1 概述
泥石流是山区一种常见的突发性自然灾害,我国约有2/3的山区都曾发生过泥石流,其中尤以青藏高原周边地区、秦岭山脉、太行山区、燕山山脉等地最为严重。据统计,泥石流灾害每年造成的直接经济损失达20亿元,死亡约300~600人。为此,我国政府十分重视泥石流的防灾与减灾,投入了大量的人力、物力,取得了一定的成果。
从根本上说,为了有效地进行泥石流的防灾与减灾,首先必须对泥石流进行详细的调查。从20世纪80年代初开始,遥感技术已广泛应用于泥石流调查,包括电站的遥感调查(如长江三峡电站)、既有铁路(如成昆线)沿线的大规模航空摄影、新建铁路(如内昆线)的遥感调查以及公路选线和公路沿线防灾工程(如川藏公路)的遥感调查,完成的区域泥石流遥感调查面积大约覆盖了10万km2的国土。经过20年的实践,已经摸索出一套较为合理有效的泥石流遥感调查方法,该套方法可以概括为:以卫星遥感图像与彩红外航片为主要信息源,以目视解译为主,计算机图像处理为辅,通过现场验证,结合其他非遥感资料进行综合分析。
遥感技术虽已成为区域泥石流及其发育环境宏观调查不可缺少的先进技术,并且为山区大型工程建设的环境灾害调查及防灾减灾工作作出了不可磨灭的贡献,但仍存在如下问题[1]:
①未能充分利用遥感图像的时间特征。不同时相的遥感图像有不同的波谱及空间特征,采用目视解译的方法难以准确识别出不同时相地物波谱特征的变化,也难以识别出地物的空间变化。
②现有的泥石流遥感调查只能提供区域宏观的、定性的或半定量的解译成果,不能提供比较精确的泥石流信息,难以满足减灾、防灾工作的需要,特别是难以满足山区泥石流防治工程的需要。
③覆盖约10万km2国土的地质灾害遥感调查成果,未能形成有准确空间位置的数据库,大多以这些灾害的分布图及文字报告形式表达。
④未能形成有实用意义的评价模型。
⑤调查成果不便于保存、复制、携带及传输。面对日益严重的泥石流灾害,遥感技术迫切需要改进和提高,而这种提高只有在泥石流地学理论的基础上,吸收信息科学理论的营养及综合利用现代空间技术、计算机技术才可能实现,才能使侧重于识别、分类、形成条件分析的宏观泥石流调查,提高为能进行一定时空范围内泥石流物质及能量相互作用的模拟、活动监测、灾害评价及防治对策的数字泥石流技术。因此提出了以下的改进方法:
①选用不同时相的遥感图像作为信息源,充分利用遥感图像的时间特征。
②所有的信息经过扫描或是数字化,形成数字产品,并保存在磁盘或是磁带上。
③采用GPS技术对泥石流沟进行准确定位,并采用数据库技术对这些信息进行管理,以形成有准确空间位置的数据库。
④采用GIS技术对泥石流信息进行分析计算,以提供定量的解译结果,满足泥石流减灾、防灾工作的需要。
⑤建立泥石流评价模型,利用GIS技术的空间分析功能,对泥石流的危险性进行评估。本文结合我校的自然基金项目“无控制点匹配法及其在泥石流中的应用”,以成昆线某泥石流为研究对象,探讨泥石流遥感研究方法的应用。此项工作旨在进行一次方法性的研究,探讨泥石流遥感研究新方法的可行性和优越性,对于泥石流的防灾、减灾工作具有一定的意义。
2 研究区环境概况
研究区所在地普雄是四川省凉山彝族自治州两河口县的一个小镇,地处大断裂带上,破碎物质充裕,历史上曾多次发生过泥石流,给当地造成了极大的损失。选择了该区一条近年来活动程度不断加强、爆发频率较高的粘性泥石流沟作为研究对象,该沟流域面积达3.81 km2,流域内岩石主要为较软弱的泥岩、页岩、砂岩,风化崩解现象严重。自成昆铁路建成通车以来,当地政府十分重视该泥石流沟的防治工作,并采取了一定的措施。这些措施虽然在一定程度上延缓了泥石流的发生,但并不能杜绝泥石流灾害,而且有些拦挡措施已经基本失去作用。据调查,近年来该泥石流沟以2~3年的频率发生较大规模的泥石流活动,因此,对其进行长期的监控是必要的。通过实地调查,发现在整个泥石流流域范围内,植被覆盖稀少,大面积岩土裸露,岩石受风化破坏严重,山坡保水能力弱;多软弱岩土,自身力学性质差,抗风化、抗侵蚀能力弱,易形成松散碎屑物;同时斜坡稳定性差,残坡积层发育,尤其是40°以上的山坡易发生崩塌,形成松散固体物质,是区内主要的物质来源。本区泥石流的水体主要来源于降雨,尤其是暴雨,在暴雨条件下易激发坍塌和滑坡,并使这些松散碎屑物质失稳成为泥石流的一部分。因此,从松散固体物质、地貌以及水源三大要素来看,该沟具备形成泥石流的良好基础。
3 工作内容与工作方法
3·1 基础信息的获取
为了对试验区的泥石流有一个详细准确的了解,本次研究的基础信息除了传统遥感调查的信息源外,还增加了GPS数据。
(1)多时相遥感数据
为了改善传统遥感调查方法信息单一以及未能充分利用遥感图像时间特征的缺点,本次研究选用了不同时相的遥感信息源: 1987年1∶15 000、23 cm×23 cm的航片6幅, 1957年1∶20 000、18 cm×18 cm的航片5幅。
(2)GPS控制点数据
为了解决泥石流沟的准确定位问题,进行了泥石流研究区的GPS定位测量。本次研究中的GPS控制点共11个,所用刺点片为1987年摄影的航片。
