3S技術支持下呂梁地區崩塌滑坡地質災害調查及特征分析

曲彥明,馬晉文,閆俊偉,劉 超,李小波

(中國冶金地質總局三局,山西 太原 030000)

近年來,過度的資源開發導致植被大量破壞,在自然與人為因素作用下,崩塌滑坡災害發生頻率逐漸提高,給人們生活造成較大影響。這些災害形成的誘因是山體具有較強的不確定性非線性結構。山西省是崩塌滑坡災害的高發區,分布范圍廣且數量多。其中,呂梁市地處山西省中西部,是能源開發的重點地帶,也是災情較為嚴重的區域。近年來,在城鎮化推動下,城區建設用地少,不斷向外擴張,大量居民在支溝中建房,破壞了本就脆弱的地質環境,加劇了災害發生。這些建設用地大多數都沒有進行危險評估,存在不合理性,改變了原有應力平衡,一旦發生崩塌滑坡災害,損失程度將無法估量。因此,調查該地區的地質災害分布情況,分析災害規律特征,對災害防治、減少損失具有重要意義。

針對上述問題,國內研究者提出了基于點空間格局算法的地質災害特征分析方法。利用點空間格局方法中的最鄰近點指數、空間分類函數等建立數字高程模型,構建空間分布圖,將地質災害點的分布情況在圖中標記,運用GIS分析分布點特征,揭示災害分布的空間規律[1]。國外學者將層次分析法用于災害特征評價,從地質特征、環境特征和人為因素等方面選取多個指標因子,建立災害特征評價體系,通過層次分析法分別計算指標權重,再結合GIS技術完成評價[2]。

隨著計算機技術和地理信息技術的發展與交叉運用,由地理信息系統(Geographic Information System,GIS)、全球定位系統(Global Positioning System,GPS)和遙感(Remote Sensing,RS)三者組合在一起的3S技術得到廣泛應用,為崩塌滑坡等災害的調查和分析提供了新的途徑。

GIS是一種集測繪、信息等多種技術為一體的信息系統,具有采集、儲存、分析地理數據的功能,可實現多源數據融合,通過構建數據庫來確保數據安全,再利用決策模型完成數據分析,為相關部門提供決策依據;GPS則具備實時且持續的定位能力,可以快速獲取目標位置,為目標地區的資源、土地等方面的調查提供便利工具;RS技術可以在很短時間內采集目標的光譜信息,同時提取出有價值性的數據,該技術具有較強的時效性,受環境影響較小,可以準確體現出目標的變化情況,是地質災害分析過程中必不可少的技術[3]?；谏鲜?種技術的優勢,本文在3S技術支持下完成了呂梁地區崩塌滑坡災害的調查和特征分析,不但節省了調查的人力和時間,還能提高特征分析精度,為地質數據庫更新和災情預警提供依據,在防災過程中發揮更大的作用。

1 調查區域背景分析

(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。該地區的部分地形地貌如圖1所示。

(2)氣象水文。該地區屬于大陸性季風氣候,不同季節都有明顯的特征,冬季時間較長,春季多風,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在1月份和7月份。經過調查發現,呂梁地區的雨水時空分布不均勻,降水一般集中在7月、8月,且蒸發速度較快[4]。

圖1 呂梁地區地形地貌Fig.1 Landform of the Lüliang area

(3)人類活動。近年來,因地區建設需要,大量的山林被開墾,地質環境遭到嚴重破壞,斜坡的穩定性逐漸下降,當遇持續降雨時,容易出現滑坡崩塌現象。該地的人類活動主要包括切坡修路、資源開采以及鄉鎮建設等。

2 3S技術下地質災害調查分析方法

2.1 3S系統構建

在3S技術支持下,研發了崩塌滑坡災害的數據采集系統,該系統可以滿足災害調查和特征分析工作的所有信息化需求。

結合調查工作的主要流程,該系統設置了桌面端和移動端2個數據管理模塊,整體架構如圖2所示。桌面端主要負責數據的上傳工作,移動端則需完成數據的記錄和編輯[5]。

圖2 3S系統整體架構Fig.2 Overall architecture of the 3S system

2.2 3S技術實現

基于3S技術的崩塌滑坡災害調查數據系統具體功能如圖3所示。

(1)數據準備。利用桌面端模塊,將地理數據、遙感影像、路線規劃圖等信息轉換為矢量或柵格形式,導入到計算機中。另外,系統可提供數據的共享與下載服務。

(2)導航定點?；贕PS技術,利用取點導航的形式設計實時調查路線,根據地形特征,準確定位調查位置;結合調查目標類型,完成滑坡、崩塌等災害點的分類[6]。

(3)數據錄入。為滿足調查技術需求,必須將調查數據標準且規范地錄入系統中,代替傳統紙質文件。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。此次研究錄入的數據主要包括各災害點的位置參數和特征參數等,完成錄入后,建立的數據庫如圖4所示。

