遥感技术在地质灾害调查中的应用

马思顺,陈志雄,王瑞雪 ,常琳

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2.西南有色昆明勘察设计(院)股份有限公司，昆明 650217)

遥感技术能够快速、准确兼顾宏观和微观信息的获取，在地质灾害调查和防治规划中得到广泛应用[1]。调查依托于2015年度地质灾害详细调查项目“云南省建水县1∶5万地质灾害调查”项目。云南省建水县1∶5万地质灾害遥感解译工作的任务是以遥感数据和地面控制为信息源，获取工作区内的地质灾害及其发育环境要素信息，确定滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷等地质灾害类型、规模及空间分布特征，分析地质灾害形成和发育的环境地质背景条件。

1 区域背景

1.1 自然地理条件

建水县是云南省红河哈尼族彝族自治州下辖的县之一，该县位于云南省南部红河北岸，面积3 789 km2，交通便利。地理坐标：东经102°33′18″～103°11′42″，北纬23°12′42″～24°10′32″。

1.2 地形地貌特征

建水地处滇东高原南缘，地势南高北低。南部五老峰为最高点，海拔2 515 m；五老峰南至红河谷地的阿土村为最低点，海拔230 m。境内南北分布有建水、曲江两个盆地，海拔1 300 m。建水县处于多个地块汇集部位，新构造运动强烈，地层岩性类型多样，形成了多种地貌类型，且各种地貌类型相间分布，高低错落。根据遥感影像特征及地貌的成因类型，将工作区地貌划分为构造侵蚀、构造剥蚀、溶蚀及湖泊堆积4种地貌类型。

1.3 地质构造特征

建水县境处于扬子板块与华南板块的拼合部位。二者的分界线大致在官厅-狗街-漾田一线。北西为扬子板块的滇黔褶断区，东南为华南板块的右江褶断区。县境为弥勒-师宗断裂、哀牢山断裂、红河断裂所限定的区域，是川滇菱形块体南端，小江断裂带南段穿过县境尖灭于红河断裂带北侧。各构造的分布及特征构造纲要图见图1。

1.4 地层岩性特征

建水县地层出露齐全，全县除侏罗纪、白垩纪地层缺失以外，其余地层均有分布。元古界昆阳群出露东北部、中部和南部地区，为厚逾万米的板岩、片岩及碳酸盐岩类浅变质岩系。自晋宁运动以后，沉积了厚达一万余米的巨厚沉积物，尤以上古生界和三叠系厚度最大，出露最广。其中泥岩、页岩、粉砂岩、风化花岗岩、白云岩灰岩组是滑坡最发育的地层，同时滑坡形成的松散堆积物又为泥石流的形成提供了物源；灰岩、白云岩、硅质白云岩地层所在区域易发生崩塌、地面塌陷等灾害，在有长期地下矿产开采的地区，发生地面塌陷的几率加大。

2 遥感数据源的选择与处理

2.1 遥感数据源的选择

根据调查内容和调查精度的要求，收集购买覆盖全区的15 m空间分辨率的ETM和高分辨率的SPOT-6数据，其中ETM数据用于区域环境地质背景条件及特大规模地质灾害体的遥感调查；SPOT-6其全色波段的空间分辨率为1.5 m、多光谱波段的空间分辨率为6 m，用于对地质灾害体的遥感调查。建水县部分地区在Google earth上有多时相和更高分辨率的遥感图像，必要时做参考对比。

2.2 遥感数据处理

2.2.1 ETM图像处理

ETM图像处理分为多光谱合成与几何校正两个步骤，根据不同地物选择合适的3个波段进行组合，形成30 m分辨率的多光谱图像，而后据地面控制进行几何校正。ETM图像在合成30 m分辨率的多光谱图像后再与15 m分辨率的全色数据相融合，最终形成经几何校正及地理配准的15 m分辨率的多光谱图像。图像几何校正采用多项式拟合法，几何校正的均方差应≤1个像元。

建水县境域范围涉及4景ETM图像，几何校正后需将图像进行镶嵌，再按照建水县范围进行裁剪。

2.2.2 SPOT-6图像处理

SPOT-6数据处理分3个步骤：①制作调查区数字高程模型(DEM)；②将单波段数据合成6m分辨率的多光谱图像，再将1.5 m分辨率的Pan图像融合分别形成1.5 m分辨率的多光谱图像；③对SPOT-6图像进行正射校正，消除投影差，配准精度控制在2个图像像元。得到了具有精度高、信息丰富、直观真实等优点解译底图，满足了1∶5万成图精度的需求。

两种图像均由多景图像镶嵌制图，收集图像的成像季节均为冬季，镶嵌前进行了调色处理使相邻图像色彩、色调自然过渡，尽可能做到无缝拼接。校正后的ETM和SPOT-6遥感图像和野外地质调查使用的地质图、地形图等图件具有相同的投影参数和地理坐标，方便使用和分析研究。

