GF-1图像在中印边境楚鲁松杰村地质灾害调查中的应用

张焜， 李晓民， 马世斌， 刘世英， 李生辉

(1.青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室,西宁　810012；2.青海省地质调查院,西宁　810012)

GF-1图像在中印边境楚鲁松杰村地质灾害调查中的应用

张焜1,2， 李晓民1,2， 马世斌1,2， 刘世英1,2， 李生辉1,2

(1.青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室,西宁810012；2.青海省地质调查院,西宁810012)

摘要：为了解高分一号卫星(GF-1)图像的应用性能和查明中印边境楚鲁松杰村一带的地质灾害发育规律，利用DEM和GF-1图像对该地区的岩性、构造和地质灾害进行详细的遥感解译。研究结果表明，GF-1数据的融合图像对灾害体的微地貌形态反映较明显，能够用于识别地质灾害体的位置、边界范围等特征信息； 区内地质灾害类型主要为滑坡和寒冻风化碎屑流等，滑坡、崩塌、泥石流多发生在[25°,35°]坡度段内，而寒冻风化碎屑流的发生则与坡度的增大成正相关； 地质灾害运移方向与主构造线方向、基岩层面倾向基本一致。研究还揭示出该区内分布多级河流阶地，较大的垂直落差及丰富的第四系松散堆积物是地质灾害发育的重要因素。

关键词：高分一号卫星(GF-1)； 中印边境； 地质灾害； 寒冻风化碎屑流； 遥感调查

0引言

西藏自治区札达县楚鲁松杰村一带地处中印边境地区。在该区开展基础地质、矿产、地貌、水文地质、工程地质、交通设施与重要地物等综合遥感调查，对该区的社会经济建设、生态环境保护等有着重要意义，尤其对边境地区的国防建设具有重要的战略意义。由于特殊的地理、地质环境及气候条件，该区域内的滑坡、泥石流、崩塌及滚石等地质灾害频发，常常阻断交通； 曾有地质灾害波及到印度境内帕里河流域并影响到当地的安全，致使印度反映强烈[1-2]。如何减少地质灾害对该区域内交通和国防建设带来的危害，是亟待研究的一个课题。

遥感技术能快速、高效地获取地表信息，在滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害调查、监测和研究中发挥了重要作用[1-12]。随着我国国产卫星技术的快速发展，国产卫星在资源、环境、测绘、海洋等领域的应用越来越重要[13-16]。2013年4月26日在我国酒泉卫星发射中心成功发射的高分一号卫星(GF-1)是中国高分辨率对地观测系统的首发星，对提高我国高分辨率卫星数据(以下简称高分数据)自给率具有重大意义。本文以西藏自治区中印边境楚鲁松杰村一带的地质灾害为研究对象，采用GF-1卫星数据，对其全色、多光谱数据进行融合，制作正射遥感影像图； 并将遥感数据与DEM数据叠加生成三维遥感影像图，进行地质灾害解译。从应用角度了解GF-1卫星数据特色及其在地质灾害调查方面的能力； 在分析研究区的自然与地质环境、水文地质条件的基础上，查明研究区地质灾害的发生地点、种类、规模和范围，探讨该区域地质灾害形成和发育的规律。

1研究区概况

研究区位于西藏阿里地区西部与印度接壤地带，属喜马拉雅山脉，面积约800km2。其中，境内行政区划属西藏自治区阿里地区扎达县，面积约400km2； 境外面积约400km2，属印度西姆拉地区。区内为典型的高山峡谷地貌，丘状高原及构造侵蚀形成的深切峡谷为其主要地貌特征。大多数山峰海拔超过5 000m，现代河流发育的高程为3 000～3 800m； 相对高差多在1 500m以上，“V”形沟谷发育。山峰上发育典型的山岳冰川，具有各种类型的冰川地貌。

