基于精细DEM 的崩塌滑坡灾害识别及主控因素分析——以雅鲁藏布江缝合带加查—朗县段为例*

王瑞琪 王学良 刘海洋 孙娟娟 王新辉 张 苏

( ①中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029)

( ②中国科学院大学 北京 100049)

( ③中国科学院地球科学研究院 北京 100029)

( ④北京洛斯达数字遥感技术有限公司 北京 100120)

( ⑤国网经济技术研究院有限公司 北京 102209)

0 引 言

雅鲁藏布江缝合带加查—朗县段位于青藏高原东南部，崩塌、滑坡等地质灾害十分发育，伴随着青藏高原地区人类工程的日益增多，该区域的地质灾害识别、发育特征与成因机理研究迫在眉睫，以求为后续的风险评估工作打下基础。

近年来，针对雅鲁藏布江缝合带的工程地质条件及地质灾害分布情况，有许多学者展开了调查研究。如张路青等( 2004) 对川藏公路南线八宿—林芝段滚石灾害进行了工程地质调查，给出了初步的防护建议; 袁广祥等( 2010) 对雅鲁藏布江大拐弯北部川藏公路地质灾害发育与分布开展了研究; 陈洪凯等( 2011) 运用层次分析法分析了川藏公路沿线的地质灾害的危险性，并建立了相应的评价模型和评价数据库; 吴瑞安等( 2017) 对川藏铁路加查—朗县段几处重大滑坡灾害进行了详细阐述; 李秀珍等( 2017) 结合现场调查和遥感解译等手段，研究了川藏交通廊道康定至林芝段滑坡崩塌的空间分布特征和危害方式。限于数据精度和工作程度等方面的原因，如何在研究区开展灾害面线上的精细识别和主控因素分析尚显不足。本文利用机载雷达获取了精细DEM( 10 m 分辨率) ，UAV 获取高清航摄数据，在已有的崩塌滑坡灾害遥感目视解译识别方法的基础上，提出了区域尺度上基于统计学方法的崩塌滑坡灾害的精细识别方法; 开展了研究区崩塌滑坡主控因素分析，尤其是各地形地貌因子对崩塌滑坡的影响程度，并进行了可靠性验证。

1 地质背景条件

加查—朗县段位于藏东南地区，雅鲁藏布江中上游地带，区内河流下切与侧蚀作用强烈，山高谷深，斜坡陡立，地形起伏大，坡体植被发育较少，岩体裸露。结合区域地质资料，区内分布有3 条与雅鲁藏布江缝合带大致平行的大型伴生断裂( 图1) ，新构造运动强烈，断裂带附近岩体破碎。区内岩性组成较为简单，主要出露千枚岩、砾岩和花岗岩。研究区主要位于雅鲁藏布江两岸，高程在3060～5330 m 之间，主要集中在3100～4400 m 的高程范围。在内外动力地质作用下，研究区容易发生崩塌、滑坡等地质灾害。

2 研究区地质灾害高精度识别

2.1 崩塌、滑坡点识别

研究区的崩塌、滑坡灾害的识别技术主要采取遥感技术，包括卫星遥感和无人机遥感技术( Mckean et al.，1991; Mantovani et al.，1996; Akgun et al.，2012; Scaioni et al.，2014; 黄海峰等，2017; 许强等，2018; 唐尧等，2019) 。数据来源主要为机载雷达获取的精细DEM 数据( 10 m 精度) 、高清航拍数据，以结合卫星遥感影像作为辅助数据。根据王学良( 2018) ，本文采用的历史崩塌滑坡识别方法步骤如下:( 1) 建立研究区的崩塌滑坡解译标志。主要依据高精度DEM 显示的历史崩塌、滑坡形态，辅以遥感影像的灾害特征，建立相应的解译标志。( 2) 利用ArcGIS 平台，遵循建立的解译标志，进行研究区的历史崩塌滑坡识别。( 3) 现场验证与成果完善，采用无人机和传统工程地质调查手段，进行现场验证，验证数为26 处，准确数为24 处，遥感解译准确率可达92.3%。( 4) 对解译的历史崩塌滑坡进行细化圈定，基于10 m 精度DEM，利用统计学方法，分析崩塌滑坡与各因素的相关性，从而形成精细地形数据的崩塌滑坡识别方法。

