遥感技术在房县地质灾害详细调查中的应用

陈爱明, 陈 曦, 方 臣, 陈晓林

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

遥感技术在房县地质灾害详细调查中的应用

陈爱明, 陈 曦, 方 臣, 陈晓林

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

选用国产“高分一号”、GDEM、航空影像数据,结合Google Earth三维场景,进行了房县地区地质灾害调查与解译,获取了丰富的地质环境条件和地质灾害体信息特征,为该区地质灾害详细调查提供了可靠的技术支持,发挥了遥感技术的先导作用。从遥感数据源的选择、处理、解译手段和各类异常信息提取以及解译效果等方面论述了遥感技术在房县地质灾害详细调查中的应用效果,划分了地质灾害易发区和危险区,为房县地质灾害防治规划提供了基础地质资料。

遥感；高分一号；地质灾害；滑坡；三维；Google Earth;房县

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了广泛的应用。自20世纪 70年代开始,日本、美国、欧共体各国在大量滑坡、泥石流遥感调查的基础上,对遥感技术方法进行了系统总结和推广。中国的地质灾害遥感调查起步于80年代初期,对二滩水电站周边的滑坡进行了系统的地质灾害排查[1-2],并取得了较好的成效。20多年来,中国先后应用遥感技术,开展了全国分省(区、市)1∶50万环境地质调查、大江大河、重要交通干线沿线的地质灾害专项调查和县(市)地质灾害调查与区划工作,初步摸清了当地地质灾害分布情况,划分了易发区和危险区,建立了群测群防体系,有效地减轻了地质灾害损失。

本次工作,以遥感技术为主要手段,开展了房县地区地质灾害调查,查明了区内地质灾害影像特征,结合野外实地验证,归纳总结了一套适合本区特点的解译标志,并推广全区进行遥感解译应用,从而掌握了已发生地质灾害的分布范围、规模、结构特征,对潜在的地质灾害隐患点进行了系统的遥感搜索与范围圈定,为地质灾害野外详细调查提供了基础资料。

1 区域背景

1.1 地质灾害背景

调查区位于湖北省十堰市,为秦巴山系,西与竹山县相连,东北与丹江口市为邻,东接保康、谷城,南临神农架林区。境内群山环绕、沟壑纵横、山高坡陡、地形复杂。根据湖北省地质灾害防治规划(2003—2015年)调查区属地质灾害易发县(市、区),地质灾害易发指数(I)≥5,是湖北省地质灾害重点防治区之一,地质灾害频发,尤其是雨季,滑坡、崩塌、泥石流灾害时有发生,严重威胁了人民群众生命财产安全,阻碍了地区经济发展。

1.2 自然地理条件

区内交通较为便利,谷竹高速、十房高速、国道、省道及县道、乡级公路纵横交织,四通八达。由于地处中纬度地域,属亚热带季风气候,光照充足,雨量适中,热量丰富,光、热、水垂直差异明显,组合反差矛盾突出,灾害性气候较为频繁；在地形上属于中国第二阶梯的东缘,新华夏构造体系的第三隆起带,整体为中低山地形,海拔高程多在50～1 500 m之间,局部为丘陵地貌和山间盆地。

1.3 地质构造特征

调查区位于秦岭地槽与扬子地台两大构造单元的过渡地带,地层出露较齐全,地质构造十分复杂,青峰断裂和竹山断裂交汇并贯穿于整个调查区,对区内地质构造环境影响较大,并孕育了地质灾害的发生与发育。其中,青峰断裂呈北东东向展布于竹溪风溪—房县青峰一线,断裂带宽度多在30～150 m间,断面总体倾北,倾角20°～45°。沿断裂带岩石挤压破碎、柔皱现象明显,因断裂作用形成较为壮观的角砾岩带、糜棱岩带和构造岩块之地貌景观,地质构造环境较复杂,是地质灾害易发地段；竹山断裂呈北西走向,经竹山秦古、宝丰至房县与青峰断裂交汇,断面倾向北东,形态上具上陡下缓的特征,剖面上形成叠瓦状组合,具逆冲或斜冲性质,并具长期复合断裂性质,对房县盆地的形成具有一定的控制作用 (图1)。

