滑坡编目：地震滑坡危险性分析中必不可少的部分

E.L.Harp D.K.Keefer H.P.Sato H.Yagi

滑坡编目：地震滑坡危险性分析中必不可少的部分

E.L.Harp D.K.Keefer H.P.Sato H.Yagi

详细精确的滑坡编目是地震滑坡危险性分析工作中必不可少的一部分。理想的编目要满足如下条件：覆盖整个地震影响区；应包含所有可调查到的滑坡，滑坡的最小长度应小至1～5m左右；编目中的滑坡位置也必须准确，应使用能够反应它们真实的平面形状的区要素来表征。符合上述要求的滑坡编目可以用来进行地震滑坡危险性分析和其他的定量分析研究。详细的地震滑坡编目可以追溯到1960年代初的航空摄影技术的出现与应用。近年来，随着空间技术科学的进步，高分辨率卫星影像获取成为可能，从而使得除最小的滑坡之外可以识别并绘出所有由地震事件触发的滑坡。得益于遥感技术的这种可以观测到地球任何地方的能力，我们可以获取到任何大量地震滑坡发生区域的遥感影像。然而，随着高分辨率遥感影像时代的到来，地震滑坡编目数据不完整也成为当前研究中的一个普遍存在的问题。

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引言

详尽完整的地震滑坡编目是地震滑坡危险性分析中必不可少的部分。基于此除了有助于了解地震发生区域之外我们还可以推进地震滑坡危险性分析。在中等地震或大地震之后，已制作出了大量的滑坡编目，但是这些编目中的大部分并不完整，或者仅仅以点去标识滑坡，只有少数的滑坡编目是全面的，符合如下特点：（1）覆盖地震滑坡影响的全部区域；（2）包括所有滑坡体长度小至1～5m的滑坡；（3）用区去标识滑坡而不是点。当一个地震区域被密集的强震台站网络覆盖、并记录到地震动情况时，这样详细而全面的滑坡编目变得至关重要。这时候，滑坡分布与地形、地质、地震动的关系就可以通过GIS平台获取，进而得到基于概率的滑坡危险分析结果。如果没有精确完整的滑坡编目，这样的分析就无法进行。

下面对地震滑坡编图制图的发展进行综述，从使用航空摄影与在地形图上手工绘图开始，到使用卫星影像计算机数字化制图。我们并没有尝试对滑坡进行重新的解译以建立滑坡分布与不同的参数距离、空间分布情况或者地震动参数之间的关系。不过本文还对有关近期已经开展的一些数字地震滑坡编目图的其他研究进行一些简短的讨论。

1 滑坡编目准则

制作真实全面的滑坡编目需要使用满足几个准则的遥感影像。可满足的准则越多，得到的滑坡编目在接下来的分析中用途就越大。理想条件下，影像需要满足以下几点：

（1）影像必须连续而且覆盖全部的滑坡分布区域；

（2）影像分辨率必须足够高，可以满足单体滑坡长度小至数米的滑坡解译要求；

（3）影像必须有立体覆盖，或者可以覆盖到数字高程模型上面，以获得立体视图。

（4）影像尽量在地震后第一时间获取（尽可能无云覆盖），这样可以获得地震滑坡对地形与基础设施影响的初始状态。

2 制图准则

滑坡应使用面要素进行标识，以确保其可应用于滑坡与其他空间变量的统计分析研究：

（1）滑坡需在GIS平台下标识成多边形要素，可以使用一个多边形代表整个滑坡，也可以使用两个或者多个多边形去分别定义滑坡滑源区与滑坡堆积区。这些多边形是滑坡编目的必要要素。在图例中，除滑坡外，其他代表地形、地质、构造特征等的符号也可以展示在滑坡编目图上。

（2）滑坡需标识在地形图或者具有地形信息的GIS图层上，需要与真实地理信息图层相匹配。

（3）全部的地震滑坡都应标识在图上，需要圈定出它们的边界。超过影像最小分辨率的滑坡都应该解译出来，以得到完整的滑坡分布图。这决定着滑坡编目图是否足够完整以满足地震滑坡危险性分析的统计要求。