3 区域地质背景遥感解译

根据收集阅读研究区的区域地质资料，建立解译标志，并经过实地的野外验证后进行建立详细的解译标志。充分利用遥感信息的多时相、多波段的特点，采用数字图像处理技术，深度提取区域的地形地貌特征、构造特征、水文分析、植被分析等，并进行综合分析研究，划定遥感解译的重点区域[1]。

3.1 活动性地质构造解译

滑坡、崩塌、泥石流的分布不仅和岩性有关，而且和断层线、褶曲轴部、节理裂隙带等构造有关，在图像上可以看到，滑坡、崩塌、泥石流常沿这些线性构造密集带或环形构造边缘呈线状或带状分布。这些活动性地质构造是地质灾害的起因，是影响场地稳定性的潜在危险性的重要因素。

地表活动性构造是地球应力形变的形迹，常常是深部的、隐伏的活动构造在浅表部位的显示，它们控制了现代地貌和水系格局的发育，而遥感影像是地表的真实缩影，各种痕迹一览无余，所以遥感图像上能够解译出隐伏构造、活动构造。活动构造可分为两大类：一类是线性的，如断裂构造；一类是环块形的，如新隆起和新凹陷。

3.2 地形地貌的解译

遥感图像是地球表面的真实写照，地形地貌是地质现象的综合反映，地质灾害的解译与地形地貌更是密不可分。地形地貌的解译利用数字图像处理技术，以ERDAS为平台，对区域的DEM数字高程模型进行地形地貌分析，即坡度、高程、坡向。通过分析发现，建水县山多坝少，斜坡陡峭，其中地形坡度为0°～5°的区域分布于盆地及少数地势平缓的平顶山地区，面积约520.6 km2，占全县国土总面积的13.7%；坡度在6°～10°的面积768.3 km2占全县国土总面积的20.3%；坡度在11°～15°的地区面积约744.1 km2，占19.6%；坡度在16°～20°范围的土地面积约618.3 km2，占16.3%；坡度在21°～25°范围的土地面积约459.0 km2，占12.1%；坡度在26°～30°的地区面积约309.8 km2，占8.2%；坡度在31°～35°范围的土地面积约189.0 km2，占5.0%；坡度在35°～40°范围的土地面积约104.2 km2，占2.8%；另外有75.7 km2的国土范围坡度超过40°，占2.0%。

3.3 植被分析

土地覆盖状况和类型对斜坡稳定性具有一定的影响作用，如植被覆盖条件下其不仅可以大幅度减少坡面破坏，其根茎还具有一定的根固作用，同时植被的存在，还有利于减缓坡面水流的流动速度。本次遥感解译采用归一化植被指数方法获取建水县植被覆盖情况。

植被覆盖情况一般用植被覆盖度来表示，指的是某个区域内，植被垂直投影面积占地表面积的百分比。植被覆盖度是地表环境的刻度指标之一，它可以反映地质灾害的孕育背景、发生过程和破坏结果。一般研究认为，植被覆盖度减少的区域，是地质灾害易发的地区。本次工作基于SPOT-6卫星影像获取归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index， NDVI)作为植被覆盖的度量指标。建水县归一化植被指数最低值为-1(水系),0～-1为特殊农田，最大为1(植被覆盖较好)，植被指数越大，植被覆盖程度越高。

根据对遥感图像的目视解译及实地调查，对植被指数图像进行非监督分类，将工作区内NDVI分段为6段，植被覆盖度分为6个级别(图2,表1)。

表1 建水县土地覆盖类型及占地面积

图2 建水县遥感图像分类(土地覆盖类型)图

3.4 水文分析

水文分析基于ARCGIS平台，根据原始的DEM数据进行填洼处理，然后利用无洼地的DEM数据以及ARCGIS软件的水文分析模块(hydrology)对研究区的水文情况进行分析。对ARCGIS分析不合理的地方进行手动修改。对地表水、河网、冲沟、洪积扇等进行解译与研究，根据线型排列的湖泊的发育特征解译为断裂，理论研究及野外经验表明，水系发育且水系流向呈放射状的地区通常周围会有构造通过，是滑坡地质灾害的易发地段。

3.5 孕灾岩土体解译

新第三系地层处于盆地与半山区的过渡带，多在断裂构造带附近，地层破碎，地形坡度一般在10°～20°，“V”或“U”字型冲沟十分发育，冲沟一般长10～200 m，最长达300～400 m，宽5～45 m，深3～35 m，土层厚度100 m以上。由于冲沟十分发育，不少地带形成了“土林”景观(图3)，水土流失非常严重。这些区域植被稀少，植物生长不良。

