基于RS及GIS的泥石流等地質災害三維定量評價

姚書朋， 陳建平， 唐　超， 李　珂

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083； 2.北京市國土資源信息開發研究重點實驗室，北京100083； 3.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

基于RS及GIS的泥石流等地質災害三維定量評價

姚書朋1,2， 陳建平1，2， 唐超3， 李珂3

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083； 2.北京市國土資源信息開發研究重點實驗室，北京100083； 3.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

摘要：隨著泥石流等地質災害的頻繁發生，定量分析災害發生的風險性已經成為越來越重要的課題。綜合運用RS(遙感)和GIS(地理信息系統)等技術，對地質災害數據進行采集、存儲、檢索、建模、分析，以期定量評價災害發生的風險性，并以此作為參考，給泥石流等災害可能發生的地區提出合理建議。

關鍵詞：泥石流； RS；GIS；定量評價；風險性；內蒙古

中圖分類號：TP75;X87

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)03-0501-11

收稿日期：2015-06-14；修回日期：2015-06-29；編輯：蔣艷

基金項目：中國地質調查局地質調查項目“礦山環境綜合調查與評價”(1212011120029)

作者簡介：姚書朋(1990—)，男，碩士研究生，地球探測與信息技術專業，研究方向為三維地質建模找礦、遙感監測、無人機探測等，E-mail:408925861@qq.com

0引言

我國地形多樣,地質條件復雜,構造活動頻繁,滑坡、崩塌、泥石流等地質災害分布面積廣,發生頻率大,對人們的日常生活和財產安全造成了極大的威脅。泥石流治理工程是防治泥石流災害發生的有效手段之一，鑒于泥石流災害的特點，對每個泥石流都進行工程治理是不現實的，也不是最有效的。研究區泥石流災害嚴重且廣泛，通過對具有代表性的泥石流地質災害進行分析，獲取其風險性，以期為研究區今后的災害治理工作提供借鑒。

1研究背景

泥石流是松散土石體和水的混合體在重力作用下沿自然坡面或沿壓力坡流動的現象。它通常存在于山區溝谷或山坡坡地上，在其發生時通常攜有大量泥沙石塊，并具有發生突然、歷時短暫、來勢兇猛、破壞力大等特征，常常對人類社會和自然環境造成嚴重危害(張建石，2012)。

RS技術進行地質災害調查工作具有宏觀、快速、準確的特點,能反映出地質災害的真實情況,已成為地質災害研究的重要方法。GIS技術具有強大的信息管理及空間分析功能,利用其建立數據庫可以有效地存儲和管理地質災害的信息,具備髙效性、準確性,已廣泛應用于地質災害調查、危險性評價、危險性區劃、監測和預警預報、應急指揮中。近年來,隨著遙感數據源的不斷豐富、空間分辨率的不斷提髙以及GIS可視化技術的不斷發展,利用遙感和三維GIS技術進行地質災害調查,能快速、準確并且多角度、全方位、立體地觀察地質災害及其周邊地形,不僅具有傳統實地調查無法比擬的優勢,而且克服了二維遙感解譯的不足,是當前地質災害研究工作的熱點方向(林淑珍，2013)。

國內外對自然災害風險的認識經歷了漫長的過程才得以不斷的成熟和完善。Maskrey(1989)認為風險是自然災害發生后所造成的總損失；Tobin等(1997)認為風險是災害發生概率和期望損失的乘積；Deyle等(1998)認為風險是災害發生概率與災害發生后果的規模的結合。聯合國人道主義事務部正式公布的自然災害風險的定義:“風險是在一定區域和給定時段內，由于某一自然災害而引起的人民生命財產和經濟活動的期望損失值”(United Nations, Department of Humanitarian Affairs，1991)。其表達式為:風險(risk)=危險性(hazard)×易損性(vulnerability)，這一定義既包括了致災體的自然屬性，即致災體活動的密度、強度(規模)、發生概率(發展速率)以及可能造成的危害區的位置、范圍，也涵蓋了受災體的社會屬性，即潛在損害現象可能造成的損失程度(Fell，1997)。

2數據準備

以內蒙古某地區為研究對象，利用該地區遙感影像、DEM數字高程數據、1∶50萬地質圖和該地區的地質災害、五級河流、縣級行政邊界等矢量數據及在中國氣象科學數據共享服務網上獲得的該地區5年(2006—2010)內的降水數據。在此基礎上，通過對地質地層、斷裂帶、水文、河流的提取與泥石流的迭加分析，并運用ArcGIS軟件對其DEM高程信息進行坡度分析，建立三維可視化遙感解譯平臺,對該地區的滑坡、崩塌、泥石流等多發地質災害進行三維遙感解譯，分析地質災害的發育狀況及分布規律，最終得到科學的危險性評價。

2.1　影像

影像不僅直觀地呈現了該地區的地形地貌，也為科學分析提供了基礎數據。本次工作選用的遙感數據主要是“高分一號”國產衛星數據，數據時相從2013-11-27—2014-04-27。經過區域網平差，正射校正，影像融合，影像鑲嵌等處理得到該地區的遙感影像數據(圖1)。

