王治華

（中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

數(shù)字滑坡技術及其典型應用

王治華

（中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

為了改變傳統(tǒng)滑坡遙感技術方法效率低、調查精度難以提高的狀況，經(jīng)多年實踐與探索，筆者于1999年提出了“數(shù)字滑坡”概念。該概念使傳統(tǒng)的“地學滑坡”拓展為能以數(shù)字形式表達的，具有三維空間、“多維”時間信息的，由“多元”要素組成的“數(shù)字滑坡”。數(shù)字滑坡技術系統(tǒng)由滑坡解譯基礎技術、遙感識辨滑坡技術、滑坡數(shù)據(jù)庫及滑坡模型4部分構成。多年來，數(shù)字滑坡技術已成功應用于我國大型水電站建設、山區(qū)交通線建設、區(qū)域開發(fā)環(huán)境治理以及抗震減災等領域，也用于大規(guī)模個體滑坡調查研究，并取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益，有效服務于國家防災減災戰(zhàn)略。該文主要以西藏帕里河及川東天臺鄉(xiāng)2個典型滑坡調查為例，闡述數(shù)字滑坡技術的創(chuàng)新應用。

數(shù)字滑坡；數(shù)字滑坡技術；帕里河滑坡；天臺鄉(xiāng)滑坡

引用格式：王治華.數(shù)字滑坡技術及其典型應用［J］.中國地質調查，2016，3（3）：47-54.

0　引言

滑坡是世界上最嚴重的自然災害之一，每年在全球造成數(shù)十億美元的經(jīng)濟損失和成千上萬的人員傷亡。長期以來，國內(nèi)外滑坡工作者對滑坡調查預警方法作過大量探索和努力，但成效并不顯著［1］。世界各山地國家都迫切需要能有效調查滑坡的技術，以減輕和防治滑坡災害。

面對這一世界難題，筆者帶領研究團隊自1980年起，踏遍了北自青海省的德令哈、南至香港的大嶼山、西達中印邊界的帕里河、東抵三峽工程壩址的我國滑坡災害嚴重地區(qū)，歷經(jīng)30多年的潛心研究和技術攻關，在來自國土資源部、中國科學院、原水電部、國家自然科學基金、863計劃等20余個項目的支持下，在中國地質調查局的直接領導及支持下，開拓性地將現(xiàn)代空間信息技術用于滑坡調查，創(chuàng)建了數(shù)字滑坡理論方法與技術體系，實現(xiàn)了滑坡調查研究從定性到精確信息化定量，填補了數(shù)字滑坡理論方法與技術研究的國內(nèi)外空白。迄今，該技術系統(tǒng)已經(jīng)歷了多項國家重大防災減災和重大工程安全運營任務的科學檢驗，日趨完善。本文以西藏帕里河滑坡及川東天臺鄉(xiāng)滑坡調查為例，介紹數(shù)字滑坡技術的應用成果。

1　數(shù)字滑坡與數(shù)字滑坡技術

“數(shù)字滑坡”［2］，即以數(shù)字形式表達的，具有三維空間、“多維”時間信息的，由與滑坡相關的地形、巖土物質、斜坡結構和區(qū)域地質環(huán)境等多元要素構成的滑坡?！皵?shù)字滑坡技術”就是實現(xiàn)“數(shù)字滑坡”概念的技術，即將滑坡地學特征及變化（變形、位移等）以數(shù)字的形式與遙感信息特征聯(lián)系起來，采用遙感和GIS方法進行滑坡調查研究的技術，由滑坡解譯基礎技術、遙感識辨滑坡技術、滑坡數(shù)據(jù)庫及滑坡模型4大部分構成。

多年來，數(shù)字滑坡技術已成功服務于國務院、國土資源部、水利部等國家部委，中國科學院及地方相關研究所，高等院校以及中國電建集團等勘測設計企業(yè)，為我國大型水電站建設、山區(qū)交通線建設、山地區(qū)域開發(fā)環(huán)境治理以及中印邊界等人類難以到達的高山深谷地區(qū)滑坡災害事件調查提供了準確的滑坡、泥石流及地質環(huán)境資料；在汶川、蘆山、舟曲等地震滑坡災害應急調查和恢復重建中得到了推廣應用，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益，有效服務于國家防災減災戰(zhàn)略。實踐證明，數(shù)字滑坡技術有力地推動了我國滑坡災害調查技術進步［3］。

