基于谷歌影像的新疆典型黃土區(qū)滑坡分布分析

崔玉龍， 傅 貴， 郭 鴻， 鮑鵬鵬， 胡俊宏

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

黃土是在地質(zhì)時(shí)代中的第四紀(jì)期間形成的一種黃色堆積物，廣泛分布于亞洲、歐洲、北美和南美等地。我國(guó)黃土分布面積約6.31×105km2，約占全國(guó)國(guó)土面積的6.6%，占世界黃土覆蓋面積的4.9%[1]。黃土滑坡作為黃土地區(qū)最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。1983年3月7日，甘肅省灑勒山滑坡掩埋4個(gè)村莊，傷亡278人[2]；2005年5月9日，山西省臨汾市吉縣橋南村水洞溝自然村發(fā)生山體滑坡，造成24人死亡[3]；2010年3月10日，陜西省子洲縣雙湖峪村發(fā)生山體滑坡，共造成26人死亡[4]；2019年3月15日，山西省鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)衛(wèi)生院發(fā)生山體滑坡，造成20人死亡[5]。

滑坡的發(fā)生與自然因素密切相關(guān)，認(rèn)識(shí)滑坡的分布規(guī)律與影響因素是深入研究滑坡災(zāi)害的重要基礎(chǔ)，同時(shí)還能降低滑坡災(zāi)害帶來(lái)的損失。20世紀(jì)80年代中后期3S技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，給滑坡災(zāi)害的調(diào)查研究工作提供了強(qiáng)大的工具，使滑坡分布規(guī)律從理論到實(shí)踐的研究成果更加豐富。1998年，Larsen等[6]統(tǒng)計(jì)了波多黎各熱帶山地滑坡在地形上的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在高程大于300 m、坡度大于12°、坡向?yàn)闁|北方向的地形更容易發(fā)生滑坡；2008年，Guzzetti等[7]對(duì)意大利中部臺(tái)伯河盆地上游滑坡的高程、坡度及地層巖性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并總結(jié)了滑坡的分布規(guī)律；2017年，Liucci等[8]從地形的角度利用不同的模型研究了滑坡規(guī)模的分布，認(rèn)為地形因子是控制滑坡分布的重要因素；2005年，陳永明等[9]對(duì)黃土地區(qū)地震滑坡的分布特征進(jìn)行了研究；2010年，許沖等[10]基于空間分析方法，研究了地層巖性、坡度、高程等影響因素與地震滑坡分布的關(guān)系；2016年，張珊等[11]利用核密度估算方法分析了蘭州市降雨型黃土滑坡點(diǎn)的空間分布。

近年來(lái)，受自然氣候條件變化影響，尤其在冰雪融水和降雨作用下，新疆的黃土區(qū)域發(fā)生了多起滑坡災(zāi)害。在本文選取的新疆伊寧縣黃土區(qū)域某滑坡集中分布區(qū)內(nèi)，2017年3月24日，喀拉亞尕奇鄉(xiāng)喀拉亞尕奇村發(fā)生滑坡災(zāi)害，造成經(jīng)濟(jì)損失20余萬(wàn)元[12]；2017年4月2日，喀拉亞尕奇鄉(xiāng)克孜勒賽溝內(nèi)發(fā)生滑坡，造成直接經(jīng)濟(jì)損失49.06余萬(wàn)元[13]。本文基于谷歌衛(wèi)星影像，在谷歌地球(Google earth)平臺(tái)上進(jìn)行人工目視滑坡解譯，利用ArcGIS軟件進(jìn)行滑坡分布規(guī)律分析。本研究提供了一個(gè)新疆典型黃土區(qū)滑坡的分布數(shù)據(jù)，可為類似黃土區(qū)域滑坡研究提供參考。

1 區(qū)域概況和地質(zhì)背景

圖1 研究區(qū)位置及滑坡分布圖

研究區(qū)位于伊寧縣縣城以北15 km處，東西長(zhǎng)19 km，南北寬12 km，面積約230 km2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)81°27′26″—81°41′24″，北緯44°05′42″—44°12′54″。如圖1所示，研究區(qū)域位于伊犁谷地西部的中低山區(qū)，地勢(shì)總體呈現(xiàn)為北高南低，海拔888～2103 m，為剝蝕堆積塊狀隆起山，區(qū)內(nèi)溝谷密布，以V形谷為主。出露地層主要為石炭世地層，巖性為海相碳酸鹽巖、碎屑巖、凝灰?guī)r等，第四系風(fēng)成黃土不整合覆蓋在基巖之上，一般坡體中部黃土沉積厚度較大，可達(dá)到20 m[14]。研究區(qū)大地構(gòu)造上位于天山—興安地槽褶皺區(qū)西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶，尼勒克斷裂帶(走向?yàn)镹WW向)貫穿整個(gè)研究區(qū)并將研究區(qū)一分為二，右上方為博羅科努山復(fù)背斜，左下方為伊犁地塊。研究區(qū)氣候?qū)贉貛О牖哪瘹夂颍募咎卣髯兓容^明顯，冬春溫暖濕潤(rùn)，夏秋干燥較熱，年平均氣溫9.3 ℃，降水充沛，年平均降雨量350 mm。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù) 據(jù)

