遥感技术在地貌与岩土体特征识别和地质灾害分布规律分析中的应用

刘纪尧，豆猛，吴少菁

(河南省航空物探遥感中心，郑州 450053)

遥感技术在地貌与岩土体特征识别和地质灾害分布规律分析中的应用

刘纪尧，豆猛，吴少菁

(河南省航空物探遥感中心，郑州 450053)

遥感以其宏观性、综合性、多尺度、多层次的特点，已成为地质研究和地质勘查中不可缺少的技术手段，在地质调查、地质环境评价和基础地质研究等方面都发挥越来越大的作用。本次通过遥感解译方法，结合地面验证分别对工作区内的地貌、岩土体、地质灾害点进行识别和解译，采用解译出的地形地貌和岩土体分类特征进行地质灾害分布规律的分析，取得了较好的效果。

遥感；解译标志；地貌；岩土体；工程地质；地质灾害；分布规律

1 研究背景

遥感以其宏观性、综合性、多尺度、多层次的特点，已成为地质研究和地质勘查中不可缺少的技术手段，在地质调查、地质环境评价和基础地质研究等方面都发挥越来越大的作用。巩义市位于河南省中部，区内地质环境复杂、地貌类型多样，矿产开发和人类建设工程活动强度大，地质灾害发育情况较为严重，地质灾害已成为制约当地经济发展和社会发展的一个不可忽略因素。区内此前进行过大量的基础性地质工作，但是还未开展过地质灾害遥感解译的相关工作，鉴于此，本文选取巩义市为研究区，利用高分辨率卫星影像，解析区内地质灾害的空间分布和地貌、岩土体特征，并分析不同的地貌单元和岩土体类型中地质灾害的分布规律，为今后制定防灾减灾计划提供参考依据。

2 遥感影像的选取与处理

图像空间分辨率的选择主要取决于工作比例尺。本次工作比例尺为1∶50 000，按相关要求，遥感图像地面分辨率应不低于12.5 m，本次采用分辨率2.5 m的全区域彩色影像，其分辨率足以满足本次研究需要。

解译前先将影像进行几何校正和图像增强，经过投影变换生成标准图框进行套合，并与地形图进行校正，制作成解译区的1∶50 000 标准影像(图1)。

图1 校正完成的影像图

3 地貌单元解译

3.1 解译方法

信息复合法是进行遥感影像解译时的常用方法。它是指在同一区域内，利用遥感信息之间或遥感信息与非遥感信息之间的匹配复合，来解译遥感影像上的地貌类型。它要求所复合的各层信息必须经过严格的配准，以便充分发挥辅助信息的作用，保证遥感解译的精度。参与解译的主要图层或信息有：

