陳文凱，何少林，張?zhí)K平，周中紅

（1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

20世紀(jì)60年代中期遙感技術(shù)就開(kāi)始用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。早期常用的遙感資料較單一，主要利用航片、美國(guó)陸地衛(wèi)星圖像對(duì)重點(diǎn)區(qū)域或重點(diǎn)工程項(xiàng)目進(jìn)行滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作［1］。隨著遙感新技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用逐漸從單一的遙感資料向多時(shí)相、多數(shù)據(jù)源的復(fù)合分析；從靜態(tài)滑坡識(shí)別、形態(tài)分析向滑坡變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)渡；從對(duì)滑坡的定性調(diào)查向計(jì)算機(jī)輔助的定量分析過(guò)渡［2］。遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域中，前人已經(jīng)做了很多卓有成效的探索和研究工作。如卓寶熙將遙感應(yīng)用于大量的工程地質(zhì)勘察中［3］；李發(fā)斌利用遙感和GIS技術(shù)進(jìn)行了滑坡敏感性分析、可能性分析及風(fēng)險(xiǎn)性研究［5］；張繼賢利用3S技術(shù)對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估研究［6］；王治華提出了“數(shù)字滑坡”的概念［7］。但目前還存在一些不足：多為平面解譯；輔助數(shù)據(jù)如DEM、環(huán)境因素等數(shù)據(jù)利用較少，解譯精度不高；信息提取工作多為遙感數(shù)字圖像處理，GIS空間分析功能利用較少；自動(dòng)解譯方法中研究尺度較小，災(zāi)害提取范圍較??；地震地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯較少，烈度與次生地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系研究較少。

強(qiáng)烈地震發(fā)生在山區(qū)時(shí)常常會(huì)導(dǎo)致大量的山地地震地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，尤其是在我國(guó)西北、西南的高山地區(qū)。這里由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，河流深切，山坡陡峭，基巖風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，當(dāng)有外界因素如強(qiáng)烈地震動(dòng)影響時(shí)，就會(huì)發(fā)生大量的山體滑坡、崩塌、滾石等災(zāi)害。地震時(shí)高原峽谷地區(qū)道路破壞嚴(yán)重，地面調(diào)查條件惡劣，采用常規(guī)方法進(jìn)行地震地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查十分困難。因此遙感技術(shù)在2008年汶川大地震后在地震地質(zhì)災(zāi)害、房屋損毀、公路損毀等調(diào)查中被大量運(yùn)用，并得到了較好效果［10－17］。但是在甘肅省文?縣地區(qū)的次生地質(zhì)災(zāi)害研究中應(yīng)用較少，尚無(wú)公開(kāi)研究結(jié)果。根據(jù)前人研究結(jié)果了解到崩塌滑坡多發(fā)生在地震烈度Ⅶ度及以Ⅶ度上地區(qū)，Ⅷ度區(qū)及以上地區(qū)發(fā)生的可能性急劇增大［9］。據(jù)中國(guó)地震局公布的烈度范圍，甘肅省文縣烈度包括Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ三個(gè)烈度區(qū)域，因此本文對(duì)甘肅省文縣進(jìn)行地震地質(zhì)災(zāi)害遙感快速提取方法探討，根據(jù)人機(jī)交互解譯了該區(qū)域的次生地質(zhì)災(zāi)害，并研究和探討地震地質(zhì)災(zāi)害影像特征、地震地質(zhì)災(zāi)害與坡度、海拔高度、烈度之間的關(guān)系，分析文縣區(qū)域地震地質(zhì)災(zāi)害分布特點(diǎn)，為我國(guó)西部地震多發(fā)區(qū)的防災(zāi)提供參考，研究結(jié)果可為甘肅省文縣災(zāi)后恢復(fù)重建工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

