付潤(rùn)梅,劉 珺,郝曉陽,楊文府
(1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 晉中 030600;2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030000;3.山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院有限公司,山西 晉中030600)
地質(zhì)災(zāi)害是指自然因素引發(fā)的危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全的山體崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等與地質(zhì)作用有關(guān)的災(zāi)害[1-2]。地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人類生命安全和生活造成了嚴(yán)重的危害。20世紀(jì)90年代以來,中國(guó)的地質(zhì)災(zāi)害平均每年造成約1 000人死亡,經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)200多億元[3]。調(diào)查并準(zhǔn)確識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)、保障生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。
傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)是以野外采樣點(diǎn)為基礎(chǔ),采用目視解譯的方法識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害,是一種直接解讀法。這種方法可以實(shí)現(xiàn)地災(zāi)的精準(zhǔn)識(shí)別,但耗時(shí)耗力,效率低下[4-5],無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)災(zāi)害信息,同時(shí)解譯精度易受人工經(jīng)驗(yàn)制約[6-7]。
加權(quán)信息量法[8-12]是以信息量法[13-15]和層次分析法[16-17]為基礎(chǔ),在充分了解地災(zāi)影響因素的前提下,選擇并考慮各因素對(duì)地災(zāi)發(fā)生影響程度的差異,以加權(quán)信息量值作為地災(zāi)識(shí)別的指標(biāo),劃定不同等級(jí)的孕災(zāi)地質(zhì)條件分區(qū),從而實(shí)現(xiàn)地災(zāi)的識(shí)別,是一種間接解讀方法。
基于加權(quán)信息量法得出的解讀標(biāo)志為目視解譯提供了地質(zhì)條件分區(qū),彌補(bǔ)了目視解譯效率低下的不足,提高了目視解譯的精度。將二者結(jié)合應(yīng)用,能夠有效識(shí)別出地質(zhì)災(zāi)害隱患[18],提高災(zāi)害識(shí)別精度[19]。
研究以沁縣為例,基于高分二號(hào)(GF-2)遙感影像,依據(jù)地災(zāi)發(fā)生的地質(zhì)條件特征,充分考慮誘導(dǎo)災(zāi)害發(fā)生及影響災(zāi)害等級(jí)的地形地貌、植被等因素,選定影響因子,利用層次分析法確定各因子權(quán)重,然后采用信息量法進(jìn)行提取疊加災(zāi)點(diǎn)位置信息,信息量乘以權(quán)重值[20]得到間接解讀標(biāo)志(孕災(zāi)地質(zhì)條件分區(qū))。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合各類地質(zhì)災(zāi)害的位置、色調(diào)、形態(tài)、紋理以及地貌特征進(jìn)行目視解譯,構(gòu)建間接解讀+直接解讀相結(jié)合的地質(zhì)災(zāi)害快速早期識(shí)別模型,以期為災(zāi)前防控和預(yù)警提供依據(jù)。
沁縣(112°28′E—112°54′E,36°36′N—36°59′N)位于中國(guó)山西省長(zhǎng)治市的西北部,處于太行山與太岳山兩大山脈之間,總面積1 319.9 km2。境內(nèi)西部為侵蝕山區(qū),東部為黃土丘陵地帶,具有產(chǎn)生滑坡、崩塌變形活動(dòng)的條件。全區(qū)屬溫帶半干旱大陸性氣候,夏季高溫炎熱,雨量集中,間有暴雨,是地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)期。全縣內(nèi)地層傾向以南東、北東、東南為主,緩傾,傾角5°~10°。調(diào)查區(qū)總體為單斜構(gòu)造,局部見小褶皺。區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造類型主要為斷裂,巖層走向南部多為北西—東西向,傾角6°~10°,局部稍陡;北部走向多為北西—北北西向,局部北北東或東西向,傾向北,傾角一般5°~7°。沁縣交通比較發(fā)達(dá),有太焦鐵路,國(guó)家(G208)、省(S322)、市(縣)各級(jí)公路。境內(nèi)水資源豐富,主要河流有漳河、庶紀(jì)河、段柳河、徐陽河、迎春河、圪蘆河、白玉河、涅水河等8條,有大小支流126條。地表覆蓋層薄,植被恢復(fù)較差,巖土體裸露現(xiàn)象較多,附著能力差,在雨水的沖刷下,水土流失現(xiàn)象明顯,導(dǎo)致易發(fā)生坡體崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。