若要滑坡编目图满足以上所有的准则是比较困难的。相对完整的滑坡编目满足以上准则的大部分或者所有以上准则的地震事件包括：

（1）中美洲地区

1976年2月4日危地马拉M7.5级地震（Harpet al，1981）。

（2）北美洲地区

1983年5月2日加利福尼亚州科林加M6.7级地震（Harp and Keefer，1990）。

1980年5月25～27日加利福尼亚州马默斯湖M≈6.0级地震序列（Harpet al，1984）。

1994年1月17日加利福尼亚州北岭M6.7级地震（Harp and Jibson，1995，1996；图1）。

（3）台湾地区

1999年9月21日集集M7.6级地震（Liao and Lee，2000；图2）

（4）日本

1978年1月14日伊豆大岛近海M7.0级地震（Geographical Survey Institute of Japan，1979）。

1993年7月12日北海道西南近海M7.8级地震（Tanaka，1994）。

1995年1月17日兵库县南部（神户）M7.2级地震（Nishidaet al，1996）。

2004年10月23日新潟县中越M6.8级地震 （Geographical Survey Institute of Japan，2005a，b，c；Sekiguchi and Sato，2006；Yagiet al，2007）。

2008年6月14日岩手宫城内陆M7.2级地震（Yagiet al，2009）。

还有一些没有满足上述准则的一些滑坡编目图，比如：

1949年12月26日M6.2级和M6.4级今市地震（Morimoto，1951）。

1976年5月6日意大利弗留利M6.4级地震（Govi，1977a，b）。

1989年10月17日加利福尼亚州洛马普列塔M6.9级地震（Keefer，2000）

3 早期滑坡编目图

Keefer（2002）对从1980年开始的早期滑坡编目图进行了详细的讨论，这与航空摄影技术的发展是密不可分的，从那时起大量的航片可以利用。第一批地震触发滑坡编目图仅仅标识出了滑坡发生的位置。这种类型的第一个滑坡编目图是由Morimoto（1951）汇编出版的，内容为东京以北约90km的枥木县今市M6.2和M6.4级地震触发的滑坡。将滑坡用点去标识，滑坡类型分为崩塌与碎屑流两种，滑坡密集分布在滑河流域上游。

最值得关注的早期滑坡编目图是关于1970年秘鲁M7.9级地震的，滑坡被标识为点和其他不同的符号，以区分不同的滑坡类型（Plafkeret al，1971；图1）。

这份滑坡编目图是借助大量的航片完成的，航片覆盖的范围达8300km2，覆盖了地震重灾区。标定了大约1000个最大的滑坡的源区，并且对一个区域的大量崩塌进行了标识。不同的滑坡类型用不同的符号表示，结果表明震区触发最多的滑坡类型是崩塌、岩崩与碎屑流滑坡。这些滑坡的分类参照 Keefer（1984），认为是扰动失稳（Plafkeret al，1971；Keefer，2002）。

最早使用区要素标识滑坡的成果之一来自于Morton（1971，1975），是关于1971年2月9日南加利福尼亚的圣费尔南多M6.7级地震。这份滑坡编目图覆盖了滑坡密集分布区的一部分，标识了数千个滑坡。Morton（1975）展示了无数小崩塌与山崩发生在圈定区域的外面，限于使用的航片的精度，区域内发生的最小的滑坡无法被圈定（Keefer，2002）。

最早由中等或大地震触发的滑坡编目图（用区表示）是在标准的黑白立体相对上（偶尔有彩色的航片）获取的，其中有些是全部滑坡，也有些为部分滑坡。生成的比例尺为1：20000或者更高，一般情况下比例尺为1：20000或更高。比例尺为1：20000的航片（标准的垂直正射投影）是能够解译与圈定小至1m长的滑坡的最低分辨率的数据源。大地震的时候，受到国际关注的地区，或许也有其他的航片可以利用（不论是否在美国的国土范围内），此时往往由美国军方航拍，含有大约1.2m分辨率的黑白立体相对，可以以场地的方式在立体相对中获取到。这些航空照片可以产生中心位置大约为1m的最大分辨率。

上述的航空照片可以解译地震触发的滑坡，通过手绘的方式将单体滑坡圈定在地形图上，在美国地形图的比例尺往往为1：24000大小，其他国家往往为1：50000大小。将滑坡从航片上往地形图上绘制的工作是通过制图技术的帮助，将滑坡边界编绘到地形图上。若是地形图与美国军方提供的航片的比例尺不同，那么这个工作将可能无法做。这类滑坡空间分布的工作很少覆盖大的区域，因为覆盖大面积的滑坡编绘是一项很缓慢的工作。

