遥感技术在广东龙川县新田镇地质灾害调查的应用

丁蒙阳,吴志春,刘富军,刘瑞强

(1.东华理工大学地球科学学院,330013,南昌 ;2.广东省核工业地质局二九二大队,517001,广东,河源 )

0 引言

国外开始利用遥感技术监测滑坡泥石流等自然灾害,进行滑坡的识别与判定时间较早,我国遥感应用是20世纪70年代中后期开始取得巨大成就,近年来广泛运用到各个领域,为各地灾害调查提供辅助作用。80年代初期,先后在雅砻江二滩电站、红水河龙滩电站、三峡电站等库区进行大规模区域性遥感地质灾害调查[1]。80年代中期开始,延伸到对铁路及公路沿线区域进行大规模的航空摄影,为铁路和公路工程线路方案选择和地质条件评价提供依据[2-6 ]。从汶川特大地震灾后区域进行的次生灾害的遥感调查[7-8],到地质灾害严重地区或是隐患地区的地质灾害详细调查[9-11],近年来利用遥感技术手段来分析地质灾害发育特征、敏感性分析等应用越来越多[12-13]。遥感的发展至今极大地拓宽了人类的视野和视觉能力,以其宏观性、综合性、多尺度、多层次的特点,已成为地质研究和地质勘查不可缺少的技术手段,在地质调查、矿产勘查、地质环境评价、地质灾害监测和基础地质研究等方面都发挥了越来越大的作用[14]。广东省是地质灾害比较频繁、受灾较严重的省份之一。利用遥感技术在众多领域中尤其在自然灾害方面独特的优势,通过案例分析,最大的地质灾害隐患往往是正在变形和已出现变形迹象的山体[15]。利用遥感技术对地质灾害的解译的研究,对于了解当地的地质地貌和地质灾害存在隐患地区,进行全方位,全天候的检测,有效识别和监测地质灾害的位置范围方位及规模大小等信息,制定科学的防灾减灾策略,提前预测地质灾害发生的区域,尽早转移相关人员,为当地居民及救援人员提供信息服务,保障人民群众生命与财产安全。多数从事相关领域的专家和学者表示利用现代遥感技术进行地质灾害调查是一种快速且有效的方法。因此,本文通过人机交互中目视解译及ArcGIS空间分析方法加地面调查对研究区崩塌 、滑坡等斜坡地质灾害数据,进行分析研究,确定滑坡、地质灾害隐患、崩塌等地质灾害的类型、规模及空间分布特征,为灾害地区进行综合监测和预报预警能力,制定科学的防灾减灾策略,保障人民群众生命与财产安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

龙川县新田镇,广东省河源市辖县内,位于24°25′04.0″N～24°29′52.0″N;115°27′18.0″E～115°35′18.5″E之间,镇域总面积68.40 km2。研究区属于亚热带季风气候区,雨量充沛。降雨主要集中在3月至9月,这两个时间段占全年雨量的75%左右。研究区总体地势地貌为自东南向西北倾斜,东南地区地势偏高,西北较低。研究区大地构造位置属于赣闽隆起区,处于南岭纬向构造东亚带与新华夏系东江断裂带的交汇处,经加里东期以来的多次构造运动影响,褶皱和断裂较发育,形成以北东向构造为主,北西向、东西向为辅的构造体系格局。研究区境内发育的主要断裂构造有梅树塘断层,断层呈北东向展布,出露长度3.5 km,倾向NE,倾角不明。研究区地层从老到新主要为中生界白垩系,新生界第四系,岩性主要为流纹质凝灰岩、流纹岩、玄武岩、熔岩等(图1)。境内岩浆岩分布广泛、面积大,占镇区总面积的90%,主要为中生界侏罗系黑云母花岗岩。混合花岗岩主要分布在镇内东部地区,呈不规则状展布,面积约22.4 km2。龙川县人类工程经济活动作用明显,是形成地质灾害的重要因素,主要表现在道路交通建设、水资源开发、人工削坡建房、垦植坡地、矿山开采及旅游开发建设等。

图1 新田镇高程与地质图(据广东省1：5万地质图改)

1.2 数据来源及用途

通过遥感影像人机交互中目视解译+地面调查的方法分析地质灾害隐患点的空间分布特征。利用遥感影像中高分二号和Google earth真彩色影像进行构造、岩性、隐患点的目视解译;地质灾害数据用于分析分布规模;DEM数据来自地理空间数据云用于分析高程、坡度、坡向;土地利用数据来自GlobeLand30数据用于分析断层、水系、道路、土地利用,降雨量来自龙川县气象局分析地质灾害隐患点关系(表1)。

