遙感技術在廣東龍川縣新田鎮地質災害調查的應用

丁蒙陽,吳志春,劉富軍,劉瑞強

(1.東華理工大學地球科學學院,330013,南昌 ;2.廣東省核工業地質局二九二大隊,517001,廣東,河源 )

0 引言

國外開始利用遙感技術監測滑坡泥石流等自然災害,進行滑坡的識別與判定時間較早,我國遙感應用是20世紀70年代中后期開始取得巨大成就,近年來廣泛運用到各個領域,為各地災害調查提供輔助作用。80年代初期,先后在雅礱江二灘電站、紅水河龍灘電站、三峽電站等庫區進行大規模區域性遙感地質災害調查[1]。80年代中期開始,延伸到對鐵路及公路沿線區域進行大規模的航空攝影,為鐵路和公路工程線路方案選擇和地質條件評價提供依據[2-6 ]。從汶川特大地震災后區域進行的次生災害的遙感調查[7-8],到地質災害嚴重地區或是隱患地區的地質災害詳細調查[9-11],近年來利用遙感技術手段來分析地質災害發育特征、敏感性分析等應用越來越多[12-13]。遙感的發展至今極大地拓寬了人類的視野和視覺能力,以其宏觀性、綜合性、多尺度、多層次的特點,已成為地質研究和地質勘查不可缺少的技術手段,在地質調查、礦產勘查、地質環境評價、地質災害監測和基礎地質研究等方面都發揮了越來越大的作用[14]。廣東省是地質災害比較頻繁、受災較嚴重的省份之一。利用遙感技術在眾多領域中尤其在自然災害方面獨特的優勢,通過案例分析,最大的地質災害隱患往往是正在變形和已出現變形跡象的山體[15]。利用遙感技術對地質災害的解譯的研究,對于了解當地的地質地貌和地質災害存在隱患地區,進行全方位,全天候的檢測,有效識別和監測地質災害的位置范圍方位及規模大小等信息,制定科學的防災減災策略,提前預測地質災害發生的區域,盡早轉移相關人員,為當地居民及救援人員提供信息服務,保障人民群眾生命與財產安全。多數從事相關領域的專家和學者表示利用現代遙感技術進行地質災害調查是一種快速且有效的方法。因此,本文通過人機交互中目視解譯及ArcGIS空間分析方法加地面調查對研究區崩塌 、滑坡等斜坡地質災害數據,進行分析研究,確定滑坡、地質災害隱患、崩塌等地質災害的類型、規模及空間分布特征,為災害地區進行綜合監測和預報預警能力,制定科學的防災減災策略,保障人民群眾生命與財產安全。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

龍川縣新田鎮,廣東省河源市轄縣內,位于24°25′04.0″N～24°29′52.0″N;115°27′18.0″E～115°35′18.5″E之間,鎮域總面積68.40 km2。研究區屬于亞熱帶季風氣候區,雨量充沛。降雨主要集中在3月至9月,這兩個時間段占全年雨量的75%左右。研究區總體地勢地貌為自東南向西北傾斜,東南地區地勢偏高,西北較低。研究區大地構造位置屬于贛閩隆起區,處于南嶺緯向構造東亞帶與新華夏系東江斷裂帶的交匯處,經加里東期以來的多次構造運動影響,褶皺和斷裂較發育,形成以北東向構造為主,北西向、東西向為輔的構造體系格局。研究區境內發育的主要斷裂構造有梅樹塘斷層,斷層呈北東向展布,出露長度3.5 km,傾向NE,傾角不明。研究區地層從老到新主要為中生界白堊系,新生界第四系,巖性主要為流紋質凝灰巖、流紋巖、玄武巖、熔巖等(圖1)。境內巖漿巖分布廣泛、面積大,占鎮區總面積的90%,主要為中生界侏羅系黑云母花崗巖?；旌匣◢弾r主要分布在鎮內東部地區,呈不規則狀展布,面積約22.4 km2。龍川縣人類工程經濟活動作用明顯,是形成地質災害的重要因素,主要表現在道路交通建設、水資源開發、人工削坡建房、墾植坡地、礦山開采及旅游開發建設等。

圖1 新田鎮高程與地質圖(據廣東省1：5萬地質圖改)

1.2 數據來源及用途

通過遙感影像人機交互中目視解譯+地面調查的方法分析地質災害隱患點的空間分布特征。利用遙感影像中高分二號和Google earth真彩色影像進行構造、巖性、隱患點的目視解譯;地質災害數據用于分析分布規模;DEM數據來自地理空間數據云用于分析高程、坡度、坡向;土地利用數據來自GlobeLand30數據用于分析斷層、水系、道路、土地利用,降雨量來自龍川縣氣象局分析地質災害隱患點關系(表1)。