通过上述手绘方法编绘滑坡的实例包括1976年危地马拉地震（Harpet al，1981）、1978年日本伊豆大岛近海地震（Geographical Survey Institute of Japan，1979）、1980年马默斯湖地震序列（Harpet al，1984）和1983年科林加地震 （Harp and Keefer，1990）。1976年危地马拉M7.5级地震滑坡编目图的一部分见图2。

图2中所示的滑坡编目图中滑坡用红色标识（原图为彩色图——译注），最多的滑坡类型主要是浅层崩塌与岩滑，主要发生在更新世流纹质火山碎屑沉积物之中。粉红色标识的为深层圆弧形滑坡与块体滑动，也是由同类的物质组成。这张滑坡编目图取自美国空军航拍的不同分辨率照片，拍摄时利用不同分辨率的照相机，覆盖的面积达到16000km2，圈定了大约50000个单体滑坡。对此图进行了关于滑坡分布与岩性、坡度、地形放大效应、地震烈度、区域构造系统的关系的区域分析。其中只有一个地震触发的大型的深层滑动型滑坡是古滑坡的复活。

在同一年的较晚时间，两个中等尺度地震发生在意大利的弗留利地区，一个在5月（M6.4级），另一个在9月（M6.1级）。Govi（1977a）对5月的地震触发的滑坡使用相同的方法去标识。这个滑坡编目图的一部分见图3，其中滑坡分布在震中区附近的500km2区域内。得到的滑坡编目图包括了滑坡的运动路径、尺寸和堆积物的位置，某些独立大石头的位置也被标识了出来。据Keefer（2002），这次地震触发的滑坡分布在超过2100km2的区域内。可以根据这个滑坡编目图统计滑坡与地形、地质参数的关系（Govi，1977a，b）。

图3中所示的滑坡编目图与图2中的不一样，Govi的图中崩塌用箭头路径来代表，一些单独的岩石用点来代表，展示了最后运动停止的位置。

这样的滑坡编目图的精度并非仅仅依赖于航空照片的分辨率，而是依靠其在黑白航片或者彩色航片上的相对位置。针对1983年加利福尼亚州科林加地震，采集的航空照片的比例尺是1：18000。它们不但有最好的色彩质量，而且获得影像的时间也合适，植被与滑坡物质在影像上很容易区分，滑坡体与周围的植被形成了清晰的对比，可以从亮绿色的草丛与灌木中将滑坡清晰地识别出来。这就使得绘制的滑坡编目图包括了小规模的岩崩与岩滑，并且比其他同类数据的精度都要高。本次科林加地震触发滑坡的最小的记录为30cm 尺寸 （Harp and Keefer，1990）。编目图的一部分见图4。

这次地震触发的滑坡超过95%都是崩塌和岩滑（Harp and Keefer，1990），覆盖了大概600km2的区域，并显示出了与坡度、坡向、地形、岩性的关系。

以上地震滑坡编目的例子均未基于地理信息系统（GIS）工具。下面给出一些基于GIS技术的数字地震滑坡编目图的例子。

4 数字滑坡编目图

第一幅完整地震滑坡数字编目图是由Harp和Jibson（1995）编绘的。这幅图采用在航片的立体相对上使用手绘的方法，采用美国空军于1994年1月17日北岭地震发生后第一天采集的影像。这幅地震滑坡编目图，最初被编绘在1：24000比例尺的地形图上。然后再将这些滑坡编绘到GIS平台之中。这些滑坡编目图的一部分见图5。

这个滑坡编目图包含了超过11000处单体滑坡记录，均用单独的区表示，在航空相片的明亮区域宽度可达到1～2m，在阴影区可达5～10m。将这个滑坡编目图与大量的野外测量数据进行对比，显示出这些标定的滑坡占据了90%的实际滑坡发生的滑坡后壁、堆积物运动路径、沉积物的位置（Harp and Jibson，1995）。