本研究采用的基礎(chǔ)資料：從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)[15]下載的ASTER GDEM 30 m的DEM，1∶500 000中國(guó)地質(zhì)圖，0.6 m分辨率的谷歌地球影像(圖2)，黃土分布圖[16](圖3)。

圖2 研究區(qū)谷歌衛(wèi)星影像圖 圖3 研究區(qū)黃土分布圖

2.2 方 法

采用滑坡目視解譯的方法，在谷歌地球影像上可以清晰準(zhǔn)確地圈出滑坡，目視解譯保證了滑坡解譯的客觀真實(shí)性，圖4為兩個(gè)典型滑坡解譯實(shí)例。本文選取了2015年7月15日、2018年5月21日和2019年7月3日3個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星影像來(lái)進(jìn)行滑坡解譯工作，本著“最近、最好”的原則，選擇距離滑坡發(fā)生時(shí)間最近、質(zhì)量最好的衛(wèi)星影像圈出滑坡。在分辨率較高的遙感圖像上，通過對(duì)比周圍環(huán)境，非常容易識(shí)別出滑坡?；略谶b感圖像上與周圍環(huán)境在色調(diào)、形態(tài)、陰影、紋理、植被發(fā)育上有較大差異，且滑坡具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)，在圖像上常呈簸箕型、長(zhǎng)舌型、菱形、不規(guī)則形狀等?；碌慕庾g與圈定均為人工完成，保證了解譯結(jié)果的精確性，利用遙感圖像目視解譯可以確定滑坡發(fā)生的地理位置、邊界、形態(tài)、規(guī)模。然后在ArcGIS平臺(tái)上，以DEM和地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，提取各個(gè)滑坡對(duì)應(yīng)的坡度、坡向、高程，通過統(tǒng)計(jì)可得到滑坡分布與各因子的關(guān)系。

(a) 典型滑坡Ⅰ (b) 典型滑坡Ⅱ圖4 典型滑坡圖

3 結(jié)果與分析

3.1 密度分析

圖5 滑坡點(diǎn)密度圖(搜索半徑為350 km)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的滑坡數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺(tái)上制作滑坡的點(diǎn)密度圖。鑒于此次滑坡的分布范圍和滑坡數(shù)量比較大，以350 km為搜索半徑，通過密度分析制作滑坡點(diǎn)密度圖，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，滑坡高密度區(qū)位于研究區(qū)的東北區(qū)域，其最大密度達(dá)到260個(gè)/km2。

3.2 滑坡數(shù)量與面積統(tǒng)計(jì)

將單體滑坡面積分為5個(gè)級(jí)別：≤500 m2、500～1000 m2、1000～1500 m2、1500～2000 m2和>2000 m2。統(tǒng)計(jì)分析每個(gè)級(jí)別內(nèi)的滑坡數(shù)量與滑坡面積，制作滑坡數(shù)量與滑坡面積的分級(jí)餅圖(圖6)。其中，單體滑坡面積≤500 m2的滑坡數(shù)量最多，為2582個(gè)，占滑坡總數(shù)量的58%；單體滑坡面積>2000 m2的滑坡總面積最大，為1.733 km2，占滑坡總面積的44%。

(a) 滑坡數(shù)量 (b) 滑坡面積 圖6 滑坡數(shù)量和滑坡面積餅圖

3.3 滑坡與地形因子關(guān)系

高程是影響滑坡災(zāi)害發(fā)生的重要影響因素之一。它會(huì)對(duì)斜坡體內(nèi)的應(yīng)力值產(chǎn)生顯著影響，坡體內(nèi)的應(yīng)力值隨著坡高的增加而增加，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到臨界條件時(shí)便容易在外在因素的作用下產(chǎn)生滑坡。研究區(qū)的高程在900～2100 m之間，本文將高程以200 m為間距進(jìn)行分組，分別為900～1100 m、1100～1300 m、1300～1500 m、1500～1700 m、1700～1900 m和1900～2100 m共6組，分別制作滑坡面積、滑坡數(shù)量與高程的關(guān)系圖(圖7)。由圖可見，1900～2100 m內(nèi)滑坡數(shù)量最多，有1553個(gè)，占滑坡總數(shù)的34.5%；滑坡數(shù)量隨高程的增高而增大，在高程大于1500 m時(shí)，滑坡數(shù)量隨高程的增加速度越來(lái)越快；滑坡面積最大的高程范圍是1700～1900 m，為0.918 km2，占滑坡總面積的23.5%；高程大于1300 m時(shí)，各高程段的滑坡面積較大，其他高程范圍內(nèi)的滑坡面積相對(duì)較小?？傮w上講，在高程1300～2100 m范圍內(nèi)的滑坡數(shù)量最多，面積最大。在本研究區(qū)內(nèi)，滑坡的發(fā)生基本符合隨高程的增加而增加的規(guī)律。

