基于衛(wèi)星遙感的地質(zhì)災(zāi)害特征提取及實(shí)勘驗(yàn)證

陳 毫，黃啟林，張 權(quán)，陳志康，張雅婷，陳 琴，劉紀(jì)峰

(1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 福建 三明，365004； 2.三明市公路局，福建 三明，365000；3.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三明學(xué)院），福建 三明， 365004）

三明-南平區(qū)域是福建省滑坡災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，僅三明市每年由于滑坡災(zāi)害造成的損失就高達(dá)數(shù)千萬元，治理的費(fèi)用更高于此。 地質(zhì)災(zāi)害的識辯和預(yù)報(bào)預(yù)警一直是其防治的重點(diǎn)和難點(diǎn)，控制不好，極易造成重大損失[1-3]。 地質(zhì)災(zāi)害在遙感圖像上呈現(xiàn)的形態(tài)、色調(diào)、影紋結(jié)構(gòu)等均與周圍背景存在一定的區(qū)別，可利用這一特點(diǎn)對地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模、形態(tài)及孕育特征從遙感圖像上解譯圈定，具有可快速獲取大區(qū)域數(shù)據(jù)、減少野外工作量和成本、能更經(jīng)濟(jì)和高效地了解較大范圍的地質(zhì)災(zāi)害分布等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到專家學(xué)者的重視。 嚴(yán)惠[4]探討了遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和治理中的應(yīng)用；王云南等[5]總結(jié)了滑坡遙感解譯的研究進(jìn)展，分析了存在的不足并提出了解決辦法；蔣培蕩[6]通過MAPGIS 平臺對獲取的SPOT5 全色波段遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯， 在江西省永豐縣1∶50 000 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中取得較好效果；張幼瑩等[7]以地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)為例，提出了我國國產(chǎn)衛(wèi)星影像本底數(shù)據(jù)更新的實(shí)用方案；Ventura G 等[8]利用合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)對地表形變進(jìn)行了監(jiān)測；Yang 等[9]利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)對滑坡進(jìn)行了研究；Aksoy 等[10]將面向?qū)ο蟮膱D像處理方法應(yīng)用于滑坡識別和分類等。

以上研究成果，說明衛(wèi)星遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害識辯應(yīng)用方面的可行性和高效性，但目前衛(wèi)星遙感影像對地質(zhì)災(zāi)害識辯率還不夠高，擬基于谷歌衛(wèi)星地圖，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地踏勘，探索適合于三明市地形地貌的地質(zhì)災(zāi)害識辯方法，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)控提供技術(shù)支持。

1 調(diào)查區(qū)域概況

選擇東經(jīng) 117°30′50″、北緯 26°18′09″，東經(jīng) 117°43′00″、北緯 26°18′06″，東經(jīng) 117°30′48″、北緯26°10′31″，東經(jīng) 117°42′57″、北緯 26°10′27″所圍成的區(qū)域?yàn)檎{(diào)查區(qū)域，主要為三明市的梅列區(qū)、三元區(qū)轄區(qū)，重點(diǎn)調(diào)查區(qū)域?yàn)槭袇^(qū)沙溪河兩岸工程建設(shè)地點(diǎn)，包括房地產(chǎn)開發(fā)、土方回填、道路或隧道施工等處，主要調(diào)查區(qū)域的谷歌衛(wèi)星圖見圖1。由圖1 可知，沙溪河沿岸及G205 沿線各工程建設(shè)點(diǎn)，因工程活動(dòng)造成植被破壞，導(dǎo)致巖土體裸露面積較大，發(fā)生地災(zāi)的可能性較大。

圖1 主要調(diào)查區(qū)域的谷歌衛(wèi)星圖像

本區(qū)屬典型的中亞熱帶季風(fēng)氣候和中亞熱帶山地氣候區(qū)，降雨量充沛，季風(fēng)明顯、山地氣候顯著；1990-2016年來年平均降雨量1 696.2 mm，降雨時(shí)空分布不均，降雨過程主要集中在3-8月間、尤以5、6月為甚，據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)雨季降雨量約占全年降水量的73.71%，5-6月份降水最多，約占全年降水量的31.19%。