2　帕里河滑坡應急調查

2.1帕里河滑坡的地理環(huán)境

帕里河發(fā)源于印控克什米爾山區(qū)，流經(jīng)我國西藏自治區(qū)西端扎達縣后，下游進入印度境內(nèi)［4］。我國境內(nèi)帕里河長約152.08 km，其中界河段12.2 km，境內(nèi)流域面積約2 730 km2。調查區(qū)位于喜馬拉雅山脈西段，山高谷深，最高山峰海拔6 790 m，最大高差達3 790 m；屬高原亞寒帶干旱季風氣候區(qū)，年降水量50～100 mm，年平均氣溫＜0℃。

調查區(qū)內(nèi)人煙稀少，只在下游有楚魯松杰村及數(shù)個村民點；無公路，須經(jīng)扎達翻越5 767 m的波博山口才能到達調查區(qū)（圖1）。

圖1　帕里河調查區(qū)自然環(huán)境示意圖［4］Fig.1　Sketch m ap for physiographical environment of PaliRiver survey area［4］

2.2帕里河滑坡災害事件

2004和2005年夏，帕里河發(fā)生滑坡壩潰決災害，《西藏自治區(qū)札達縣帕里河堰塞湖潰決災害應急調查報告》稱：“……2004年6月22日，西藏自治區(qū)扎達縣曲松鄉(xiāng)楚魯松杰村上游帕里河發(fā)生山體崩塌，造成河流堵塞形成堰塞湖；2005年6月8日，堰塞湖左岸山體再次發(fā)生崩塌，堵塞原壩溢流口，湖面水位上升；6月26日10時，堰塞湖壩體發(fā)生潰決，下泄洪水量達3 420余萬m3，給楚魯松杰村帶來了巨大的損失且災害波及印度境內(nèi)帕里河流域?！?/p>

對于這次發(fā)生在中印邊界附近的滑坡壩潰決災害，印方反映強烈，曾幾次為帕里河堰塞湖事件照會中國外交部。

中國政府對帕里河災害高度重視，西藏自治區(qū)先后派出多個工作組克服難以想象的交通困難，赴滑坡地點進行現(xiàn)場調查。國家遙感中心及時組織水利部遙感中心、中國科學院遙感應用研究所、國家衛(wèi)星氣象中心等單位利用多種衛(wèi)星遙感影像對該地區(qū)的堰塞湖水面變化情況進行監(jiān)測。但以上努力未能查明滑坡情況。2005年7月中國地質調查局根據(jù)國土資源部的部署，委托中國國土資源航空物探遙感中心（以下稱航遙中心）開展此項工作。航遙中心組織了以筆者為項目負責的“西藏帕里河滑坡衛(wèi)星遙感調查項目組”，立即投入調查。這是一項涉及邊境外交事務的災害與地質環(huán)境遙感調查任務，中印雙方都急等著具體結果，時間緊，要求高，對數(shù)字滑坡技術是一次考驗。

2.3帕里河滑坡調查采用的具體方法技術

2.3.1信息源

在這樣的山高谷峽、極度寒旱、人跡罕至、從未做過地面調查工作的地區(qū)，遙感資料是唯一可能獲取的反映地表實況的信息源。為滿足不同詳細程度、不同時間滑坡調查變化的需求，本調查收集了地面分辨率分別為0.6 m、1 m、2.5 m、5 m、10 m和 250 m，自滑坡前2003年10月至滑坡后2007年9月獲取的21個時相的衛(wèi)星數(shù)據(jù)（圖2）。

在幾何精糾正和地理配準中使用的數(shù)據(jù)包括：①國家地理信息中心提供的境內(nèi)部分地區(qū)的1∶5萬地形數(shù)據(jù)；②根據(jù)美國早年測繪的地形圖放大的境外部分地形數(shù)據(jù)；③日本衛(wèi)星ASTER立體像對；④1 m分辨率的美國OrbView衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

同時，以成都地質礦產(chǎn)研究所2004年取得的1∶25萬青藏高原區(qū)域地質調查成果為本調查的地質環(huán)境信息源。

圖2　用于監(jiān)測帕里河滑坡的8個時相衛(wèi)星影像Fig.2　Eightmulti-temporal satellite images for monitoring Pali River Landslides from 2003 to 2007

2.3.2“解譯基礎”建立

“解譯基礎”由遙感、數(shù)字攝影測量、地理信息系統(tǒng)技術整合形成，是數(shù)字滑坡技術的最基礎部分。它是用于識別滑坡，能定位、定量獲取滑坡及其發(fā)育環(huán)境信息，由多層圖像、圖形構成的組合；它將滑坡調查區(qū)所有的遙感與非遙感信息源整合成一個數(shù)字的、經(jīng)過幾何精糾正的、相關信息在同一地理坐標控制下配準的數(shù)據(jù)集合。