表1 數據來源及用途表

1.3 遙感解譯方法與流程

對于研究區的巖性、構造、地質災害隱患點的判讀方法采用目視解譯中直接判讀法、對比法和邏輯推理法三種。而對于地質災害隱患點的類型、規模及空間分布特征利用ArcGIS軟件來分析。

此次新田鎮地質災害調查研究首先進行研究區數據的收集,并對獲取的遙感數據進行圖像的預處理包括輻射定標、大氣校正、正射校正等以及地形圖的矢量化,其次綜合運用遙感解譯方法建立遙感解譯標志對研究區的巖性、構造、地質災害隱患點進行室內解譯,并野外進行驗證與檢查,對隱患點進行GIS綜合分析得到隱患點的空間分布規模特征(圖2)。

圖2 遙感解譯流程圖

2 遙感解譯

2.1 解譯標志的建立

建立遙感解譯標志是解譯工作的關鍵之一。遙感圖像解譯標志是指能幫助識別目標物及其性質和相互關系的影像特征,通過色調、形態、水系、植被、景觀等各種直接或間接解譯標志,對遙感圖像各種地質災害的類型、性質、分布范圍、規模大小等屬性或特征進行直觀判譯。對遙感圖像上特征清楚、標志明顯的災害地質信息,可直接用傳統的目視解譯方法進行解譯。地質災害大多具有明顯的形態特征,并與背景巖石或地層有一定的色調差異[6]。

2.2 巖性解譯

本次解譯以Google earth軟件中的Quick Bird真彩色影像(空間分辨率為0.6 m)為基本依據,參考其他不同時期ETM等不同波段組合的彩色增強影像,結合前人區域地質調查成果,對新田鎮境內地質災害環境的地質背景進行了解譯。通過遙感影像增強處理和解譯,在解譯過程中,利用區域地質調查資料,對已知地層在遙感圖像上的影像特征進行對比分析,以了解巖石地層的可解譯程度,對新田鎮境內出露的巖石地層單位進行歸并和劃分。

2.2.1 侵入巖解譯 根據影像可判讀情況,研究區確定了一個侵入巖影像解譯單元,為出侏羅紀晚世黑云母花崗巖(J3γβ)解譯單元(圖3)。廣泛分布于新田鎮中北部和南部邊境地區,出露面積31.16 km2,占新田鎮總面積的45.92%。該單元由一個呈巖基產出的侵入體組成。巖性為粗粒、中粒、細?；虬郀詈谠颇富◢弾r,其影像特征主要表現為塊狀低山高丘陵地貌;發育鉗狀溝頭樹枝狀水系;發育的沖溝密度較大,橫斷面形態大多為蝶形,部分為“U”形;沖溝發育的定向性大部分地區不明顯,說明巖體受構造影響較小;山脊線呈彎曲狀延伸,斷面形態大多為渾圓狀。

圖3 黑云母花崗巖(J3母花)的影像特征

2.2.2 變質巖解譯 在解譯過程中,通過對已知變質巖體出露范圍與遙感影像特征的對比分析,并根據變質巖在遙感影像上的顯示程度進行了像解譯,確定了一個變質巖影像解譯單元,即古生代混合巖(Pzmi)解譯單元,是規模較大的區域熱動力變質巖體,位于新田鎮中東部地區,出露面積19.97 km2,占新田鎮總面積的29.43%。主要巖性包括條帶混合巖、條紋混合巖、條痕狀混合巖、眼球狀混合巖等,局部地段有混合花崗巖。其影像特征與黑云母花崗巖(J3γβ)相似,主要表現為剝蝕低山丘陵地貌,廣泛發育鉗狀溝頭樹枝狀水系(圖4),與黑云母花崗巖的界線模糊,需要仔細觀察追索其微地貌影像特征差異予以圈定。

圖4 元古代混合巖(Pzmi)的影像特征

2.3 構造解譯

在遙感圖像上,田中心斷裂帶主要表現為平直的線性溝谷,斷裂兩側截然不同的巖性形成的地貌形態差異明顯,并具有斷裂破碎帶的影像特點,沿帶多處見有線性排列的斷層三角面和斷層陡坎等影像特征。通過影像圖,新田鎮境內斷裂構造較為發育,按其發育的方向主要有北北東向、近東西向、北西向三組。按其規模大小和發育程度,北北東向斷裂發育程度較低,規模最大,主要有2條,近東西向斷裂發育程度最高規模較小,主要有8條;北西向斷裂發育程度中等,規模較小主要有4條(含1條推測斷層)。

