遥感技术在张家口市地质灾害综合调查中的应用研究

遥感技术在张家口市地质灾害综合调查中的应用研究

1地质概况及地质特性张家口市是河北省地质环境较差、自然灾害频发的地区。这种恶劣的地质环境和严重的地质灾害不仅制约了当地经济的发展,同时也对包括首都北京在内的相邻地区造成了严重的环境危害和影响(如沙尘暴,张家口就是重要沙源之一)。全面、客观、系统地查清该市地质灾害发育现状,研究地质灾害发育时空特征,成为该市地质灾害防治的一项紧迫地基础性工作。河北省遥感中心在省国土资源厅支持下,采用卫星遥感和航空遥感技术,自1999年起对该市3.6万km2的国土面积开展了1∶20万地质灾害遥感综合调查研究。历经1年,该项工作取得了较好的调查研究效果,并在遥感技术方法应用方面取得一些经验。张家口市(简称本区)地处河北省西北部,与北京市西北部边界邻接。该区属寒温带半干旱大陆性季风气候,其特点是冬季寒冷漫长,春秋干旱多风沙,夏季短促,降雨量偏少且年分配不均,降雨多集中于6～8月份,并以暴雨形式出现。本区分属两大地貌单元(图1),北部为坝上高原区,地形起伏平缓是其标志性特征,高程多在1750～2000m之间;南部为坝下间山盆地区,由山地和盆地构成,总地势西北高、东南低,高程在700～1700m之间。区内新构造运动形迹明显,地震频繁。区内主要地质灾害有泥石流、崩塌、滑坡、水土流失、土地沙化、地面塌陷和地裂缝等。其中崩、滑、流多发生于坝下山地;土地沙化主要发生于坝上高原和坝下洋河两岸;地面塌陷和地裂缝发生于矿区;水土流失发生于全区,是本区发生范围最广、危害最严重的地质灾害,其中坝下地区被列为全国8片水土流失最严重区之一。2不同类型灾难的遥感技术方法的选择2.1处理效果的对比我们采取3种图像处理方法即比值法、分段线性变换和主成分分析,并放大制作成多种比例尺的假彩色合成图像进行效果对比。从理论上讲,上述3种方法都可达到突出某种地物信息的目的。但经对比试验,3种方法的效果为:分段线性变换最好,比值法次之,主成分分析法最差。在波段合成和比例尺选择上,4,3,2和7,4,3波段合成的1∶10万比例尺图像效果最好。通过比较像元亮度值的方法对比图像处理效果,图像处理后比图像处理前ΔDN(泥石流堆积区与环境背景DN值之差)提高近7倍。此外,通过对已知泥石流孕育环境要素的定量研究,得出了该区主要环境要素在不同状态下与泥石流发育的影响关系。这样,一方面通过增强泥石流光谱信息实现直接从TM图像上发现泥石流;另一方面,通过TM图像反映的泥石流孕育环境要素间接推断泥石流的孕育状态。两者相结合,成为泥石流调查研究的最经济最便利的遥感技术方法。2.2联合进行相结合利用遥感技术调查研究崩塌和滑坡,我们采取TM卫星图像和航空图像相结合的方式进行。即首先通过TM图像所反映的宏观地质环境背景和社会经济活动背景确定应重点关注的崩滑区段,然后再利用最新航摄的大比例尺航空图像确定崩滑的具体位置、规模、危害和影响范围等内容。2.3tm图像缺陷水土流失和土地沙化同属于面状地质灾害,是这次工作的重点。针对水土流失所做的遥感图像处理,以突出植被覆盖层次、表层岩土体类型、土地利用方式和程度、和侵蚀沟的形态以及地形地貌特征为目的。为此,采用TM的3,4,73个波段,先做拉伸处理,再合成为1∶10万的假彩色合成图像。水土流失强度评判采用定量化侵蚀指数与现有侵蚀模数相结合的方法,即首先通过TM图像解译与水土流失有关的各项环境要素,其次是综合解译基本侵蚀图斑,最后通过水土流失评判模型,由单项要素对基本侵蚀图斑综合打分,根据分值确定每个图斑的相对侵蚀强度,再由相对侵蚀强度与侵蚀模数结合,确定图斑的侵蚀强度、级别。对于土地沙化,由于沙体具有较高的波谱反射率,所以它们在TM图像上一般较易识别,故土地沙化与水土流失使用相同的TM图像。2.4填充下覆盖物显微织物。据一般自本区地面塌陷一般规模较小(直径约10几m),分布无规律,塌陷前、后同一位置光谱变化不明显,且在很多情况下塌坑很快被填平。针对这种情况。我们首先利用TM图像寻找矿区(矿区所特有的标志特征在TM图像上反映明显),然后再利用大比例尺航空图像在矿区内搜寻不同的矿业生产功能区,最后根据航空图像提供的功能区地面调查确定发生塌陷的具体位置以及规模大小等项内容。3提供固定的泥石流信息张家口市地质灾害遥感综合调查,目的是了解地质灾害的区域发育分布特征,为更详细的调查和制订灾害防治规划提供基础资料。3.6万km2的广域空间需要卫星遥感提供尽可能多的地质灾害信息,这是此次工作始终坚持的基本出发点。