2.1.1 遙感影像數(shù)據(jù)及處理
分別獲取了沁縣2020-06-15 GF-2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共9景,分 別 為E112.4_N36.5、E112.5_N36.7、E112.5_N36.9、E112.6_N37.1、E112.7_N36.5、E112.7_N36.7、E112.8_N36.8、E112.8_N37.0、E113.0_N36.7。對(duì)獲取的影像進(jìn)行正射校正、幾何配準(zhǔn)、圖像融合、圖像鑲嵌、圖像裁剪和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理,得到研究區(qū)影像。
從地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)下載2020-06-07陸地資源衛(wèi)星landsat8數(shù)據(jù),將其與GF-2進(jìn)行配準(zhǔn)后,裁剪得到沁縣影像數(shù)據(jù),用于計(jì)算地質(zhì)災(zāi)害影響因子——植被指數(shù)。
2.1.2 地形圖數(shù)據(jù)及處理
基于2020年1∶50 000的地形圖數(shù)據(jù)提取DEM,然后利用ArcGIS軟件從DEM數(shù)據(jù)中提取出坡度、坡型,計(jì)算得到起伏度。同時(shí),從地形圖數(shù)據(jù)中提取得到居民地、交通道路、地貌類型和斷層等間接解讀因子。
2.1.3 地形構(gòu)造數(shù)據(jù)及水文氣象數(shù)據(jù)
從獲取的地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)中提取出斷層以及巖組分區(qū),對(duì)巖組分區(qū)進(jìn)行拓?fù)錂z查,拓?fù)湟?guī)則選擇不能有重疊、不能有間隙,將拓?fù)浜笕コ丿B,補(bǔ)充間隙后的巖組分區(qū)作為地層巖性因子。從水文氣象數(shù)據(jù)中獲取基礎(chǔ)河流水系數(shù)據(jù),將河流水系數(shù)據(jù)中主要河流水系進(jìn)行提取得到河流因子。
在基于遙感、地形圖、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù)提取孕災(zāi)因子的基礎(chǔ)上,首先,利用層次分析法確定各因子權(quán)重,然后,在Arcgis10.7中采用信息量法提取樣本點(diǎn)位置信息,最后利用加權(quán)信息量法加權(quán)疊加每個(gè)因子不同區(qū)間的信息量,間斷點(diǎn)法將研究區(qū)分為高、中、低3個(gè)孕災(zāi)條件區(qū);最后,結(jié)合災(zāi)害點(diǎn)的位置、色調(diào)形態(tài)、紋理以及地貌形態(tài)等特征進(jìn)行目視解譯,實(shí)現(xiàn)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害精確識(shí)別。技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 災(zāi)害識(shí)別技術(shù)路線圖
2.2.1 加權(quán)信息量法
研究先利用層次分析法計(jì)算出各影響因素間的權(quán)重值Wi,然后采用信息量法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)所占信息量值,在GIS中加權(quán)疊加得到孕災(zāi)條件分區(qū)。具體做法如下。2.2.1.1層次分析法計(jì)算權(quán)重
建立階梯層次模型:采用目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層3層結(jié)構(gòu)建立沁縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)層析模型。目標(biāo)層為解譯重要度分區(qū),準(zhǔn)則層分為控制因素和人類工程活動(dòng),方案層因素包括巖土體類型、斷層、高程、坡度、地貌類型、坡型、河流、植被、居民地、道路。