其一,田中心斷裂帶,南起田中心東側,呈北北東向展布,貫穿新田鎮全境,境內長大于7.5 km。該帶切割了晚侏羅世黑云母花崗巖體(J3γβ)和白堊紀優勝組(K2y)、合水組(K1h),是一條區域性大斷裂帶(圖5)。據斷層三角面形態特點判斷,斷裂帶傾向北西,傾角60°～80°。從斷裂帶形成的規模、切割的地層和巖體時代看,該帶形成于燕山期,其性質主要表現為張性正斷層,并使白堊紀優勝組(K2y)和合水組(K1h)陷落,形成一個受其控制的白堊紀火山斷陷盆地。

圖5 田中心斷裂帶的影像特征

其二,老明塘斷裂在遙感圖像上,表現為平直的線性溝谷、線狀延伸的陡崖和陡坎等地貌異常段,南起源三村西北930 m處,向北北東方向連續延伸至老明塘一帶,全長約5.2 km。該帶發育于侏羅紀晚世黑云母花崗巖(J3γβ)中,與前述田中心斷裂帶大致平行,是一條規模較大的斷裂帶(圖6)。斷裂帶南段見有典型的斷層三角面影像,根據斷層三角面形態的頂角尖銳度判斷,該斷層傾向東南,傾角45°～55°。從斷裂帶切割巖體時代看,斷裂帶形成于燕山期,其性質主要表現為張性正斷層。

2.4 地質災害解譯

基于研究區的巖性構造解譯基礎,發現地質災害與構造巖性有密切的關系,構造和巖性的解譯為地質災害提供了發生的可能性,為研究區已發生的滑坡與崩塌提供原始原因,在此基礎上地質災害隱患點容易發展成滑坡、泥石流、崩塌的概率上升。

2.4.1 滑坡解譯 滑坡是常見的重力地貌,它是在自然和人為共同作用影響下,依托自然重力作用,斜坡上的巖土體沿一定的軟弱面整體或局部保持巖土體結構而向下滑動的過程和現象及其形成的地貌形態,稱為滑坡[16]?；聻暮νǔ３属せ位蛏嘈蔚钠矫嫘螒B,個別滑坡可見滑坡壁、滑坡舌、滑坡臺階、封閉洼地等地貌特征[17]?；碌囊匕ɑ麦w、滑動面、滑坡后壁、滑動帶、滑坡床、滑坡臺地等。在遙感影像直觀上不能觀察到滑坡的地下部分,只能看到滑坡體和后壁這兩個大要素,在目視解譯中直觀看到滑坡體與周圍山坡相對較低,使得下滑體灰階存在色差,從而較明顯判斷存在的位置邊緣。

新田鎮滑坡在遙感圖像上,解譯出滑坡平面特征大多為半圓形的弧狀、馬蹄狀及梨狀等圍椅狀形態?；潞蟊诙喑暑伾^暗的陡崖,裂陳發育(圖7)。古滑坡上沖溝發育,有植被或農田生長,稍微覆蓋原始滑動痕跡,年份相對遠的滑坡經過多年侵蝕或人工改造,地表附著物已與相鄰非滑坡地區沒有較大差異,又或者由于地表附著物遮擋,不易找出滑坡體、滑坡壁及滑坡邊界,滑坡特征不明顯,進行遙感解譯存在一定的難度,需要結合滑坡的多方面特征來判斷。新發生的滑坡,由于其地表附著物與臨邊區域有明顯差異,在遙感影像上較易識別[18-19 ]。

本次對新田鎮地質災害解譯過程中解譯確定滑坡1處,隱患點中18處可能發育成滑坡災害。

2.4.2 崩塌解譯 崩塌亦是重力地貌也能引起一些自然災害,對當地經濟建設危害較大,常指巖土體順坡猛烈地翻滾、跳躍、相互撞擊,最后堆積于坡腳形成倒石堆的一種地質現象。崩塌常常發生在巖性堅硬且節理發育的陡峻的山坡,特征主要表現為發生比較突然,下落速度快,規模差異大,下落過程中整體性遭到破壞,通常其垂直位移大于水平位移。

