黄土地震滑坡卫星影像识别方法

常晁瑜,杨 顺,薄景山,段玉石,乔 峰

(1.中国地震局工程力学研究所,中国地震局地震工程与工程振动重点研究室,黑龙江 哈尔滨 150080;2.防灾科技学院,河北 三河 065201;3.宁夏回族自治区地震局,宁夏 银川 750001)

0 引言

黄土的成因和结构决定了其特有的动力易损性,历次发生在黄土地区的中强震均诱发了数量众多的地震滑坡,这些滑坡破坏道路、拥塞河流、摧毁房屋,造成大量的人员伤亡,给灾区带来难以估量的损失[1-5]。为精确分析黄土高原历史强震诱发黄土滑坡的分布特征,探寻黄土地震滑坡的动态演化机制和成灾模式,最大限度地减轻地震灾害可能导致的难以预期的人员伤亡和社会经济损失,需要对历史强震诱发的黄土滑坡进行详细的编录。

在进行地震滑坡编录时,通常利用人工野外调查、基于卫星影像的人工目视解译方法和基于震后高清遥感影像的自动提取解译等方法。历史强震诱发的黄土滑坡年代久远,地震发生时无高清的遥感影像;且人工野外调查受到道路交通不便和高山险阻等因素的限制,面对数量众多、分布范围分散的地震滑坡时费时费力。在此背景下,基于卫星影像的地震滑坡人工目视解译方法成为了历史强震诱发黄土滑坡编录的主要方法,卫星识别技术具有覆盖范围大,受限制条件少,获取信息快等优点,在滑坡编录中有着重要作用:不但可以加快地震滑坡编录的进度,还可以在配合人工野外调查时提供滑坡大致方位及路况情况,为有效开展科学应急服务的部署提供决策支持。

近年来,在国内外地震发生后,学者们多次利用卫星影像对地震诱发滑坡进行了识别,快速地对地震诱发滑坡的数量和分布进行了分析,如李为乐等[6]、许冲等[7]利用Google Earth提供的多源高精度卫星影像对 1920年海原8.5级地震触发的黄土滑坡进行了详细解译；Sato等[8]、Xu[9]利用Google Earth卫星影像对2008年汶川地震诱发滑坡进行了解译与分析；Aksoy等[10]将面向对象的图像处理方法应用于滑坡识别和分类,得到了较好地应用。

在黄土地震滑坡解译中,如何在黄土重力滑坡、黄土崾岘等这些相似的卫星影像中区分黄土地震滑坡,直接影响识别滑坡的质量。然而,现有的黄土地震滑坡目视解译主观性较强,分析结果因人而异。因此,需要对黄土地震滑坡识别方法进行系统梳理和总结。本研究在长期野外调查滑坡的基础上,总结黄土地震滑坡的地貌和形态特征,归纳7个基于卫星影像识别黄土地震滑坡的标志,给出利用卫星地图提取地震滑坡基本要素的方法,并基于卫星影像对通渭地区的地震滑坡进行了识别及分析。

1 黄土地震滑坡地貌特征

由于所受主要外力和形成机理不同,相比于一般黄土重力滑坡,黄土地震滑坡表现出一系列迥异的地貌特征,主要地貌特征如下:

(1) 空间分布规律明显

地震不但为滑坡的发生提供外力作用,还震松土体,致使土体疲劳、软化或液化,降低岩土体的抗剪强度,增大地震滑坡发生的可能性。不同于一般黄土重力滑坡的孤立发生,黄土地震滑坡往往具有规模巨大、成群成带、丛集发育的特点。历次发生在黄土地区的中强震都引发了数量众多的滑坡(图1,2),这些群发的滑坡在空间展布上受到地震因素的影响显著,往往呈现出方向性效应、上下盘效应、距离效应和锚固段效应[11]。

图1 海原大地震烈度与地震滑坡分布Fig.1 Intensity of the Haiyuan earthquake and distribution of seismic landslides

(2) 平面形态规律明显

黄土地震滑坡受地震影响,能量大、滑距远、速度普遍较大、发生时间集中,土体破碎、抛掷现象明显。与重力滑坡平面形态多为圈椅形不同,黄土地震滑坡平面形态可以表现为圈椅形、半圆形、矩形、三角形、舌形、马蹄形、不规则形等平面形态[12](图3)。

图2 通渭地震烈度与地震滑坡分布图(王兰民)Fig.2 Intensity of the Tongwei earthquake and distribution of seismic landslides(WANG Lanmin)

