基于遥感影像和DEM的后退式滑坡破坏黄土台塬进程及原因分析*

李政国，唐亚明，薛 强，隋立春，马 静

(1.长安大学，陕西 西安 710054；2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054；3.国土资源部黄土地质灾害重点实验室，陕西 西安 710054)

黑方台位于甘肃省永靖县，是灌溉诱发的黄土滑坡最为集中的区域[1]，数十年的滑坡灾害，造成41人死亡，100余人受伤，直接经济损失巨大[2]，在众多的滑坡中，有一类滑坡最为常见并具有典型性，该类滑坡主要发生在黄土层底部地下水相对较丰富的台塬边缘，从平面上看，此类黄土滑坡后侧边界严重凹向台塬内，呈半圆形甚至近圆形。而新滑坡大多呈突发性，并在已有滑坡的后侧发生，使台塬逐渐向内侧后退，形成大量的口小内大的圆，这类滑坡被称为渐进后退式黄土滑坡[3]。

黑方台是一个四周被割离的孤岛[4]，在渐进后退式滑坡的作用下，黑方台台塬边缘被不断侵蚀和破坏，整体呈内缩状态。众多的学者对黑方台滑坡进行了大量研究，其研究范围涉及黄土滑坡系统分析[5]、滑坡发生机理[6-7]、稳定性评价[8-10]、地下水分析[11-12]、模拟分析[13-14]、实验测试[15]、滑距分析[16]、黄土滑坡防治措施[17]等各个方面，成为黄土滑坡研究最为集中的地域之一，被称为“现代滑坡天然实验室”[11]。

不合理的灌溉方式引发的地下水抬升是黑方台滑坡发生的根本原因[18]，其对黑方台台塬的影响主要表现在两个方面，一是台塬平面高程的损失，二是台塬面积的的减少。前者表现为台塬面的的沉陷(塌陷)，已有大量的学者对此进行研究[19-25]，而对后者的研究鲜见，究其原因，历史资料的缺乏是最重要的原因之一，但历史遥感影像的出现，使得这类研究成为可能。

以往遥感技术应用于黑方台的研究，大多限于单期次的应用[26]，至多到2～3期，且绝大部分以2000年后时间段为主，对黑方台的整个过程变化极少涉及，即使涉及，也仅仅是文字记述，缺少详细的数据支持。本文利用1964-2010年50年间不同国别、不同卫星、不同分辨率、不同时间的多期遥感影像，以及1977年、1997年、2001年三期的地形测绘数据，分析伴随滑坡地质灾害的发生、发展，黑方台台塬的变化过程。

1 研究区与数据源

1.1 研究区概况

黑方台台塬周缘发育滑坡35处，集中分布于黑方台台塬南侧，包括焦家滑坡群、黄茨滑坡群、水管所滑坡群和方台滑坡群等四个滑坡群(图1)。其中焦家湾滑坡17处(编号JH1～JH17)；野狐沟滑坡3处(编号YH1～YH3)；黄茨村滑坡2处(编号HH1～HH2)萍牲滑坡1处(编号PH)；加油站滑坡1处(编号JYH)；党川村滑坡2处(编号DH1～DH2)水管所滑坡3处(编号SH～SH2)；方台村滑坡3处(编号FH1～FH3)，磨石沟滑坡3处(编号MH1，MH3，MH5)。除3处滑坡位于黑方台台塬北侧的磨石沟外，黑方台南缘滑坡数量占黑方台滑坡总量的88.5%。

图1 黑方台滑坡灾害分布

遥感卫星国别成像时间分辨率/m配准精度(像素)D/mKH-4A美国1964-08-102.72-KH-7美国1967-02-090.623.04KH-4B美国1971-05-311.823.75KH-9_01美国1973-11-24913.71KH-9_02美国1975-07-15914.06KATE-200俄罗斯(苏联)1982-05-06300.53.74KFA-1000俄罗斯(苏联)1984-08-28322.04TM美国1991-06-25300.54.48TM美国1995-11-11300.52.79TM美国2000-03-29300.55.15QuickBird美国2004-07-110.622.552004-12-15WorldView2美国2010-10-200.542.23

1.2 遥感影像数据源

选择研究区1964-2010年期间美国和俄罗斯(苏联)的12期遥感影像，贯穿黑方台移民开发及周缘滑坡发育的全过程。包括美国锁眼(Keyhole)系列卫星影像KH-4A、KH-7、KH-4B、KH9_01、KH9_02，TM(Thematic Mapper)卫星影像，高分辨率的快鸟(Quickbird)影像和WorldView 2影像，俄罗斯(苏联)的遥感影像为KATE200和KFA1000。遥感数据的成像时间、分辨率如表1所示。