遥感影像：遥感资料采用全区2.5 m高精度遥感影像。

数字地面模型：由20 m间距等高线生成1∶5万的数字地面模型。将数字地面模型与卫星影像叠加显示，可以提供高程信息，帮助划分基本地貌类型。

坡度图：利用数字地面模型生成坡度图按照坡度的划分原则把解译地区的地面坡度按每5°划分一个等级。坡度图对解译地区坡度的划分有很大的参考和帮助作用。

3.2 解译标志

(1) 构造侵蚀中山

遥感影像特征为相对高差较大，地势起伏明显，阳坡光照较强，色调浅；阴坡亮度值小，色调较深；水系发育好，多呈树枝状和羽状。其影像特征如图2。

图2 构造侵蚀中山影像

(2) 构造侵蚀低山

遥感影像特征为相对高度较小，山坡较平缓，谷地较宽，无明显大面积阴影，阴影斑块较小，一般有较多耕地和居民地分布其间。影像特征如图3。

图3 构造侵蚀低山影像

(3) 构造剥蚀丘陵

遥感影像特征为相对坡度缓，相对高差小，无明显大面积阴影，多为梯田。影像特征如图4。

图4 构造剥蚀丘陵影像

(4) 黄土丘陵

影像特征为冲沟十分发育，地面沟壑纵横，地形支离破碎，呈现树枝状、羽状，沟谷多呈“U”字形，壁陡谷深，坡角近于直立状，沿沟壁小型崩塌发育。影像特征如图5。

图5 黄土丘陵影像

(5) 冲洪积倾斜平原

遥感影像特征为平原影像地面平坦，色调均匀，极少阴影，多分布有耕地农田、居民地和道路等。有时，平原局部影像的色调变化也很大。影像特征见图6。

图6 冲洪积倾斜平原影像

3.3 解译成果分析

解译区地势东南高西北低，由东南部的中低山，逐渐过渡到西北部及北部的丘陵、平原。按地貌形态、成因类型，将解译区地貌划分为构造侵蚀中山、构造侵蚀低山、构造剥蚀丘陵、黄土丘陵、冲洪积倾斜平原5种基本地貌类型(图7)。

图7 工作区地貌类型解译图

4 岩土体类型解译

4.1 解译方法

本次岩土体解译在计算机上进行全像素地质解译，以便能够尽可能多地获取信息。遥感解译遵循由已知到未知、由简单到复杂的原则。使用到的解译方法有直接解译法、对比法、逻辑推理法、图像处理法。

通过影像处理后进行初步岩土体类型判别和解译，根据影像的形状、大小、色调、纹理、图案、阴影、布局和位置等建立各类岩土体解译标志，随后进行野外实地验证，结合验证成果进行整个工作区的全面岩土体类型解译，是一个解译-验证-再解译的反复过程。在解译的基础上，结合收集的相关资料，并查询不同岩土体的工程地质特征，进行综合研究划分出岩土体分类图。

4.2 解译标志

通过结合影像特征和岩土工程特性解译并建立了松散土体类、半坚硬岩类、坚硬岩类3类，共8个工程地质岩土体(组)的解译标志，影像特征如下：

4.2.1 松散土体类

(1) 粘性土多层结构土体解译标志

在遥感影像上呈浅黄色，黄褐色，地势平坦，沿河分布，居民点多，农田多成块状，如图8。

图8 粘性土多层结构土体影像

(2) 黄土单层土体解译标志

在遥感影像上呈土黄色，黄绿色，黄土冲沟密度高，景观破碎度高，成树枝状和羽状，水系密集，沟壑中植被发育，如图9。

图9 黄土单层土体影像

(3) 黄土类单层土体解译标志

在遥感影像上呈土褐色，有黄土冲沟，冲沟稀疏，呈平行分布，植被稀疏，多为斑块状梯田，如图10。

图10 黄土类单层土体影像

4.2.2 半坚硬岩类

(1) 石英砂岩-泥页岩岩组解译标志

在遥感影像上呈深黄褐色、黄绿色，色调不均一，饱和度中度偏高，影纹较粗糙，山脊为长条状，植被稀疏，平行状水系，水系分布不均匀，具条带状、斑块状影纹图案，如图11。

图11 石英砂岩-泥页岩岩组影像

(2) 铝土页岩-铝土矿层岩体解译标志

在遥感影像上呈黄褐色，色调不均一，圆形斑块密集，植被稀疏。人类活动工程痕迹明显，如图12。

图12 铝土页岩-铝土矿层岩组影像

(3) 砂岩-砂质页岩岩组解译标志

在遥感影像上呈浅绿色，色调较均一，饱和度中度偏低，影纹略显粗糙，植被较为稠密，羽状水系，水系分布较均匀，具条带状影纹图案，山脊多为长条状，如图13。

图13 砂岩-砂质页岩岩组影像

(4) 石英片岩岩体解译标志

在遥感影像上呈土褐色，色调较均一，饱和度中度偏低，影纹粗糙，斑状影纹图案，植被较为稀疏，断裂发育明显，格状水系，水系分布不均匀，山脊多为长条状，如图14。

图14 石英片岩岩体影像

4.2.3 坚硬岩类

石灰岩-白云岩组解译标志：

在遥感影像上呈深绿色，色调均一，饱和度中度偏高，影纹平滑，植被稠密，羽状、树枝状水系，水系分布均匀，具条带状、斑块状影纹图案。山脊多为长条状，较平直，略弯曲，山脊有分岔，如图15。

