基于卫星遥感的地质灾害特征提取及实勘验证

陈 毫，黄启林，张 权，陈志康，张雅婷，陈 琴，刘纪峰

(1.三明学院 建筑工程学院， 福建 三明，365004； 2.三明市公路局，福建 三明，365000；3.工程材料与结构加固福建省高等学校重点实验室（三明学院），福建 三明， 365004）

三明-南平区域是福建省滑坡灾害的重灾区，仅三明市每年由于滑坡灾害造成的损失就高达数千万元，治理的费用更高于此。 地质灾害的识辩和预报预警一直是其防治的重点和难点，控制不好，极易造成重大损失[1-3]。 地质灾害在遥感图像上呈现的形态、色调、影纹结构等均与周围背景存在一定的区别，可利用这一特点对地质灾害的规模、形态及孕育特征从遥感图像上解译圈定，具有可快速获取大区域数据、减少野外工作量和成本、能更经济和高效地了解较大范围的地质灾害分布等优点，近年来得到专家学者的重视。 严惠[4]探讨了遥感技术在地质灾害监测和治理中的应用；王云南等[5]总结了滑坡遥感解译的研究进展，分析了存在的不足并提出了解决办法；蒋培荡[6]通过MAPGIS 平台对获取的SPOT5 全色波段遥感数据进行解译， 在江西省永丰县1∶50 000 地质灾害调查中取得较好效果；张幼莹等[7]以地质灾害易发区为例，提出了我国国产卫星影像本底数据更新的实用方案；Ventura G 等[8]利用合成孔径雷达（SAR）数据对地表形变进行了监测；Yang 等[9]利用多时相遥感数据对滑坡进行了研究；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等。

以上研究成果，说明卫星遥感技术在地质灾害识辩应用方面的可行性和高效性，但目前卫星遥感影像对地质灾害识辩率还不够高，拟基于谷歌卫星地图，结合现场实地踏勘，探索适合于三明市地形地貌的地质灾害识辩方法，为地质灾害预控提供技术支持。

1 调查区域概况

选择东经 117°30′50″、北纬 26°18′09″，东经 117°43′00″、北纬 26°18′06″，东经 117°30′48″、北纬26°10′31″，东经 117°42′57″、北纬 26°10′27″所围成的区域为调查区域，主要为三明市的梅列区、三元区辖区，重点调查区域为市区沙溪河两岸工程建设地点，包括房地产开发、土方回填、道路或隧道施工等处，主要调查区域的谷歌卫星图见图1。由图1 可知，沙溪河沿岸及G205 沿线各工程建设点，因工程活动造成植被破坏，导致岩土体裸露面积较大，发生地灾的可能性较大。

图1 主要调查区域的谷歌卫星图像

本区属典型的中亚热带季风气候和中亚热带山地气候区，降雨量充沛，季风明显、山地气候显著；1990-2016年来年平均降雨量1 696.2 mm，降雨时空分布不均，降雨过程主要集中在3-8月间、尤以5、6月为甚，据统计，整个雨季降雨量约占全年降水量的73.71%，5-6月份降水最多，约占全年降水量的31.19%。

调查区内地表水系发育，主要河流为沙溪，隶属闽江流域，自西南向东北流经本区。沙溪河属雨水补给型河流，大气降水为其主要补给来源，地下水为次要的补给来源，平均径流模数36.88 L/(s·km2)；其流量随流程增长而加大，水位受大气降水的控制，有年、季、月的变化，洪水多发生在5-7月，暴雨季节，山洪爆发，河水位猛涨，流量猛增，但雨后水位、流量很快恢复正常；最大流速3.75 m/s，最小流速0.36 m/s。 沙溪河支系发育，呈树枝状分布，调查区主要支流有碧溪、焦溪、台溪、东牙溪等，汇入干流沙溪河。

调查区位于三明市城区沙溪河山间盆地及两岸，地貌上以河流阶地和剥蚀丘陵为主。 总体地势是南西高、北东低，沙溪河自南西向北东迳流，最低点位于调查区北东部沙溪河西岸，海拔标高约120 m，最高点位于调查区东南部，海拔标高为512.6 m。 沙溪河西岸海拔高程在120～330 m，东岸海拔高程在130～510 m。 调查区以外为低山、中低山区，向西北和南东呈阶梯状上升。