研究区位于帕米尔构造结东翼，属北喜马拉雅特提斯沉积带，主要由元古宇基底岩系聂拉木岩群(AnZN)、古生界盖层浅变质岩系色龙群(PS)和中生界才里群(JC)台地碳酸盐沉积组成，并伴有喜山早期含电气石二云母花岗岩的侵位。聂拉木岩群是构成喜马拉雅地区结晶基底的主体，整体为一套火山-沉积建造； 色龙群为一套浅变质岩系，由灰绿色砂板岩和变砂岩组成，夹少量碳酸盐沉积，主要为浅海-滨海相陆源碎屑沉积建造； 才里群则为一套台地相碳酸盐建造。构造变形以面理改造和小型褶皱发育为特征，叠加有后期脆性断裂改造； 断裂构造以NW向多期大型压剪为主要特征，NE向和近SN向断裂多属主压断裂所派生[17-18]。从所处的特殊地质构造、气候背景条件分析，研究区属滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害易发区。

2遥感技术方法

2.1GF-1卫星数据

GF-1卫星搭载了2台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机和4台16m分辨率多光谱相机[19]，其技术指标见表1。

表1　GF-1卫星有效载荷技术指标

本文使用的GF-1原始数据的获取时间为2014年6月26日，包括8m分辨率的多光谱数据和2m分辨率的全色数据,均自带有理函数模型(rationalfunctionmodel,RFM)的元数据文件。图像中云雪覆盖量较少(约占1%)，辐射畸变、几何畸变和噪声均较小，图像清晰，整体质量较好，适用于进行遥感地质解译。

2.2图像处理

在遥感专业处理软件Erdas中的LSP模块下采用 “DEM+RFM+GCP”(“数字高程模型+有理函数模型+地面控制点”)的方法分别对GF-1多光谱和全色原始数据进行正射纠正。其中，读取RPC.XML文件中的内、外定向参数作为GF-1的RFM模型参数； 选用由IRS-P5卫星数据制作的数字高程模型(DEM)数据作为本次正射纠正处理的辅助数据； 选择GF-1多光谱图像的B4(R)B3(G)B2(B)波段组合并采用Pansharp算法与全色波段进行融合处理； 最后根据本文研究对象对融合后的图像进行局部拉伸处理，制作遥感正射影像图(图1)。

图1GF-1图像处理流程

Fig.1FlowchartofGF-1imageprocessing

2.3三维可视化

利用ArcInfo-ArcScene软件平台，以制作好的遥感正射影像图为基础，按照一定的原则，通过叠加研究区DEM数据，实现对研究区三维地形特征与地理要素的立体观察。

2.4遥感解译

在充分收集已有地质环境与地质灾害资料的基础上，建立地质灾害及其发育地质环境的遥感解译标志； 利用Erdas,PhotoShop和ArcGIS等软件平台，以人机交互解译为主要手段，获取相关地质背景和地质灾害信息。

地质背景解译主要参考研究区已有基础地质资料，以正射影像图为基础图像进行岩性识别和构造解译，着重解译第四系、断层、微地貌及阶地等的特征、位置和范围。境外地区的地质解译则是在掌握我国境内地质情况及遥感影像特征基础上，利用对比分析方法，按照从已知到未知的原则，采取推演、扩展、外延的方法进行。

3地质背景遥感解译

3.1地层解译

应用GF-1遥感数据，结合前人1∶25万区域地质调查成果资料，对各类地质体进行了较详细的遥感解译，尤其是对不同成因的第四系及其空间展布进行了识别与圈定。基岩区可见友谊桥岩组(Pt1y)变粒岩、石英片岩和石英岩，达巴劳组(O1d)变质长石石英砂岩，石器坡组(S1s)粉砂质板岩夹薄层变质石英砂岩，普鲁组(S2-3p)厚层状细晶灰岩，凉泉组(D1l)白云岩及白云质板岩，色龙群(P2-3S)石英砂岩夹长石砂岩，聂聂雄拉组下段(J2n1)泥晶灰岩夹粉砂岩、石英砂岩和聂聂雄拉组上段(J2n2)亮晶颗粒灰岩等岩性出露。上述地层在GF-1图像中多以“V”形沟谷、均一色调为主要特征，灰岩出露区表现为典型的尖棱状“灰岩陡崖”微地貌景观； 片岩在图像中以发育与片理走向基本一致的平行状纹形、色带为典型特征； 变质砂岩、石英岩则呈似层状影像特征，常形成较低缓的光秃圆滑垅脊或丘岗。

