3S技术支持下吕梁地区崩塌滑坡地质灾害调查及特征分析

曲彦明,马晋文,闫俊伟,刘 超,李小波

(中国冶金地质总局三局,山西 太原 030000)

近年来,过度的资源开发导致植被大量破坏,在自然与人为因素作用下,崩塌滑坡灾害发生频率逐渐提高,给人们生活造成较大影响。这些灾害形成的诱因是山体具有较强的不确定性非线性结构。山西省是崩塌滑坡灾害的高发区,分布范围广且数量多。其中,吕梁市地处山西省中西部,是能源开发的重点地带,也是灾情较为严重的区域。近年来,在城镇化推动下,城区建设用地少,不断向外扩张,大量居民在支沟中建房,破坏了本就脆弱的地质环境,加剧了灾害发生。这些建设用地大多数都没有进行危险评估,存在不合理性,改变了原有应力平衡,一旦发生崩塌滑坡灾害,损失程度将无法估量。因此,调查该地区的地质灾害分布情况,分析灾害规律特征,对灾害防治、减少损失具有重要意义。

针对上述问题,国内研究者提出了基于点空间格局算法的地质灾害特征分析方法。利用点空间格局方法中的最邻近点指数、空间分类函数等建立数字高程模型,构建空间分布图,将地质灾害点的分布情况在图中标记,运用GIS分析分布点特征,揭示灾害分布的空间规律[1]。国外学者将层次分析法用于灾害特征评价,从地质特征、环境特征和人为因素等方面选取多个指标因子,建立灾害特征评价体系,通过层次分析法分别计算指标权重,再结合GIS技术完成评价[2]。

随着计算机技术和地理信息技术的发展与交叉运用,由地理信息系统(Geographic Information System,GIS)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和遥感(Remote Sensing,RS)三者组合在一起的3S技术得到广泛应用,为崩塌滑坡等灾害的调查和分析提供了新的途径。

GIS是一种集测绘、信息等多种技术为一体的信息系统,具有采集、储存、分析地理数据的功能,可实现多源数据融合,通过构建数据库来确保数据安全,再利用决策模型完成数据分析,为相关部门提供决策依据;GPS则具备实时且持续的定位能力,可以快速获取目标位置,为目标地区的资源、土地等方面的调查提供便利工具;RS技术可以在很短时间内采集目标的光谱信息,同时提取出有价值性的数据,该技术具有较强的时效性,受环境影响较小,可以准确体现出目标的变化情况,是地质灾害分析过程中必不可少的技术[3]。基于上述3种技术的优势,本文在3S技术支持下完成了吕梁地区崩塌滑坡灾害的调查和特征分析,不但节省了调查的人力和时间,还能提高特征分析精度,为地质数据库更新和灾情预警提供依据,在防灾过程中发挥更大的作用。

1 调查区域背景分析

(1)地形地貌。吕梁市位于我国第三阶梯上的前缘区域,西邻黄河,东邻汾水,北部和忻州邻接,南部毗邻临汾。地势为北高南低,平均海拔+1 000 m,最高海拔+2 831 m。众多山脉起伏,地形多样,主要包括山地、丘陵以及平原。在山脊区域形成桦、松森林,山脊两旁大多有丘陵分布,雨水形成的冲沟较多。该地区的部分地形地貌如图1所示。

(2)气象水文。该地区属于大陆性季风气候,不同季节都有明显的特征,冬季时间较长,春季多风,夏季雨水量较多,秋季较为凉爽。年均日照量充足,平均气温在5 ℃,最低和最高气温分别出现在1月份和7月份。经过调查发现,吕梁地区的雨水时空分布不均匀,降水一般集中在7月、8月,且蒸发速度较快[4]。

图1 吕梁地区地形地貌Fig.1 Landform of the Lüliang area

(3)人类活动。近年来,因地区建设需要,大量的山林被开垦,地质环境遭到严重破坏,斜坡的稳定性逐渐下降,当遇持续降雨时,容易出现滑坡崩塌现象。该地的人类活动主要包括切坡修路、资源开采以及乡镇建设等。