按照比例標(biāo)度表的標(biāo)準(zhǔn),采用專家打分的方法,兩兩比較確定因素間的重要性比值,構(gòu)建重要度判斷矩陣。計(jì)算各判斷矩陣的最大特征根(λmax)和特征向量,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算歸一化后的權(quán)重,如表1所示。由于各地孕災(zāi)條件不同,各孕災(zāi)因子需結(jié)合實(shí)地地形和地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。研究對(duì)沁縣已發(fā)生災(zāi)害進(jìn)行了野外實(shí)地勘察,最終確定了各孕災(zāi)因子的權(quán)重。2.2.1.2孕災(zāi)重要度分區(qū)計(jì)算
表1 基于層次分析法的孕災(zāi)因子權(quán)重
將利用層次分析法得到的權(quán)重與基于信息量法得到的信息量利用公式(1)進(jìn)行加權(quán)疊加,計(jì)算總信息量值,按自然間斷點(diǎn)法,將全縣分為高、中、低3個(gè)等級(jí),得到孕災(zāi)重要度分區(qū)。
式(1)中:Wi為各因子權(quán)重;Ii為因素組合x1,x2,…,xn對(duì)地災(zāi)發(fā)生所提供的信息量。
式(2)中:Ni為因子劃分每個(gè)區(qū)間內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)的個(gè)數(shù);N為所有災(zāi)害點(diǎn)的個(gè)數(shù);Si為因子劃分每個(gè)區(qū)間的面積和;S為研究區(qū)的總面積。
通過加權(quán)信息量法得到間接解讀標(biāo)志,確定進(jìn)行人機(jī)交互解譯的重要度區(qū)界,縮小地質(zhì)災(zāi)害目視解譯范圍,并提高解譯效率。
2.2.2 目視解譯法
將孕災(zāi)地質(zhì)條件分區(qū)結(jié)果與GF-2影像疊加,通過目視判讀不同等級(jí)孕災(zāi)區(qū)各災(zāi)害的位置、色調(diào)、形態(tài)、紋理以及地貌形態(tài)等特征,實(shí)現(xiàn)全區(qū)地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點(diǎn)的精準(zhǔn)識(shí)別。地質(zhì)災(zāi)害遙感影像圖如圖2所示。
圖2 地質(zhì)災(zāi)害遙感影像圖
2.2.2.1 滑坡標(biāo)志
位置特征:剝蝕堆積黃土丘陵區(qū),坡度一般在20°左右,為順向坡,人類工程活動(dòng)較為活躍的區(qū)域,道路兩旁100 m范圍內(nèi),坡腳開挖區(qū)域。
色調(diào)形態(tài)特征:滑坡主要由滑坡后壁、側(cè)壁、滑坡體組成?;麦w在遙感圖像上多呈舌形、橢圓形、簸箕形等形狀。后壁有弧形陡坎出現(xiàn),滑坡體相對(duì)兩側(cè)巖土體向下滑動(dòng),可造成地層產(chǎn)狀等標(biāo)志物的錯(cuò)移。從遙感影像上分析,由于巖土體明顯出露,使得研究區(qū)滑坡體在影像上清晰可見,其色調(diào)多呈土黃色、灰黑色,如圖2(a)所示。
紋理特征:滑坡體地形破碎,使得其表面紋理雜亂,與周圍地物形成鮮明對(duì)比。且坡體表面凹凸不平,土體密實(shí),紋理粗糙,有明顯的后壁和側(cè)壁,后緣有臺(tái)坎或裂縫等橫向紋路,以及明顯臺(tái)坎或階梯狀紋路。
地貌形態(tài)特征:區(qū)域內(nèi)滑坡后壁及兩側(cè)邊界都比較清晰,但因其穩(wěn)定性較差,滑坡后壁還有蠕滑情況發(fā)生,導(dǎo)致植被覆蓋率較低。表面的巖土體完整性較差,坡體前緣有居民點(diǎn)、道路或松散堆積物,后緣通常為耕地,可見到房屋開裂甚至倒塌,耕地受到擾動(dòng)等跡象。
2.2.2.2 崩塌標(biāo)志
位置特征:剝蝕堆積黃土丘陵區(qū),坡度在20°~50°之間的區(qū)域。居民地附近,道路兩旁100 m范圍內(nèi),坡腳開挖區(qū)域。
色調(diào)形態(tài)特征:研究區(qū)域內(nèi)發(fā)育的崩塌在影像上的色調(diào)與周圍地物相近,大多以灰色和灰黑色為主,位于陰坡的崩塌體因受到太陽光照角度的影響,在影像上呈現(xiàn)濃重的陰影區(qū),呈現(xiàn)黑色。但崩塌在影像上通常呈舌形、半圓形、扇形、長(zhǎng)條形等形狀,與周圍地物有明顯差異,如圖2(b)所示。
紋理特征:由于崩落體大小不等、零亂無序,使得崩塌體表面凹凸不平,紋理較為粗糙,崩落體往往毀壞坡上植被,造成植被覆蓋程度低。
地貌形態(tài)特征:崩塌常表現(xiàn)為連續(xù)的地貌形態(tài)突然被破壞,由于崩落體沒有固定的滑動(dòng)面,輪廓線清晰,但其周界往往不規(guī)則、不圓滑,形狀各異。坡腳堆積區(qū)多為大小不一的碎石塊,呈現(xiàn)錐形分布特征。
利用間接解讀+直接解讀的地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別模式得到沁縣地質(zhì)災(zāi)害遙感識(shí)別結(jié)果,如圖3所示。
圖3 遙感解譯點(diǎn)空間分布圖