下更新统香孜组(Qp1x)地层仅残存于现今朗钦藏布两岸，主要沿楚鲁松杰村—昌格里赞格—纳姆吉亚一带展布，出露的海拔高度为3 300～4 200m； 在GF-1图像中呈灰褐色或浅黄褐色色调，为较平坦的层状地貌，影像结构细腻光滑，局部地段被后期冲洪积所改造，发育明显的扇状、树枝状水系； 具有较明显的河流相沉积特征，其中昌格里赞格地区河流相沉积保留比较完整，⑦⑧⑨级河流阶地构成了区内的最高级阶地，与邻区札达盆地附近的沉积对比[20-21]，其时代应为早更新世。④⑤⑥级河流阶地为中更新世冲积，②③级河流阶地为晚更新世冲积(图2)。

(①—⑨为河流阶地级数； 黄色实线为解译的地层界线；

GF-1图像显示，古河流一直向西(现今朗钦藏布方向)侧蚀迁移，且河流阶地的阶面逐渐变窄，前缘阶坡垂直高度增大，反映该区经历了强烈的差异性隆升与河流下切作用，也表现出青藏高原间歇性抬升愈演愈烈的频繁性和剧烈性。

图3　中更新统河流相沉积

全新统冰碛(Qhgl)位于现代冰川冰舌前沿及冰川退缩不久的冰斗之中，呈长条形、弧形，舌形前缘清晰可见，“U”形冰槽谷明显，具终碛堤或终碛垅地貌特征。全新统坡积(Qhdl)分布于喜马拉雅山山脉南北陡峻山地的岩石坡面上，是基岩经长期寒冻作用发生崩解的岩石沿坡面堆积的产物。全新统冲洪积(Qhpal)以面状展布于现代河谷宽谷地带。全新统洪积(Qhpl)主要分布于山间沟谷出口处，呈山间宽谷及山前扇形地貌。全新统冲积(Qhal)沿现代河流呈带状、条带状或条状分布，影像结构细腻光滑。

3.2构造解译

区内断裂和褶皱构造发育，其中以NW向断裂为主，NE(或NNE)向和近SN向断裂多为后期断裂,常将NW向断裂错断(图4)。

图4　断裂构造影像特征

3.3岩浆岩解译

区内岩浆活动较强烈，以中酸性岩浆岩为主，主要分布于研究区东北部，岩性为中细粒二长花岗岩(ηγE3)，在遥感图像中呈浅灰白色—浅乳黄色色调，形态多为不规则块状，典型树枝状水系发育，普遍具较为细密的斑点状影纹,影纹结构较为粗糙。

4地质灾害发育特征遥感分析

4.1灾害体解译效果

崩塌在GF-1图像中边界完整，清晰可辨； 陡坎状后壁连续齐整，色调较周围地物浅，阴影明显； 崩塌堆积区呈灰白色或灰褐色，其线理结构和图案与周围明显不同，呈团块状或流线状纹理； 崩塌体在坡脚形成锥状堆积体或倒石锥，边界呈弧形锯齿状，崩积物多而不均，故影像粗糙，常显斑状纹理。因此，在GF-1图像中能够识别出崩塌区和崩塌堆积区的空间形态和展布特征，但对发育在后壁的次级崩塌或小型崩塌体难以识别(图5)。

图5　崩塌影像特征

滑坡在GF-1多光谱图像中一般显示簸箕形、舌形、弧形和环形等地貌特征，圈状弧形突出，后壁较陡，坡度可达[30°，40°]，后壁之上冲沟不发育。滑坡体多呈台阶状，故形成一系列近于平行展布的陡坎，滑坡体的整体纹理和色调与背景环境明显不一致[10]。本文利用GF-1融合图像解译出滑坡的空间展布形态，滑坡堆积体的长度、宽度等特征部位信息(图6)，也能够识别出古滑坡、新滑坡等类型。

图6　滑坡影像特征

区内泥石流在GF-1多光谱图像中的轮廓比较清晰，物源区、流通区和堆积区容易辨别。物源区山体较破碎，呈勺状、漏斗状、椭圆状等三面环山之冰蚀围谷，第四系松散堆积物(冰碛、残坡积)较丰富，坡面及细沟侵蚀严重，支沟普遍发育； 流通区内水系呈线状或树枝状，沟谷曲直不一、切割明显，沟谷一般较窄、断面形态呈“V”形； 堆积区多为沟谷下游出口，地形突变而趋于平缓，常形成扇形堆积，扇形大小不一。堆积扇上水流不固定，多呈漫流，影像结构粗细间杂。因GF-1多光谱融合图像中的色调不够丰富，局部堆积区的色调、纹理特征不甚明显，对植被的反映也不够清晰，泥石流的发育阶段不易判识(图7)。