图3 新第三系地层(N)形成的土林SPOT-321遥感

二叠系玄武岩(P1β)地层，地形地貌特征：低中山地形，地形坡度一般在20°～35°，地形较陡，表层基本上为全风化层，已被开垦成耕地。“V”字型小冲沟较发育，局部密集发育，冲沟一般长10～65 m，最长达150～250 m，宽3～25 m，深5～30 m，地层厚度100 m以上，植被总体上稀薄(图4)

图4 二迭系玄武岩(P1β)地层SPOT-321遥感图像

花岗岩，沿红河断裂带北侧出露大面积的燕山期个旧花岗岩体，部分位于建水县境内。花岗岩地区色调浅，地形陡峭，植被较好，发育密集的钳状沟头树枝状水系、树枝状水系(图5)，冲沟横剖面为“V”字型。这一带构造发育，岩石破碎，花岗岩体强烈风化，风化层厚度可达10余米，易产生滑坡。

图5 花岗岩SPOT-321遥感图像

4 地质灾害易发性评价

根据对建水县活动性构造、地形地貌、水文、植被覆盖情况及岩土体情况的解译分析，对建水县的地质灾害易发性进行评价。

根据以上标准，共圈画出高易发区3个，面积共计984.5 km2，占全县面积的26%；中易发区5个，面积共计872.7 km2，占全县面积的23%;低易发区2个，面积共计1 625.2 km2，占全县面积的43%;非易发区4个，面积共计306.6 km2，占全县面积的8%(表2,图6)。

表2 建水县地质灾害易发区统计表

图6 建水县地质灾害易发性分区图

5 地质灾害遥感解译

建水县地质灾害类型以滑坡(隐患点)、泥石流为主，发育少量崩塌。通常，不同地质灾害的类型在遥感影像上呈现的形态、色调、纹理 、阴影等是有所差异的，在对致灾因子，如地形地貌、植被等进行数字模拟、处理后，要对研究区域的遥感影像进行综合的分析，建立研究区的地质灾害解译标志。

5.1 滑坡

遥感影像上对滑坡体的识别主要包括滑坡体的平面形态、滑坡体具有的特定地貌、滑坡体的灰阶及独特的水系特征等方面的标志(图7)。

图7 建水县玛琅滑坡SPOT-6遥感图像

5.1.1 滑坡体的平面形态标志

平面形态标志是利用遥感影像直观地迅速判断一个地区有无滑坡存在的重要标志之一，为滑坡解译最主要的标志。大体可归纳为弧形、圈椅形、马蹄形、新月形等各种弧形形态的滑坡；匙形滑坡；梨形滑坡；漏斗形和葫芦形滑坡；舌状滑坡；锯齿状、锥形、花瓣状、近多边形、方形等各种不规则形态的滑坡及界线不明显的滑坡等8种类型。建水县内滑坡以舌形、圈椅状、各种不规则形态为主。

5.1.2 滑坡的地貌解译标志

滑坡发生在具有一定滑动条件的斜坡上。它具有明显的滑坡周界特征、滑坡后壁特征及一系列的滑坡体内部特征。具体的解译标志为：①滑坡周界一般呈簸箕形，并显得较清楚；②滑坡壁多呈围椅状，并较陡立；③滑坡壁与滑坡体间形成明显的后缘盆地；④在滑坡前缘可见到滑坡体呈舌状，有时表层有翻滚现象而出现反向坡；⑤滑坡体上的树木有时呈醉汉林或马刀树，甚至有枯死现象；⑥滑坡舌、洼地和环形沟谷有泉水出露；⑦滑坡体迫使河流向外凸出。当然，以上所述为特征发育完全的典型滑坡解译标志，在实际工作中往往只能见到其中的几种标志。

5.1.3 光谱特征

滑坡形成后，沿其周界常常具有高度不等的后壁和侧壁。而滑体部分总是相对于四周稳定山坡的高度要低，只有当滑坡体进入较平坦地带或河床时才较周围地势高，形成隆起的土丘，这一特征使滑坡体的灰阶与稳定的山体之间存在着一定的色差，尤其沿滑坡周界总是有一个与滑坡平面形态特征相似的深色色环，从而较好的显示滑坡的存在。形成时间很长、并处于稳定状态的老滑坡，因其内部往往有富含水层的存在，一般为较均一深色调；近期形成的新滑坡，具有灰色、浅灰色色调；刚发生滑坡，最常见色调为灰白色、白色调，一般表示滑坡发生时间不超过5 a。