從圖3可知,全縣范圍內(nèi)識(shí)別出94處地質(zhì)災(zāi)害(隱患點(diǎn))圖斑。經(jīng)過野外實(shí)地驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),其中91處為地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點(diǎn),識(shí)別精度達(dá)到96.81%。其中,定昌鎮(zhèn)堯上村點(diǎn)、定昌鎮(zhèn)南石垢村點(diǎn)、定昌鎮(zhèn)坡頭村點(diǎn)、南里鄉(xiāng)中里村點(diǎn)以及新店鎮(zhèn)灣村點(diǎn)5處為正確識(shí)別,但已經(jīng)治理;段柳鄉(xiāng)長(zhǎng)勝村點(diǎn)和新店鎮(zhèn)東城莊村點(diǎn)為已發(fā)生災(zāi)害點(diǎn),承災(zāi)體均已搬遷避讓,僅具備地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生條件,不構(gòu)成災(zāi)害;次村鄉(xiāng)五龍頭村點(diǎn)、段柳鄉(xiāng)良樓溝村點(diǎn)和段柳鄉(xiāng)宋家溝村解譯點(diǎn)坡體較小,距承災(zāi)體有一定安全距離,暫時(shí)構(gòu)不成地質(zhì)災(zāi)害,但也被早期識(shí)別發(fā)現(xiàn);其余84個(gè)點(diǎn)定為現(xiàn)存地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點(diǎn)。識(shí)別結(jié)果驗(yàn)證了加權(quán)信息量法+目視解譯識(shí)別模式的可靠性。
對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),高孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積為142.27 km2,占全縣面積的10.78%,分布在漳源鎮(zhèn)、定昌鎮(zhèn)、段柳鄉(xiāng)、松村鄉(xiāng)、郭村鎮(zhèn)、冊(cè)村鎮(zhèn)、新店鎮(zhèn)等地;中孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為555.08 km2,占全縣面積的42.05%,分布在沁縣的東北、東南以及西部,涉及到楊安鄉(xiāng)與新店鎮(zhèn)的南部,次村鄉(xiāng)的大部分以及牛寺鄉(xiāng)的東部等;低孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為622.78 km2,占全縣面積的47.17%,分布在牛寺鄉(xiāng)、南泉鄉(xiāng)和楊安鄉(xiāng)以及沁縣的西部。
識(shí)別出的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)中有64個(gè)位于高孕災(zāi)條件區(qū),占總數(shù)的70.33%,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)到0.45個(gè)/km2。這些災(zāi)害點(diǎn)大多位于山間河谷區(qū)和褶皺侵蝕低中山區(qū),部分分布于斷裂地質(zhì)構(gòu)造周邊地帶,巖性主要為軟土類,植被覆蓋度較低。有24個(gè)位于中孕災(zāi)條件區(qū),占總數(shù)的26.37%,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)到0.04個(gè)/km2。與高孕災(zāi)條件區(qū)相同,中孕災(zāi)條件區(qū)中的災(zāi)害點(diǎn)也位于山間河谷區(qū)和褶皺侵蝕低中山區(qū),還有部分位于褶皺斷塊溶蝕侵蝕低中山區(qū)。中孕災(zāi)條件區(qū)的巖性主要為軟土類和較硬巖類;植被覆蓋度較高。全縣低孕災(zāi)條件區(qū)內(nèi)的災(zāi)害點(diǎn)相對(duì)較少,僅有3個(gè)。其發(fā)育特征為位于褶皺侵蝕低中山區(qū)和褶皺斷塊溶蝕侵蝕中山區(qū),巖性主要為較硬巖類和軟弱巖類,植被覆蓋度較高。
整體來看,沁縣的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(隱患點(diǎn))多在軟土、植被覆蓋度低的山間河谷區(qū)、褶皺侵蝕低中山區(qū)發(fā)育。
為了進(jìn)一步分析沁縣地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)因素,對(duì)91個(gè)地質(zhì)災(zāi)害(隱患)圖斑的C1~C10因子的每個(gè)分區(qū)特征進(jìn)行了細(xì)化和統(tǒng)計(jì),如表2所示,并結(jié)合孕災(zāi)地質(zhì)條件進(jìn)行了分析。由于沁縣災(zāi)害類型多為崩塌,少數(shù)為滑坡,地質(zhì)災(zāi)害種類比較單一,所以本研究在討論孕災(zāi)因子的影響作用時(shí)不進(jìn)行分類討論。
