基于RS和GIS的三峡库区滑坡易发程度与土地利用变化的关系研究*

叶润青 李士垚 郭 飞 付小林 牛瑞卿

(①中国地质调查局武汉地质调查中心(中南地质科技创新中心)， 武汉 430205， 中国)(②三峡大学土木与建筑学院， 宜昌 443002， 中国)(③中国地质大学地球物理与空间信息学院， 武汉 430074， 中国)(④防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)， 宜昌 443002， 中国)

0 引 言

三峡工程规模之巨大、位置之重要、影响之深远，是我国乃至世界水利建设史上前所未有的，在防洪、发电和航运等多方面效益显著，然而三峡工程建设，给沿江地带乃至全流域生态与环境带来一系列的影响，斜坡岩土体灾害突出(Guo et al.，2016； 周家文等， 2019)，尤其滑坡灾害是库区广泛存在的地质问题，成为库区经济和社会发展的最大威胁和障碍，也是我国地质灾害的重点防治区域。三峡库区地质条件复杂，暴雨洪水频繁，受内、外动力共同作用，地质灾害广泛发育，地质灾害多发、频发。长江水道曾多次因崩塌、滑坡堵江断航，造成重大人员伤亡和经济损失，如1985年6月12日新滩滑坡(王治华等， 2017)。

三峡库区总共有5386处滑坡、崩塌地质灾害纳入三峡后续工作地质灾害防治，以滑坡为主，其中大型、特大型地质灾害1339处，包含涉水1945处。三峡工程建设期，库区大规模移民迁建和基础设施复建，以及2008年175m高水位试验性蓄水后，库水位每年在145～175m周期性升降，改变了三峡水库沿岸地质环境条件，使得三峡库区老滑坡出现复活，同时也产生了新生型滑坡，进一步加剧了库区地质灾害的发生。三峡库水自蓄水以来大量涉水老滑坡发生变形复活，如2003年蓄水至135m时，库区200余处滑坡产生变形(朱大鹏，2010)。如2003年三峡水库135m蓄水后秭归县境内长江支流青干河发生特大型顺层基岩滑坡，造成24人死亡， 1200人无家可归，毁坏4家工厂和129栋房屋(Jian et al.，2014)。库区滑坡形成不仅受地质条件和地貌条件(岩土类型、地质构造、地形地貌、水文地质等)控制，还受人类工程活动、降雨、库水等因素触发或影响(李军霞等， 2010； 韩贺鸣等， 2019)。其中降雨、岩性、坡度、前缘河流影响在滑坡发育中起主导作用，斜坡高度、人类工程活动等起重要作用。大规模的移民工程建设加剧库岸斜坡的改造和植被破坏，一定程度上改变了其岩土工程环境，不利于斜坡的稳定性。加之水库蓄水使得库水位抬升，加剧了水岩之间相互作用，弱化岩土体工程性质，以及雨季强降雨天气的影响，不断有滑坡险情出现(李松林等，2020)。库水位的变化期或者人类工程强烈活动区，叠加强降雨时易发生地质灾害险情，成为了三峡库区滑坡的两种最不利工况。在每年的5月至6月库水位快速消落期间，出现强降雨时容易导致滑坡变形甚至破坏(向玲等，2014； 黄达等，2017)。如2012年6月1日，黄莲树滑坡与曾家棚滑坡相继发生大规模滑移(李长明， 2013)，强降雨是诱发滑坡的主要因素，库水位的变化对滑坡变形位移的影响较大。

图1 研究区卫星影像(2000年)

随着遥感和GIS技术的发展，较多学者开始利用该技术手段分析人类工程活动引起土地利用类型改变与滑坡发育的关系，特别是在滑坡易发性或敏感性分析评价的指标选取中，逐渐重视利用遥感影像获取一部分评价因子。冯杭建等(2017)利用GIS技术与确定性系数分析方法对降雨型滑坡影响因子敏感性分析，得出住宅用地、耕地、园地等为易诱发滑坡的地类，植被覆盖也是影响滑坡敏感性的因素之一。杨光等(2019)将土地类型、植被覆盖度作为区域滑坡敏感性评价因子，当土地类型为耕地，归一化植被指数区间范围在0.2～0.3时，最有利于滑坡的发生。仉义星等(2019)利用高清影像、地形、钻孔和地质灾害等数据进行了地质灾害精细评估。但是，在目前尚缺乏土地利用(尤其是移民工程)及变化与滑坡发育的关系分析，有待建立土地利用与滑坡发育的内在联系，为土地利用变化作为滑坡易发性或者敏感性分析因子提供理论基础(Alcantara-Ayala et al.，2006； Bathurst et al.，2010； Meneses et al.，2019)。本文以三峡库区为例，通过多时相遥感影像获取三峡工程建设与水库蓄水前后的土地利用及变化，结合滑坡灾害调查结果，分析土地利用及其动态变化与滑坡发育的关系，为三峡库区土地利用规划与滑坡防治提供依据。