表1 数据来源及用途表

1.3 遥感解译方法与流程

对于研究区的岩性、构造、地质灾害隐患点的判读方法采用目视解译中直接判读法、对比法和逻辑推理法三种。而对于地质灾害隐患点的类型、规模及空间分布特征利用ArcGIS软件来分析。

此次新田镇地质灾害调查研究首先进行研究区数据的收集,并对获取的遥感数据进行图像的预处理包括辐射定标、大气校正、正射校正等以及地形图的矢量化,其次综合运用遥感解译方法建立遥感解译标志对研究区的岩性、构造、地质灾害隐患点进行室内解译,并野外进行验证与检查,对隐患点进行GIS综合分析得到隐患点的空间分布规模特征(图2)。

图2 遥感解译流程图

2 遥感解译

2.1 解译标志的建立

建立遥感解译标志是解译工作的关键之一。遥感图像解译标志是指能帮助识别目标物及其性质和相互关系的影像特征,通过色调、形态、水系、植被、景观等各种直接或间接解译标志,对遥感图像各种地质灾害的类型、性质、分布范围、规模大小等属性或特征进行直观判译。对遥感图像上特征清楚、标志明显的灾害地质信息,可直接用传统的目视解译方法进行解译。地质灾害大多具有明显的形态特征,并与背景岩石或地层有一定的色调差异[6]。

2.2 岩性解译

本次解译以Google earth软件中的Quick Bird真彩色影像(空间分辨率为0.6 m)为基本依据,参考其他不同时期ETM等不同波段组合的彩色增强影像,结合前人区域地质调查成果,对新田镇境内地质灾害环境的地质背景进行了解译。通过遥感影像增强处理和解译,在解译过程中,利用区域地质调查资料,对已知地层在遥感图像上的影像特征进行对比分析,以了解岩石地层的可解译程度,对新田镇境内出露的岩石地层单位进行归并和划分。

2.2.1 侵入岩解译 根据影像可判读情况,研究区确定了一个侵入岩影像解译单元,为出侏罗纪晚世黑云母花岗岩(J3γβ)解译单元(图3)。广泛分布于新田镇中北部和南部边境地区,出露面积31.16 km2,占新田镇总面积的45.92%。该单元由一个呈岩基产出的侵入体组成。岩性为粗粒、中粒、细粒或斑状黑云母花岗岩,其影像特征主要表现为块状低山高丘陵地貌;发育钳状沟头树枝状水系;发育的冲沟密度较大,横断面形态大多为蝶形,部分为“U”形;冲沟发育的定向性大部分地区不明显,说明岩体受构造影响较小;山脊线呈弯曲状延伸,断面形态大多为浑圆状。

图3 黑云母花岗岩(J3母花)的影像特征

2.2.2 变质岩解译 在解译过程中,通过对已知变质岩体出露范围与遥感影像特征的对比分析,并根据变质岩在遥感影像上的显示程度进行了像解译,确定了一个变质岩影像解译单元,即古生代混合岩(Pzmi)解译单元,是规模较大的区域热动力变质岩体,位于新田镇中东部地区,出露面积19.97 km2,占新田镇总面积的29.43%。主要岩性包括条带混合岩、条纹混合岩、条痕状混合岩、眼球状混合岩等,局部地段有混合花岗岩。其影像特征与黑云母花岗岩(J3γβ)相似,主要表现为剥蚀低山丘陵地貌,广泛发育钳状沟头树枝状水系(图4),与黑云母花岗岩的界线模糊,需要仔细观察追索其微地貌影像特征差异予以圈定。

图4 元古代混合岩(Pzmi)的影像特征

2.3 构造解译

在遥感图像上,田中心断裂带主要表现为平直的线性沟谷,断裂两侧截然不同的岩性形成的地貌形态差异明显,并具有断裂破碎带的影像特点,沿带多处见有线性排列的断层三角面和断层陡坎等影像特征。通过影像图,新田镇境内断裂构造较为发育,按其发育的方向主要有北北东向、近东西向、北西向三组。按其规模大小和发育程度,北北东向断裂发育程度较低,规模最大,主要有2条,近东西向断裂发育程度最高规模较小,主要有8条;北西向断裂发育程度中等,规模较小主要有4条(含1条推测断层)。