图15 石灰岩-白云岩岩组影像

4.3 解译成果分析

建立解译标志后，通过野外对比，对解译结果进行修正，随后进行全面解译，获得较为准确的解译成果。包括对不同的岩土体类型进行辨别和归类，并划分出松散土体类、半坚硬岩类、坚硬岩类3类8种岩土体类型(图16)。

图16 工作区岩土体类型解译图

5 地质灾害解译

5.1 解译方法

地质灾害体解译的原则是先“宏观”后“微观"，先“整体"后“局部”，先“已知”后“未知”，先“易"后“难"。先在影像上判读水系、居民点分布和交通道路等要素，然后根据这些要素逐条去解译，寻找连续的地貌形态突然被破坏地方，然后在被破坏的地方放大比例尺，按照解译标志标识。

5.2解译标志

5.2.1 滑坡地质灾害体解译标志

典型影像特征：滑坡在遥感图像上多呈簸箕形、舌形、椭圆形、长椅形、叠瓦形或不规则状等的平面形态，个别滑坡可以见到滑坡壁、滑坡台阶、滑坡舌、封闭洼地、大平台地形、反倾向台面地形、小台阶与平台相间等。且常表现为连续的地貌形态突然被破坏，由陡坡和缓坡两种地貌单元组成，坡体下方由于土体挤压，有时可见到高低不平的地貌，缓坡部分深冲沟发育，地形破碎。滑坡体上的植被与周围植被不一致，新滑坡体上植被稀少，在真彩色图像上呈灰白色。土质滑坡一般表现后壁圆滑，侧壁为大曲率弧形；岩质滑坡总体也呈弧形，但不甚圆滑，有时呈直线或者折线形，典型影像特征见图17。

图17 荒草岭滑坡影像

5.2.2 崩塌地质灾害体解译标志

典型影像特征：位于陡峻的山坡地段，一般在45°以上的陡坡前易发生，上陡下缓，崩塌体堆积在谷底或斜坡平缓地段，表面坎坷不平，具粗糙感；有时崩塌壁形成陡坎，受光照方向的影响，整个崩塌壁和崩塌体均被阴影所遮盖，影响崩塌微地貌的研究，但从其地貌部位和阴影的存在仍可推测其为崩塌。由于崩塌规模一般较小，在遥感图像上较难以识别，在解译区内解译崩塌时也比较困难，一般可在遥感影像上沿居民地、交通道路等解译，这些地方人工活动剧烈，致使崩塌发生较多，尤其是新崩塌，在影像上表现得较明显，其上基本没有植被发育。典型影像特征见图18。

图18 S237坞罗段崩塌影像

5.2.3 泥石流地质灾害体解译标志

典型影像特征：泥石流在平面上可以分为3个区：形成区、流通区和堆积区。平面上形态多样，其形成区和堆积区的形态不稳定。一般泥石流形成区呈瓢形、条带状或树枝状为多，山坡陡峻，松散固体物质丰富，常伴有滑坡、崩塌产生；通过区沟床较直，纵坡较形成区地段缓，但较堆积区地段陡，沟谷一般较窄，两侧山坡坡表较稳定；堆积区位于沟谷出口处，纵坡平缓，常形成洪积扇或冲出锥，洪积扇轮廓明显，呈浅色调，扇面无固定沟槽，多呈漫流状态。泥石流形态在遥感图像上比较容易辨认，通常标准型的泥石流流域可清楚地看到3个区的情况。典型泥石流沟影像见图19。

图19 西村镇圣水村泥石流影像

5.3 解译成果

通过对巩义地区的遥感影像进行解译，在1∶5万遥感影像图上解译出196处疑似地质灾害点，经实地逐点核查发现地质灾害及隐患点155处(图20)，其中崩塌地105处，滑坡17处，泥石流8处，地面塌陷25处，解译总体有效率达到79%。