新田鎮在遙感影像上,新生崩塌上幾乎沒有植被分布和發育,影像紋理粗糙,近期發生的崩塌體其崩塌面色調淺,新生的植被少,堆積物呈青藍色或淡褐色錐狀;硬質巖層的崩塌壁參差不齊(圖8)。在較老崩塌體上可能有少量植被分布,且使崩塌體的影像紋理變得平滑;部分崩塌的崩塌壁可能受光照方向的影像被陰影所遮擋,不易分辨。崩塌多發生在削坡建房、河流、鐵路、公路等懸崖、陡壁或呈參差不齊的巖塊處,由節理發育的堅硬巖石組成的陡坡或陡岸上;崩塌體輪廓明顯,表面坎坷不平,具粗糙感,其上部外圍有時可見到放射狀張節理影像,古老的崩塌體植被生長較為茂盛,崩塌的規模不一,大型崩塌常發生在活動構造,在坡腳常見有大小不等、零亂無序的巖塊(土塊)呈錐狀的堆積物(倒石錐)。在圖上多呈三角形、契形,坡面色調一般呈淺灰色至深灰色,卻較均勻,邊緣略具細點狀紋型。

新田鎮通過地質災害遙感解譯出4個崩塌地質災害點,隱患點可能發育成崩塌有113處。

2.4.3 隱患點解譯 隱患點大多為不穩定斜坡,在遙感影像較為清楚(圖9),多呈弧型形態,輪廓線清楚,影紋粗糙;為亮白-黃白色,色調較均勻,坡面較陡,斜坡后緣具有直線型或圓弧型陡坎,坡面地形破碎,坡面植被稀少,坡前一般建有房屋。災害在山區往往具有分布位置高、植被遮擋隱蔽性強、規模大、危害強等特點[20]。研究區在遙感影像隱患點則較為清楚,多呈弧型形態,輪廓線較清楚,影紋粗糙;為淺灰、深綠、黃白色,色調較均勻,坡面較陡,斜坡后緣具有直線型或圓弧型陡坎,原始地形地貌被破壞,植被稀少,少量植被茂盛,多呈直線型,邊坡前一般建有房屋、工廠等。形態上呈簸箕形、舌形、梨形等平面形態及不規則等的坡面形;新滑體和老滑坡體在影像上色調深淺不同,新滑坡體色調較淺,老滑坡體色調較深,發生時間較長老滑坡體上沖溝發育,滑坡前緣有時長滿樹木,新滑坡體地形破碎,起伏不平[21]。

本次研究區對新田鎮地質災害解譯過程中隱患點一共131處,均為小型點。

3 遙感解譯成果分析

此次研究區總共解譯地質災害點136處。從地質災害類型上看,滑坡災害點已發為1處,未發隱患點為18處,占地質災害點總數的14%;崩塌已發4處,未發隱患113處,占地質災害點總數的86%,隱患點不穩定邊坡131個,占地質災害點總數的96%。地質災害隱患點131處發育成崩塌類型占比大。對于地質災害隱患點的分布規模與特征是基于ArcGIS綜合分析得出。地質災害點情況調查結果,見表2。

表2 災害類型及數量統計

3.1 地質災害隱患點與各因子關系分析

3.1.1 地質災害與降雨量時間關系 新田鎮已發地質災害中,規模等級均為小型,地質災害的時間分布主要與連續、集中及降雨周期緊密相關(表3),新田鎮解譯結果中有已發5處災害點均發生在5—8月的雨季,發生在大氣強降雨期間或延后幾天說明地質災害時間分布總體上與強降雨天氣吻合。隱患點發育成滑坡泥石流與崩塌現象與降水關系較大,降水時間的變化影響地下水的動態變化,增加了表層巖石與土壤的重力作用,同時增加土體中孔隙水壓力,使得隱患處加速發育。后期地災隱患點的發育發生應注意降雨時間。

表3 地質災害發生時間與降雨量關系統計表

表4 遙感解譯野外驗證情況統計表

3.1.2 地質災害與地形地貌關系 研究區的高程、坡度、坡向與地質災害發生與隱患點發育的聯系程度較高(圖10)。 研究區地貌以山區、丘陵為主,最高海拔為771.2 m,最低海拔為180 m;其中西北部主要為海拔低于300 m,東南部為丘陵、中低山,總體地勢呈南高北低、東高西低。新田鎮地質災害已發點主要分布在丘陵及山地地區的殘丘坡腳,根據龍川縣地質災害詳細調查報告海拔高程300～500 m的地質災害點已發有5處,占總數的100%。地質災害隱患點通過ArcGIS空間分析模塊,采用自然間斷點分級法,對高程數據重分類分析發現多分布于400 m,坡向西北到西向為主;坡度多為15～25°為主以下,從高程圖上看出隱患點多分布在地形高差相對大的地區,這些地帶為滑坡及崩塌形成提供了有利的地形地貌條件。