北岭地震滑坡编目是第一次综合使用来自一次地震事件的强震记录，在一个区域的基础上使用纽马克分析进行地震滑坡灾害分析，并且构建伪概率性地震滑坡危险性图的工作（Jibsonet al，1998，2000）。此后，其他研究人员使用这个地震滑坡编目图研究了滑坡与不同坡度、物质岩性、地震参数之间的关系 （Parise and Jibson，2000；Khazai and Sitar，2003；Malamudet al，2004；Meunieret al，2007），还有使用同样的纽马克分析方法在其他区域开展地震滑坡危险性的分析工作（Katz and Crouvi，2007；Liao and Lee，2009）。

图5 1994年1月17日加利福尼亚州北岭地震滑坡数字编目图的一部分（Harp and Jibson，1995）

在北岭地震事件之后一年发生的1995年M6.9级兵库县南部地震，在神户正北的六甲山触发了大量的浅层碎屑流与崩塌。基于1：8000比例尺的航片，制作了1：10000比例尺的该地震滑坡编目图（Nishidaet al，1996）。浅层碎屑流的平均尺寸为长50～100m，宽10～20m，厚1～2m（Nishidaet al，1996）。

对于1999年9月21日M7.3级台湾集集地震编绘了包含9272个滑坡的地震滑坡编目图，每个滑坡的面积均大于625m2，或者在SPOT卫星影像上面大于4个栅格面积的滑坡才用来构建滑坡编目图（Liao and Lee，2000）。该滑坡编目图被广泛应用于详细的地形、岩体性质、与地震参数的分析对比工作（Khazai and Sitar，2003；Meunieret al，2007；Leeet al，2008；Liao and Lee，2009）。还被用于评价地震滑坡的部分影响区内滑坡对流域系统沉积的影响（Dadsonet al，2003，2004；Hoviuset al，2009）。该编目图的部分见图6。

集集地震滑坡编目图可以在下面的网址查 看： http//landslide.appgeo.net/index.php/landslide/chichi/announcement/view/2，为集集地震发生10周年时在台湾举行的地震触发滑坡会议的结果。后来的研究将这个滑坡数据补充到20000个，补充了大量小规模的滑坡（Wanget al，2002）。

在20世纪最初的10年，研究者汇编了两份完整的或者接近完整的日本地震之后地震诱发滑坡编目图。第一份给出的是2004年10月23日M6.6级新澙县中越地震的滑坡，是日本国土地理院编绘的，比例尺为1：25000，解译的滑坡最小到25×25m大小（Satoet al，2005）。关于小的滑坡，这份编目图略显不足，但是它覆盖范围足够，对于可探测到的最小尺寸的滑坡均有包括。这个编目图的一部分见图7。

Sato等（2005）的研究表明，共有1353个滑坡的滑源区、运动路径与堆积区被鉴别标出。后来，Sekiguchi与Sato（2006）综合使用1：5000与1：10000比例尺的航空照片标识了4438个滑坡，并将这些滑坡分为7个类型。Yagi等（2007）通过解译1：10000比例尺的航空照片也制作了该地震触发滑坡的数字编目图，并且论述了大部分滑坡沿着五白川的区域分布，多是老滑坡复发，发生在河流浸润斜坡位置。其他的研究包括滑坡分布与地质、坡度、震中位置、与地震震源参数的对比研究，研究方法采用滑坡数据叠置在坡度图（震前与震后）、地质和震源模型上，根据计算模型进行的斜坡位移计算（Chigira and Yagi，2006； Wanget al，2007）。Yagi等（2009）使用1：10000比例尺的航片编制了日本本州岛东北部2008年M7.2级岩手宫城内陆地震触发的4161个滑坡的数字编目图。通过这个滑坡编目图与相关的野外工作，他们将滑坡分为5个类型。在日本东北部奥羽山脉的栗驹山南翼，他们也将滑坡与不同的火山碎屑岩、火山泥流、沉积关联起来。也统计了其他影响滑坡空间分布的因子如地形、与地面震动的关系（Yagiet al，2009）。重新构建的该数字编目图见图8。

伴随着数字滑坡编目图与其他地质、坡度、斜坡物质的工程岩性与地面强震动记录信息的出现，给我们提供了很好的机会去定量研究滑坡编目图与大量滑坡控制参数之间的关系。如果在地震影响区存在足够密度的强震台网，就可以进行定量的基于场景的地震滑坡灾害制图。