調(diào)查區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，主要河流為沙溪，隸屬閩江流域，自西南向東北流經(jīng)本區(qū)。沙溪河屬雨水補(bǔ)給型河流，大氣降水為其主要補(bǔ)給來源，地下水為次要的補(bǔ)給來源，平均徑流模數(shù)36.88 L/(s·km2)；其流量隨流程增長而加大，水位受大氣降水的控制，有年、季、月的變化，洪水多發(fā)生在5-7月，暴雨季節(jié)，山洪爆發(fā)，河水位猛漲，流量猛增，但雨后水位、流量很快恢復(fù)正常；最大流速3.75 m/s，最小流速0.36 m/s。 沙溪河支系發(fā)育，呈樹枝狀分布，調(diào)查區(qū)主要支流有碧溪、焦溪、臺溪、東牙溪等，匯入干流沙溪河。

調(diào)查區(qū)位于三明市城區(qū)沙溪河山間盆地及兩岸，地貌上以河流階地和剝蝕丘陵為主。 總體地勢是南西高、北東低，沙溪河自南西向北東逕流，最低點(diǎn)位于調(diào)查區(qū)北東部沙溪河西岸，海拔標(biāo)高約120 m，最高點(diǎn)位于調(diào)查區(qū)東南部，海拔標(biāo)高為512.6 m。 沙溪河西岸海拔高程在120～330 m，東岸海拔高程在130～510 m。 調(diào)查區(qū)以外為低山、中低山區(qū)，向西北和南東呈階梯狀上升。

調(diào)查區(qū)內(nèi)地層發(fā)育不全，沿沙溪河兩岸分布的地層主要為第四系、長林組和林地組，其中長林組主要分布在沙溪河?xùn)|岸，西岸僅在北山新村、三鋼總部局部零星出露。 各巖石地層單位主要巖性組合特征及其分布狀況見圖2。

區(qū)內(nèi)的巖體工程地質(zhì)類型，有巖漿巖和沉積巖；以巖體的結(jié)構(gòu)面組合特征分為塊狀和層狀兩種類型；層狀類型巖組按單層厚度分巨厚-厚層狀（＞0.50 m）和薄-中厚層（≤0.50 m）；以巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度值分為堅(jiān)硬（fr≥60 MPa）、半堅(jiān)硬（30 MPa≤fr≤60 MPa）和軟弱（fr＜30 MPa）三個(gè)巖組。區(qū)內(nèi)的土體，按固結(jié)程度屬松散巖建造類型，其結(jié)構(gòu)有均一、雙層和多層三個(gè)結(jié)構(gòu)類型。 本區(qū)工程巖組類型劃分具體見圖3。

圖2 調(diào)查區(qū)地形地質(zhì)圖

圖3 調(diào)查區(qū)巖土體分布圖

2 衛(wèi)星遙感地質(zhì)災(zāi)害特征提取和實(shí)勘對比

2.1 典型地災(zāi)點(diǎn)衛(wèi)星圖像特征

近年來，三明市城區(qū)房地產(chǎn)開發(fā)發(fā)展迅速，且區(qū)域內(nèi)有南三龍鐵路、G205 及S306 改線工程、三明-沙縣快速通道和城市綠道建設(shè)，由于受場地條件限制，多數(shù)新建場地需要大規(guī)模開挖山體，由此產(chǎn)生大量的高陡邊坡及棄土方量。 這些工程建設(shè)項(xiàng)目因開挖山體、填方整平及棄土堆填形成的高陡邊坡和棄土場均存在潛在的危險(xiǎn)，在暴雨、連續(xù)強(qiáng)降雨等極端天氣易誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，是研究的重點(diǎn)區(qū)域。