圖10 地質災害點與高程關系圖

3.1.3 地質災害與構造關系 斷層、皺褶等主要通過控制巖層產狀、巖體完整程度及區域地殼穩定性等控制斜坡穩定性[22]。通過ArcGIS對研究區斷層進行緩沖區分析發現,多處地質災害隱患點多為不穩定斜坡在斷層距離較近,分布較密集,斷層為地災隱患發育提供基礎加上自然降水使土地承受壓力容易超過極限,斜坡發生崩塌滑動等產生地質災害(圖11)。

圖11 地質災害點與斷層關系

3.1.5 地質災害與人類活動關系 研究區人類活動多是交通建設、水資源開發、人工削坡建房、墾植坡地、礦山開采及旅游開發建設。通過ArcGIS對水系河流、道路進行緩沖區分析加上人類土地利用數據分析重分類,利用遙感影像在影像上目視解中發現新田鎮地處丘陵、低山地貌,平地極少,風化層較厚,土體含沙量高且松散,削坡建房、開墾土地、修建公路等人類工程活動較為劇烈,不穩定斜坡主要是人工挖掘造成的(圖12～圖13)。經濟原因大量開發利用土地,破壞地質環境天然的平衡,加速自然環境下地質災害的誘發,大量滑坡泥石流崩塌及隱患點數量增加,人工開挖邊坡在斜坡上部進行開墾建造,改變斜坡結構包括外形和應力形態,增加下滑體的動力,減少底部巖層的承托力,從而容易繼發滑坡,也成為泥石流的觸發因素。研究區據統計在風化殼較厚及人類工程活動較為劇烈區域,月平均降雨量達到148.6～255.6 mm地質災害會多發(圖14)。

圖12 地質災害點與河流關系圖

圖13 地質災害點與道路關系圖

圖14 地質災害點與土地利用關系圖

通過Google earth真彩色影像對研究區的隱患點三維立體目視解譯發現新田鎮屬低山丘陵地區,河谷平原地貌面積小,單層住宅無法滿足居民需求。因此,居民們選擇在山一側開鑿斜坡,在平地上建造,因此形成了大量人工開挖的邊坡,邊坡高度一般為3～6 m,有的甚至超過10 m,坡度一般為60～70°。由于缺乏資金和防災意識,對邊坡沒有加強防護,采取緩坡處理和支護措施較少,在持續強降雨的情況下,容易發生滑坡、崩塌等地質災害。加之,當地居民主要經濟活動擴張耕地的變化、修建河流水系工程不可避免地要進行邊坡切割,施工前后形成大量臨空不穩定面,遇到強降雨時,道路兩側容易發生崩塌、滑坡,誘發地質災害,沖毀房屋,尤其是距離縣道、鄉道較近地區點,基本沒有施工防范措施,在有限的費用下,大部分鄉道削坡削陡且缺乏保護措施使得滑坡、崩塌、水土流失等地質災害危險系數增加,加大安全隱患。

3.2 野外核查與驗證

通過室內對地災隱患點的人機交互解譯共發現地質災害點136處,5處已發。經過野外驗證實地調查得出的隱患點結果共136處,驗證率 100%,驗證與解譯相符的點共計133個,解譯正確率為 97.79%,因此,遙感解譯結果是可信的。野外驗證主要包括不穩定斜坡單元的位置、大小面積、坡度、高差、經緯度等保證遙感解譯成果的正確性。

4 結論

1)通過解譯表明地質災害與地層條件、發生時間、地形地貌、人類活動息息相關。利用區域地質調查資料,根據遙感影像可區分程度,區內共解譯出了3個沉積巖、1個侵入巖和1個變質巖遙感影像解譯單元,對這些解譯單元的遙感解譯標志進行了系統總結。

2)區內斷裂構造較發育,解譯出14條規模較大的斷裂構造(其中北北東向斷裂2條,近東西向斷裂8條,北西向斷裂4條)。研究區內地質災害規模以小型為主,共解譯處地災點136處及地質環境點3處。

3)基于GIS空間統計分析,查明了地質災害隱患點分布特征。地質災害整體發育程度北部大于南部,在時間上,集中在5—8月的雨季且具有滯后性;集中在380～460 m高程自然坡度小于30°的單向土質斜坡的低山丘陵區;地質災害多為混合巖與花崗巖,人類活動是地質災害隱患點發育的主要因素;隱患點主要為小型地質災害隱患且有發育成滑坡或崩塌的趨勢。

4)研究區基于室內解譯與野外驗證實地調查符合程度較高,對新田鎮地質災害防治規劃有指導意義。