图1 工作区构造纲要略图Fig.1 Scheme of structure outline in working area1.逆断层；2.正断层；3.性质不明断层；4.向斜；5.背斜；6.倒转向斜；7.倒转背斜；8.扬子准地台区；9.武当山复背斜区；10.北大巴山褶皱区。

1.4 地层岩性发育特征

调查区地层以青峰断裂带为界,北为秦岭地层小区,岩性以古老的变质岩系为主,并有加里东期和吕梁期的辉长—辉绿岩、角闪岩、闪长岩及石英钠长斑岩等侵入岩呈带状或脉状分布；南为扬子地层小区,地层出露较全,主要为古生界碳酸盐岩类、碎屑岩类和内陆盆地碎屑沉积。

2 遥感数据源

本次工作选用的遥感数据包括高分一号数据、ASTER GDEM数据、航空数字正射影像图和Google Earth三维在线数据等。

2.1 高分一号

高分一号卫星是中国于2013年发射的遥感卫星,具有多种空间分辨率、多种光谱分辨率和多源遥感数据特征,能够获取2 m全色和8 m、16 m多光谱影像数据,可满足不同用户的应用需求[3],其数据已广泛应用于地学领域并取得较好的效果[4-5]。该数据具有获取成本低、时效性高等优点,完全能够满足地质灾害详细调查遥感解译工作之需求。

2.2 ASTER GDEM

ASTER GDEM即先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型,与SRTM一样为数字高程DEM,是根据 NASA的新一代对地观测卫星Terra的详尽观测结果制作完成的,数据覆盖范围广,投影为UTM/WGS84,空间分辨率30 m(1弧度秒),垂直精度20 m。其在局部地形复杂的山区和丘陵地带,能真实地反映地表起伏形态,在地表三维形态生成、坡度、坡向分析等方面均有较好的应用效果。

2.3 航空数字正射影像图

航空数字正射影像图为2013年4月获取的1∶2 000标准分幅真彩色DOM影像数据,其成像精度较高,经过正射处理,带有坐标信息,使用时直接转换或调入相关软件即可。该数据色调饱和,纹理清晰,信息丰富,时效性好,分辨率可达0.4 m,能够满足1∶10 000重点区地质灾害遥感解译的要求。

2.4 Google Earth

美国谷歌公司2005年推出的Google Earth(简称GE)集成了遥感图像、地理信息、地形三维、全球定位系统和网络在线浏览等高新技术,目前部分城市的分辨率达到0.5 m甚至更高,一般区域则至少有30 m的分辨率,基本实现地形、海拔高程、经纬度等信息的重合。该数据更新速度快、成像精度高,可将用户自己的各种专题信息交互叠加,为操作者提供身临其境的真实三维地形场景信息,非常适合于地质灾害遥感解译的对比与研究[6]。

3 技术方法与遥感数据处理

3.1 技术方法

本次工作以遥感技术为主要方法,采用高分一号、高分辨率航空影像及数字地表模型数据,结合Google Earth三维场景,在充分收集已有基础地质、地质灾害资料的基础上,通过图像处理、遥感解译和适量野外调查验证来完成。工作中,以专业知识为支撑,以形象逼真、立体感强、信息丰富的遥感图像为依据,以人机交互判释为工作平台,将多光谱数据和高分辨率数据结合使用,并利用各自数据的特性进行综合分析研究,充分发挥遥感技术宏观—微观—宏观结合,突出多源、多尺度遥感数据的优势和相互结合、相互弥补的特点,对调查区进行以地质灾害为主要目标的遥感调查与解译,通过遥感解译,查清或基本查清了调查区内的环境地质条件和地质灾害发育程度。