從衛(wèi)星圖上看，該類因工程活動(dòng)造成的地災(zāi)點(diǎn)具有明顯的特征，即：由于調(diào)查區(qū)域山體植被覆蓋較好，工程建設(shè)會造成植被破壞，導(dǎo)致巖土體裸露面積較大，相應(yīng)的衛(wèi)星圖像顯示出與周邊山體綠色植被明顯不同的巖土體顏色，典型區(qū)域包括：（1）碧桂園、恒大御府（原水舞半山郡）和世紀(jì)城（山水御園三期）等房產(chǎn)開發(fā)區(qū)在施工過程中形成大量的高陡邊坡（圖4～圖5），高度一般20～30 m，最高可達(dá) 50～60 m，坡度一般 50°～60°，局部 60°～70°，多數(shù)為土質(zhì)邊坡、巖土質(zhì)混合邊坡，雖有分臺階開挖，在施工過程中未支護(hù)或僅簡易支護(hù)，存在滑坡危險(xiǎn)；（2）房產(chǎn)開發(fā)區(qū)開挖山體形成大量棄土，棄土堆放在山間溝谷低洼地帶，據(jù)調(diào)查，棄土方量一般30～80 萬m3，分布面積一般2～8 萬m2。 其中最大一處（矮橋-小溪棄土場，碧桂園、萬達(dá)廣場項(xiàng)目建設(shè)堆棄）方量達(dá)1500 萬m3，面積約65.2 萬m2，均未采取防護(hù)措施，存在崩塌、滑坡、泥石流隱患；（3）南三龍鐵路、G205 及S306 改線工程、三明-沙縣快速通道和城市綠道，這些道路工程建設(shè)過程中亦需大量開挖山體，局部低洼處需填方整平，也就形成了大量的挖方、填方邊坡。 如：快速通道貴溪洋隧道口高陡邊坡，邊坡高差12～15m，坡度 50°～70°，無支護(hù)措施，周邊多處存在類似邊坡，總寬度約 200 m（圖6～7）；（4）南三龍鐵路及國道205 改線隧道開挖產(chǎn)生了大量的棄土，形成了多個(gè)棄土場，如國道205 改線項(xiàng)目建設(shè)形成的翁墩后山棄土場，填方面積約 1.9 萬 m2，填筑方量約 30 萬 m3（圖8～9）。

圖4 恒大御府人工邊坡衛(wèi)星圖像

圖5 恒大御府現(xiàn)場圖片

圖6 貴溪洋隧道口高陡邊坡衛(wèi)星圖像

圖7 貴溪洋隧道口高陡邊坡現(xiàn)場

圖8 翁墩后山棄土場衛(wèi)星圖像

圖9 翁墩后山棄土場現(xiàn)場

2.2 地質(zhì)災(zāi)害形成條件

地質(zhì)災(zāi)害的形成條件主要包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降雨和人類工程活動(dòng)等。 地形地貌是形成地質(zhì)災(zāi)害的首要條件，不同的地質(zhì)災(zāi)害形成于不同的地形地貌之中；地層巖性(巖土體特征)是形成地質(zhì)災(zāi)害的必要條件，巖土體的類型、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)決定著致災(zāi)體的物質(zhì)來源，并控制著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育類型和生成規(guī)模；降雨及人類工程活動(dòng)則是形成地質(zhì)災(zāi)害的外在因素。 不同的地質(zhì)災(zāi)害形成條件也各有差異，如區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌多與山體斜坡的外形及坡度相關(guān)，個(gè)別還與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系；泥石流多為滑坡、崩塌所伴生并與溪河溝谷的發(fā)育有關(guān)，區(qū)內(nèi)多個(gè)棄土場亦為泥石流的形成提供了必要的物質(zhì)來源；地面巖溶塌陷產(chǎn)生于巖溶發(fā)育區(qū)，其形成與人為抽吸地下水密切相關(guān)；高陡邊坡、棄土場的形成完全是由人為工程活動(dòng)造成的。

該區(qū)域以剝蝕丘陵為主，溝谷發(fā)育，切割相對較深，地面坡降較大，天然陡坡地形發(fā)育。 地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜，地層巖性變化較大。 共識辯地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)76 處，其中衛(wèi)星遙感初步識辯地災(zāi)點(diǎn)達(dá)68 處，識辯率成功達(dá)89.5%， 僅有部分房前屋后的小型崩塌或古滑坡，因影響范圍較小或森林覆蓋，衛(wèi)星圖像不明顯而無法識辯。 地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、潛在泥石流、高陡邊坡及棄土場等，各類型地質(zhì)災(zāi)害（隱患）點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)詳見圖10。