1 研究区及数据源

1.1 研究区概况

研究区为三峡库区首段秭归至巴东段长江干流岸坡，长江干流总长度77km，总面积732km2(王孔伟等， 2012)。区内地形坡度较陡，地质构造复杂，地层岩性多样，为地质灾害发育提供了地质环境条件(殷跃平等， 2004； 柴波等， 2009； 吴琼等， 2019)。研究区滑坡不仅受强降雨影响，人类工程活动也成为地质灾害的主导影响因素(尚敏等， 2019)。区内人类工程活动可分为：移民迁建，包括公路复建、移民新城镇、农村居民点建设； 农林经济活动，受工程建设和库水淹没影响，近些年斜坡上部毁林开荒广泛； 水利水电工程建设，包括大坝建设及水库蓄水； 采矿工程活动，主要有煤矿、石灰岩矿开采等。

1.2 遥感数据

库区人类工程活动的显著特点就是移民工程和水库蓄水，因蓄水导致了沿江城镇区、主要公路和大量耕地被淹没，而原地后靠的主导移民方式，对上部斜坡植被、岩土结构等破坏严重。因此，本文选择移民工程之前、移民工程基本完成和水库正常运行期间的3个时相的卫星影像(表1)作为数据源，分别是1987年 Landsat TM影像，获取于三峡大坝建设和移民迁建之前，用于移民迁建以前土地利用特征分析； 2000年Landsat ETM+影像，大坝建设过程中且移民工程基本完成，用于移民迁建分析； 2010年环境减灾卫星(HJ-1B)影像，水库已完成高水位蓄水，可分析库水淹没情况。为使不受季节性变化影响，选择获取时间均在4月至5月之间的遥感影像。

表1 研究采用遥感数据介绍

2 土地利用类型变化特征

多时相卫星影像土地利用类型动态变化监测方法：首先将不同时相影像在统一坐标系下(WGS84)进行校正和配准； 其次利用最大似然分类法(MLC)得到3个时相的土地利用分类图； 再次变化监测得到土地利用类型变化图； 最后分析不同时相影像的土地利用类型变化特征。

2.1 土地利用类型

经野外调查和影像分析，将研究区土地利用类型分为水体、植被、耕地和居民建筑地(或移民迁建区)4类。采用最大似然分类法获得1987年、2000年和2010年土地利用类型图(图2)。分类ROI样区选择是利用2006年高分辨率航空影像，地面分辨率达0.2m。通过遥感解译，选择不同土地利用类型区域作为分类学习样本。

图2 研究区多时相卫星影像土地利用分类图

由1987年影像土地利用类型图(图2a)可以看出：总体上是植被分布最广，耕地和居民建筑区所占面积比重少； 居民建筑区主要分布于巴东境内的巴东旧城区以及黄土坡，秭归境内则分布在归州河、香溪河、青干河等主要支流河口以及新滩附近； 耕地分布于城区附近及沿长江和主要支流的第一岸坡，远岸地区耕地少。

较之于1987年， 2000年土地利用类型(图2b)中居民建筑和耕地区范围明显增大，植被区面积减少，变化最大之处依然是巴东扇形区、秭归茅坪和三斗坪等移民迁建区。由于秭归新城和大坝建设，秭归茅坪和三斗坪出现大面积红色区，是研究区变化最大的区域； 其次是巴东城区建设由黄土坡延至西壤坡，城区绵延约数公里； 再次是新建了数个新集镇，如屈原镇、郭家坝镇、归州镇、沙镇溪镇等。耕地明显增多，并向远岸区域发展，水域面积基本不变。

2010年土地利用类型图(图2c)中最显著的变化就是长江及主流水面明显加宽，是水库蓄水所致，水库蓄水成为土地利用变化的主导因素。居民区和耕地与2000年相比，有所增多，但增幅变缓。