3.2 遥感数据处理

遥感数据的格式转换、图像生成、地理匹配、增强处理、信息提取均在PCI软件集成环境下进行,人机对话解译及专题信息提取则依托MAPGIS、Photoshop平台综合进行。

高分一号遥感数据全色融合真彩色,RGB-ISH-RGB色度空间转换,将全色波段的空间信息融合至红、绿、蓝三个波段的通道合成为模拟彩色图像。图像增强以能够清晰反映地物类型细节和地物边界,色调丰富不失真为原则,采用边缘锐化滤波,及上、下频率截除拉伸算法。图像镶嵌采用直方图匹配、色阶拉伸、亮度对比度、色彩平衡、色度饱和度调整等方法进行色度归一化处理,镶嵌中选定20～100重叠像素范围做均值法接缝平滑,以保证整体色度的连贯统一。几何纠正采用多项式运算与地理要素匹配,单景影像选取不少于24个控制点且均匀分布,以保证匹配精度。通过卫星数据图像处理,其地质宏观辨析力增高,可以依据各类典型解译标志,对各类型地质灾害现象做出正确判读。

3.3 遥感解译

遵循遥感解译的工作程序,首先收集阅读已有资料,初步建立解译标志,并经野外实地查证后再作详细解译,进一步建立详细解译标志。同时充分利用遥感信息多时相、多波段的特点,采用数字图像处理技术,深入提取地表坡度、特定地层岩性、地质构造信息、地表湿度异常、地表植被覆盖程度等宏观地质灾害发育环境,并进行综合分析研究,进一步划定遥感解译重点区域,以减少单纯遍历型目视解译的工作强度,提高解译质量[7]。

3.3.1 基础地质解译

基础地质解译,主要是以遥感图像为依据,在前人地质成果的基础上对已有图件进行修编,作为此次工作的基本用图。根据高分辨率遥感图像所反映的图案纹理、地貌特征,结合多光谱图像的光谱信息进行详细的地质解译。层状岩石一般划分到“岩段”,对延伸稳定、解译标志明显的标志层或特殊岩层可单独划分为一个地质单元；侵入岩、杂岩体要根据影像特征进行分解,划分到独立的侵入体；第四纪堆积区是人类活动的重要场所,亦是地质灾害易发地段,根据影像特征可划分出冲积、冲洪积、残坡积等成因类型,以利于滑坡、泥石流等地质灾害的地面观察和遥感解译。

断裂构造解译,主要根据遥感图像所反映的特殊地形地貌进行解译。一般直线状排量的断层三角面,或沿一定方向断续分布的陡坎、洼地、湖泊等多是断裂构造的地面显示。水系是地表最为灵敏的特殊物体,受外力影响后反映明显,所以河流、沟溪的异常反映多与断裂构造息息相关,其在影像图上的规律变化、醒目的形态特征,即是断裂构造的解译标志。

3.3.2 地形地貌解译

遥感图像是地球表面的真实写照,地形地貌是各种地质现象的综合反映,地质灾害遥感解译更是与地形地貌密不可分。因此,调查或查清区内地貌类型、形态分布,计算坡度、高差和地势起伏度,分析地形地貌特征对工程作业、通行条件的影响和量化评价极为重要。房县地势总体处于西高东低,南陡北缓,中为河谷平坝。以青峰断裂带为界,北部中低山区,影像色调为浅绿色、浅棕色、浅紫色,色调不均匀,纹形图案为小斑纹状为主,其次为长斑块状,植被较发育,水系呈树枝状；中部为一条狭长的断陷盆地,影像色调为浅绿色、浅灰色、肉红色,纹形为不规则的细斑块状、蠕虫状；南部为中高山区,山势巍峨陡峻,影像色调为绿色,纹形图案以长条形为主,小斑块状其次,沉积岩地层走向及层理清晰可见,地貌上多为深切沟谷,山势陡峻,植被发育,常有大片森林。