圖10 各類型地災(zāi)數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖

各類型地災(zāi)形成條件如下（1）高陡邊坡。 共計(jì)37 處，占總數(shù)的48.6%，總體特征是丘陵坡地多，河流階地少，并與山區(qū)人口聚集分布及工程活動(dòng)強(qiáng)度程度密切相關(guān)，一般在山彎坡腳與等高線平行錯(cuò)落分布，或在斜坡縱坡線上呈階梯狀分布，主要是城市綠道、房地產(chǎn)開發(fā)、道路建設(shè)等開挖山體造成。 （2）滑坡。 共17 處，占災(zāi)害總數(shù)的22.4%，主要分布在列東街道、徐碧街道、城關(guān)街道和城東鄉(xiāng)。 多為土質(zhì)、巖土質(zhì)滑坡；受人為活動(dòng)影響明顯，均為工程滑坡；淺層滑坡居多，中層滑坡僅2 處，系受區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造影響；滑坡規(guī)模一般為小型，中型滑坡2 處。 （3）棄土場。 共計(jì)11 處，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的14.5%，以小型棄土場為主，棄土主要來源為房產(chǎn)開發(fā)、公路、鐵路等建設(shè)開挖山體的棄土、棄石，大部分堆填于山間溝谷內(nèi)，個(gè)別堆填于河漫灘，堆積范圍廣、體積大，對原有水文地質(zhì)條件影響較大，在強(qiáng)降雨等極端天氣條件下，易誘發(fā)大規(guī)模的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。（4）潛在泥石流。泥石流的形成、發(fā)展，主要受控于地質(zhì)、地貌、水文、氣候等大尺度環(huán)境因素的綜合影響，而人類不合理的活動(dòng)，則是加劇泥石流發(fā)生頻率、強(qiáng)度等的重要原因。 共發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)泥石流地質(zhì)災(zāi)害6 處，其中梅列區(qū)5 處，三元區(qū)1 處。 泥石流大部分是潛在隱患，災(zāi)點(diǎn)規(guī)模以中小型為主。 （5）崩塌。 共計(jì)5 處，占災(zāi)害總數(shù)的6.6%，分布于城關(guān)街道、城東鄉(xiāng)和列東街道，均為小型土質(zhì)崩塌，按其發(fā)育部位和形成的動(dòng)力因素及危害結(jié)果，主要是房前屋后因削坡建房引起的崩塌。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布特征分析

從調(diào)查結(jié)果看，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布不均，在區(qū)域上與地形地貌、地質(zhì)環(huán)境條件、巖土體類型及人類工程活動(dòng)等有密切關(guān)系；在時(shí)間上受降雨的因素控制明顯，地災(zāi)多發(fā)生在每年3-8月雨季，尤其是5-6月份暴雨期間。

從地形地貌上看，區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、高陡邊坡等地質(zhì)災(zāi)害主要分布在沙溪河兩岸剝蝕丘陵區(qū)山坡地帶，與人類工程活動(dòng)程度有很大關(guān)系，總體特征是沙溪河?xùn)|側(cè)多西側(cè)少，東側(cè)山坡地帶人類工程活動(dòng)相對較頻繁， 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的也較多， 因此地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)主要集中在沙溪河?xùn)|側(cè)山坡地帶；而沙溪河兩岸階地地帶，地表坡度相對較平緩，人口、建筑較密集，陡坡地段一般均采取了較好的防護(hù)、工程治理措施，地質(zhì)災(zāi)害一般不發(fā)育，僅在巖溶發(fā)育區(qū)存在潛在的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害（北山新村、列東汽車站、原三明化工機(jī)械廠和臺江～東霞共4 處），在工程建設(shè)高填方區(qū)存在潛在的地面沉降、不均勻沉降地質(zhì)災(zāi)害（南三龍鐵路南站建設(shè)場地），其空間分布位置見圖11。

潛在泥石流及棄土場隱患其分布位置受人為因素控制明顯，在區(qū)內(nèi)主要分布在山間溝谷地帶，與房產(chǎn)開發(fā)、道路建設(shè)（鐵路、公路、城市綠道等）密不可分，規(guī)模較大的棄土場共11 個(gè)，其中8 個(gè)分布在沙溪河?xùn)|岸山坡地，3 個(gè)分布在西岸山坡地，見圖12。