在獲取上述信息源后，經(jīng)數(shù)字化、圖像融合、幾何糾正與地理配準等圖像處理步驟，形成重點調查區(qū)1∶1萬和全調查區(qū)1∶5萬2種不同精度的解譯基礎。以此為基礎，可實現(xiàn)精細的滑坡遙感解譯及時空分析。

2.3.3遙感解譯和時空分析

遙感解譯就是在滑坡地學理論指導下，通過人機交互方式將解譯基礎中各圖像的色彩、色調、形態(tài)、陰影等信息特征還原成滑坡地學特征的過程，包括識別滑坡和獲取其巖性、構造、類型、形態(tài)、規(guī)模等特征信息?；聲r空分析則是在圖像解譯的基礎上，利用解譯基礎提供的空間和時間信息，借助于GIS技術分析計算，進一步了解滑坡空間分布及隨時間變化的特征。

2.3.4模型建立

基于數(shù)字滑坡技術，根據(jù)不同的服務目的，建立應用模型?；履Ｐ偷母黜梾?shù)主要由數(shù)字滑坡技術獲取。對于帕里河滑坡調查，建立了滑坡災害預測預警模型（圖3）。

圖3　帕里湖滑坡災害預測預警模型（帕里湖湖面變化衛(wèi)星監(jiān)測曲線）Fig.3　Early warning m odel of landslide hazard p rediction in Pali Lake（Change of Pali Lake area from satellitemonitoring）

2.4帕里河滑坡調查主要成果

（1）準確、快速獲得滑坡信息。獲取了滑坡位置、形態(tài)、活動性質和規(guī)模信息，分析了滑坡形成條件，并明確指出該滑坡近期不會有大的活動。

（2）查明了滑坡堰塞湖的性質，計算了可能下泄的洪水量。堰塞湖的特征與下游災害直接相關，本調查通過遙感解譯與時空分析對該湖進行了較深入的研究，確定帕里湖為一逐漸萎縮的高原山地湖盆（圖4），有多級階地發(fā)育。量測了各級階地高程和湖盆面積，估算了階地形成年代（表1）。

圖4　帕里湖萎縮的歷史變遷Fig.4　Evolu tion of Pali Lake shrink

表1　帕里湖階地與所處年代分析簡表Tab.1　Abridged table for Pali Lake terrace and geological tim e

根據(jù)精確配準的2003—2007年不同時相衛(wèi)星影像（圖5），求得各水位的湖水量（表2）。計算出水位從3 907m（衛(wèi)星監(jiān)測最高）降至3 870m（衛(wèi)星監(jiān)測滑坡后最低）時，泄出水量約3 738萬m3（即下泄洪水量），此數(shù)據(jù)與下游實測洪水量相近。

圖5　2003—2007年帕里湖湖面變化高分辨率衛(wèi)星監(jiān)測示意Fig.5　Sketchmap for high resolution satellitemonitoring of Pali Lake surface changes from 2003 to 2007

表2　帕里湖各水位面積及蓄積量Tab.2　Surface area and water capacity of Pali Lake in d ifferent time

（3）進行了滑坡災害預測預警。帕里河滑坡災害主要表現(xiàn)為帕里湖潰壩造成的下游洪水災害，故災害預測預警須認識堰塞湖形成至潰壩的特征。圖3曲線反映了帕里湖從2004-06-22滑坡發(fā)生前—滑坡壩堵河形成堰塞湖—潰壩成災—恢復穩(wěn)定的衛(wèi)星監(jiān)測湖面全過程。由于水陸交界是遙感最易識別的邊界，故以湖面積為衛(wèi)星監(jiān)測對象。

分析圖3曲線，可確定帕里湖的正常水位及預警水位時的湖面積，并確定到達和維持各水位面積的時間：即帕里湖旱季的正常湖面面積約為0.86 km2，汛期正常湖面面積為1.1～1.2 km2，滑坡壩潰決前湖面積為1.75 km2。

衛(wèi)星監(jiān)測表明，滑坡發(fā)生后22 d湖水才從正常湖面開始上漲，又過53 d湖面積到達1.6 km2以上，在此高水位湖面積維持了10個月零10 d才緩慢上漲至1.75 km2最高水位，然后潰決。所以確定湖水面積1.6 km2為預警湖水位。

綜上所述，本項目于2005年7月下旬啟動，由于應用了數(shù)字滑坡技術，同年9月便提交了調查成果，指出造成2004和2005年堵河事件的滑坡位置、活動性質、滑坡及滑坡堆積壩的方量、堰塞湖的性質及水面定量變化等情況，闡明帕里河堰塞湖潰決造成的災害主要在我國境內(nèi)，對下游河谷的災害難以控制，下游村民防災應以避讓為主。本調查還提出了帕里湖災害預測預警模型及具體指標。以上成果形成了國土資源部上報國務院的專題報告，為帕里河流域防災減災及解決國際爭端提供了重要的基礎資料與技術依據(jù)［4］。