文縣位于甘肅省隴南市的東南，東南接四川省廣元市和九寨溝縣，北鄰陜西寧強(qiáng)縣。地形自東向西由丘陵區(qū)向高山峻嶺、深山峽谷區(qū)展布，形成西高東低的地形，山地約占總面積的90%。境內(nèi)白龍江、白水江由西至東穿流而過(guò)，匯入嘉陵江。山峰海拔高程1 000～4 187m之間，河谷海拔高程550～1 650m。甘肅省文縣在汶川地震中受到嚴(yán)重破壞，根據(jù)中國(guó)地震局公布的汶川地震烈度，文縣烈度包含了Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度，其中Ⅶ度、Ⅷ度區(qū)占其絕大部分，肖家鄉(xiāng)、碧口鎮(zhèn)、中廟鄉(xiāng)、范壩鄉(xiāng)（東部）、玉壘鄉(xiāng)（東南）處于Ⅸ度高烈度區(qū)。

圖1 甘肅省文縣烈度分布圖（中國(guó)地震局，2008）Fig.1 Distribution of earthquake intensity in Wenxian county，Gansu province.

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)，選用TM、ETM影像、Aster影像、SPOT5影像作為遙感數(shù)據(jù)源。影像空間分辨率為2.5m、15m、30m，其中SPOT5影像只有震后一景影像，Aster影像有地震前后影像，TM／ETM影像均為震前影像。其中TM影像為2006年5月19日拍攝的，ETM影像為2001年5月12日拍攝的，Aster影像為2008年6月1日和2006年3月8日拍攝的，SPOT5影像為2008年5月16日拍攝的，有少量的薄云，圖像整體質(zhì)量較好。輔助數(shù)據(jù)為1：5萬(wàn)地形圖、1：5萬(wàn)DEM、Aster－DEM 數(shù)據(jù)。

在已有的矢量地形圖、行政區(qū)劃圖、柵格DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用ENVI4.6對(duì)收集到的SPOT影像進(jìn)行正射糾正，對(duì)ASTER、TM、ETM、經(jīng)過(guò)正射糾正過(guò)的SPOT影像分別進(jìn)行幾何精糾正，然后進(jìn)行圖像拼接、裁剪、增強(qiáng)等處理。在ArcGIS軟件中進(jìn)行地震地質(zhì)災(zāi)害解譯。DEM數(shù)據(jù)要進(jìn)行分類，得到坡度分類圖和高程分類圖，并將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。在植被遙感中，歸一化植被指數(shù)（NDVI－ Normailized Difference Vegetation Index）的應(yīng)用最為廣泛，因此本文中通過(guò)計(jì)算NDVI指數(shù)來(lái)表征文縣的植被覆蓋情況。由公式NDVI＝（NIR－R）／（NIR＋R）得到文縣的 NDVI，其中NIR、R為T(mén)M影像的近紅外波段和紅波段。然后利用公式 F＝（NDVI－NDVImin）／（NDVImax－NDVImin）得到該區(qū)域的植被覆蓋度，其中F為植被覆蓋度，NDVImax和 NDVImin分別為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最大值和最小值，最后得到文縣植被覆蓋度（圖5）。

2 震區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害的影像特征解譯分析

基于遙感技術(shù)的地震地質(zhì)災(zāi)害的解譯分析過(guò)程中一般采用歷史比較法、直判法和綜合辨認(rèn)法。歷史比較法就是采用地震前后兩期遙感影像，通過(guò)對(duì)同一地區(qū)對(duì)比來(lái)發(fā)現(xiàn)有無(wú)地震地質(zhì)災(zāi)害；直判法就是根據(jù)圖像中的地物標(biāo)志直接判斷為震害。本文中根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害在震后遙感影像上的形狀、色調(diào)、紋理等空間結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行三維分析，并根據(jù)地震前后影像進(jìn)行對(duì)比分析，了解地震地質(zhì)災(zāi)害的影像特征，采用人機(jī)交互方法獲取研究區(qū)的次生山地災(zāi)害分布信息。

（1）滑坡?；滦纬珊笤谛逼律暇哂兄?chē)^陡，中間有一個(gè)較平緩的臺(tái)地的圈椅狀或馬蹄狀特征。一個(gè)發(fā)育完全的滑坡具有滑坡體、滑坡壁、滑坡臺(tái)階、滑坡舌、滑坡鼓丘、破裂緣、后緣洼地等要素［13－14］?；略谟跋裰谐８鶕?jù)色調(diào)、形態(tài)和滑坡表面特征進(jìn)行識(shí)別，具有明顯的滑坡體和滑坡后壁特征：滑坡多呈圈椅狀且坡度較陡；在SPOT影像中滑坡周邊背景呈草綠色，而滑坡體則呈現(xiàn)粉紅色，如圖2所示。

圖2 SPOT影像中的滑坡Fig.2 Landslide on SPOT image.