3·2 信息的处理
为了对泥石流进行定量化研究,需要利用GIS技术的空间分析功能。由于GIS软件的空间分析大都是基于DEM的,所以,我们利用数字化航摄资料生成可以用于空间分析的DEM。除此之外,还采用人机交互的方法,对经过预处理的航摄像片,进一步解译出泥石流沟的相关信息。
(1)DEM的生成
本次研究采用的数字化软件为VirtuoZo系统。首先把两期航摄资料经过扫描,输入计算机,获得数字航摄资料。数字航摄图像经几何校正、地理配准及镶嵌后,再经色度、亮度、饱和度等图像处理,形成全工作区具有精确定位的、统一的数字图像。再利用数字化摄影测量软件,根据工作区的GPS数据,进行空中三角测量,获取在全区均匀分布的控制点数据并生成工作区的DEM,进而内插出研究区的等高线。生产流程如图1所示。
考虑到该系统生成的格网DEM在不同系统间的数据格式转换问题,以及不同格网间距的转换问题,本次研究选择了生成模型拼接后自动内插等高线(等高线DEM)的方法。这种等高线矢量数据包括三维信息,其格式(. dxf)适用于多种软件,在处理地形方面有其优越之处。
(2)遥感解译
为了准确地识别不同时相地物波谱特征的变化,在解译前,采用图像配准、图像调整等技术,对遥感图像进行处理,然后在不同的层面上,根据地物的影像特征和解译标志,按照不同的类别勾画成图,并赋予不同的属性值。采用的遥感图像软件为ERDAS,解译的结果以数字形式存储。
经过上述信息处理,在研究初期主要得到以下几种成果:
①1957年、1987年等高线DEM;
②1987年、1987年正射影像图;
③1957年、1987年泥石流沟图;
④1957年、1987年植被覆盖图;
⑤1957年、1987年工程地质岩组图;
⑥1957年、1967年水系图。
3·3 信息的利用
为了充分利用所获得的遥感信息,利用GIS软件———ArcView的空间分析功能对遥感解译所获取的不同时相信息进行组合和分析,从宏观上了解泥石流沟的发展趋势,对所获取的DEM进行坡度提取等空间分析,获取泥石流发育背景条件及影响因素的定量信息,从微观上认识泥石流沟,为评估泥石流沟的危险程度提供数据。另外,还建立了一个小型的数据库,所有数据源数据以及经过解译的数据,全部存储在这个与GIS软件相连的数据库中,为进一步的空间分析和泥石流评估作准备。
(1)泥石流发展趋势预测
首先,利用不同时相的遥感解译结果,对泥石流发展趋势进行预测,采用的方法是比较在一个较长时期内,泥石流沟长度、面积的变化。图2是1957年和1987年泥石流沟面积对比图,绿色区域表示1957年与1987年泥石流沟相重叠的的面积,红色区域表示1957年到1987年之间新发展的泥石流沟。通过对比,我们可以观察出泥石流沟在这30年间的变化:曾发生多次泥石流;主沟明显变大;主沟两侧新发育了很多小冲沟;泥石流活动造成的水土流失十分严重;地貌发生了很大变化;对沿线铁路和居民造成很大的危害。
图2 泥石流面积对比
(2)背景条件及影响因素的定量分析
从宏观上讲,区域性泥石流发育主要受地域性因素和地带性因素控制。这里所指的地域性因素主要是指不受气候条件影响、在区域上对泥石流发育起控制作用的各种地质因素,包括断裂构造特征、岩石性质、新构造运动特点、地貌特征等。地带性因素则是指受气候条件控制、与泥石流的发生有密切关系的各种因素,包括大气降雨特征、植被发育及覆盖程度、水系分布等。这些发育条件与影响因素从不同的角度、以不同的形式和强度控制和影响着泥石流的发生与发展规律。
对于这些影响因素,绝大部分已经在人机交互解译过程中获得,如前面提到的各种解译结果,但这些都是宏观的、定性的或半定量的解译成果。为了获得泥石流的定量信息,我们可以采用一定的方法,对DEM进行空间分析。很多GIS软件都自带有基于DEM的各种空间分析模块,可以利用在解译过程中得到的等高线DEM,获得地形(如坡度、坡向)等因子的定量数据,图3就是利用ArcView软件,根据1957年等高线DEM,经过特征提取、生成TIN结构以及坡度提取所获得的泥石流沟坡度敏感度图。根据坡度敏感度图,我们可以获得泥石流沟任意点的坡度敏感值,而且也可获得研究区的坡度敏感度统计情况。
图3 1957年泥石流沟坡度敏感度
(3)泥石流危险性评价
从理论上说,当选定泥石流危险性评价模型,就可以根据各种泥石流发育背景条件和影响因素的敏感度图(如坡度图、植被覆盖度图等),利用图层叠加的方法,对泥石流沟危险度进行评价[2]。
4 结束语
本文提出的泥石流遥感研究的新方法可概括为:利用遥感技术获得泥石流沟的信息,利用GPS技术对泥石流沟进行准确定位,最后利用GIS技术对所有数据进行管理、信息查询、分析,在此基础上对泥石流的演变、发展做出预测,对泥石流的危险度进行评价。
参考文献
[1] 王治华.滑坡、泥石流遥感回顾与新技术展望.国土资源遥感,1999(9)
[2] 许信旺.地理信息系统支持下泥石流灾害危险度评估研究———以北京怀柔县为例.池州师专学报, 1995(1)27京广铁路K1241处路基岩溶塌陷成因分析:丁新红 郭建湖