图3 海原大地震诱发形态多样的滑坡群Fig.3 Landslide group induced by the Haiyuan earthquake

(3) 发育特征规律明显

由于黄土层内所夹的粉黏隔水层和下部基底的第三系层面均有滞水作用,成为润滑的滑动面,黄土地区地震滑坡多以黄土层内滑坡和顺层滑坡类型为主,在地震力和水的共同作用下,地震滑坡的滑动面角度较低。而且与重力滑坡受地形限制、发生在临水或含水量较大的斜坡中下部、多为低位滑坡不同,地震动在黄土坡面上具有震动放大作用,地震波从基岩传播到坡面,坡面中上部的坡肩部位往往数倍于输入值,因此,地震滑坡的失稳往往发生在坡肩部位,即发生在斜坡的高位。如图4所示。

图4 重力滑坡(左)与地震滑坡(右)对比Fig.4 Gravity landslide(left) vs.seismic landslide(right)

(4) 伴生水文特征明显

黄土地震滑坡发生受地质条件影响,在河流两岸发育较多,这些滑坡体前冲,堵塞河道,常常形成堰塞湖或导致河流方向突发变化、局部河道突然变窄等伴生性水文特征。

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2 黄土地震滑坡卫星影像识别标志

黄土地震滑坡通常具有规模大、分布范围广、滑体平缓、滑距长、破坏强的特点,在卫星影像上表现出受灾区域分布密集、掩埋破坏强烈、色调特征鲜明、几何形态显著、纹理变化清晰等特征。黄土地区降雨量少,植被覆盖也少,黄土地震滑坡大部分改变很小,轮廓清晰可见,滑坡特征在卫星图上较明显。基于上述特征的分析,可以利用滑坡的形状、纹理、高程、色调和布局等多种影像特征,识别滑坡并获取滑坡信息。

2.1 平面形态标志

滑坡的形态是解译的基础,在卫星影像上,滑坡的形态特征显示较为清楚,是识别滑坡的典型标志。常见的平面形态有矩形、舌形、三角形、马蹄形、复合形等多种形态。黄土地区因其降雨量小,植被覆盖也少,滑坡形态改变较小,即使有些地震滑坡距今已有数百年时间,但在卫星影响上其平面形态标志依然非常明显。平面形态标志是识别滑坡的先决标志，如图5、图6所示。

图5 矩形滑坡Fig.5 Rectangular landslide

图6 三角形滑坡Fig.6 Triangle landslide

2.2 影像色调标志

卫星影像上,高差剧烈变化或封闭洼地积水时,颜色通常较深,平缓地区一般呈浅色色调。地震滑坡具有陡后壁、缓滑体的特点,后壁和侧壁陡峭,高程变化较大,色调通常比滑体和未滑区域深。以夏季为例,由于表层植被存在,黄土地区整体以浅绿色调为主,滑坡圈椅状后壁和侧壁一深绿色为主,区别明显,是滑坡识别的重要标志，如图7所示。

图7 滑坡的色调标志Fig.7 Tone mark of landslide

2.3 影像纹理标志

黄土地区在斜坡上常被人为改造为梯田,等高线上呈现平行的连续条状纹理,卫星影像上滑坡发生的位置一般表现出条状纹理突然终止或者错位,是识别地震滑坡的重要标志，如图8所示。

图8 滑坡的纹理标志Fig.8 Texture mark of landslide

2.4 水文特征标志

地震滑坡发生时,滑体前冲,受河流地形的阻止,滑坡体常常堵塞河道,形成堰塞湖。堰塞湖、河流方向突发变化、局部河道突然变窄等水文特征,均是地震滑坡的良好识别标志，如图9所示。

图9 滑坡的水文特征标志Fig.9 Hydrological mark of landslide

2.5 剖面形态标志

地震滑坡后壁和侧壁一般比滑体高,圈椅状构造明显,滑坡垂直主滑方向的剖面即滑坡左右侧壁之间的剖面在剖面图上呈中间低、两边高,这是滑坡解译的必要标志，如图10所示。

图10 滑坡剖面形态标志Fig.10 Profile morphology of landslide

2.6 冲沟发育标志

由于黄土特殊水敏性,暂时性线状水流侵蚀作用即可形成冲沟,导致黄土地区冲沟发育。这些天然冲沟多狭而深,平面分布多呈树枝状,如图11所示。群发性的地震滑坡发生后,滑体堵塞河道、掩埋深沟,导致冲沟改道或转向,失去树枝状平面分布。且滑体上双沟同源现象明显,可以作为地震滑坡的辅助识别标志，如图12所示。

图11 未发生滑坡的冲沟形态Fig.11 Gully form without landslide

图12 发生滑坡的冲沟形态Fig.12 Gully form with landslide

2.7 空间分布标志

地震滑坡具有群发性,且沿沟谷发育,分布相对集中,山沟相隔,依山分布,在卫星解译滑坡时,沿着每一条山沟识别,则解译的滑坡相对全面,可以作为地震滑坡的辅助识别标志，如图13所示。