（2）泥石流。泥石流是介于挾沙水流與滑坡之間的山區(qū)土（碎石）、水、氣的混合物，一般由物源區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)組成。泥石流可分為溝谷型與坡面型。在SPOT影像中泥石流色調(diào)為粉紅色，但其形狀多呈勺狀、漏斗狀，多發(fā)生在溝谷中，泥石流流通區(qū)寬窄不一，溝槽彎曲（圖3）。

圖3 SPOT影像中的泥石流Fig.3 Debris flow on SPOT image.

（3）崩塌。崩塌是斜坡的一部分在重力作用下突然傾倒、跌落，多發(fā)生于坡度大于45°、高度大于30m、坡面凹凸不平的陡峻斜坡上［15］。崩塌具有明顯的崩塌壁，其下方為崩塌堆積物。因此在遙感影像中表現(xiàn)為粗細(xì)間雜的紋理特征，新的崩塌色調(diào)呈白色，老的色調(diào)較深一些（圖4）。

本文中也探討了利用植被指數(shù)（NDVI）來(lái)增強(qiáng)災(zāi)害體影像特征，自動(dòng)提取次生山地災(zāi)害體。發(fā)現(xiàn)在植被覆蓋較好，災(zāi)害體面積較大，且震前沒(méi)有舊災(zāi)害體分布時(shí)效果較好，自動(dòng)提取效果如圖5所示，其自動(dòng)提取的地震地質(zhì)災(zāi)害精度為：地震地質(zhì)災(zāi)害正確識(shí)別率為77.97%，虛警率為15.84%（正確識(shí)別率f＝Nr／Ns，虛警率s＝Ne／Nj，其中Nr識(shí)別出的正確目標(biāo)數(shù)，Ns為實(shí)際目標(biāo)數(shù)，Ne為識(shí)別出的虛假目標(biāo)數(shù)，Nf為檢測(cè)到的總目標(biāo)數(shù)）。但在河谷、居民點(diǎn)、耕地等植被覆蓋較低地區(qū)，災(zāi)害體面積較小時(shí)，這種方法并不適用，精度較低，自動(dòng)選擇合適的閾值較困難，對(duì)災(zāi)害體大范圍難以有效提取。如圖6，可以看出自動(dòng)提取災(zāi)害體，存在著大量的“同物異譜，異物同譜”現(xiàn)象，將河谷、居民地、耕地誤作為地質(zhì)災(zāi)害提取出來(lái)了。

圖4 震后ASTER三維影像Fig.4 ASTER three－dimensional image.

圖5 ASTER影像自動(dòng)提取災(zāi)害體Fig.5 Automatic extraction of hazard from ASTER image.

圖6 農(nóng)耕區(qū)自動(dòng)提取災(zāi)害體效果Fig.6 Automatic extraction of hazard on farming area.

3 次生山地災(zāi)害分布特征

基于地震前TM、ETM影像與震后ASTER、SPOT影像對(duì)比分析，根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害在遙感影像上的特征，得到研究區(qū)內(nèi)山地災(zāi)害分布圖（圖7）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)中共解譯到滑坡、泥石流、崩塌等地震地質(zhì)災(zāi)害545條，主要集中分布在中廟鄉(xiāng)、碧口鎮(zhèn)、范壩鄉(xiāng)、肖家鄉(xiāng)、玉壘鄉(xiāng)、尚德鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、丹堡鄉(xiāng)，山地災(zāi)害在空間上具有分布范圍廣、但又不均勻的特點(diǎn)。