5 地震滑坡危险性制图

1994年1月17日加利福尼亚北岭地震发生时，有超过300个强震台站记录到了主震的震动情况。由于这个强大的地震台网络与大量的强地震动记录可以应用于模型的地震输入，这次地震滑坡时间给出了一个很好的实例，在完整的滑坡编目图、岩体工程数据、坡度数据和充足的地震动数据都具备的情况下，可以基于滑坡编目图开展地震滑坡灾害分析。Jibson等（1998，2000）将数字坡度图、数字地质图、地质单元之间的剪应力参数与地震强震动记录融入到简单的纽马克模型，制作了预测斜坡位移的结果图。他们然后对比了这个结果图与北岭地震滑坡编目图之间的关系（Harp and Jibson，1995，1996），评价了给定地震场景下的斜坡失稳可能。这个对比结果经由纽马克预测位移的滑坡发生可能最终导出概率密度函数。这个概率结果可以导出成一幅结果图（Jibsonet al，1998，2000；图9）。

根据完整的滑坡编目图，可以定量出大量的其他滑坡参数的范围和变化，例如滑坡空间分布密度、震动触发滑坡的极限和因为滑坡而导致的沉积物体积的估计。根据完整的滑坡编目图，也可以定量评价这些以及其他与滑坡有关的参数。没有精确的、完整的滑坡编目图，所有这些参数都不能可靠地确定。

当前随着高空间分辨率卫星影像时代的到来，我们有足够的能力去获得任何地区的高空间分辨率遥感数据，甚至在世界上没人能达到的区域。然而，商业的空间分辨率小于1m的遥感卫星影像价格偏于昂贵。近年来一些高分辨率卫星影像已经可以以不太昂贵的方式获得。比如在2010年1月12日海地M7.0地震发生之后，在谷歌地球上就贴出了很多海地震后的图像数据。近年来，可以获得在地球上任何地方大地震发生区域的高分辨率卫星影像，并且可以为科学家与地震应急工作者提供地震后几周甚至几天之内的遥感数据。然而，尽管我们能快速获得高分辨率的遥感数据，但是因为种种原因，我们经常无法获得覆盖震区全部的滑坡分布数据。

现在的普遍实际情况是一次大地震后，商业卫星去采集地震最强影响区显示出断层破裂、滑坡与基础设施破坏的图像。即使这样，我们常常无法获得滑坡分布的边界区域，得到的结果往往并不全面。这对于用来进行地震滑坡危险性分析的数据集来讲是一个很严重的问题，因为滑坡发生概率统计的结果强烈地受到基础数据的影响，滑坡编目图应该包括地震触发的全部滑坡。在遥感数据未能覆盖全部地震区域的大多数的情况下，将会漏掉较多的较低震动条件下触发的滑坡。这种统计结果会导致最低震动区的滑坡（通常指崩塌与岩滑）危险性概率低于实际情况，从而会导致错误的预测，所以要避免在人口密集的陡峭山区出现这种情况。

关于地震触发滑坡遥感影像的覆盖程度，日本国土地理院已经使用彩色航片去补充卫星影像未覆盖的区域。2008年7月14日，在日本本州岛北部发生M7.2级岩手宫城地震之后，日本国土地理院航拍了全部滑坡分布区域内的图像，使用的是1：10000比例尺的彩色航空摄影。然后，为了履行2007基本法案中关于推进空间地理信息地位的法案（NSDI；Murakami，2008），日本国土地理院把所有的图像都放在了网络上，因此它们可以被广泛下载，不但可以供政府应急使用，而且也可以供所有对此区域地震滑坡空间分布感兴趣的科学家使用。尽管当面临一次大地震事件的时候该方法可能会很昂贵，但是它可以解决在地震事件中面临的卫星数据获取不全的问题。