3　天臺鄉(xiāng)滑坡調查

3.1天臺鄉(xiāng)滑坡災害

2004年9月5日，四川省東北部的達州市宣漢縣天臺鄉(xiāng)發(fā)生特大山體滑坡（圖6），滑坡阻斷前河，形成回水20余km，最高庫容近億m3的天然水庫，上游五寶鎮(zhèn)及天臺鄉(xiāng)10 000多名群眾被水圍困。

圖6　天臺鄉(xiāng)滑坡地理交通位置示意圖Fig.6　Sketch m ap of geographic and traffic position of Tiantai Landslide

3.2主要方法技術——“同地物點群”法

2004年9月下旬，筆者負責的災害調查小組，投入天臺鄉(xiāng)滑坡遙感調查工作。除了采用上述基本的數(shù)字滑坡方法技術外，根據(jù)天臺鄉(xiāng)滑坡具有滑動速度較低、滑后擾動不激烈等特點，創(chuàng)造性地提出了“同地物點群”新方法，分別在滑坡前、后解譯基礎平臺上，人機交互求得604個滑坡前后的同一地物點，形成“同地物點群”（圖7）。

圖7　天臺鄉(xiāng)滑坡前后同地物點群示意圖Fig.7　Ground feature of same point groups before and after Tiantai Landslide

作為數(shù)字滑坡技術衍生的一個新方法，“同地物點群”可定量反映滑坡各部分地表位移的方向及大小，由此可確定天臺鄉(xiāng)滑坡的邊界、影響范圍、滑動方向、滑動距離以及滑動速度等。再結合滑坡前、后數(shù)字高程，獲得滑前地表和滑后地表的高程，從而全方位了解滑坡的空間變化。由“同地物點群”分析表明，天臺鄉(xiāng)滑坡為牽引式滑坡。采用數(shù)字滑坡技術計算得出滑坡體積為2 300萬m3，堵塞河床的最高滑坡堆積為28.57 m；地方單位同時進行的地質勘查工作估算的滑坡方量為2 500萬m3，地質測量獲得的滑坡堆積最高為30 m，驗證了利用數(shù)字滑坡進行的滑坡規(guī)模與最高滑坡堆積計算誤差小于10%［5］。天臺鄉(xiāng)滑坡各部位地表滑動方向和滑動距離的計算結果如圖8所示。

圖8　天臺鄉(xiāng)滑坡各部分地表滑動方向（左）和滑動距離（右）計算結果示意圖Fig.8　In terpreting result of the earth surface slide d irection（left）and distance（right）of each part of Tiantai Landslide

4　其他應用

（1）水電建設。我國的滑坡遙感監(jiān)測工作是在為二灘水電站可行性研究服務時起步的，多年來，數(shù)字滑坡技術應用于我國二灘、三峽、溪落渡、白鶴灘、烏東德、官地等特大型水電站的可行性論證、設計、施工和運行各階段，提供了滑坡災害類型、分布、規(guī)模和危險性評價等基礎資料。中國電建集團成都勘測設計研究院評審認為，數(shù)字滑坡技術對大規(guī)?；碌淖R別、位置和邊界的確定以及方量估算等的精度可達90%以上，提交的災害類型、分布、規(guī)模等成果準確，災害對水電工程影響的基本結論可信，成果可應用于其他新建水電站［6］。

（2）山區(qū)交通線建設。最典型的實例是數(shù)字滑坡技術應用于“青、甘、川、滇進藏交通線區(qū)域災害與地質環(huán)境調查”。在短短的2 a內(nèi)，提交的調查成果從宏觀上展示了位于中國西南部約180萬km2范圍的青藏、甘藏、川藏、滇藏交通線的地質環(huán)境，提供了各條進藏交通線途經(jīng)地區(qū)的地質構造單元、巖類、地貌、水系特征、活動斷裂帶和地震活動帶等。

青藏交通線50 km寬條帶范圍的1∶25萬比例尺遙感調查結果，為青藏鐵路、公路的建設和運行，為該地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測與保護，提供了以凍土現(xiàn)象為主的沙化、崩塌、滑坡和泥石流等7類大型地質災害及4類融區(qū)的分布、規(guī)模及其發(fā)育環(huán)境的資料。對調查結果（各類災害分布及發(fā)育環(huán)境）進行空間分析，了解規(guī)律，建立模型，進行調查區(qū)“災害與地質環(huán)境區(qū)劃”，共劃分為3個Ⅰ級區(qū)、6個Ⅱ級區(qū)、7個Ⅲ級區(qū)和14個Ⅳ級區(qū)。通過各級區(qū)號查詢可詳細了解各區(qū)的災害與地質環(huán)境特征，為設計防災減災措施提供依據(jù)［7］。