其一,田中心断裂带,南起田中心东侧,呈北北东向展布,贯穿新田镇全境,境内长大于7.5 km。该带切割了晚侏罗世黑云母花岗岩体(J3γβ)和白垩纪优胜组(K2y)、合水组(K1h),是一条区域性大断裂带(图5)。据断层三角面形态特点判断,断裂带倾向北西,倾角60°～80°。从断裂带形成的规模、切割的地层和岩体时代看,该带形成于燕山期,其性质主要表现为张性正断层,并使白垩纪优胜组(K2y)和合水组(K1h)陷落,形成一个受其控制的白垩纪火山断陷盆地。

图5 田中心断裂带的影像特征

其二,老明塘断裂在遥感图像上,表现为平直的线性沟谷、线状延伸的陡崖和陡坎等地貌异常段,南起源三村西北930 m处,向北北东方向连续延伸至老明塘一带,全长约5.2 km。该带发育于侏罗纪晚世黑云母花岗岩(J3γβ)中,与前述田中心断裂带大致平行,是一条规模较大的断裂带(图6)。断裂带南段见有典型的断层三角面影像,根据断层三角面形态的顶角尖锐度判断,该断层倾向东南,倾角45°～55°。从断裂带切割岩体时代看,断裂带形成于燕山期,其性质主要表现为张性正断层。

2.4 地质灾害解译

基于研究区的岩性构造解译基础,发现地质灾害与构造岩性有密切的关系,构造和岩性的解译为地质灾害提供了发生的可能性,为研究区已发生的滑坡与崩塌提供原始原因,在此基础上地质灾害隐患点容易发展成滑坡、泥石流、崩塌的概率上升。

2.4.1 滑坡解译 滑坡是常见的重力地貌,它是在自然和人为共同作用影响下,依托自然重力作用,斜坡上的岩土体沿一定的软弱面整体或局部保持岩土体结构而向下滑动的过程和现象及其形成的地貌形态,称为滑坡[16]。滑坡灾害通常呈簸箕形或舌形的平面形态,个别滑坡可见滑坡壁、滑坡舌、滑坡台阶、封闭洼地等地貌特征[17]。滑坡的要素包括滑坡体、滑动面、滑坡后壁、滑动带、滑坡床、滑坡台地等。在遥感影像直观上不能观察到滑坡的地下部分,只能看到滑坡体和后壁这两个大要素,在目视解译中直观看到滑坡体与周围山坡相对较低,使得下滑体灰阶存在色差,从而较明显判断存在的位置边缘。

新田镇滑坡在遥感图像上,解译出滑坡平面特征大多为半圆形的弧状、马蹄状及梨状等围椅状形态。滑坡后壁多呈颜色较暗的陡崖,裂陈发育(图7)。古滑坡上冲沟发育,有植被或农田生长,稍微覆盖原始滑动痕迹,年份相对远的滑坡经过多年侵蚀或人工改造,地表附着物已与相邻非滑坡地区没有较大差异,又或者由于地表附着物遮挡,不易找出滑坡体、滑坡壁及滑坡边界,滑坡特征不明显,进行遥感解译存在一定的难度,需要结合滑坡的多方面特征来判断。新发生的滑坡,由于其地表附着物与临边区域有明显差异,在遥感影像上较易识别[18-19 ]。

本次对新田镇地质灾害解译过程中解译确定滑坡1处,隐患点中18处可能发育成滑坡灾害。

2.4.2 崩塌解译 崩塌亦是重力地貌也能引起一些自然灾害,对当地经济建设危害较大,常指岩土体顺坡猛烈地翻滚、跳跃、相互撞击,最后堆积于坡脚形成倒石堆的一种地质现象。崩塌常常发生在岩性坚硬且节理发育的陡峻的山坡,特征主要表现为发生比较突然,下落速度快,规模差异大,下落过程中整体性遭到破坏,通常其垂直位移大于水平位移。