对研究区滑坡、崩塌灾害进行遥感解译，共计解译崩塌41 处，滑坡92 处，分布情况如图1 所示。

2.2 崩塌、滑坡规模识别

基于ArcGIS 平台，圈定崩塌滑坡的范围之后，可以在属性表中自动计算各灾害点的面积，为获取各灾害点的规模，还需获取崩塌滑坡的厚度。利用高精度DEM 数据，对这些崩塌滑坡截取剖面。滑坡深度的估算主要基于现场调查，依据滑坡前缘高差和后缘陡坎的高差，通过在GIS 中截取滑坡剖面并获取其陡坎高差实现，而崩塌堆积物主要呈锥形，其平均厚度取最大厚度值的二分之一。

图1 研究区崩塌滑坡识别结果Fig. 1 Identification results of collapse and landslides in the study area

研究区内部分滑坡由于风化作用，后缘陡坎已经渐趋平缓，后缘不存在明显陡坎，而能够在坡脚形成堆积体的大型崩塌较少，因此选取其中50 处具有明显陡坎的滑坡以及6 处具有锥形堆积体的大型崩塌，共计56 处崩塌滑坡灾害点进行统计。分析发现灾害面积主要集中在105～106im2，占灾害总数的66.04%。将面积与厚度进行乘法计算后，发现灾害体积主要集中在105～107im3，占灾害总数的84.91%。

对这56 处崩塌滑坡的面积与规模进行分析，发现地质灾害体积与面积大致呈现指数关系，Larsen et al. ( 2010) 认为，滑坡( 包括岩质滑坡和土质滑坡) 的体积和面积满足V = αAλ，对统计结果进行拟合( 图2) ，根据拟合结果，α = 5.6367，λ = 1.154，R2= 0.7558，即V = 5.636 7A1.154，拟合效果较好，反映了数据的准确性和规律性，并可以通过此公式估算区内崩塌滑坡体积。

图2 研究区地质灾害体积与面积关系拟合Fig. 2 Fitting curve of geological hazard volume and area

3 研究区崩塌滑坡发育主控因素分析

3.1 地层岩性

崩塌主要集中发育在花岗岩、砾岩等硬脆岩体之中( Wang et al.，2012，2014) 研究区的41 处崩塌均发生在硬脆的砾岩和花岗岩区域，花岗岩位于高海拔位置，坡度通常较大，受到内外动力地质作用，极易发生崩塌，砾岩岩体由于坡度较陡也常伴有崩塌发生，多为中型崩塌。千枚岩具有千枚构造，在构造作用下，岩体破碎，且坡度通常较缓，因而92 处滑坡均在千枚岩中，以中型滑坡为主，边界通常为硬岩和软岩的接触界面( 图3) 。

图3 研究区特征剖面( 扎西林村)Fig. 3 Typical section of the study area( Zhaxilin Village)

3.2 地质构造

区内伴生雅鲁藏布江缝合带的断裂，走向呈现近东西向，其倾向大致为180°～220°，倾角在65°左右，断裂带对区内地质灾害发育具有控制作用。

3.2.1 断层

结合现场对断层位置的进一步确认和修正，对92 处滑坡与断裂的相对位置进行统计分析发现，以断层为前边界的牵引式滑坡数量最多，有46 处，占滑坡总数的50%; 以断层为后边界的推动式滑坡最少，为13 处，约占滑坡总数的14.1%; 滑坡体前部和后部均有断层穿过的混合式滑坡为33 处，占滑坡总数的35.9%。对滑坡的滑坡方向与断裂的走向进行统计分析，发现有78 处滑坡的滑动方向垂直于断裂走向，约占滑坡总数的84.8%，如扎西林村滑坡、拉岗村滑坡等。在断裂带的影响下，断裂附近崩塌分布较为密集，且普遍规模较大。