5.2 崩塌

发育在悬崖、陡壁或呈参差不齐的岩块处；崩塌后壁陡峭而粗糙，崩塌壁的颜色与岩性有关，多呈浅色调，一般不长植被或植被稀疏；高分辨率影像山可见悬崖、陡壁下谷底或斜坡平缓地段，表面坎坷不平，具粗糙感；崩塌下方有时落石滚落在距坡脚较远处，有时可见巨石形成的阴影，呈粒状；崩塌体上植被不发育，仅在老崩塌堆积体可见零星分布的植被；崩塌体上部外围有时可见到张节理形成的裂缝影像；崩塌有时处于遥感图像的阴影区，不易识别(图8)。

图8 犁耙庄崩塌SPOT-6遥感影像

5.3 泥石流

5.3.1 标准型泥石流

标准型泥石流沟可清楚地看到物源区、流通区和堆积区3个区，物源区面积较大；物源区山坡陡峻，岩石风化严重，松散固体物质丰富，常有滑坡、崩塌发育；流通区一般为泥石流沟沟床，呈直线或曲线条带状，纵坡较物源区地段缓，但较堆积区地段陡；堆积区位于沟谷出口处，纵坡平缓，呈扇状，浅色色调，扇面上可见固定沟槽或漫流状沟槽，还可见到导流堤等人工建筑物(图9)。

图9 建水县标准型泥石流遥感影像

5.3.2 河谷型泥石流

流域呈有狭长条形，其形成区多为河流上游的沟谷，固体物质来源较分散，沟谷中有时常年有水，故水源较丰富，流通区与堆积区常不能明显分出(图10)。

5.3.3 山坡型泥石流

山坡型泥石流是指发育尚未形成明显沟谷的山体上的小型或微型泥石流。山坡型泥石流通常发育在坡度陡峻(20°～40°)、坡面较长、较为平整、坡积层较薄(<3 m)、下伏基岩透水性较差的斜坡上。 山坡型泥石流发育在斜坡的的中上部有一定汇水条件的凹形坡面，故其流域常呈斗状，其面积一般小于1 km2，无明显流通区，形成区与堆积区直接相连，泥沙常堆积在斜坡脚，形成倒石锥状的堆积体或直接进入支沟转化为沟谷型泥石流。

图10 建水县河谷型泥石流遥感影像

6 地质灾害成因分析

建水县的滑坡和崩塌灾害的诱发因素有以下特征：①阳坡比阴坡易于发生各种山地灾害，发现滑坡和崩塌山地灾害具有一定的坡向性。②滑坡、崩塌与坡度间存在密不可分的联系。坡度是滑坡，尤其是浅层堆积物滑坡发生的一个重要内在条件，是滑坡发育的主控因素之一。相对来讲，崩塌一般发生在地形坡度较大的地段，而滑坡发生在地形坡度相对较小的地段。③建水县滑坡以发育于阶形坡和直形坡最多，其次是凸形坡，是11处，占22.0%；发育于凹形坡有4处，占8.0%。

区内滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的发生和发育程度与岩土体类型密切相关。从岩性上看，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害主要发育于泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、板岩等软质碎屑岩地层以及花岗岩及其接触带中。这些岩层抗风化能力差，易风化，风化厚度大，残坡积层一般较厚，遇水易软化、崩解，有利于崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的发生。

区内构造体系复杂，新构造运动活动较强烈，各种构造体系相互交接、包容，具有多期及长期活动的复合性质。加之建水县境内大面积出露软岩组地层或者经历过多次构造运动的震旦系澄江组和灯影组基底地层，岩石切割破碎，结构面发育，地形陡峻，高差显著，构造运动挤压破坏后形成的松散堆积物，非常利于滑坡、泥石流等地质灾害的发生。碳酸盐岩地区则常有崩塌、塌陷等灾害发生。

降雨是激发崩塌、滑坡、泥石流、斜坡变形等地质灾害的最主要因素，其降雨强度的大小、年内分配均匀程度在很大程度上决定了地质灾害的发育程度。建水县降雨一般集中在7～9月，7月降雨较集中，单点性暴雨也较多,会引发大量地质灾害。建水县降雨量在地域上的变化比较明显，一般山区的降雨量明显偏高。由于降雨量在时间、空间的相对较集中，导致了崩塌、滑坡、泥石流、斜坡变形等地质灾害的频繁发生。

7 结论

基于影像初步解译了地质灾害点164处，经过野外检查，经室内详细解译，最终提交地质灾害点110处，其中滑坡(隐患点)50处，崩塌(隐患点)7处，泥石流(隐患点)33处；最终验证准确79处，，其中滑坡(隐患点)27处，崩塌(隐患点)2处，泥石流沟28条，总的准确率71%；野外先后检查及验证共计157处，验证率95.7%。

从遥感解译结果来看，工作区内地质灾害类型以泥石流、滑坡(隐患点)为主，崩塌灾害较少，多数泥石流、滑坡隐患点趋势不稳定。

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