新田镇在遥感影像上,新生崩塌上几乎没有植被分布和发育,影像纹理粗糙,近期发生的崩塌体其崩塌面色调浅,新生的植被少,堆积物呈青蓝色或淡褐色锥状;硬质岩层的崩塌壁参差不齐(图8)。在较老崩塌体上可能有少量植被分布,且使崩塌体的影像纹理变得平滑;部分崩塌的崩塌壁可能受光照方向的影像被阴影所遮挡,不易分辨。崩塌多发生在削坡建房、河流、铁路、公路等悬崖、陡壁或呈参差不齐的岩块处,由节理发育的坚硬岩石组成的陡坡或陡岸上;崩塌体轮廓明显,表面坎坷不平,具粗糙感,其上部外围有时可见到放射状张节理影像,古老的崩塌体植被生长较为茂盛,崩塌的规模不一,大型崩塌常发生在活动构造,在坡脚常见有大小不等、零乱无序的岩块(土块)呈锥状的堆积物(倒石锥)。在图上多呈三角形、契形,坡面色调一般呈浅灰色至深灰色,却较均匀,边缘略具细点状纹型。

新田镇通过地质灾害遥感解译出4个崩塌地质灾害点,隐患点可能发育成崩塌有113处。

2.4.3 隐患点解译 隐患点大多为不稳定斜坡,在遥感影像较为清楚(图9),多呈弧型形态,轮廓线清楚,影纹粗糙;为亮白-黄白色,色调较均匀,坡面较陡,斜坡后缘具有直线型或圆弧型陡坎,坡面地形破碎,坡面植被稀少,坡前一般建有房屋。灾害在山区往往具有分布位置高、植被遮挡隐蔽性强、规模大、危害强等特点[20]。研究区在遥感影像隐患点则较为清楚,多呈弧型形态,轮廓线较清楚,影纹粗糙;为浅灰、深绿、黄白色,色调较均匀,坡面较陡,斜坡后缘具有直线型或圆弧型陡坎,原始地形地貌被破坏,植被稀少,少量植被茂盛,多呈直线型,边坡前一般建有房屋、工厂等。形态上呈簸箕形、舌形、梨形等平面形态及不规则等的坡面形;新滑体和老滑坡体在影像上色调深浅不同,新滑坡体色调较浅,老滑坡体色调较深,发生时间较长老滑坡体上冲沟发育,滑坡前缘有时长满树木,新滑坡体地形破碎,起伏不平[21]。

本次研究区对新田镇地质灾害解译过程中隐患点一共131处,均为小型点。

3 遥感解译成果分析

此次研究区总共解译地质灾害点136处。从地质灾害类型上看,滑坡灾害点已发为1处,未发隐患点为18处,占地质灾害点总数的14%;崩塌已发4处,未发隐患113处,占地质灾害点总数的86%,隐患点不稳定边坡131个,占地质灾害点总数的96%。地质灾害隐患点131处发育成崩塌类型占比大。对于地质灾害隐患点的分布规模与特征是基于ArcGIS综合分析得出。地质灾害点情况调查结果,见表2。

表2 灾害类型及数量统计

3.1 地质灾害隐患点与各因子关系分析

3.1.1 地质灾害与降雨量时间关系 新田镇已发地质灾害中,规模等级均为小型,地质灾害的时间分布主要与连续、集中及降雨周期紧密相关(表3),新田镇解译结果中有已发5处灾害点均发生在5—8月的雨季,发生在大气强降雨期间或延后几天说明地质灾害时间分布总体上与强降雨天气吻合。隐患点发育成滑坡泥石流与崩塌现象与降水关系较大,降水时间的变化影响地下水的动态变化,增加了表层岩石与土壤的重力作用,同时增加土体中孔隙水压力,使得隐患处加速发育。后期地灾隐患点的发育发生应注意降雨时间。

表3 地质灾害发生时间与降雨量关系统计表

表4 遥感解译野外验证情况统计表

3.1.2 地质灾害与地形地貌关系 研究区的高程、坡度、坡向与地质灾害发生与隐患点发育的联系程度较高(图10)。 研究区地貌以山区、丘陵为主,最高海拔为771.2 m,最低海拔为180 m;其中西北部主要为海拔低于300 m,东南部为丘陵、中低山,总体地势呈南高北低、东高西低。新田镇地质灾害已发点主要分布在丘陵及山地地区的残丘坡脚,根据龙川县地质灾害详细调查报告海拔高程300～500 m的地质灾害点已发有5处,占总数的100%。地质灾害隐患点通过ArcGIS空间分析模块,采用自然间断点分级法,对高程数据重分类分析发现多分布于400 m,坡向西北到西向为主;坡度多为15～25°为主以下,从高程图上看出隐患点多分布在地形高差相对大的地区,这些地带为滑坡及崩塌形成提供了有利的地形地貌条件。