表2 (續(xù))
分析表2可知,研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在坡度在0°~15°區(qū)內(nèi),災(zāi)害點(diǎn)數(shù)占比達(dá)到93.40%。15°以上的占比較小,災(zāi)點(diǎn)密度比較低,起伏度在0~20 m之間的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)占97.80%,20 m以上災(zāi)害點(diǎn)較少,災(zāi)點(diǎn)密度比較低。結(jié)合研究區(qū)土地利用狀況發(fā)現(xiàn),坡度與起伏度高的區(qū)域位于沁縣西部,這些區(qū)域是人類工程活動(dòng)比較少的山區(qū),交通道路除了有一條東西橫穿的鐵路以外,基本沒有其他道路通過,因此不易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。
分析居民地和道路緩沖區(qū)發(fā)現(xiàn),災(zāi)害點(diǎn)多集中于距離居民地緩沖區(qū)50 m內(nèi)和距離道路50 m內(nèi),災(zāi)點(diǎn)密度分別達(dá)58.93個(gè)/100 km2和50.88個(gè)/100 km2;河流兩旁500 m內(nèi)災(zāi)點(diǎn)密度也較高,為23.44個(gè)/100 km2。分析坡型發(fā)現(xiàn),直型坡是3種坡型中最具孕災(zāi)條件的,災(zāi)點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)高于凹型坡和凸型坡,災(zāi)點(diǎn)密度為其他2種坡型之和,為8.34個(gè)/100 km2,說明區(qū)域以內(nèi)直型坡的孕災(zāi)條件最強(qiáng)。
地貌類型為堆積河谷區(qū)災(zāi)點(diǎn)密度最高,梁狀黃土丘陵區(qū)次之,兩個(gè)區(qū)間災(zāi)點(diǎn)數(shù)占比達(dá)72.5%。高孕災(zāi)條件區(qū)也基本分布在這兩個(gè)區(qū)內(nèi),說明堆積河谷區(qū)和梁狀黃土丘陵區(qū)最容易孕育地質(zhì)災(zāi)害;地層巖性為黏性土單層土體以及砂卵石、中細(xì)砂、粉土多層土體的巖性區(qū)內(nèi)災(zāi)點(diǎn)密度也分別達(dá)到了10.85個(gè)/100 km2和10.59個(gè)/100 km2,兩個(gè)區(qū)災(zāi)點(diǎn)數(shù)占比為69.2%。高、中孕災(zāi)條件區(qū)也基本分布在這2種巖土體中,說明研究區(qū)內(nèi)黏性土單層土體和砂卵石、中細(xì)砂、粉土多層土體孕災(zāi)條件較強(qiáng)。
居民地的分布狀況、地層巖性、地貌類型、河流水系、交通道路、坡型、植被指數(shù)、起伏度以及坡度都對(duì)孕災(zāi)分區(qū)以及災(zāi)害點(diǎn)分布有較大影響,而斷層在本研究區(qū)影像較小。在距離斷層1 000 m以內(nèi)的災(zāi)點(diǎn)數(shù)僅占災(zāi)點(diǎn)總數(shù)的2.50%,這是由于研究區(qū)內(nèi)斷層較少且分布在沁縣的西部,人類工程活動(dòng)較少,斷層附近基本達(dá)不到地質(zhì)災(zāi)害的形成條件。
研究基于GF-2遙感影像,采用加權(quán)信息量法和目視解譯相結(jié)合的方法,構(gòu)建了間接解讀+直接解讀的地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別模式,實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點(diǎn)的精準(zhǔn)識(shí)別。通過研究,得到以下主要結(jié)論:①間接解讀+直接解讀的地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別模式可以有效提高地質(zhì)災(zāi)害遙感識(shí)別精度,精度達(dá)到96.81%,其中高孕災(zāi)區(qū)為98.46%,中孕災(zāi)區(qū)為92.31%,低孕災(zāi)區(qū)為100%。②坡度、坡型、起伏度、居民地、公路、地貌、斷層、巖土體類型、河流及NDVI指標(biāo)是準(zhǔn)確解譯地質(zhì)災(zāi)害的重要因子。沁縣地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(隱患點(diǎn))多發(fā)生或孕育在軟土、植被覆蓋度低的山間河谷區(qū)、剝蝕侵蝕低中山區(qū),以及人口密度和建筑物密度較高的地區(qū)發(fā)育。③沁縣高、中、低孕災(zāi)區(qū)災(zāi)害點(diǎn)分別有64個(gè)、24個(gè)和3個(gè),占全縣面積的10.78%、42.05%和47.17%。