（3）搶險救災。數(shù)字滑坡技術還曾有效服務于汶川等地震搶險救災及災后重建。汶川地震后，及時獲取遙感數(shù)據(jù)，迅速進行了全區(qū)滑坡解譯，在第一時間向國土資源部、國務院提交了滑坡分布、類型、規(guī)模、道路和建筑設施損毀情況等資料，并指出最重災區(qū)在北川而不在汶川，為打通生命通道、應急救援、地質災害隱患點排查及災后重建提供了依據(jù)［8］。

應用“數(shù)字滑坡技術”對2008年“5·12”汶川地震震源區(qū)牛眠溝進行了調查。在獲取災區(qū)遙感及相關數(shù)據(jù)后8 h內(nèi)，輸出約50 km2范圍內(nèi)的滑坡和泥石流災害信息產(chǎn)品；經(jīng)實地驗證，識別各類滑坡準確率達90%以上。利用“暴雨滑坡泥石流預測模型”預測2010-08-13和2010-08-14牛眠溝暴雨引發(fā)滑坡泥石流精度達80%以上［9］。

（4）區(qū)域開發(fā)。數(shù)字滑坡技術曾用于安寧河谷東西河泥石流防治規(guī)劃［10］以及香港大嶼山開發(fā)的滑坡、泥石流調查。對境內(nèi)帕里河流域的調查成果則揭示了我國境內(nèi)帕里河流域災害與地質環(huán)境的歷史與現(xiàn)狀，預測了重點地質災害的發(fā)展趨勢及可能的危害，填補了該地區(qū)地質災害與地質環(huán)境調查評價的空白，對青藏高原喜馬拉雅山西段地質災害發(fā)育規(guī)律的認識有重要意義；及時將地質災害調查成果資料上報國務院決策使用，發(fā)揮了遙感技術快速、高效進行災害與環(huán)境應急調查評價的優(yōu)勢。

5　結論

在我國山區(qū)大規(guī)模建設中誕生并逐步發(fā)展起來的數(shù)字滑坡技術無疑是推動我國災害調查技術進步的關鍵技術之一。該技術已在多個領域得到了有效應用，但它畢竟還是一門尚不成熟的新興技術；而滑坡是一種幾乎與所有地質因素相關、也越來越與人類活動相關的非常復雜的地質體，能否準確地認識滑坡并獲取其特征參數(shù)，從而能對其進行科學合理的分析評價，在很大程度上取決于使用數(shù)字滑坡技術者對滑坡基本地學理論的掌握程度和對遙感基本原理及基本技術的了解程度，這些都需要我們，特別是年輕的滑坡工作者不斷努力學習、探索和創(chuàng)新，在應用中不斷發(fā)展和完善數(shù)字滑坡技術。

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（責任編輯：刁淑娟）

Digital landslide technology and its typical app lication

WANG Zhihua
（China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China）

In order to change the condition of the traditional Landslide Remote Sensing，with low efficiency and survey precision，also having difficulty being improved，the author put forward the concept of“Digital Landslide”in 1999 after years of practices and exploration.This new conceptmakes the traditional geological landslide develop into a new“Digital Landslide”，which can be expressed in digital form and has a three-dimensional space，multidimensional time information and multiple elements.Digital Landslide technology system compose of four parts：the interpretation basic technology，the remote sensing identification technology，landslide database and model.In recent years，digital landslide technique has successfully been applied to the construction of large hydroelectric power station，mountain transportation line，regional development，environmental governance，earthquake resistance and disaster reduction.Besides，it has also been used in large-scale individual landslide investigation and research.Significant economic and social benefits have been achieved and effectively serves have been provided to the national disaster prevention and mitigation strategies.Tibet Pali River landslide and Tiantaixiang landslide in the east part of Sichuan province were used in this paper as examples to explain the innovative application of Digital Landslide Technology.

digital landslide；application of digital landslide technology；Pali River landslide；Tiantaixiang landslide

TP79；P642

A

2095-8706（2016）03-0047-08

2016-01-27；

2016-03-27。

王治華（1942—），女，教授級高級工程師，博士生導師，長期從事遙感地質災害調查及“數(shù)字滑坡”技術研究。Email：577027159@qq.com。