1.3 DEM数据源

1970年代以来，甘肃省测绘局针对黑方台地区进行了三次3次航空摄影测量工作，获取了1977年、1997年和2001年3幅1∶ 10 000比例尺地形图，经处理后得到5 m × 5 m的DEM数据(表2)。

表2 黑方台3期DEM数据

2 数据处理及研究方法

2.1 数据处理

2.1.1 遥感数据处理

对研究区1977、1997、2001年的1∶ 10 000数字线划图(DLG)资料进行配准和误差校正，提取控制点，以地形图数据对时间上相邻最近的遥感影像进行校正，然后通过控制点和同名地物点对其它遥感图像进行校正，并检查配准误差和同名地物实际距离差。

2.1.2 遥感数据处理误差分析

遥感数据的处理精度关系到后续分析的数据精度，研究区12期时间序列遥感影像来源于不同国家、不同卫星、不同时间，时间跨度长，空间分辨率差异大，对影像的配准精度要求较高，因而精度控制非常困难，通常意义上，遥感影像控制点配准的精度为1～2个像素，本文对数据处理的相对精度要求较高，根据遥感影像的空间分辨率，配准精度要求达到式(1)要求：

(1)

式中：RE为配准误差；P为像素；SR为遥感影像空间分辨率。

近50年来，黄土沉陷效应使得本地区的地形地物变化比较大，平面位置相对不变的黄河大桥是少数的可视为位置固定的地面标志物，因此以1964年黄河大桥桥身为线状基准地物，测量其它时期影像中同一桥梁位置关系，以衡量同名地物相对位置变化程度，满足式(2)要求：

D≤5.4 m(2个像素)。

(2)

式中：D为同名地物实际距离差。

影像配准精度和同名地物实际距离差共同代表了12期不同源遥感数据的平面精度，其实际误差值测量值如表1所示，所有的误差值均在允许范围内。

2.1.3 1964-2010年12期遥感数据

经过预处理的12期遥感影像中，锁眼(Keyhole)系列是单波段影像，其它遥感图像为多光谱影像(图2)。

2.2 DEM数据处理

利用1977年、1997年和2001年3幅地形图等高线建立不规则三角网TIN(Triangulated Irregular Network)，然后把TIN转换成1 m×1 m格网DEM(图3)。

图2 黑方台12期历史遥感影像

图3 黑方台DEM数据

DEM遥感影像较差时间面积/m2时间面积/m2面积较差/m2百分比/%197710105218.841975-07-1510112245.647026.800.0719979862195.341995-11-119865047.622852.270.0320019831421.022000-03-299836456.025035.000.05

2.3 研究方法

后退式滑坡直接作用于黄土台塬的边缘地带，因此，黄土台塬的边缘线实际代表了后退式滑坡侵蚀的相对位置，研究多期遥感影像中台塬边缘的位置变化，可确定后退式滑坡对台塬的侵蚀变化过程。黑方台的农业灌溉始于1965-1968年间建成的提灌站，因此，1965年前黑方台周缘斜坡未被滑坡破坏，1964年的遥感影像提取的边缘可作为初始值，至2010年，台塬的边缘后退达到了100 m多(图4)。

图4 1964-2010年黑方台台塬边缘变化(局部)

2.3.1 多期遥感数据提取台塬边缘

以面向对象解译基础上，以半自动分析的方法结合专家决策确定边缘线位置。通过对12期图像的解译，获得各期的黑台与方台边缘线(图5)。

图5 黑方台12期边缘线

2.3.2 多期DEM提取台塬边缘

利用图4多期DEM数据提取不同时期的坡度数据(图6)，从坡度来看，黑方台台塬塬面的坡度基本在5°以内，从图4 DEM高程数据和等高线数据可知，黑方台塬面的高程在1 710 m～1 750m之间，利用高程和坡度数据，以式(3)提取黑方台塬面边缘线(图7)。

SH≤5°∩1710 m≤EH≤1750 m。

(3)

式中：SH为坡度；EH为高程。

3 滑坡破坏台塬分析

黑方台1963年开始接收安置库区移民，1966 -1968年建成3处高扬程泵站，自此之后，黑方台周缘逐渐开始出现滑坡并侵蚀破坏台塬。黄土台塬边缘的变化与面积变化息息相关，因此，以面积衡量黑方台后退式滑坡对台塬的破坏程度是一种有效的方法。