3.3.3 水文地质背景解译

在基础地质解译的基础上,重点对地表水、泉、古河道、地下水溢出带、冲洪积扇、湿地、控水断裂等与地下水有关的地质要素进行分析与研究。通过形态、纹理、植被等解译标志,确定或推断区内水文地质发育条件。对区内河流、湖泊等地表水类型、分布范围,一般以地形图标注为准。地形图上没有标注,或其在影像图上的范围与地形图有较大差别的,则根据遥感影像进行详细的圈定。根据线状排列的湖泊、泉点、湿地和植被的发育特征解译断裂和控水断裂,断裂的存在一方面改变了原岩物理力学性质的稳定性,增加了破碎程度及裂隙发育程度,同时对其充水、导水、阻水能力及植被发育程度均发生较大的改变,并孕育了地质灾害的发生与发育。

3.3.4 工程地质背景解译

工程地质解译是在基础地质解译的基础上,根据区域岩性组合、构造发育特征、岩石风化程度和地形地貌等条件,对工程地质背景进行分析研究,确定工程地质类型。此次灾害地质调查,将区内工程地质岩组划分为土体(松散岩类)、岩体两个大类,并将岩体划分为软岩、次坚岩、坚岩三类。其中,软岩主要包括泥质岩、互层砂质岩、泥质灰岩、绿泥石片岩、千枚岩等。该类软岩一般反映为地形较平缓的低山丘陵地貌,是滑坡、滑塌易发地段；次坚岩主要为厚层与中厚层灰岩、大理岩、白云岩、砂岩、板岩、粗粒或斑状结构的岩浆岩等。该类岩石地形上多反映为地形较陡的中低山地貌,是崩塌、危岩和岩溶易发区；坚岩则包括中细粒花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、辉绿岩、石英岩、硅质灰岩等。坚岩多形成地形陡峻的中高山地貌,工程地质条件较为稳定。而土体(松散岩类)则多组成低缓的残丘和垄岗地形,也是次生地质灾害易发地区。

3.3.5 地质灾害详细调查与解译

房县为地质灾害易发区,地质灾害详细调查与解译是此次工作的重点。根据区内地质灾害的发育特征,充分搜集了已有的地质、工程地质、气象水文、人文环境和地质灾害点的分布特征等资料。判读、分析遥感影像特征,初步建立了工作区地质灾害遥感解译标志,解译了工作区地质灾害点的分布现状,并进行野外实地查证。同时,对室内初步解译的成果予以补充和修正,建立了一套适合本区特点的详细解译标志。

解译标志的建立遵循从粗到细、逐步完善的原则,随着解译的深化,不断进行补充和完善,并贯穿于解译的全过程。解译标志可分为两种,即:地质灾害现象能在遥感影像上反映直接面貌为直接解译标志,而借助于地形地貌、岩土特征、水文地质条件、植被覆盖率等间接因素判译地质灾害点存在的标准为间接解译标志；人机交互解译则是利用计算机工作平台,将目视解译结果输入计算机内,并结合各类纸质图件直接解译地质灾害要素,或与解译图像相匹配,进行修改补充解译。同时,结合Google Earth三维场景,旋转、升降、缩放目标区域,从不同角度仔细观察解译对象。

4 典型地质灾害遥感特征及野外验证

4.1 滑坡

滑坡的成因与地形地貌、地表堆积体、人类工程活动有着密切的内在联系。房县地处鄂西山区,地形陡峻、沟壑纵横,近些年来人类工程活动加剧是造成滑坡发生的重要因素之一,同时也是制约滑坡发育规模和发生条件的决定性因素。