调查区内地层发育不全，沿沙溪河两岸分布的地层主要为第四系、长林组和林地组，其中长林组主要分布在沙溪河东岸，西岸仅在北山新村、三钢总部局部零星出露。 各岩石地层单位主要岩性组合特征及其分布状况见图2。

区内的岩体工程地质类型，有岩浆岩和沉积岩；以岩体的结构面组合特征分为块状和层状两种类型；层状类型岩组按单层厚度分巨厚-厚层状（＞0.50 m）和薄-中厚层（≤0.50 m）；以岩石单轴饱和抗压强度值分为坚硬（fr≥60 MPa）、半坚硬（30 MPa≤fr≤60 MPa）和软弱（fr＜30 MPa）三个岩组。区内的土体，按固结程度属松散岩建造类型，其结构有均一、双层和多层三个结构类型。 本区工程岩组类型划分具体见图3。

图2 调查区地形地质图

图3 调查区岩土体分布图

2 卫星遥感地质灾害特征提取和实勘对比

2.1 典型地灾点卫星图像特征

近年来，三明市城区房地产开发发展迅速，且区域内有南三龙铁路、G205 及S306 改线工程、三明-沙县快速通道和城市绿道建设，由于受场地条件限制，多数新建场地需要大规模开挖山体，由此产生大量的高陡边坡及弃土方量。 这些工程建设项目因开挖山体、填方整平及弃土堆填形成的高陡边坡和弃土场均存在潜在的危险，在暴雨、连续强降雨等极端天气易诱发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，是研究的重点区域。

从卫星图上看，该类因工程活动造成的地灾点具有明显的特征，即：由于调查区域山体植被覆盖较好，工程建设会造成植被破坏，导致岩土体裸露面积较大，相应的卫星图像显示出与周边山体绿色植被明显不同的岩土体颜色，典型区域包括：（1）碧桂园、恒大御府（原水舞半山郡）和世纪城（山水御园三期）等房产开发区在施工过程中形成大量的高陡边坡（图4～图5），高度一般20～30 m，最高可达 50～60 m，坡度一般 50°～60°，局部 60°～70°，多数为土质边坡、岩土质混合边坡，虽有分台阶开挖，在施工过程中未支护或仅简易支护，存在滑坡危险；（2）房产开发区开挖山体形成大量弃土，弃土堆放在山间沟谷低洼地带，据调查，弃土方量一般30～80 万m3，分布面积一般2～8 万m2。 其中最大一处（矮桥-小溪弃土场，碧桂园、万达广场项目建设堆弃）方量达1500 万m3，面积约65.2 万m2，均未采取防护措施，存在崩塌、滑坡、泥石流隐患；（3）南三龙铁路、G205 及S306 改线工程、三明-沙县快速通道和城市绿道，这些道路工程建设过程中亦需大量开挖山体，局部低洼处需填方整平，也就形成了大量的挖方、填方边坡。 如：快速通道贵溪洋隧道口高陡边坡，边坡高差12～15m，坡度 50°～70°，无支护措施，周边多处存在类似边坡，总宽度约 200 m（图6～7）；（4）南三龙铁路及国道205 改线隧道开挖产生了大量的弃土，形成了多个弃土场，如国道205 改线项目建设形成的翁墩后山弃土场，填方面积约 1.9 万 m2，填筑方量约 30 万 m3（图8～9）。