從圖中可以看出研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害在白龍江、白水江流域分布較廣，具有沿河谷發(fā)育且呈不對(duì)稱分布的特點(diǎn)，但在高烈度區(qū)如范壩鄉(xiāng)、碧口鎮(zhèn)、中廟鄉(xiāng)則沒(méi)有明顯的沿河谷發(fā)育的特點(diǎn)，斷層影響并不是很大。河谷地區(qū)人類活動(dòng)頻繁，對(duì)地表植被破壞嚴(yán)重，河谷還有國(guó)道212線穿過(guò)，這些地區(qū)巖石破碎，在地震時(shí)產(chǎn)生了大量的崩塌、滑坡，對(duì)公路和居民點(diǎn)破壞嚴(yán)重。山地災(zāi)害與植被覆蓋度也有一定的關(guān)系，這在高烈度區(qū)表現(xiàn)并不明顯，但在低烈度區(qū)絕大多數(shù)地震地質(zhì)災(zāi)害都發(fā)生在植被覆蓋度低的區(qū)域。究其原因在高烈度區(qū)域地震是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要原因，如果沒(méi)有地震這些地區(qū)可能很難發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，而在低烈度區(qū)地震對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響力降低，地形環(huán)境、地震動(dòng)兩者都影響著地震地質(zhì)災(zāi)害的分布，缺一不可。

圖7 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.7 Distribution of geo－h(huán)azard in the study area.

（1）地震地質(zhì)災(zāi)害與坡度之間的關(guān)系

利用文縣的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)將研究區(qū)地形坡度按10度間隔劃分為8級(jí)，圖8是研究區(qū)內(nèi)不同坡度范圍的山地地震地質(zhì)災(zāi)害分布面積統(tǒng)計(jì)圖。從圖中可以看出，文縣地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在坡度為40°～50°、30°～40°間，其中坡度40°～50°間地質(zhì)災(zāi)害面積 最 多 （占 40.25%）；其 次 為 30°～40°（占30.54%）；在坡度20°～30°與50°～60°之間也有地震地質(zhì)災(zāi)害分布，但相對(duì)來(lái)說(shuō)較少；大于或小于這兩個(gè)坡度區(qū)間則地質(zhì)災(zāi)害分布極少；大于70°則沒(méi)有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。由此可以認(rèn)為地震導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生于20°～60°的邊坡上。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能是坡面穩(wěn)定性差，底層中的原始層面是構(gòu)成岸坡變形破壞的主控面，而重力影響程度大小又主要取決于巖層面向臨空方向的傾角。本來(lái)邊坡地形在重力作用下就不是很穩(wěn)定，當(dāng)有強(qiáng)烈地震增加其作用力時(shí)更易發(fā)生地震地質(zhì)災(zāi)害。

（2）地震地質(zhì)災(zāi)害與海拔高度之間的關(guān)系

圖8 不同坡度地質(zhì)災(zāi)害所占面積統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Area cartogram of geo－h(huán)azard with different slopes.

利用研究區(qū)內(nèi)的1：5萬(wàn)的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件下進(jìn)行空間分析運(yùn)算。首先高程數(shù)據(jù)按照500m的等間隔劃分為12類，然后將分類柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量面狀數(shù)據(jù)。在Arc－GIS中利用Analysis Tools工具將高程面狀數(shù)據(jù)與數(shù)字化好的山地災(zāi)害進(jìn)行疊加分析，得到不同高程范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的分布面積（圖9）。從圖9中可以看出，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的分布具有明顯的差異性，從海拔1 000～1 500m開(kāi)始有地質(zhì)災(zāi)害的分布，到1 500～2 000m分布最廣，然后隨著海拔的升高地質(zhì)災(zāi)害越來(lái)越少，在3 500～4 000m則沒(méi)有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

圖9 不同海拔高度地質(zhì)災(zāi)害所占面積統(tǒng)計(jì)圖Fig.9 Area cartogram of geo－h(huán)azard with different altitudes.

表1 不同地震烈度區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布統(tǒng)計(jì)表

圖10 不同地震烈度地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.10 Distribution of geo－h(huán)azard in different earthquake intensity areas.