图13 滑坡的分布特征标志Fig.13 Distribution characteristics of landslide

3 应用实例

通渭地区地形地貌复杂、地质构造活跃,1654 年甘肃天水8 级大地震、1718年通渭7级大地震和1920年海原8级大地震均在通渭县境内诱发了成群的黄土地震滑坡,这些滑坡的编录对于研究同震滑坡和非同震滑坡规律具有重要意义。因此,利用上文所叙述的滑坡识别标志,解译得到通渭地区地震滑坡188处，所识别出的地震滑坡在卫星图位置如图14所示。

图14 通渭地区滑坡分布Fig.14 Landslide distribution in Tongyu area

利用卫星地图解译功能,提取了这188处地震滑坡的基本要素,包括滑坡经纬度、高程、长度、宽度、面积、坡向、主滑方向、原始坡高、原始坡角、滑坡体坡角和剖面形态,因文章篇幅限制,仅展示10组数据,如表1所列。将通过卫星影像解译得到数据与野外调查数据[13]对比,误差在10%之内,可以认为通过卫星影像解译的数据真实可用。

表1 通渭地区地震滑坡基本要素表(部分)Table 1 Basic elements of seismic landslides in the Tongyu area(partial)

对188组滑坡数据进行统计分析,得到了188组滑坡的长度、宽度、面积、坡向、主滑方向、原始坡高、原始坡角、滑坡体坡角和剖面形态分布图,如图15～21所示。由图可知,通渭地区黄土地震滑坡长度较多分布在200～800 m,这些滑坡占总数的85.1%,1 000 m以上的滑坡有6个;滑坡宽度较多分布在0～600 m,宽度在这一范围内的滑坡占总数的97.3%,600 m以上的滑坡仅有5个;滑坡面积较多分布在0～20 000 m2,面积在这一范围内的滑坡占总数的80.9%,同时,有16处滑坡的面积超过35 000 m2,影响范围较大;发生滑坡的原始斜坡坡向主要是东西向,南北向极少,这受发震断层错断方式和黄土梁展布方向共同的影响。发生滑坡的斜坡高度集中在40～160 m,高度在这一范围内的滑坡占总数的91.5%,这是因为高度低于40 m的不容易发生滑坡,而高于160 m的斜坡本身不多,斜坡高于160 m的滑坡总数不多,仅有31处。发生滑坡的斜坡坡角在6°～24°较为集中,坡角在这一范围的滑坡占总数的97.3%；同时,小于6°的斜坡还有2处,说明地震作用下,坡角不大的斜坡同样有发生滑坡的危险,在抗震设防和城市规划中需要关注;发生滑坡的原始斜坡坡形不同,诱发的滑坡数量也不相同,剖面形态为“凹”形的斜坡上的滑坡数量多于“平直”形的和“凸”形的斜坡,说明地震滑坡的发生受原始斜坡剖面形态的影响。

图15 滑坡长度分布图Fig.15 Landslide length distribution

图16 滑坡宽度分布图Fig.16 Landslide width distribution

图17 滑坡面积分布图Fig.17 Landslide area distribution

图18 滑坡主滑方向玫瑰花图Fig.18 Rose diagram of main sliding direction of landslide

图19 原始斜坡高度分布图Fig.19 Distribution of original slope height

图20 原始斜坡坡角分布图Fig.20 Distribution of original slope angle

图21 原始斜坡剖面形态分布图Fig.21 Distribution of original slope profile

4 结语

基于卫星影像识别的准确解译是精确分析滑坡分布特征、探寻滑坡动态演化机制和成灾模式的基础,是最大限度地减轻地震灾害的关键因素,探寻快速有效的黄土地震滑坡卫星影像识别方法对滑坡解译具有现实指导意义。本文总结了黄土地震滑坡特有的空间分布特征、平面形态特征、地震滑坡发育特征和伴生水文特征,归纳了利用卫星影像识别黄土地震滑坡的平面形态标志、影像色调标志、影像纹理标志、水文特征标志、剖面形态标志、冲沟发育标志和空间分布标志等7种识别标志。

通过该方法,研究了通渭地区188组黄土地震滑坡的空间分布与规律,结果表明:

(1) 黄土地震滑坡卫星影像识别方法可以准确获得黄土地震滑坡空间位置,卫星影像获得的地貌数据与野外现场调查结果相近。这一方法可以在野外调查前寻找滑坡位置、野外调查中辅助测量地貌参数、野外调查结束后校核和补充滑坡参数,对同震滑坡的详细编录具有重要作用。

(2) 通渭地区黄土地震滑坡具有成群成带分布、缓坡发育、滑面角度小、滑动距离远、滑坡体体积大、滑动方向性明显等特点。