6 讨论与结论

近年来，随着高分辨率遥感影像和交互式网络地理工具（如Google Earth）、开放的街道地图以及可视化的灾害场景的出现，使得浏览灾害与从事基本的地震滑坡编目制图成为可能。最近的地震如2010年1月12日M7.0级海地地震和2010年2月28日（原文为3月——译注）M8.8级智利地震，通过各个途径获得了大量卫星影像与航空摄影，其中一些被放到了谷歌地球上面。这给科研人员提供了观察地震滑坡全貌并进行地震滑坡的初始制图以及其他地震滑坡属性标定研究的良好机会。当前，这些工具还不能满足构建高精度地震滑坡编目图的要求，因为考虑到网络上的DEM的分辨率，其中一些图存在未纠正的属性与投影错误。

使用震后高分辨率卫星影像得到的DEM，结合震前的DEM，可以精确地计算滑坡的体积。该方面对基于场地目的的针对单体滑坡的研究尤其有用。一般情况下，这种滑坡体积计算方法对那些大的、对人类与基础设施有严重影响的滑坡有用。如1999年9月21日的M7.6级台湾集集地震触发的草岭滑坡，采用航空摄影与数字高程分析技术相结合估计的体积为125×106m3（Chenet al，2009；Huet al，2009）。

近年来，大地震触发滑坡自动识别技术渐渐发展起来，其可以提供快速的地震滑坡编目图制作。识别方法为采用图像处理软件，根据滑坡的色调与纹理区别于周边环境的特点去识别滑坡。然而提供的滑坡分布的快速制图结果只是大概的滑坡分布，若要详细地检查，与传统方法得到的精确滑坡相对比会发现其中存在许多的错误。这些方法往往会将很多非滑坡区域标识为滑坡，比如，裸露的地表、近期的填土、采石场、公路开挖、与其他的人工开挖等。我们认为这种方法可以用于地震后滑坡分布的快速分析与研究，但是若要将其用于灾害评价或者其他更精确的滑坡定量研究则是不合适的，因为这些研究需要精确的滑坡位置。地震后，若要将滑坡编目图用于地震灾害评价分析或者其他的滑坡参数定量分析，滑坡编目图需要满足几个规则。理想的状态下，整个地震研究区的遥感图像应该在地震后第一时间快速地得到，并且影像的分辨率要足够高，才能解译到最小的滑坡。此外，标识这些滑坡需要使用能反映滑坡形状的面数据，还应在GIS的平台上可以进行地理标注。

如果能够全部满足以上标准的话，再加上详细的地震动记录，那么滑坡编目图就有足够的完整性与精度去进行地震滑坡危险性评价。此外，也可以开展其他方面的研究，比如因为滑坡而造成的沉积作用、滑坡空间分布的密度分析以及与震动参数的关系等。

若将来完成了更多的完整的地震滑坡编目图，我们就可以精确地研究地震震级与滑坡分布的关系，这种关系式已经在Keefer（1984）和 Keefer（2002）的文献中出现。这项工作总结并量化了滑坡分布的可能范围、与震中距离、断层－地表破裂距离（也考虑长度）、地震震级、滑坡分布区域面积等因素与地震震级的关系，并且基于不同的滑坡类型进行了分别的统计分析。Keefer（1984，2002）并没有区分滑坡参数与不同的地震类型，但是近期Menuier等（2007）的工作已开始说明都是逆冲或者逆冲走滑型事件的北岭地震、集集地震和芬斯特地震滑坡的分布样式与不同的地震加速度之间的关系。当前，还没有充足的数据去开展滑坡空间分布密度与其他地震类型触发滑坡分布的对比研究，比如不同的地震机制情况下滑坡分布与不同类型的断裂触发地震的关系。

关于滑坡的大小与地震震级之间的关系研究处在概念性的阶段，而且缺乏可靠性。大体上，趋势是地震震级越大，发生的滑坡就越大，而且往往伴随更长时间的震动。然而，一些显著的意外也常常发生，例如140 000000m3的斯普林代尔滑坡（由5.7级犹他州圣乔治地震触发，距离震中44km；Jibson and Harp，1996）。我们猜测此项研究在不远的将来会有重大的进展，原因是地震触发滑坡空间分布可以被越来越多地得到完整记录，并且可与增加的地震及岩体工程数据进行对比研究，这样就可以使科学家更精确地建立目前只有部分或全然没有的滑坡与震源、场地效应和传播特征之间的关系。

译自：Engineering Geology.2011.122：9～21

原题：Landslide inventories：the essential part of seismic landslide hazard analyses

（中国地震局地质研究所 许 冲译；吕春来校）