图4 恒大御府人工边坡卫星图像

图5 恒大御府现场图片

图6 贵溪洋隧道口高陡边坡卫星图像

图7 贵溪洋隧道口高陡边坡现场

图8 翁墩后山弃土场卫星图像

图9 翁墩后山弃土场现场

2.2 地质灾害形成条件

地质灾害的形成条件主要包括地形地貌、地层岩性、地质构造、降雨和人类工程活动等。 地形地貌是形成地质灾害的首要条件，不同的地质灾害形成于不同的地形地貌之中；地层岩性(岩土体特征)是形成地质灾害的必要条件，岩土体的类型、性质、结构决定着致灾体的物质来源，并控制着地质灾害的发育类型和生成规模；降雨及人类工程活动则是形成地质灾害的外在因素。 不同的地质灾害形成条件也各有差异，如区内滑坡、崩塌多与山体斜坡的外形及坡度相关，个别还与地质构造有密切关系；泥石流多为滑坡、崩塌所伴生并与溪河沟谷的发育有关，区内多个弃土场亦为泥石流的形成提供了必要的物质来源；地面岩溶塌陷产生于岩溶发育区，其形成与人为抽吸地下水密切相关；高陡边坡、弃土场的形成完全是由人为工程活动造成的。

该区域以剥蚀丘陵为主，沟谷发育，切割相对较深，地面坡降较大，天然陡坡地形发育。 地质环境条件较复杂，地层岩性变化较大。 共识辩地质灾害点76 处，其中卫星遥感初步识辩地灾点达68 处，识辩率成功达89.5%， 仅有部分房前屋后的小型崩塌或古滑坡，因影响范围较小或森林覆盖，卫星图像不明显而无法识辩。 地质灾害类型主要有滑坡、崩塌、潜在泥石流、高陡边坡及弃土场等，各类型地质灾害（隐患）点数量统计详见图10。

图10 各类型地灾数量统计图

各类型地灾形成条件如下（1）高陡边坡。 共计37 处，占总数的48.6%，总体特征是丘陵坡地多，河流阶地少，并与山区人口聚集分布及工程活动强度程度密切相关，一般在山弯坡脚与等高线平行错落分布，或在斜坡纵坡线上呈阶梯状分布，主要是城市绿道、房地产开发、道路建设等开挖山体造成。 （2）滑坡。 共17 处，占灾害总数的22.4%，主要分布在列东街道、徐碧街道、城关街道和城东乡。 多为土质、岩土质滑坡；受人为活动影响明显，均为工程滑坡；浅层滑坡居多，中层滑坡仅2 处，系受区内断裂构造影响；滑坡规模一般为小型，中型滑坡2 处。 （3）弃土场。 共计11 处，占地质灾害总数的14.5%，以小型弃土场为主，弃土主要来源为房产开发、公路、铁路等建设开挖山体的弃土、弃石，大部分堆填于山间沟谷内，个别堆填于河漫滩，堆积范围广、体积大，对原有水文地质条件影响较大，在强降雨等极端天气条件下，易诱发大规模的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。（4）潜在泥石流。泥石流的形成、发展，主要受控于地质、地貌、水文、气候等大尺度环境因素的综合影响，而人类不合理的活动，则是加剧泥石流发生频率、强度等的重要原因。 共发现区内泥石流地质灾害6 处，其中梅列区5 处，三元区1 处。 泥石流大部分是潜在隐患，灾点规模以中小型为主。 （5）崩塌。 共计5 处，占灾害总数的6.6%，分布于城关街道、城东乡和列东街道，均为小型土质崩塌，按其发育部位和形成的动力因素及危害结果，主要是房前屋后因削坡建房引起的崩塌。

2.3 地质灾害点分布特征分析

从调查结果看，地质灾害点分布不均，在区域上与地形地貌、地质环境条件、岩土体类型及人类工程活动等有密切关系；在时间上受降雨的因素控制明显，地灾多发生在每年3-8月雨季，尤其是5-6月份暴雨期间。

从地形地貌上看，区内崩塌、滑坡、高陡边坡等地质灾害主要分布在沙溪河两岸剥蚀丘陵区山坡地带，与人类工程活动程度有很大关系，总体特征是沙溪河东侧多西侧少，东侧山坡地带人类工程活动相对较频繁， 地质灾害发育的也较多， 因此地质灾害易发区主要集中在沙溪河东侧山坡地带；而沙溪河两岸阶地地带，地表坡度相对较平缓，人口、建筑较密集，陡坡地段一般均采取了较好的防护、工程治理措施，地质灾害一般不发育，仅在岩溶发育区存在潜在的岩溶塌陷地质灾害（北山新村、列东汽车站、原三明化工机械厂和台江～东霞共4 处），在工程建设高填方区存在潜在的地面沉降、不均匀沉降地质灾害（南三龙铁路南站建设场地），其空间分布位置见图11。