图20 工作区地质灾害解译结果图

6 地质灾害分布规律分析

6.1 地貌与地质灾害

6.1.1 宏观地貌与地质灾害

155处地质灾害点发生在南部中低山区20处，发生在中南部构造剥蚀丘陵地区67处，发生在北部黄土丘陵地区60处，发生在倾斜平原8处(见表1)。

6.1.2 中、微观地貌与地质灾害

区内斜坡坡面形态可以划分为4个基本类型，即凸型、直线型、阶梯型和凹型。前两类属正向类型，后两类属负向类。凸凹型、凹凸型以及波型是4种基本坡型的组合形式。

表1 各地貌单元发育地质灾害统计表

在17处滑坡中有6处发生于正向类型坡；11处发生于负向坡型。其中凸型3个，直线型坡5个，阶梯形10个，凹型坡1个。

105处崩塌中有74处发生于正向类；31处发生于负向坡型。其中凸型坡10个，直线型坡64个，阶梯形坡16个，凹形坡15个(表2)。

表2 各类地貌单位上地质灾害统计表

由上可看出，阶梯形坡更易产生滑坡灾害，直线型坡更易产生崩塌灾害。负向类凹型和阶梯型斜坡相对正向斜坡来讲，由于受到沿斜坡走向方向应力支撑，应力集中程度减缓，稳定程度略有增高；正向类斜坡则相反，应力集中程度有所提高，稳定性在一定程度上不如负向坡。

17个滑坡中有13个发生在陡坡(斜坡坡度25°～60°)，有4个发生于陡崖(斜坡坡度>60°)。105个崩塌中有19个发生在陡坡，86个发生在陡崖(表3)。

表3 不同坡高区间地质灾害数量统计表

由上可知，滑坡发生的主要坡度区间为25°～60°，总共发育了13处，占整个滑坡总数的76.47%；崩塌在发生的坡度区间多在60°～90°，占总数的82%。

据研究表明，斜坡坡高与地质灾害的发生存在着明显的控制关系，斜坡坡顶、坡面、坡脚及谷底的应力状态会随着斜坡坡高的变化发生显著的变化，最终导致沟谷不同部位产生变形破坏。在各方面相同条件下，随着坡高的增大，坡体安全系数减小。

据资料统计(表4)，滑坡多发生在坡高10 m以上的斜坡带上，占整个滑坡总数的94.12%；崩塌在各个高度均有发生，总体数量相对较集中，在大于20 m高度总共发育有66处，多与人类切坡活动有关。

表4 不同坡高区间地质灾害数量统计表

6.2 岩土体与地质灾害

6.2.1 岩土体类型与地质灾害

区内黄土单层土体分布广泛，最南至最北均有分布，其特点是土质松散，粒间联结极弱，结构疏松，强度低，遇水软化，节理裂隙发育，特性决定了该层是研究区内最主要的易崩岩土体类型，有接近一半的崩塌均发生在该工程地质区中。

石英砂岩-泥页岩岩组在调查区的中部和中南部剥蚀构造丘陵区部分出露于地表，由于人类削坡建房、修路及矿业开发，致使原有的边坡受到破坏。由于该层多为软硬互层，不同岩性岩石力学强度差异较大，抗压强度与抗风化强度差异明显，表层往往风化强烈，近地表岩体多破碎，一旦形成凌空面，易发生崩塌或滑坡。

石灰岩-白云岩岩组岩性主要是奥陶系和寒武系的灰岩，其出露处多伴随着采石活动，因采石形成的高陡边坡多成为危岩体，为调查区内的崩塌多发区。

石英片岩岩组主要分布在南部中低山区，由于削坡修路、建房以及采石活动，致使该区边坡遭到破坏易发生滑坡、崩塌灾害，本次调查有少量滑坡、崩塌发生在该区。

6.2.2 岩土体组合结构与地质灾害

区内岩土体组合结构主要包括4种类型：单一黄土型，碎石土-粉质粘土型，土-基岩接触型，基岩型。岩土体组合结构决定了其变形破坏的方式和软弱结构面的位置，对滑动面的位置具有明显的控制作用。