由表2和图3可以得到：近20年来研究区植被面积呈现单调下降趋势，由1987年的74.1%分别降到2000年的61.3%和2010年的52.4%，植被减少面积约158.8km2； 与植被相反，居民地建筑区面积呈现单调平稳增长态势，由1987年的3.69%增长到2000年的6.48%以及2010年的8.54%，居民建筑区面积增加了约35.5km2； 在20世纪90年代耕地面积快速增长(面积增加了约72km2)， 21世纪头10年基本维持不变； 受2003年以来水库蓄水影响，水域面积从蓄水前的5%～6%增长到2010年的13%左右(面积扩大了约54km2)。

图3 土地利用变化趋势

表2 多时相三峡库区土地利用变化

2.2 土地利用类型变化特征

将土地利用类型图像导入ArcGIS软件中，对分类图像中的土地利用类型赋值，然后采取栅格图像相减方式获得不同类型土地变化矢量图(图4)。

以1987年和2000年土地利用类型变化为例，将1987年和2000年影像分类结果中植被、居民地建筑、耕地和水体分布赋值为1、2、3、4和10、20、30、40，栅格相减后得到植被to耕地、植被to居民地、植被to植被等16种土地利用变化类型的类别相减值(表3)。变化类型用2个大写字母表示，大写字母R、F、V、W分别表示居住建筑用地(Resident)、耕地(Farmland)、植被(Vegetation)和水体(Water)英文单词的首字母，第1个和第2个大写字母分别表示变化前和变化后土地利用类型，例如“VR”表示由植被覆盖区变为居民建筑区。

表3 1987～2010年土地利用类型变化监测结果

由1987～2000年土地利用类型变化监测(图4a)分析得出，变化区域和未变化区域面积分别占35.19%和64.81%，其中人类工程活动面积的年平均增长速度为2.7%。在变化区域中，有研究区面积的18.55%和3.67%的植被变成了耕地和居民区，表明大坝建设和移民工程对植被破坏面积达162km2； 耕地面积由16.65%增加到26.43%，还有8.55%和1.22%的耕地分别变为植被(野外调查显示，主要是大面积脐橙种植所致)和居民建筑区。因此从1987～2000年新增的耕地面积约占研究区总面积的20%。居民建筑用地面积由3.69%增加到6.48%。

1987年和2010年土地利用类型变化(图4b)分析得出，变化区域和未变化区域面积分别占42.22%和57.78%，人类工程活动面积的年平均增长速度为0.7%。变化区域中有研究区总面积的18.53%和5.96%的植被变成了耕地和居民区。研究区的人类工程活动与2000年相比有所增强，但速度相对1987～2000年期间缓慢，主要是人口增长和经济社会发展所致。但是，三峡水库蓄水导致分别占总面积的1.96%、1.72%、4.24%的耕地、居民地和植被库水淹没，因蓄水导致土地利用变化量占总面积的7.92%，接近2000～2010年土地利用类型变化值，因此水库蓄水是导致2000～2010年间土地利用类型变化的主要因素。

4月19日，水利部部长、部抗震救灾领导小组组长陈雷主持召开水利部抗震救灾领导小组第二次全体会议，认真学习贯彻4月17日中共中央政治局常委会议重要部署和胡锦涛总书记关于抗震救灾的重要指示精神，进一步安排部署下一步水利抗震救灾工作。

图4 研究区1987～2010年土地利用变化图

表3中的土地利用变化类型，大致分为变化或未变化项两类。根据人类工程活动强度，土地利用未变化可认为是人类工程活动几乎保持不变，而土地利用发生变化的则可进一步分为人类工程活动增强或减弱两类。其中向人类工程活动增强方向变化的有耕地to居民地建筑(FR)、植被to居民地建筑(VR)、植被 to耕地(VF)，以及植被、耕地、居民地建筑to水体(VW、FW、RW)等。1987～2000年和1987～2010年人类工程活动向增强方向发展的面积比重分别是24.16%、34.29%； 向人类工程活动减弱方向变化的有耕地to植被(FV)、居民地建筑to植被(RV)、居民地建筑to耕地(RF)等， 1987～2000年和1987～2010年人类工程活动向减弱方向发展的面积分别是10.53%、7.74%。人类工程活动增强方向发展的面积远大于减弱变化的面积，表明1987～2010年期间研究区人类工程活动持续增强。

3 基于土地利用类型变化的滑坡易发性评价

为了定量反映土地利用类型变化与滑坡发育之间的关系，选择滑坡面积模数比(Rsi)来衡量，Rsi反映了一个地区滑坡的发育程度(陈才， 2019)：

设第i单元内滑坡体分布面积si，单元面积为Si，i单元内滑坡的面积模数ρsi； 研究区总面积为S，研究区内滑坡总面积是s，总面积模数为ρs，则第i单元面积模数比为：

