最高。平缓的冲积物集中在Minho和Thomas 河的汇合处以及沿Minho 河的Trour Hall地区。白垩纪岩石在内围层的中心出露并形成东西向切割剧烈的山脊，本项目的研究区正是位于这一地带内。岛上一些最引人注目、造成破坏的滑坡起源于构成高原的第三纪灰岩与下伏强度较低白垩纪和第三纪早期岩石之间的断层接触。牙买加每年记录到400500次地震，历史上发生过两次破坏性地震。研究中识别滑坡主要靠航片分析，根据航片解译选区进行快速野外踏勘，利用115 000的航片可识别测区大多数滑坡，了解其分布特征。但识别植被茂盛地区与开山修路有关的中小型滑坡遇到一些困难，因此研究了卫星雷达作为一种替代的信息源，1998年在项目区上获得了C-波段细波束Radarsat合成孔径干涉雷达(SAR)数据，其分辨率达6.25m，可作大比例尺显示和特征分析。然而，只有较大的旋转滑坡可在图像上区分。因此，迄今航片是最合适的遥感数据。在研究区总共识别出827个滑坡，占地面总面积的约0.55%，产生滑坡的最重要控制因素是地质环境、风化物质的深度和类型、坡度、地下水面浅和断层作用。多数滑坡为浅部岩屑滑动，涉及到某些岩性基岩的风化物，这些岩层的岩性特征有助于使风化较深，一旦大雨来临或雪盖大量融化，特别当坡度陡时，极易造成滑坡。已发现，大多数滑坡发育在四种不同的岩石单元上，其中以砾质岩石为主。在21种土壤类型中有7种显示与滑坡有关，其中两种：Pennants粘壤土和Cuffy Gully 砂壤土与滑坡关系更密切(大约高出一倍)。大多数起始点离填出的断层不到1 500m。3.2 斯洛伐克斯洛伐克的研究区是Javorniky 山脉的一部分，该山脉又是由斯洛伐克延伸至罗马尼亚的西喀尔巴阡弧的组成部分。该区地形起伏大，具有潮湿温和的中欧气候，冬天高山积雪达45个月，夏天温度可接近40。滑坡在斯洛伐克全境反复发生，对环境破坏较大，据国家地质档案馆统计有13000多起记录在案的滑坡，覆盖面积约1620km2，占全国地表3%以上。多山的高地，尤其是下伏有复理石沉积者，山坡有40%发生滑坡，斯洛伐克中东部与新第三纪火山岩有关的高地有60%的山坡由于滑坡而变形。新生代构造盆地的沉积和内喀尔巴阡复理石沉积相对未变形，发生滑坡的坡地占坡地总面积的12%70%。在喀尔巴阡高地有两种类型的复理石沉积；一个是经构造变形的、褶皱和逆冲的第三纪复理石外带，包括斯洛伐克西部的Javorniky研究区，一个是相对未变形的复理石沉积内带，在斯洛伐克中部。这两类沉积都包含1km厚的泥岩和砂岩互层，有一些泥灰岩和砾岩。第三纪复理石外带与形成山脊的侏罗白垩纪的灰岩、白云岩、页岩和砾岩的Klippen带呈构造接触，第四纪时复理石建造的风化和侵蚀作用，主要是冰缘泥流作用，形成的土壤/风化层剖面，在坡的较高处相对薄，但在山麓地带厚度可达1020m。岩石/岩块滑动沿强砂岩与强度差的泥砂岩和泥岩之间的弱化带，尤其是后来被平行层理和褶皱构造的排水系统利用的岩性界面发生。利用传统的反光立体镜以模拟方式对航片进行分析，填绘断层、裂隙以及滑坡。照片是1992年以127 500比例尺获得的，由斯洛伐克军事地形研究所提供给本项目，利用航片在研究区共识别出83处滑坡。在林区识别滑坡的困难可能导致空间的位移，在最终分析中已将此考虑在内。解译的第一步是决定滑坡分类方法。在本次研究中采用一种简单方法，藉以通过位于扰动物质内部某处的一点识别每个滑坡，不论滑坡的种类和岩屑覆盖的面积如何，该信息在转绘到底图和数字化之前先用手工记录。也可遵照更复杂的分类方案，它们记录其它的有用信息，如起始点的坐标、滑坡的形态和岩屑扇覆盖的面积。此处采用的简单方法其优点是能编出统一的滑坡目录，便于理解，它也可以使随后GIS分析相对直截了当。已发现地质特征与滑坡相关关系最密切，尤其是东西向穿过本区的地堑(泥岩)。构造也很重要，大多数滑坡发生在照片上线性体400m范围内，大部分滑坡发生在海拔700m以下地区，在此以上斜坡上的林地可能起到固坡作用。大多数滑坡出现在缓坡上(小于20)。与坡向的关系不明显，有些坡向略高于通常情况。在本项研究中降水量与滑坡