圖11 滑坡、崩塌、高陡邊坡等地災(zāi)點(diǎn)空間分布

圖12 區(qū)內(nèi)棄土場空間分布位置

3 典型地災(zāi)點(diǎn)的影響因素分析

地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素很復(fù)雜，但簡單歸納起來主要有人類工程活動(dòng)和降雨兩種。 區(qū)內(nèi)各種人為工程活動(dòng)是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的外部因素，滑坡、崩塌、高陡邊坡等地質(zhì)災(zāi)害主要與削坡建房、工程建設(shè)、修建公路、鐵路和水利設(shè)施等人為開挖山體形關(guān)系密切，山體開挖改變了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，促使其應(yīng)力發(fā)生重新分配現(xiàn)象，則有可能發(fā)展成各類地質(zhì)災(zāi)害或存在潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患；棄土場的形成則完全由人為工程活動(dòng)引起，同時(shí)棄土場松散的堆積體為泥石流的形成提供了豐富的物質(zhì)來源，深厚棄土填方區(qū)則為地面沉降、不均勻沉降提供了必要條件；潛在地面塌陷（巖溶塌陷）主要由過量開采地下水及大型工程降水等誘發(fā)。降雨是催發(fā)滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害的重要誘發(fā)因素，這是因?yàn)榻涤晷纬傻乇硭虻叵滤骱筮M(jìn)入松散土層，通過各種構(gòu)造、裂隙滲入巖土體的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶或土巖接觸面，一方面增加了巖土體的容重、浸泡濕潤了滑動(dòng)面，另一方面抬高了地下水位、加大了孔隙水的壓力、降低了巖土體的抗剪能力及不利結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度，從而影響邊坡的穩(wěn)定性，并起到了重要的觸發(fā)作用。 大量的水源是形成泥石流的必備條件之一，而降雨能夠滿足這一要求，特別是短時(shí)暴雨、持續(xù)強(qiáng)降雨等，雨水短時(shí)間在溝谷匯集，水位暴漲，為泥石流的形成提供了充足的水源，同時(shí)溝岸兩側(cè)頻發(fā)的滑坡、崩塌為其提供了大量的物質(zhì)來源。棄土場主要隱患是誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，其本身土體結(jié)構(gòu)較松散，堆填高度較大，周邊存在大量的高陡填方邊坡，若地表排水不暢，受降雨的影響易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，且規(guī)模大、危害大。

4 結(jié)論

為探索利用衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行地災(zāi)特征提取的可行性和可靠性， 對三明市區(qū)沙溪河岸典型地災(zāi)點(diǎn)的谷歌衛(wèi)星圖像進(jìn)行提取，結(jié)合實(shí)地勘察進(jìn)行驗(yàn)證，對典型地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對各類地災(zāi)形成條件、分布特征和影響因素進(jìn)行了分析，可得出如下結(jié)論：（1）由于調(diào)查區(qū)域山體植被覆蓋較好，各地災(zāi)點(diǎn)主要是工程活動(dòng)所造成的，相應(yīng)的衛(wèi)星圖像顯示出與周邊綠色植被明顯不同的巖土體顏色，因此可以快速、高效進(jìn)行識辯，本次衛(wèi)星遙感初步識辯地災(zāi)點(diǎn)達(dá)68 處，識辯率成功達(dá)89.5%，說明利用衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行地災(zāi)初步識辯是可行的；（2）地質(zhì)災(zāi)害類型包括高陡邊坡、滑坡、棄土場、潛在泥石流和崩塌等，分布不均，在區(qū)域上與地形地貌、地質(zhì)環(huán)境條件、巖土體類型及人類工程活動(dòng)等有密切關(guān)系；在時(shí)間上受降雨的因素控制明顯，災(zāi)害多發(fā)生在每年3～8月雨季，尤其是5～6月份暴雨期間；（3）地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)影響因素很復(fù)雜，各種人為工程活動(dòng)是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的外部因素，降雨是摧發(fā)滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害的重要因素，棄土場主要隱患是誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害；（4）繪制了調(diào)查區(qū)域內(nèi)各地災(zāi)點(diǎn)的空間分布圖，可為該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的快速識辯和預(yù)控提供參考。