3.2.2 岩体结构

研究区内主要发育滑移式崩塌、倾倒式崩塌和拉裂式崩塌。以加查镇某崩塌点为例，分析该类崩塌的破坏模式和控制特征。崩塌点的破坏模式分析主要依靠无人机航摄技术，利用小型多旋翼无人机获取岩体的结构面信息( 刘海洋等，2017) 。工作区内高差大，为保证地面分辨率能达到设计要求，采取旁向65%重叠度，航向75%重叠度，航高大致保持在300 m。航空影像数据主要包括正射影像数据和三维模型影像数据。

三维模型的生产主要通过影像密集匹配，三角网构建、自动赋予纹理等步骤，最终得到三维模型。应用AgisoftPhotoscan 建模软件对三维模型进行制作加工，处理成果影像，完成三维实景模型制作( 图4a) 。选取岩体结构明显的部分坡体进行结构面提取分析，将点云数据以文本文件的形式，从Photoscan 中导入Coltop3D( 图4b) ，利用Coltop3D软件提取岩体结构产状信息。

图4 加查镇某崩塌三维点云模型Fig. 4 A 3D point cloud model of a collapse in Jiacha Town

此崩塌点以砾岩为主，砾石成分为花岗质，主要发育3 组结构面，其中J1为砾岩层面。利用Coltop软件进行产状统计，共统计57 条结构面。J1的产状统计中，最大值为199°∠46°，最小值为180°∠35°，均值为190°∠40°; J2的产状统计中，最大值为231°∠80°，最小值为208°∠59°，均值为221°∠74°; J3的产状统计中，最大值为289°∠90°，最小值为263°∠70°，均值为271°∠87°; 取均值作为这3 组结构面产状，即:J1=190°∠40°，J2=221°∠74°，J3=271°∠87°，坡面产状为203°∠50°。

统计3 组结构面间距，其中J1结构面间距在3.2～20.1 m 之间，在5 ～6 m 间距范围内的结构面较多，此外，间距范围在3 ～9 m 各间距范围内的结构面间距分布较均匀，均值为5.5 m，间距较小; J2结构面间距在1.3 ～10.7 m 之间，主要集中在4 ～5 m 之间，均值为8.5 m，间距较大; J3结构面间距在1.7～72.1 m 之间，主要集中在2～3 m 范围之间，均值为18.0 m，间距大。就斜坡整体而言，各组结构面间距较大，切割较为强烈，岩体较破碎，容易发生大块石的崩落。

图5 主要结构面的稳定性分析Fig. 5 Stability analysis of main structural planes

利用这57 条结构面的产状和坡面产状绘制赤平极射投影图( 图5) 。由于上半球投影较为常用，因而采用此投影方法。其中，绿色线段DO，EO，FO的方向分别为J1、J2、J3倾向，坡面倾向为MO，与J1产状相近。J1、J2、J3分别相交于A、B、C 3 点，连接3点与圆心O 点，形成的红色线段即为交线AO，BO和CO。根据李智毅等( 1994) ，J2与J3的交线BO倾向与坡面相近，但倾角大于坡角，因而不易沿J2、J3交线滑动; J1、J2交线AO 和J1、J3的交线CO 倾角均小于坡角，AO 位于J1、J2倾向线DO 和EO 的夹角之外，因而楔形体沿着J1发生滑动，J2仅起到切割作用; CO 在J1、J3倾向线DO 和FO 的夹角之外，因而楔形体沿J1发生滑动，J3同样仅起到切割作用。综合上述分析，结构面切割形成的楔形体主要沿J1发生滑移式崩塌。

3.3 地形地貌

分析崩塌滑坡识别结果可以发现，滑坡主要发育在雅鲁藏布江南岸以及北岸坡体的中下部，而崩塌主要发生在北岸坡体的中上部。控制崩塌、滑坡发生的地形地貌因素主要为坡度、坡向和高程，为准确确定崩塌、滑坡受坡度、坡向和高程的控制情况，对于崩塌物源区的2390 个栅格和滑坡面内的311 792 个栅格进行统计分析。利用ArcGIS 软件的转换工具和提取工具，将这些栅格的坡度、坡向以及高程信息提取至点文件。将坡度数据按5°间隔，划分为18 个等级; 将坡向按照20°间隔，划分为18 个等级; 将高程按照100 m 间隔，划分为24 个等级。