2 3S技术下地质灾害调查分析方法

2.1 3S系统构建

在3S技术支持下,研发了崩塌滑坡灾害的数据采集系统,该系统可以满足灾害调查和特征分析工作的所有信息化需求。

结合调查工作的主要流程,该系统设置了桌面端和移动端2个数据管理模块,整体架构如图2所示。桌面端主要负责数据的上传工作,移动端则需完成数据的记录和编辑[5]。

图2 3S系统整体架构Fig.2 Overall architecture of the 3S system

2.2 3S技术实现

基于3S技术的崩塌滑坡灾害调查数据系统具体功能如图3所示。

(1)数据准备。利用桌面端模块,将地理数据、遥感影像、路线规划图等信息转换为矢量或栅格形式,导入到计算机中。另外,系统可提供数据的共享与下载服务。

(2)导航定点。基于GPS技术,利用取点导航的形式设计实时调查路线,根据地形特征,准确定位调查位置;结合调查目标类型,完成滑坡、崩塌等灾害点的分类[6]。

(3)数据录入。为满足调查技术需求,必须将调查数据标准且规范地录入系统中,代替传统纸质文件。如果描述信息较多,可开启语音录入功能,提高信息录入效率。此次研究录入的数据主要包括各灾害点的位置参数和特征参数等,完成录入后,建立的数据库如图4所示。

(4)实体勾绘。通过点、线、面形的绘图手法标注出调查点,勾绘出崩塌滑坡区域、危害面积以及滑动方向等信息。另外,勾绘过程中还能随时进行数据删除等操作,方便修改,有利于实时勾绘。

(5)平面图绘制。通过遥感技术采集地形环境、植被覆盖情况等信息,使用绘图软件进行套合。植被覆盖度是影响崩塌滑坡的关键因素[7-9],如果植被覆盖度高,则发生此类地质灾害的概率较小。本文通过遥感技术提取出能够体现植被生长状况的相关参数。

图4 崩塌滑坡灾害数据库示意Fig.4 Schematic diagram of collapse and landslide disaster database

例如,根据等密度模型可计算出植被覆盖度:

(1)

式中,NDVI为植被归一化系数;NDVImax和NDVIsoil分别为裸土区域最大和最小面积。

其中,NDVI从遥感影像中获取:

(2)

式中,r3、r4分别为遥感图像中红光与近红外的反射率。

通过平面图的绘制,反演出一些植被和地形特征,保证空间数据的准确性和实时性。

(6)拍照记录。在调查过程中,该系统能够将调查点和获取的照片自动关联,确定准确的照相位置等相关描述信息。

(7)调查路线采集。使用GPS技术,根据提前设置好的采样模式与采样时间,记录调查路线,便于路线查询。

(8)工作总结。根据调查情况,记录每天的工作情况,对调查结束的地点进行统计和汇总[10-14]。

(9)数据导出。利用桌面管理模块,将获取的数据和图片以文档形式导出。

3 3S技术支持下崩塌滑坡调查与特征分析

3.1 崩塌滑坡破坏模式特征分析

在3S技术支持下,分别对崩塌滑坡的破坏模式进行研究,通过了解地质灾害的演变过程,能够判断出危险区域。

(1)崩塌模式。通过上述调查发现,边坡处剥落现象尤为严重。在降雨作用下,边坡坡面由上至下进行冲刷,导致坡脚处的土体中含有较多水分,强度大大降低,崩塌程度比中、上部严重。在崩塌范围扩大情况下,容易出现内凹,导致坡脚逐渐失去支撑[15-17]。另外,中上部分生成裂隙,为雨水在坡体中扩散提供方便。在降雨持续冲刷下,拉裂面贯通,导致最终的崩塌。崩塌的破坏过程如图5所示。

图5 崩塌灾害演化模式示意Fig.5 Schematic diagram of collapse disaster evolution mode

(2)滑坡模式。滑坡通常发生在比较陡峭的斜坡处,坡型一般为直线形,坡体高度不高于50 m,滑面平直且出现较为明显的擦痕。浅层滑坡在植被发育较好的地方更容易发生,这是由于植物虽然对坡面形成保护作用,但也增加了坡面自重,且植物容易出现根劈现象。在暴雨发生时,雨水沿着植物根部迅速渗入,导致坡面含水量高,使裂缝进一步扩张,进而出现滑坡。滑坡灾害整体演变过程如图6所示。