Rsi=ρsi/ρs

(1)

式中：ρsi=si/Si，ρs=s/S。

当Rsi大于1时，值越大表示该状态下滑坡易发程度越高，与滑坡相关性越强；Rsi小于1，不易发生滑坡，当趋于0时滑坡几乎不发生。

3.1 不同土地利用类型的滑坡面积模数比

选取2000年影像土地利用分类结果研究滑坡发育与土地利用的关系，将土地利用图与滑坡面文件叠加，获得了滑坡区内土地利用类型。统计得到研究区和滑坡区的植被、耕地和居民地建筑分别占67.6%、27.9%、4.5%和51.4%、40.2%、8.4%，表明滑坡区内人类工程活动强度明显大于研究区。2000年每种类土地利用类型的滑坡面积模数比(表4)计算得出，Rsi值介于0.76～1.87之间，植被区、耕地和居民建筑区的Rsi值依次增大。

表4 土地利用类型的滑坡面积模数比

3.2 土地利用改变下滑坡面积模数比的变化规律

表5 土地利用变化类型面积模数比

(1)Rsi最大值为2.68，表明土地利用类型变化与滑坡具有很强的关联性，且相关性大于土地利用类型。

(2)土地利用类型变化区Rsi大于未变化区，尽管未变化的植被区面积最大，但是其Rsi数小(Rsi=0.77)。

(3)人类工程活动区域Rsi大于其他区域，且人类工程活动增强区域Rsi大于不变或减弱的区域。以原有土地利用类型是耕地为例，耕地to居民区(人类活动增强)、耕地to耕地(人类活动变化少或基本不变)、耕地to植被(人类工程活动减弱)的Rsi依次为2.68、2.08、1.28。

综上所述，土地利用类型变化与滑坡发育的关联性大，在滑坡分析和预测中不容忽视。

3.3 基于土地利用类型变化的滑坡易发程度区划

将基于土地利用变化计算的滑坡Rsi值大小划为3个等级：FR、FF、RF为滑坡易发性程度高的土地利用变化类型(Rsi>1.5)，FV、RV、RR、VF为滑坡易发性程度中等的变化类型(1.0

图5 基于Rsi的滑坡易发性分区图

高易发程度区主要分布在巴东城区、新滩附近，以及主要支流沿岸。以巴东和新滩附近区域(图6)为例，将滑坡边界叠加于分区图上显示，滑坡主要落在高、中Rsi值区域，表明此种滑坡易发程度分区与研究区滑坡发育程度相符，也说明了滑坡发育与土地利用类型有较好的正相关性，人类活动区域与滑坡发育有密切联系。

图6 巴东(a)和新滩(b)附近区域的叠加滑坡边界的滑坡易发性图

4 结论与讨论

一方面山区用地资源紧张，而滑坡区往往堆积层较厚、地形相对较平缓，人们往往向滑坡索要土地或者在滑体上建房等，易造成土地利用与滑坡灾害之间矛盾，甚至在某些地区(如三峡库区)这种矛盾较为突出。另一方面，由于三峡水库建设及蓄水运营，致使库区内人员迅速搬迁，从而开展了大规模的切坡、开挖等工程，对土地利用程度较高，破坏了原有的地质环境，对斜坡稳定性构成一定的影响，并诱发了较多的滑坡发生。本文通过多时相卫星影像土地利用分类和变化监测，获得了库首区秭归至巴东段的1987年(移民迁建之前)、2000年(移民工程建设基本完成)、2010年(水库高水位蓄水后)3个具有代表性时相的影像土地利用分类图，分析了近20余年来土地利用类型变化情况及其与滑坡发育之间的关系。

土地利用变化分析得出：近20年来植被呈现单调下降趋势，由1987年的74.1%分别降到2000年的61.3%和2010年的52.4%； 居民地建筑区面积呈现单调增长态势，由1987年的3.69%增长到2000年的6.48%以及2010年的8.54%； 耕地面积在20世纪90年代快速增长，而21世纪头10年基本维持不变； 水域面积则受2003年以来蓄水影响，从2003年以前的5%～6%增长到2010年的13%左右。

利用滑坡面积模数比分析滑坡发育与土地利用的关系，得出土地利用类型与滑坡发育有较大的相关性，滑坡区土地利用强度高于非滑坡区，滑坡发育程度与土地利用强度变化呈正相关关系。依据Rsi值将研究区滑坡易发程度划分为高、中、低3级，滑坡主要分布在高、中易发程度区域。研究表明在库区滑坡评价分析中，土地利用类型不容忽视。