按照这个分类对于全区内坡度、坡向和高程数据进行重分类，并统计各数据范围内的面积，以崩塌和滑坡面范围内各坡度、坡向、高程内的栅格面积与区内各坡度、坡向、高程范围内的栅格面积作比，作为崩塌和滑坡的面密度，由于每个栅格面积相同，即可转化为栅格个数的比值。

分析发现，在0°～80°的坡度范围内，崩塌面密度随坡度上升而大致呈现增大趋势，而滑坡面密度在20°～25°坡度范围内之间呈现一个峰值，而后随坡度上升呈现下降趋势( 图6) 。不同坡向的崩塌面密度变化趋势与崩塌数量一致，主要分布在140°～260°的坡向范围内; 滑坡面密度与坡向关系较小，不同坡度范围内滑坡分布较为离散( 图7) 。崩塌面密度随高程上升而大致呈现增大趋势，主要分布在3800～4900 m 高程范围内; 滑坡在3200～4000 m 高程范围内的分布情况较为分散，在3800 m 以下和4000 m 以上坡度范围内滑坡面密度较低( 图8) 。

图6 灾害与坡度关系图Fig. 6 Relationship between hazards and slope

图7 灾害与坡向关系图Fig. 7 Relationship between hazards and slope direction

图8 灾害与高程关系图Fig. 8 Relationship between hazards and elevation

为研究各因子对崩塌滑坡发生的影响程度，应用曲线下面积法( AUC，Area Under the Curve) 。以各因子不同等级栅格累计比值为横轴，灾害( 崩塌或滑坡) 栅格累计比值为纵轴，面密度从高到低排列，用每组的面密度值高低表征发生崩塌或滑坡可能性的大小。利用Origin2019 专业绘图软件，对两组数据绘制折线图，即为受试者工作特征曲线( ROC曲线，Receiver-operating Characteristic Curve) 。

对于各ROC 曲线求其AUC 值，分析发现，针对坡度而言，崩塌的AUC 值为0.914，略大于滑坡的AUC 值( 0.835) ，表明坡度对于崩塌的控制作用明显大于滑坡; 就坡向和高程而言，崩塌的AUC( 0.787 和0.848) 值均远大于滑坡AUC 值( 0.528和0.682) ，表明坡向和高程对于崩塌具有一定的控制作用，而对滑坡的影响更小。因此，可以认为研究区内的崩塌由坡度、坡向和高程共同控制，其中坡度为主控因素; 而滑坡与坡度的相关性较大，高程和坡向对滑坡的发育具有一定的影响，但影响较小。

4 结 论

(1) 利用遥感影像数据与10 m 精度无人机航摄数据，对崩塌滑坡进行识别，共计解译崩塌41 处，滑坡92 处，在构造作用和岩性控制下，呈现条带状分布。崩塌主要集中在断层带附近的砾岩、花岗岩岩体，以滑移式崩塌为主，而滑坡主要发育在千枚岩区域，以牵引型为主，84.8%的滑坡滑动方向与断裂走向大致垂直。

(2) 基于10 m 精度的DEM 数据，通过截取崩塌滑坡剖面获取其厚度( 或深度) ，发现区内崩塌滑坡的体积和面积满足公式V=5.636 7A1.154，拟合效果较好，可为崩塌滑坡灾害的规律识别提供参考。

(3) 从地层岩性、地质构造、地形地貌3 个方面分析崩塌的主控因素，表明崩塌的主控因素较多，地层岩性决定了研究区崩塌和滑坡的发育类型，地形中的坡度、坡向和高程因素均对崩塌的形成重要影响作用，其中，坡度与崩塌发生的相关性最大，滑坡的发育受断层的控制作用明显，地形地貌中的坡度因子对滑坡影响作用较大，而坡向和高程对于滑坡的贡献较小。