图10 地质灾害点与高程关系图

3.1.3 地质灾害与构造关系 断层、皱褶等主要通过控制岩层产状、岩体完整程度及区域地壳稳定性等控制斜坡稳定性[22]。通过ArcGIS对研究区断层进行缓冲区分析发现,多处地质灾害隐患点多为不稳定斜坡在断层距离较近,分布较密集,断层为地灾隐患发育提供基础加上自然降水使土地承受压力容易超过极限,斜坡发生崩塌滑动等产生地质灾害(图11)。

图11 地质灾害点与断层关系

3.1.5 地质灾害与人类活动关系 研究区人类活动多是交通建设、水资源开发、人工削坡建房、垦植坡地、矿山开采及旅游开发建设。通过ArcGIS对水系河流、道路进行缓冲区分析加上人类土地利用数据分析重分类,利用遥感影像在影像上目视解中发现新田镇地处丘陵、低山地貌,平地极少,风化层较厚,土体含沙量高且松散,削坡建房、开垦土地、修建公路等人类工程活动较为剧烈,不稳定斜坡主要是人工挖掘造成的(图12～图13)。经济原因大量开发利用土地,破坏地质环境天然的平衡,加速自然环境下地质灾害的诱发,大量滑坡泥石流崩塌及隐患点数量增加,人工开挖边坡在斜坡上部进行开垦建造,改变斜坡结构包括外形和应力形态,增加下滑体的动力,减少底部岩层的承托力,从而容易继发滑坡,也成为泥石流的触发因素。研究区据统计在风化壳较厚及人类工程活动较为剧烈区域,月平均降雨量达到148.6～255.6 mm地质灾害会多发(图14)。

图12 地质灾害点与河流关系图

图13 地质灾害点与道路关系图

图14 地质灾害点与土地利用关系图

通过Google earth真彩色影像对研究区的隐患点三维立体目视解译发现新田镇属低山丘陵地区,河谷平原地貌面积小,单层住宅无法满足居民需求。因此,居民们选择在山一侧开凿斜坡,在平地上建造,因此形成了大量人工开挖的边坡,边坡高度一般为3～6 m,有的甚至超过10 m,坡度一般为60～70°。由于缺乏资金和防灾意识,对边坡没有加强防护,采取缓坡处理和支护措施较少,在持续强降雨的情况下,容易发生滑坡、崩塌等地质灾害。加之,当地居民主要经济活动扩张耕地的变化、修建河流水系工程不可避免地要进行边坡切割,施工前后形成大量临空不稳定面,遇到强降雨时,道路两侧容易发生崩塌、滑坡,诱发地质灾害,冲毁房屋,尤其是距离县道、乡道较近地区点,基本没有施工防范措施,在有限的费用下,大部分乡道削坡削陡且缺乏保护措施使得滑坡、崩塌、水土流失等地质灾害危险系数增加,加大安全隐患。

3.2 野外核查与验证

通过室内对地灾隐患点的人机交互解译共发现地质灾害点136处,5处已发。经过野外验证实地调查得出的隐患点结果共136处,验证率 100%,验证与解译相符的点共计133个,解译正确率为 97.79%,因此,遥感解译结果是可信的。野外验证主要包括不稳定斜坡单元的位置、大小面积、坡度、高差、经纬度等保证遥感解译成果的正确性。

4 结论

1)通过解译表明地质灾害与地层条件、发生时间、地形地貌、人类活动息息相关。利用区域地质调查资料,根据遥感影像可区分程度,区内共解译出了3个沉积岩、1个侵入岩和1个变质岩遥感影像解译单元,对这些解译单元的遥感解译标志进行了系统总结。

2)区内断裂构造较发育,解译出14条规模较大的断裂构造(其中北北东向断裂2条,近东西向断裂8条,北西向断裂4条)。研究区内地质灾害规模以小型为主,共解译处地灾点136处及地质环境点3处。

3)基于GIS空间统计分析,查明了地质灾害隐患点分布特征。地质灾害整体发育程度北部大于南部,在时间上,集中在5—8月的雨季且具有滞后性;集中在380～460 m高程自然坡度小于30°的单向土质斜坡的低山丘陵区;地质灾害多为混合岩与花岗岩,人类活动是地质灾害隐患点发育的主要因素;隐患点主要为小型地质灾害隐患且有发育成滑坡或崩塌的趋势。

4)研究区基于室内解译与野外验证实地调查符合程度较高,对新田镇地质灾害防治规划有指导意义。