(1) 单一黄土型

主要分布于黄河及伊洛河沿岸，该型结构稳定性主要与黄土的工程地质性质密切相关。在岩性方面，黄土质地松散，工程地质特性差，抗拉强度低，极易在临空面附近形成卸荷裂隙，导致崩塌。同时黄土遇水时强度急剧降低，有利于加剧卸荷裂隙的发展。

(2) 碎石土-粉质粘土型

该型结构主体为人工堆积的废石废渣等，内含少量的粉质粘土，主要分布在鲁庄、西村、新中、小关等镇。此类组合结构的稳定性与内部粉质粘土含量有关，粉质粘土含量高处结构更为致密，成为土层中的相对隔水层，在其接触带易形成含水量相对较高的软弱结构面，易发生滑坡灾害。

(3) 土-基岩接触型

该型结构为上部残坡积物与下部基岩共同组成，多发育于丘陵区。下伏基岩是此种结构中控制滑坡的积极因素：一是岩土在工程地质性质上具显著差别，基岩力学强度大，抗滑能力强，稳定性高，多成为滑坡剪出口的下伏稳定地层；二是基岩的隔水性能相对较好，地下水容易在基岩面上相对富集，易饱水，造成基岩之上土体力学强度下降，转变为滑带。

(4) 基岩型

皆由基岩构成，分布基岩出露区。特点是大多沿岩层层面、断裂破碎带、节理裂隙密集带以及强度较低、塑性变形较强的软弱夹层发生崩塌或滑坡，诱发因素多为采矿活动导致。

7 结论

通过对研究区开展地形地貌、岩土体类型和地质灾害遥感解译，发挥了遥感技术优势，获得了常规调查方法难以获取的地貌和岩土体分类及特征信息，同时也基本摸清了区内地质灾害类型和空间分布情况，达到了预期目的。

通过野外对比验证，认为本次各项解译标志建立是较为准确的，能较好地反映出不同解译对象的主要特征。由于在遥感影像上便于识别后进行分区，可为下一步的地貌分区、工程地质分区、地质灾害危险性分区提供依据。

通过对本次解译结果的综合研究，分析了在各类地貌单元下地质灾害的空间分布情况及在不同的工程地质岩体中地质灾害的发育特征。分析结果有助于下一步进行工程地质选址，为治理、搬迁等防治工作提供依据。

遥感解译要与野外核查紧密结合才能有更好地解译效果，本次解译工作经过野外实际核查和遥感影像对比，分析其影像特征，增加了解译的成果转化率。相比常规调查手段，采用遥感解译不但节约了经费，而且极大地缩短了工作周期，提高了工作效率。

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E-mail:ljiyao@126.com

APPLICATIONOFREMOTESENSINGTECHNOLOGYINGEOMORPHOLOGYANDGEOTECHNICALFEATURERECOGNITIONANDANALYSISOFGEOLOGICALHAZARDSDISTRIBUTION

LIU Ji-yao，DOU Meng，WU Shao-jing

(Henan Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Certer, Zhengzhou 450053,China)

Remote sensing with its macroscopic, comprehensive, multi-scale and multi-level characteristics, has become indispensable in geology and geological exploration technology, on the basis of the geological survey, geological environment evaluation and play a more and more important role in such aspects as geological research. This by remote sensing interpretation method, combining with the ground test of workspace of geomorphic, geotechnical engineering, geological disaster identification and interpretation, by interpretation of the landform and the characteristics of rock mass classification for the analysis of the distribution of geological disasters, and achieved good results.

remote sensing; Interpretation key; geomorphology; rock and soil mass; engineering geology; geological disasters; distribution

X87

A

1006-4362(2017)03-0083-08

2017-03-11改回日期2017-05-13

刘纪尧(1982-)，男，河南郑州人，水工环工程师，主要从事环境地质、地质灾害调查评价、勘查治理工作。