图7　泥石流影像特征

寒冻风化碎屑流主要呈散体结构分布于我国西部高寒山区，成分以碎石及少量岩屑为主，外貌特征与大型采石场加工碎石料后的堆石特征类似，为典型的由寒冻风化引起的基岩剥蚀产物，受高山冰缘环境中的海拔、坡向、温度和降水、岩性构造及地形条件等条件制约[24-26]。区内寒冻风化碎屑流多分布于陡坡之上，呈面状展布，影像粗糙，灰白或灰褐色调，具斑点状或斑状纹理，在GF-1多光谱图像中可以判识其位置和范围等特征信息(图8)。

图8　寒冻风化碎屑流影像特征

4.2灾害体分布规律

经详细综合解译，发现区内共发育地质灾害86处，主要类型为滑坡和寒冻风化碎屑流，崩塌和泥石流次之。其中： 崩塌5处，滑坡41处，泥石流4条，寒冻风化碎屑流36处。参照中国地质调查局地质调查技术标准《滑坡崩塌泥石流灾害详细调查规范( 1∶50 000)》中的分类原则，区内发生的地质灾害按规模划分为特大型1处、大型9处、中型39处、小型37处。

4.2.1崩塌

研究区内的崩塌主要发生于朗钦藏布(印度称之为萨特莱杰河)两岸，均位于高山峡谷地段，共5处，海拔高程范围为3 400～3 600m，均发育在友谊桥岩组(Pt1y)石英片岩和石英片岩夹变粒岩组合中。

利用DEM数据将全区坡度分成4个级别： [5°,15°)为平缓，[15°,25°)为缓，[25°,35°)为中陡，≥35°为高陡。统计结果表明，崩塌主要发育在中陡和高陡的坡度段内，缓坡度地段发育崩塌较少(仅占20%)，均为中、小型崩塌(表2)。

表2　崩塌基本特征统计

4.2.2滑坡

区内滑坡主要发生在第四系松散堆积物和海拔3 200～4 800m并以沉积岩为主的冰蚀发育区，共41处。其中发育在第四系松散堆积物(主要为下更统世香孜组)中的有27处，约占滑坡总数的65.85%； 其余主要发生在色龙群(P2-3S)石英砂岩夹粉砂岩组合和友谊桥岩组(Pt1y)石英片岩夹变粒岩组合中。

统计结果表明，滑坡主要发生在[5°,15°)坡度段内，约占滑坡总数的53.66%； 发生在[15°,25°)坡度段内的滑坡占39.02%； ≥25°的地段发育滑坡较少，所占比例仅为7.32%； 区内滑坡均为中、小型滑坡(表3)。

表3　滑坡基本特征统计

4.2.3泥石流

区内泥石流共发育4条，以沟口堆积型为主，规模均较小，所处高程多在2 900～5 900m之间，流域坡度均在[16°,27°]坡度段内。研究发现，区内波石流发育受控于友谊桥岩组(Pt1y)石英片岩、石英片岩夹变粒岩，色龙群(P2-3S)石英砂岩夹粉砂岩以及第四系洪积、冰碛、冰水堆积、坡积等沉积物。局部泥石流沟两侧可见滑坡和崩塌，细沟和坡面侵蚀严重(表4)。

表4　泥石流基本特征统计

4.2.4寒冻风化碎屑流

区内寒冻风化碎屑流多发生在海拔高程3 400～5 800m之间，其物质组成主要为全新统坡积(Qhdl)砂土、碎石以及少量岩屑，原岩为聂聂雄拉组二段(J2n2)灰岩夹砂岩和板岩，凉泉组(D1l)白云岩及白云质板岩和友谊桥岩组(Pt1y)石英片岩及石英片岩夹变粒岩等。碎屑流相对高度多在200～300m之间，最高可达1 600m，主要为中型(占发育总数的72.22%)。大部分碎屑流发生在>35°坡度段内，所占比例约为66.67%; 其次发生在[25°,35°]坡度段内，约占30.56%(表5)。