4.1.1 房县野人谷镇横峪河村滑坡

该滑坡位于山前斜坡地段,地面坡度一般在25°～55°,并具上陡下缓的特点,滑坡具圈椅状后缘,周界可见多条同源冲沟,为地表浅层松散堆积体滑坡。在遥感图像上表现为黄褐色,色调细腻而均匀,可见地形地貌、植被、水系及生态景观的异常突变现象;滑坡体后缘即滑坡壁发育有直线或弧形异常影纹,有绝壁、陡坎,存在明显的地形变异线和色调异常线;滑坡壁后缘可见拉张裂隙,整个滑坡体呈灰白色,植被不发育与背景影像差异明显。

该滑坡系因道路建设,工程开挖边坡造成高切坡临空,重力失稳而成。地表显示滑坡坡度均匀,周界清晰,滑体无植被覆盖,在地表径流和自身重力作用的影响下而引发滑塌。对比区域影像解译标志和地质背景,显示该处地表为第四系残坡积土覆盖,下伏为寒武系下统牛蹄塘组炭质页岩夹黑色薄层状硅质岩。性质为地表浅层土石混杂的滑坡,滑坡体宽221 m,纵长175 m,主滑线方向170°,为中小规模滑坡,目前虽有护坡,暂时处于稳定状态,但随着外界条件的改变及大气降水、卸荷作用的影响,容易引起再次滑塌,威胁道路车辆安全(照片1)。

照片1 房县野人谷镇横峪河村滑坡Photo 1 Landslide of Hengyuhe village in Fangxian

4.1.2 房县大木厂镇陶家沟滑坡

该滑坡位于道路东侧的山坡地带,地面坡度一般在15°～35°,遥感影像上呈浅绿色、紫褐色,与周边色调差异明显,平面形态为圈椅状,长约190 m,宽约210 m。滑坡所处地貌为凹面坡,坡度中等,地表植被覆盖较广,周边为大片林木覆盖,滑坡下部为公路顺向而过,遥感影像显示影纹为斑块状、晕点状,滑动方向约为100°(照片2)。从野外实地观察,滑坡体下部为阶梯状松散堆积,已被居民开挖种植农作物,其土质松散、稳定性差,与周围植被覆盖区差异明显。滑坡壁后缘可见拉张裂隙。目前尚处于稳定状态,但随着裂隙不断发育及大气降雨的影响,容易引起再次滑塌,威胁道路及居民安全。

照片2 大木厂镇陶家沟滑坡Photo 2 Taojiagou landslide in Damuchang town

4.2 崩塌与危岩体

崩塌堆积体在遥感图像上多处于谷底或斜坡平缓地段,表面坎坷不平,具粗糙感,有时可出现巨大块石堆积体影像；危岩体在遥感图像上一般位于陡峻的山前斜坡地段,地表坡度多在55°～75°,地形具有上陡下缓的特点,地表亦有松散堆积体。

区内较为典型的实例为房县土城镇石门沟村崩塌。该崩塌点为人工开挖不稳定斜坡,圈地建设开挖所致。坡体后缘陡立,未进行护坡,斜坡上冲沟发育、植被稀少,类土质边坡开挖过程中因卸荷作用,产生卸荷裂隙,加之该地段坡度陡峻,边坡极易垮塌,是崩塌、危岩易发的主要原因。遥感影像图上表现为较均匀的灰白色调、粗糙度大,因岩土开挖崩塌面新鲜,无植被覆盖,与背景影像差异明显。该崩塌体呈不规则的圈椅状,长99 m,中部宽125 m,坡度较大,威胁道路及来往车辆、行人安全,或导致道路阻塞影响交通(照片3)。

照片3 石门沟村崩塌人工开挖痕迹明显Photo 3 Obvious manual excavation trace of Shimengou collapse

5 地质灾害解译效果评价及结论

本次遥感解译确定地质灾害点296个,并进行了实地验证。其中23个点由于地理位置特殊属于军事禁区,验证受到限制,实际验证点为273个,其中143个点与野外详细调查灾害点一致,准确率为52.38%。其余130个点无危害对象或目前处于稳定状态。