（3）地震地質(zhì)災(zāi)害與烈度之間的關(guān)系

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)中共解譯到滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害545條，地質(zhì)災(zāi)害主要集中分布在Ⅷ度、Ⅸ度高烈度區(qū)內(nèi)，Ⅶ度區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)災(zāi)害零星分布，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布明顯與地震烈度有關(guān)。本文中統(tǒng)計(jì)了文縣不同烈度區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)災(zāi)害分布個(gè)數(shù)、面積、面積比，如表1所示。從表中可以看出地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在Ⅷ、Ⅸ度區(qū)，Ⅶ度區(qū)內(nèi)山地災(zāi)害零星分布，這與孫崇紹等［16］根據(jù)歷史地震統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果一致，既地震引發(fā)的滑坡、崩塌等地震地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在地震烈度Ⅶ度及Ⅶ度以上區(qū)域。

根據(jù)解譯結(jié)果如圖10可以得到地震烈度較小時(shí)，如Ⅶ、Ⅷ度區(qū)地質(zhì)災(zāi)害由地形地貌、植被覆蓋情況、外力（地震動(dòng)）等因素控制，因此低烈度區(qū)域地震地質(zhì)災(zāi)害分布在河谷、低植被覆蓋度地區(qū)。在高烈度區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生主要由外力（地震動(dòng)）控制，所以在高烈度區(qū)地質(zhì)災(zāi)害受地形地貌、植被覆蓋等因素的影響較小，其分布在并沒(méi)有沿著河谷、低植被覆蓋度的地方分布。

4 結(jié)論與討論

本文利用汶川地震前后的遙感影像對(duì)研究區(qū)文縣進(jìn)行了人機(jī)交互提取地震地質(zhì)災(zāi)害，得到了文縣地震地質(zhì)災(zāi)害分布圖，從中得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）基于遙感技術(shù)的人機(jī)交互識(shí)別地震地質(zhì)災(zāi)害，能夠快速獲取地震災(zāi)區(qū)的災(zāi)情。利用中等空間分辨率影像如TM、ASTER數(shù)據(jù)時(shí)，需要有地震前后影像對(duì)比判別，尤其是在河谷滑坡、泥石流多發(fā)地段，只有震后影像則無(wú)法準(zhǔn)確判別是地震后發(fā)生的災(zāi)害還是地震前就已經(jīng)有的老地質(zhì)災(zāi)害。高空間分辨率影像如SPOT影像時(shí)則可以通過(guò)對(duì)地震地質(zhì)災(zāi)害影像色調(diào)的對(duì)比來(lái)識(shí)別災(zāi)害體。

（2）基于多光譜影像可以通過(guò)計(jì)算植被指數(shù)、濕度指數(shù)等特征來(lái)增強(qiáng)地震地質(zhì)災(zāi)害，尤其是在植被覆蓋度較高的地區(qū)更為適用。但在本來(lái)植被覆蓋不好的地區(qū)如居民區(qū)、耕地、河谷等則不能夠真實(shí)的反映該地區(qū)的地震地質(zhì)災(zāi)害。自動(dòng)提取方法閾值很難選擇，大范圍自動(dòng)提取效果較差，需要進(jìn)一步探索研究。

（3）地震引發(fā)的山地地震地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、崩塌、泥石流等。在研究區(qū)文縣境內(nèi)山地地震地質(zhì)災(zāi)害分布就有500多處，主要分布在高地震烈度區(qū)（范壩鄉(xiāng)、碧口鎮(zhèn)、中廟鄉(xiāng)）、沿白水江和白龍江河谷地區(qū)。研究區(qū)內(nèi)山地地震地質(zhì)災(zāi)害集中分布在20°～60°的邊坡上，且在1 000～2 500m的海拔高程范圍以內(nèi)發(fā)生地震地質(zhì)災(zāi)害的概率更大一些。

（4）地震次生山地災(zāi)害與地震烈度緊密相關(guān)，隨著地震烈度的增加，地震地質(zhì)災(zāi)害分布也越來(lái)越多，面積也越多。根據(jù)研究區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害分布圖可以再次證明了地震次生山地災(zāi)害主要分布在Ⅶ度及Ⅶ度以上區(qū)域，與前人研究成果一致。烈度與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系密切，如果在相同或相似的地形環(huán)境下建立起烈度與地震地質(zhì)災(zāi)害之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害情況來(lái)客觀迅速了解區(qū)域地震烈度，有利用地震災(zāi)情的快速獲取。

致謝：感謝甘肅省地震局應(yīng)急處為本研究免費(fèi)提供了汶川地震前后遙感影像，感謝陳永明老師對(duì)本文研究過(guò)程中提供的幫助和指導(dǎo)。

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