表5　寒冻风化碎屑流基本特征统计表

5地质灾害形成条件分析

5.1地形地貌条件

研究区内高山峡谷发育，地形高差悬殊，说明曾经发生过强烈的外动力地质作用，为地质灾害的发生提供了足够的势能和巨大的空间。不同坡度段内发育的地质灾害统计见图9。

图9　不同坡度段内发育的地质灾害统计

对解译结果的研究发现，滑坡、崩塌和泥石流在不同坡度段内具较好的相关性，多集中发生在中陡的[25°,35°)坡度段内； 而寒冻风化碎屑流的发生则与坡度的增大成正相关——在一定的区间内，坡度越大，寒冻风化碎屑流越易发生，表明区内地质灾害的发生明显受地形地貌条件的控制。

5.2地质构造条件

地质灾害的形成和分布主要受地形地貌、地层岩性、地质构造、新构造活动、水文地质条件、地震以及气候、人类活动等因素制约[27-28]。其中，地层岩性、地质构造和新构造活动是地质灾害形成的基本条件。

5.2.1地层岩性

区内发生地质灾害共计86处(图10)。按不同地层中地质灾害发育的个数来统计，与第四系松散堆积物有关的地质灾害有67处(占地质灾害总数的77.91%)，说明中陡和高陡坡度段内发育的大量松散堆积物为地质灾害的形成奠定了丰富的物质基础。从岩性及水文地质条件来看，松散堆积物孔隙度大，透水性强，而下伏基岩透水性相对较差，易形成隔水层。地表降水的入渗使松散堆积物呈饱和状态，下渗后的地下水软化土体，增大土体重量和孔隙水压力，使土体力学强度降低，因而易在土体中或基岩面上形成滑带或滑移面，导致松散堆积物滑动，形成滑坡。

图10　研究区地质简图

基岩中发育的地质灾害有19处(占地质灾害总数的22.09%)，主要为滑坡和崩塌。上述地质灾害主要发生在友谊桥岩组(Pt1y)石英片岩和石英片岩夹变粒岩组合及聂聂雄拉组下段(J2n1)的灰岩夹砂岩组合中，这些地层中的岩性软—硬、厚—薄相间，多具软弱夹层，且岩层间多以规模不等的片理化带为界，各岩性层片理发育，在寒冻风化、降水、雪融作用以及上覆重物的作用下极易发育成滑动面，从而发生地质灾害[29]。

5.2.2地质构造

研究区由于青藏高原的强烈隆升，其周缘地区构造变形十分强烈，加之气候环境特殊，成为地质灾害事件集中发生的区域[30]。地质构造对区内地质灾害的形成和发育具有明显的影响： ①控制了地貌的形成和发育。区内的地貌特征反映了地壳上升、河流下切的运动过程，以本区河流相沉积为例，多级河流阶地所组成的层状地貌就是新构造运动最近时期的产物，反映了地壳的间歇性垂向运动特征，是高原地面抬升的直接证据[31]。区内广泛分布多级河流阶地，且早更新世河流相沉积与现代河流的海拔高程相差近1 000m，标志着现代地壳构造运动仍存在显著的继承性垂直运动，也表明了0.15Ma(共和运动[32])以来该区又进入了强烈的隆升时期。差异性隆升造就了区内山势险峻、沟谷深切、临空面发育的地貌特征(如在朗钦藏布两岸形成300～1 500m的高陡边坡)，为区内地质灾害的发育提供了临空条件。②限制了地质灾害的分布范围。由图10可以看出，区内主构造线方向为NW向，NE向和近SN向次之。地质灾害的条带状分布基本上受控于这3组断裂带，大部分地质灾害发育在断裂带附近。同时，对区内基础地质资料分析和地质灾害运移方向的统计(图11)表明： 基岩层面倾向为110°～160°，地质灾害的运移方向主要为220°和150°，分别与主构造线方向、基岩层面倾向基本一致。这一事实说明，区内断裂、大型节理、面理和层理等成灾构造是导致在这一地区频发崩塌和滑坡等地质灾害的直接原因。③改变了岩土体的结构、物理性质和力学强度。以寒冻风化碎屑流为例，影响寒冻风化速率的主要因素是节理的密集程度，特别是有断裂带通过的地段会加速寒冻风化[19]。而区内构造变形十分强烈，岩石中发育大量节理和面理构造，且在压力、剪切力、重力等作用下，岩石易发生破碎和位移，也就更易发生寒冻风化碎屑流。