综上所述,通过此次房县地区地质灾害详细调查结果表明,区内虽然山高谷深、植被发育,很多地段地表多为植被影像显示,但典型地质灾害点在高分一号上的影像特征仍很清楚,遥感解译准确率较高,能够满足地质灾害详细调查的精度要求,可作为地质灾害详细调查前期的重要手段,并且工作重点可放在交通干线、河流库岸、断裂构造发育区及人类活动集中区;这些地区,由于人类工程建设活动的影响,对原始地质环境改变大,是滑坡、崩塌等地质灾害易发地段。房县地质灾害点分布不均,其空间分布与断裂构造、地层岩性、地表植被覆盖及人类工程活动等因素密切相关,地质灾害发育程度当以滑坡为主,崩塌次之,泥石流、地面塌陷等较少。而且,地质灾害多集中分布于水库沿岸、河流沟谷两侧、新建集镇、移民安置点、村镇居民点及主干公路沿线。地质灾害点分布与地质环境、人类工程活动息息相关,其解译程度则以滑坡、崩塌解译效果较好,不稳定斜坡、危岩、泥石流次之,用该方法解译和编制的图件划分准确,灾害体边界误差小,解译精度高。

本次地质灾害点遥感解译,充分利用了最新的国产高分一号卫星遥感数据和Google Earth三维场景,相对以往的遥感解译,本次工作中所采用的方法降低了工作强度,提高了解译精度,对滑坡灾害点的空间分布特征具有较高的预判,对灾害点的解译做到了有的放矢。2014年中国成功发射高分二号卫星,国产遥感卫星数据也进入亚米级高分辨率时代。随着中国高分专项的逐步实施,有效开发利用新数据资源和互联网新技术,必将为遥感工作带来更大的便利和技术进步。

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[2] 卢轶.遥感技术在地质灾害调查中的应用及前景[J].能源与节能,2011(10):80-82.

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[4] 郭会敏,洪运富,李营,等.基于高分一号卫星影像的多种融合方法比较[J].地理与地理信息科学,2015(1):23-26.

[5] 陆春玲,王瑞,尹欢.“高分一号”卫星遥感成像特性[J].航天返回与遥感,2014(4):67-73.

[6] 管振德,庞贻鸿.Google Earth 在线性工程地质灾害调查中的应用[J].人民长江,2012(19):45-47.

[7] 陈曦,胥兵,陈爱明,方臣.遥感技术在提取滑坡背景环境因素的应用——以湖北省房县地区滑坡地质灾害为例[J].资源环境与工程,2014,28(6):950-959.

(责任编辑：陈文宝)

Application of Remote Sensing Technology in Detailed Investigation ofGeological Disaster in Fangxian

CHEN Aiming, CHEN Xi, FANG Chen, CHEN Xiaolin

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Combined with google earth 3D scene,by selection of GDEM,aerial image data,the authors carry out the investigation and interpretation of geological disaster in Fangxian,obtain rich geological environmental conditions and information characteristics of geological disasters,provide reliable technical support and play a leading role in the remote sensing technology for the detailed investigation of geological disaster in this area.The paper discusses application effect of remote sensing technology in detailed investigation of geological disasters in Fangxian from several aspects,such as selection,processing of data source about remote sensing,all kinds of abnormal information extraction and interpretation results,divides geological disaster easy-happening areas and dangerous areas.It provides basic geological data for control planning of geological disasters in Fangxian.

remote sensing; Gaofeng-1; geological disaster; landslide; 3D; GoogleEarth; Fangxian

2015-03-30;改回日期:2015-04-24

湖北省国土资源厅 “十堰市郧西、竹山、竹溪、房县地质灾害详细调查”。

陈爱明(1971-),男,高级工程师,硕士,地质学专业,从事遥感地质与GIS应用工作。E-mail:mailcam@163.com

TP79

A

1671-1211(2015)04-0493-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504026

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1501.021.html 数字出版日期:2015-06-19 15:01