(4)實體勾繪。通過點、線、面形的繪圖手法標注出調查點,勾繪出崩塌滑坡區域、危害面積以及滑動方向等信息。另外,勾繪過程中還能隨時進行數據刪除等操作,方便修改,有利于實時勾繪。

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

圖4 崩塌滑坡災害數據庫示意Fig.4 Schematic diagram of collapse and landslide disaster database

例如,根據等密度模型可計算出植被覆蓋度:

(1)

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

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,保證空間數據的準確性和實時性。

(6)拍照記錄。在調查過程中,該系統能夠將調查點和獲取的照片自動關聯,確定準確的照相位置等相關描述信息。

(7)調查路線采集。使用GPS技術,根據提前設置好的采樣模式與采樣時間,記錄調查路線,便于路線查詢。

(8)工作總結。根據調查情況,記錄每天的工作情況,對調查結束的地點進行統計和匯總[10-14]。

(9)數據導出。利用桌面管理模塊,將獲取的數據和圖片以文檔形式導出。

3 3S技術支持下崩塌滑坡調查與特征分析

3.1 崩塌滑坡破壞模式特征分析

在3S技術支持下,分別對崩塌滑坡的破壞模式進行研究,通過了解地質災害的演變過程,能夠判斷出危險區域。

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

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

(2)滑坡模式?；峦ǔ０l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,滑面平直且出現較為明顯的擦痕。淺層滑坡在植被發育較好的地方更容易發生,這是由于植物雖然對坡面形成保護作用,但也增加了坡面自重,且植物容易出現根劈現象。在暴雨發生時,雨水沿著植物根部迅速滲入,導致坡面含水量高,使裂縫進一步擴張,進而出現滑坡?；聻暮φw演變過程如圖6所示。

3.2 崩塌滑坡規模參數冪律特征分析

對于崩塌滑坡等地質災害的分析,災害涉及的長、寬、面積等參數具有重要的研究價值[18-20]。本文利用3S技術獲取斜坡表面的幾何特征,根據這些指標判斷滑坡規模以及造成的危害。

為準確獲取災害參數間存在的冪律特征,對呂梁地區發生災害的相關參數進行關聯分析,通過冪律公式完成擬合,計算公式如下:

(3)

式中,e、a分別為經驗常數;VL、AL、L分別為災害體積、面積和長度;Wa為災害發生寬度。

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

圖7 崩塌災害參數之間的冪律特征Fig.7 Power law characteristics between collapse disaster parameters

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

圖8 滑坡災害參數之間的冪律特征Fig.8 Power law characteristics of landslide hazard parameters

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

3.3 崩塌滑坡地質災害空間分布特征

通過對以往災害點的調查,利用值衡量災害點在空間上的分布情況,該值能夠描述災害點的分散和聚集程度,計算公式如下:

(4)

式中,di為災害點i和最近災害點的間距;n為全部災害點數量;B為目標區域整體面積。

Z值對應的聚集分散模式以及顯著水平見表1。

呂梁地區崩塌滑坡災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,災害發生的可能性較小,且災害點非常分散,潛在災害點也較少;交城縣、古交市和文水縣位于呂梁地區偏北區域,該區域土壤覆蓋度很薄,且以花崗巖、灰巖為主,由于這些巖石硬度較大且完整性好,提高了穩定性,發生崩塌滑坡災害的可能性也較小;臨縣的斜坡較多,比較容易發生災害,但近年來人口逐漸遷移、人居密度小,減少了對環境的破壞,災害點較為分散;晉源區與清徐縣的人口密度較大,人類工程活動頻繁,地質結構穩定性較差,是地質災害的高發區,另外潛在的災害點較多,需要采取合理的防災措施。

3.4 崩塌滑坡地質災害時間分布特征

結合調查結果和收集的相關資料,1年中地質災害發生的時間分布如圖9所示。

圖9 呂梁地區地質災害時間分布Fig.9 Time distribution of geological disasters in the Lüliang area

由圖9可知,呂梁地區的崩塌滑坡大多發生在7—9月,其中8月份崩塌滑坡次數最多。這是因為這些月份降雨頻繁,為當地的汛期,降水對地質災害的作用較為強烈,因而增加了災害風險。

4 結論

在3S技術支持下,對呂梁地區的崩塌滑坡災害進行了調查與特征分析。利用3S技術建立數據采集系統,結合采集到的數據分析了該地區災害發生模式,明確各災害參數之間的冪律特征;挖掘出崩塌滑坡在空間和時間上的分布特點。研究結果有助于相關部門制定更加合理的防災措施。針對當地具體情況,呂梁地區因該從生物控制與限制控制2個方面著手:①減少植被破壞,合理種植;②對當地發展提出限制條件,減少不必要的工程改造,從根本上減少災害發生。