3.2 崩塌滑坡规模参数幂律特征分析

对于崩塌滑坡等地质灾害的分析,灾害涉及的长、宽、面积等参数具有重要的研究价值[18-20]。本文利用3S技术获取斜坡表面的几何特征,根据这些指标判断滑坡规模以及造成的危害。

为准确获取灾害参数间存在的幂律特征,对吕梁地区发生灾害的相关参数进行关联分析,通过幂律公式完成拟合,计算公式如下:

(3)

式中,e、a分别为经验常数;VL、AL、L分别为灾害体积、面积和长度;Wa为灾害发生宽度。

(1)崩塌规模参数特征分析。利用上述公式计算出各参数之间的相关性,则崩塌面积和体积、长度以及宽度之间的拟合结果如图7所示。由图7可知,面积和长度、宽度、体积之间都具有相关性。其中,面积和体积的拟合性更强,幂律关系更加明显。这说明当崩塌面积越大时,崩塌的体积也会随之增大。

图7 崩塌灾害参数之间的幂律特征Fig.7 Power law characteristics between collapse disaster parameters

(2)滑坡规模参数。在滑坡灾害中,滑坡面积与长度、宽度、体积间的幂律特征如图8所示。

图8 滑坡灾害参数之间的幂律特征Fig.8 Power law characteristics of landslide hazard parameters

由图8可以看出,滑坡参数与崩塌参数之间的关系较为相似,滑坡面积与体积之间的拟合性最强,幂律特征最显著。

3.3 崩塌滑坡地质灾害空间分布特征

通过对以往灾害点的调查,利用值衡量灾害点在空间上的分布情况,该值能够描述灾害点的分散和聚集程度,计算公式如下:

(4)

式中,di为灾害点i和最近灾害点的间距;n为全部灾害点数量;B为目标区域整体面积。

Z值对应的聚集分散模式以及显著水平见表1。

吕梁地区崩塌滑坡灾害空间分布特征见表2。

分析表2可知,孝义市、临汾市以及灵石市地处平原地带,灾害发生的可能性较小,且灾害点非常分散,潜在灾害点也较少;交城县、古交市和文水县位于吕梁地区偏北区域,该区域土壤覆盖度很薄,且以花岗岩、灰岩为主,由于这些岩石硬度较大且完整性好,提高了稳定性,发生崩塌滑坡灾害的可能性也较小;临县的斜坡较多,比较容易发生灾害,但近年来人口逐渐迁移、人居密度小,减少了对环境的破坏,灾害点较为分散;晋源区与清徐县的人口密度较大,人类工程活动频繁,地质结构稳定性较差,是地质灾害的高发区,另外潜在的灾害点较多,需要采取合理的防灾措施。

3.4 崩塌滑坡地质灾害时间分布特征

结合调查结果和收集的相关资料,1年中地质灾害发生的时间分布如图9所示。

图9 吕梁地区地质灾害时间分布Fig.9 Time distribution of geological disasters in the Lüliang area

由图9可知,吕梁地区的崩塌滑坡大多发生在7—9月,其中8月份崩塌滑坡次数最多。这是因为这些月份降雨频繁,为当地的汛期,降水对地质灾害的作用较为强烈,因而增加了灾害风险。

4 结论

在3S技术支持下,对吕梁地区的崩塌滑坡灾害进行了调查与特征分析。利用3S技术建立数据采集系统,结合采集到的数据分析了该地区灾害发生模式,明确各灾害参数之间的幂律特征;挖掘出崩塌滑坡在空间和时间上的分布特点。研究结果有助于相关部门制定更加合理的防灾措施。针对当地具体情况,吕梁地区因该从生物控制与限制控制2个方面着手:①减少植被破坏,合理种植;②对当地发展提出限制条件,减少不必要的工程改造,从根本上减少灾害发生。