以1964年台塬面积为基准，利用12期遥感影像的提取的台塬面积统计，1964-2010年间，黑方台面积总计减少0.61 km2，约为5.87%。以3期DEM提取的台塬面积统计，截至2001年，黑方台面积减少0.52 km2，约为5.00%。

3.1 台塬变化趋势分析

从12期遥感影像提取的台塬面积(图8)变化趋势看，总体上，黑方台台塬的面积一直呈现逐渐减少的趋势，证明在这近50年的时间内，黑方台滑坡一直后退侵蚀台塬。

以1964年的遥感影像获得的台塬面积为背景值，结合3期DEM数据提取的台塬面积进行联合分析，从台塬面积的变化趋势(图9)来看，台塬面积仍然呈现减少的趋势，与历史遥感影像的结果一致，证明黑方台后退式滑坡对台塬的侵蚀是一直进行的。

3.2 验证分析

选择与DEM数据时间最近的遥感影像提取的台塬面积数据进行对比分析，所选数据源是分别是，1975年的KH_9_02卫星数据以及1995年和2000年的TM数据，分别与1977年、1997年、2001年的DEM数据提取的台塬面积进行较差分析，其面积差分别是： 7 026.80m2，2 852.27 m2，5 035.00 m2，均不超过0.1%，DEM数据是由严谨地形测绘技术获取，由DEM数据提取的台塬面积可信度非常高，从对比结果看，遥感分析的结果是比较准确的。

4 黑方台台塬破坏机制分析

黑方台是由黄土、粉质黏土、砂砾石、基岩组成的多层结构台塬，自上而下地层分别为：第四系晚更新统黄土层，垂直节理发育；中更新统冲积粉质黏土层，透水性弱；中更新统冲积砂砾石层，分选性好；最下部为下白垩统河口群砂泥岩(图10)。

黑方台作为一个旱台，本身缺少水资源，自移民搬迁上台塬之后，为发展农业大量提取黄河水用于农业灌溉，漫灌的方式将大量的水从台塬表面渗入地下，改变了黑方台水文地质条件。 在库区移民进入之前，黑方台几乎没有地下水(图10初期水位)。1968年以后，大面积的农业灌溉经表层进入节理裂隙发育的黄土，在相对不透水的冲积粉质黏土层形成滞水，致使水位逐渐上升(图10水位持续升高)，浸润黄土，使得黄土的强度降低，在台塬的边缘(特别是南缘)黄土层内形成滑坡，另外，春冬季的冻结效应，在地面表层形成一层厚约0.6 m的非永久冻土层(图10 非永久冻土层)，造成水位在排泄区进一步壅高(图10 水位壅高)，而在天气变暖融化过程中，在热胀冷缩及水的作用下，土体强度再次降低，冻融过程以年度为周期进行循环，进一步促进了滑坡的发育进程。台塬周边不断发生滑坡(图10滑坡多期滑动面)，一步步蚕食破坏台塬，台塬的的边缘逐渐内缩(图10 边缘后退)，导致台塬面积不断缩小。

图6 黑方台多期坡度图

图7 黑方台3期DEM边缘线图8 12期遥感影像提取的台塬面积图9 3期DEM提取的台塬面积(1964年8月为KH4A卫星数据)图10 黑方台台塬破坏分析

5 结论

本文利用1964-2010年间的12期历史遥感影像以及1977年、1997年、2001年三期地形数据提取黑方台台塬边缘线，分析了黑方台台塬在50年间的台塬边缘的后退过程，对因滑坡灾害而导致台塬破坏的程度进行了定量的分析，黑方台周缘后退式滑坡是黑方台台塬面积减少的主要因素。

(1)黑方台台塬面积一直处于减少的过程中，多期遥感影像分析结果表明，自1964年到2010年，黑方台台塬面积总计减少了0.61 km2。1977年、1997年、2001年三期地形数据分析结果证明：到2001年，黑方台面积减少了约0.52 km2，与同期的遥感数据进行验证分析，结果相一致。

(2)黑方台台面过量的农业灌溉和不合理的灌溉方式，导致台塬地下水位上升，浸润黄土，致使黄土结构强度降低，每年冬春季节的冻融作用加剧了这一过程，这一过程年际循环，致使台塬周围滑坡高发、频发，逐渐侵蚀台塬，导致台塬的边缘不断后退，造成了台塬面积的损失。