(a) 滑坡數(shù)量 (b) 滑坡面積圖7 滑坡與高程關(guān)系圖

坡度是滑坡發(fā)育過程中重要的影響因素之一，隨著坡度的增加，坡角應(yīng)力逐漸增大。坡度還影響著地表水的流動(dòng)和下滲、斜坡體內(nèi)地下水的補(bǔ)給與排泄、斜坡上松散堆積物的厚度、植被發(fā)育等，從而影響著斜坡的穩(wěn)定性。研究區(qū)的坡度在0°～60°之間，以10°為間距進(jìn)行分組，分別制作滑坡面積、滑坡數(shù)量與坡度的關(guān)系直方圖(圖8)。由圖可知，在10°～20°和20°～30°的滑坡數(shù)量較多，10°～20°的滑坡數(shù)量為1764個(gè)，占滑坡總數(shù)的39.2%，20°～30°的滑坡數(shù)量為1487個(gè)，占滑坡總數(shù)的33.1%；10°～20°的滑坡面積為1.28 km2，占滑坡總面積的32.8%，20°～30°的滑坡面積為1.48 km2，占滑坡總面積的38.0%。總體上講，在10°～30°內(nèi)滑坡數(shù)量最多，滑坡面積最大。伊犁地區(qū)的黃土容易在中低坡度的斜坡上沉積，這給滑坡災(zāi)害的發(fā)生提供了物源條件。這也驗(yàn)證了并非坡度越大越容易發(fā)生滑坡災(zāi)害，當(dāng)坡度大于一定閾值后，松散物不易堆積，沒有形成滑坡災(zāi)害的物質(zhì)條件。

(a) 滑坡數(shù)量 (b) 滑坡面積圖8 滑坡與坡度關(guān)系圖

坡向也是影響滑坡分布的重要因素之一，它通過決定坡體太陽(yáng)光照時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)、水熱比、降水分布和流向，影響巖體風(fēng)化和水流侵蝕程度。坡體的內(nèi)聚力會(huì)隨著風(fēng)化程度和水流侵蝕程度的加深而減小，從而誘發(fā)滑坡災(zāi)害。將坡向以30°為間隔進(jìn)行分帶，分別制作滑坡面積、滑坡數(shù)量與坡向的關(guān)系圖(圖9)。由圖可見，在60°～90°和90°～120°方向內(nèi)的滑坡數(shù)量較多，分別為742個(gè)和651個(gè)，占滑坡總數(shù)的16.5%和14.5%，滑坡面積較大，分別為560 720 m2和489 520 m2，占滑坡總面積的14.35%和12.53%；相比于近南北向來(lái)說，近東西向的滑坡數(shù)量更多、面積更大。通過谷歌地球影像可以清楚的觀察到，在滑坡高密度區(qū)，山體和溝壑以近南北向相間分布，滑坡幾乎都是近東西向的。

(a) 滑坡數(shù)量 (b)滑坡面積 圖9 滑坡與坡向關(guān)系圖

4 結(jié) 論

本文以新疆伊寧縣典型黃土滑坡區(qū)為例，以谷歌地球影像為基礎(chǔ)，采用人工目視解譯獲取滑坡，解譯得到了4498個(gè)滑坡，滑坡總面積達(dá)3.907 km2。單體滑坡面積在500 m2以下的滑坡數(shù)量最多，占滑坡總數(shù)量的58%，大于2000 m2范圍內(nèi)的滑坡面積最大，達(dá)1.733 km2，占滑坡總面積的44%?；碌陌l(fā)育與地形因子有著密切的關(guān)系，在1300～2100 m高程區(qū)間內(nèi)、10°～30°坡度區(qū)間內(nèi)、坡向60°～90°和90°～120°區(qū)間內(nèi)滑坡數(shù)量最多，面積最大。

本文初步分析了新疆伊寧縣典型黃土區(qū)域滑坡分布規(guī)律，后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行該地區(qū)黃土滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)方面的研究。