从工作结果看,工作中所采用的遥感图像种类和技术方法,不仅在工作周期和费用方面实现了最初的设想,而且从技术角度也满足了1:20万比例尺调查的精度和工作目的要求(图2,图3,图4,图5,图6为各种灾害的典型TM影像)。3.1泥石流扇规模利用Landsta-TM图像解译研究泥石流是这次工作的一项主要成果,它不依赖于其它技术资料的支持,完全依靠TM图像上泥石流本身的光谱特征和泥石流孕育环境要素空间分布特征解译研究泥石流。它所达到的解译精度为:汇水范围大于0.25km2,泥石流堆积区最大宽(长)度大于40m。对有堆积区且其最大宽(长)度大于40m的泥石流,可以依据TM图像上堆积区及汇水范围内各种空间环境要素特征加以双重确认;对不发育堆积区或堆积区最大宽(长)度小于40m的泥石流,主要根据汇水范围内空间环境要素特征确认。对此,我们专门建立了不同环境要素组合对泥石流孕发状态影响的模型。本区泥石流堆积区的规模和泥石流汇水范围:根据我们的抽样统计,泥石流扇最大宽度小于40m的泥石流仅占总数的30%;而汇水范围小于0.25km2的泥石流,其泥石流扇最大宽度仅10m左右,这样的扇体规模其危害性是微不足道的。因此,利用Landsat-TM卫星图像,完全可满足中小比例尺的泥石流灾害的调查与研究。3.2崩、滑类生物遥感检测崩、滑的规模以及所处的地形地貌条件在很大程度上限制了直接利用TM图像对它们的微观特征的解译研究。采取先用TM图像了解具备发生崩、滑的地形地貌特征、地质构造环境、植被条件、人造工程环境等宏观要素信息,据此初步圈定易发生崩、滑的危险区段,然后再利用大比例尺航空图像确定崩、滑的具体位置、规模大小等。这种先用TM图像圈定“靶区”,再用航空图像确定“靶位”的遥感技术组合方法,起到了不同分辨率遥感图像的优势互补和节约经费的双重良好效果。地面塌陷与崩、滑类同,TM图像可提供准确的矿区位置,从而指导调查人员进一步利用航空图像和地面调查找到塌陷的具体位置。TM图像这种为崩、滑、地面塌陷调查提供“靶区”的作用,减少了常规技术调查设点布线的盲目性,从而使调查成果更加全面可靠。3.3tm图像识别的土土流失标志由于水土流失和土地沙化的面状特性,使利用TM图像很容易对它们进行解译并做详细的等级划分。同一级别的水土流失和土地沙化在一定范围内在植被覆盖类型、土地利用方式和程度、地形地貌等方面大体一致。这种在一定范围内大体一致的自然环境反映在TM图像上表现为色调、影纹结构等的大体一致性。这就构成了不同级别的水土流失和土地沙化区之间的区别标志。水土流失和土地沙化在TM图像上的这种良好影像识别效果,使水土流失强度和土地沙化程度划分成为现实。经野外验证,水土流失和土地沙化遥感解译图斑的准确率达90%。3.4流区灾害情况调查利用遥感技术,共发现潜在泥石流沟35条,潜在泥石流区7个,崩塌和滑坡隐患区段15处。这些尚未发生灾害的隐患区段,采用其它调查方法是不容易发现的。这对于实现灾前预防,减少灾害损失具有很重要的现实意义。3.5提高了调查质量遥感技术调查地质灾害,彻底消除了常规点线法造成的点间空白区,从而使调查内容更全面、客观、真实,提高了成果质量。与以住工作的对比就充分证明了这一点。该区在数年前曾以常规方法调查同样的内容,调查获取的各种灾害点加在一起仅50余处,这与本次遥感调查的430余处相差甚远。4泥石流灾害防治工作张家口市地质灾害遥感综合调查所取得的主要成果有:4.1Landsat-TM卫星遥感泥石流应用研究的成功,查清了该区近2万km2的山区泥石流的发育现状,发现泥石流沟330余条(处),并预测出近几年内极有可能发生严重泥石流灾害的沟(区)40余处。4.2在崩塌、滑坡重点调查区内,发现崩塌和崩塌隐患30段(一段内包含多处)、各种类型的危害性滑坡32处。4.3发现地面塌陷48处,塌陷总面积达2万余m2。4.4全区水土流失面积为2.8万km2,其中中度以上流失面积为1.3万余?km2,占该区总面积的36%,全区每年流失土壤约7500万m3。4.5在坝上约1.3万km2范围内,有轻度、中度、较严重和严重沙化土地共计4800km2,占坝上总面积的36%。多时相遥感对比研究得出,坝上土地沙化总体向轻缓方向发展,但局部地区存在恶化、加剧现象。5固定灾种遥感调查,重点把统分部分基通过遥感技术在张家口市地质灾害综合调查中的应用研究,可得出如下几点结论:5.1以遥感技术为主开展中小比例尺区域性地质灾害综合调查,应根据灾害类型选择适当的遥感资料种类和遥感技术方法,这是实现地质灾害遥感调查成功的关键。5.2在中小比例尺区域地质灾害遥感综合调查