图11　地质灾害运移方向玫瑰花图

6结论

1)高分一号卫星(GF-1)数据的融合图像对地质体(或灾害体)的微地貌形态特征反映较明显，能够用于识别灾害体的位置、边界范围等特征信息。

2)本文依据微地貌特征，在GF-1融合图像中识别并圈定出不同类型的第四系。在楚鲁松杰村—昌格里赞格—纳姆吉亚一带新解译出下更新统香孜组地层、中更新统冲积和上更新统冲积，完善了区内第四系地层系统，为研究区内新构造运动及青藏高原隆升补充了与第四系有关的资料。

3)区内共发育地质灾害86处，主要灾害类型为滑坡和寒冻风化碎屑流，崩塌和泥石流次之。其中： 滑坡41处，崩塌5处，泥石流4条，寒冻风化碎屑流36处。

4)滑坡、崩塌和泥石流在不同坡度段内具较好的相关性，多集中发生在中陡的[25°,35°]坡度段内； 而寒冻风化碎屑流的发生则与坡度的增大成正相关，在一定的区间内，坡度越大，寒冻风化碎屑流越易发生。

5)地质灾害的运移方向分别与主构造线方向和基岩层面倾向基本一致。

6)区内第四系松散堆积物广泛分布(大多数分布在海拔高程4 000m左右)，较大的垂直落差及组成物质的松散性成为诱发滑坡、泥石流和寒冻风化碎屑流的重要因素。

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(责任编辑： 刘心季)

ApplicationofGF-1imagetogeologicaldisastersurveyinCosibsumgyvillageonSino-Indiaborderarea

ZHANGKun1，2，LIXiaomin1，2，MAShibin1，2，LIUShiying1，2，LiShenghui1，2

(1. Qinghai Province North of the Qinghai-Tibet Plateau Geological Process and Mineral Resources Key Laboratories， Xining 810012，China； 2. Institute of Geological Survey of Qinghai Province， Xining 810012， China)

Abstract:Using data obtained from DEM and GF-1 Satellite(called GF-1) concerning lithological characteristics in Cosibsumgy village on Sino-India border area, the authors conducted detailed remote sensing interpretation of structures and geological disasters to understand the application performances of GF-1 and find out the patterns of geological disasters that have happened in this area. The results show that the fused image of GF-1 data appears to be evident for the micro morphology of the disasters. It can identify the locations and outlines of the geological disasters. Landslide and frost weathering debris flow are dominant in the geological disasters. The landslide, collapse and mudslide mostly occur in the gradients ranging [25°, 35°], whereas the frost weathering debris flow has positive correlation with the gradients. The migration directions of the geological disasters are basically consistent with the directions of the main tectonic lines and the tendency of the bedrocks. Meanwhile, the multilevel river terraces existing in the area and the huge vertical fall from Quaternary system are the main causes for geological disasters, as revealed in this study.

Keywords:GF-1 satellite； Sino-India border； geological disaster； frost weathering debris flow； remote sensing interpretation

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.22

收稿日期：2014-10-24；

修订日期：2015-02-02

基金项目：中国地质调查局地质调查项目“西北边境地区国土资源遥感综合调查”(编号： 12120114090601)资助。

中图法分类号：TP 79

文献标志码：A

文章编号：1001-070X(2016)02-0139-10

第一作者简介：张焜(1973-),男,高级工程师,主要从事地质矿产遥感技术应用研究。Email： zhangkun0623@sina.com。

引用格式： 张焜,李晓民,马世斌,等.GF-1图像在中印边境楚鲁松杰村地质灾害调查中的应用[J].国土资源遥感,2016,28(2)：139-148.(ZhangK,LiXM,MaSB,etal.ApplicationofGF-1imagetogeologicaldisastersurveyinCosibsumgyvillageonSino-Indiaborderarea[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2)：139-148.)