潜在泥石流及弃土场隐患其分布位置受人为因素控制明显，在区内主要分布在山间沟谷地带，与房产开发、道路建设（铁路、公路、城市绿道等）密不可分，规模较大的弃土场共11 个，其中8 个分布在沙溪河东岸山坡地，3 个分布在西岸山坡地，见图12。

图11 滑坡、崩塌、高陡边坡等地灾点空间分布

图12 区内弃土场空间分布位置

3 典型地灾点的影响因素分析

地质灾害的诱发因素很复杂，但简单归纳起来主要有人类工程活动和降雨两种。 区内各种人为工程活动是诱发地质灾害的外部因素，滑坡、崩塌、高陡边坡等地质灾害主要与削坡建房、工程建设、修建公路、铁路和水利设施等人为开挖山体形关系密切，山体开挖改变了原有的应力平衡状态，促使其应力发生重新分配现象，则有可能发展成各类地质灾害或存在潜在的地质灾害隐患；弃土场的形成则完全由人为工程活动引起，同时弃土场松散的堆积体为泥石流的形成提供了丰富的物质来源，深厚弃土填方区则为地面沉降、不均匀沉降提供了必要条件；潜在地面塌陷（岩溶塌陷）主要由过量开采地下水及大型工程降水等诱发。降雨是催发滑坡、崩塌地质灾害的重要诱发因素，这是因为降雨形成地表水或地下水流后进入松散土层，通过各种构造、裂隙渗入岩土体的层内错动带或土岩接触面，一方面增加了岩土体的容重、浸泡湿润了滑动面，另一方面抬高了地下水位、加大了孔隙水的压力、降低了岩土体的抗剪能力及不利结构面的力学强度，从而影响边坡的稳定性，并起到了重要的触发作用。 大量的水源是形成泥石流的必备条件之一，而降雨能够满足这一要求，特别是短时暴雨、持续强降雨等，雨水短时间在沟谷汇集，水位暴涨，为泥石流的形成提供了充足的水源，同时沟岸两侧频发的滑坡、崩塌为其提供了大量的物质来源。弃土场主要隐患是诱发滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害，其本身土体结构较松散，堆填高度较大，周边存在大量的高陡填方边坡，若地表排水不畅，受降雨的影响易诱发次生地质灾害，且规模大、危害大。

4 结论

为探索利用卫星遥感图像进行地灾特征提取的可行性和可靠性， 对三明市区沙溪河岸典型地灾点的谷歌卫星图像进行提取，结合实地勘察进行验证，对典型地质灾害点进行了统计，对各类地灾形成条件、分布特征和影响因素进行了分析，可得出如下结论：（1）由于调查区域山体植被覆盖较好，各地灾点主要是工程活动所造成的，相应的卫星图像显示出与周边绿色植被明显不同的岩土体颜色，因此可以快速、高效进行识辩，本次卫星遥感初步识辩地灾点达68 处，识辩率成功达89.5%，说明利用卫星遥感图像进行地灾初步识辩是可行的；（2）地质灾害类型包括高陡边坡、滑坡、弃土场、潜在泥石流和崩塌等，分布不均，在区域上与地形地貌、地质环境条件、岩土体类型及人类工程活动等有密切关系；在时间上受降雨的因素控制明显，灾害多发生在每年3～8月雨季，尤其是5～6月份暴雨期间；（3）地质灾害的诱发影响因素很复杂，各种人为工程活动是诱发地质灾害的外部因素，降雨是摧发滑坡、崩塌地质灾害的重要因素，弃土场主要隐患是诱发滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害；（4）绘制了调查区域内各地灾点的空间分布图，可为该区域地质灾害的快速识辩和预控提供参考。