圖1　經鑲嵌后的遙感影像圖Fig.1　Remote sensing image after mosaic processing

2.2　圖層文件

圖層文件主要包括：(1) 地質災害矢量數據。計算滑坡最底端到建筑用地、公園占地、農業用地、林地等的最近距離，距離越近易損性越高；(2) 國家五級河流。通過空間分析，將該地區的水文信息與泥石流信息有機地迭加分析，泥石流處的水文信息值越高，泥石流的危險性越高。將上述影像加載五級河流、縣級行政邊界及地質災害矢量文件，其中紅色的點狀圖斑即為地質災害圖像，由于比例尺很小，所以泥石流等地質災害的面狀物在此圖上顯示為斑點狀(圖2)。

圖2　添加經緯網的遙感影像圖Fig.2　Remote sensing image after adding graticule

2.3　數字高程DEM

運用ArcGIS軟件對該地區的DEM高程信息進行坡度、坡向的提取，以期通過對坡度、坡向的分析，進行災害的定量研究，并對典型的危害大的泥石流等地質災害進行三維構建。通過對泥石流災害的三維構建，使泥石流地質災害更加直觀地呈現。該地區的數字高程DEM如圖3所示。

圖3　研究區的高程數據圖Fig.3　Elevation data of this area

2.4　降水數據

該地區屬中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫4.2 ℃，年平均降水量379.7 mm，年平均無霜期125天。獲取該地區5年(2006—2010)內的平均月降水數據，數據集的數據來源包括2個部分：由國家氣象信息中心基礎資料專項收集、整理的1961年至最新的全國國家級臺站(基本、基準和一般站)的降水月值資料；由GTOPO 30數據(分辨率為0.05°×0.05°)經過重采樣產生的中國陸地0.5°×0.5°的數字高程模型DEM。這樣就可以將每個泥石流的地理坐標與降水數據一一對應，并可以得到每個泥石流所代表地區的降水數據。

3數據分析

數據分析階段是研究的重點。通常情況下，獲取準確數據并進行科學的分析、嚴謹的處理、準確的運算，是得到理想結果的前提，本次研究技術路線如圖4。

圖4　技術路線圖Fig.4　Technical route diagram

根據風險公式：風險(risk)=危險性(hazard)×易損性(vulnerability)，分別針對危險性和易損性進行控制因子的分析提取，進而定量得出每個地災的風險值。

3.1　危險性控制因子研究

危險性分析的目的是分析研究區潛在的災害危險性。地質條件、地形地貌條件及地震和降雨(雪)等條件是泥石流等地質災害危險性的影響因素，通過對泥石流等地質災害形成的影響因素的分析來判斷區域泥石流等災害發生的危險性。

3.1.1自身因子分析(1) 面積、高程差分析。這里需要計算2個面積：① 每個泥石流、滑坡等地質災害的面積；② 每個滑坡、泥石流等地質災害周圍建筑占地、農業占地、公園等的面積。

計算每個泥石流等地質災害的面積是對于地質災害本身的研究。得到地質災害的面積，再與它的平均坡度及距離建筑占地的高程差進行數學關系的推導計算，就可以得出每個泥石流自身的危險性。

根據物理學公式:

W=MHG

(1)

M=ρV

(2)

V=Sd

(3)

H=H泥-H建

(4)

式(1)、(2)、(3)、(4)中，W為泥石流等地質災害的重力勢能，G為重力加速度，H為泥石流的平均高程與建筑占地的平均高程之差，H泥、H建分別為泥石流與建筑占地的平均高程，M、ρ、V分別為泥石流等地質災害的質量、密度、體積，S為泥石流等地質災害的表面積，d為其平均厚度。由公式可知，泥石流等地質災害的危險性與其表面積、平均坡度及其距建筑占地的高程差呈正相關關系。

表1所示數據，是在綜合分析遙感影像、DEM數據及各種矢量數據的基礎上，在ArcGIS平臺下提取分析得到的每一處地質災害的性質、形狀、面積、H泥、H建、經度、緯度等信息。

表1中編號為182的泥石流災害點與其附近的居民區的高差為-8 m，即居民區比泥石流的災害點高。此編號的泥石流在理論上對其附近的居民區已經構不成任何威脅，其危害性被排除。另外，由于編號171的泥石流附近5 km之內沒有任何居民存在，H建在這里沒有數值，定義為空。

表1　地質災害數據

(2) 坡度信息提取。利用ArcGIS軟件在DEM基礎上作該地區坡度圖。利用空間分析功能生成坡度數據,即Spatial Analyst→Surface Analysis→Slope，然后再對坡度進行重分類，得到坡度分級圖(圖5)。

圖5　坡度分級圖Fig.5　Map showing grading of slope

通過分析數據得知，該地區的大部分泥石流、崩塌等地質災害的坡度在3°～25°之間，再求得該區泥石流等地質災害的正弦值，總結數據如表2。

表2　每個地質災害點的坡度值

3.1.2外部因素分析(1) 地質斷裂研究。泥石流溝谷呈“N”型，溝底可見堆積物，坡體長期未動，溝道彎度小，順直通暢，為泥石流提供了良好的路線(韓麗芳等，2010)。它常發生于地質構造復雜、斷裂褶皺發育、新構造活動強烈、地震烈度較高的地區，巖性和斷裂構造是其發育的主要影響因素(吳遠進等，2014)，具體受地層巖性以及構造因素的控制。

① 地層巖性。地層巖性對泥石流的影響主要有2個方面：基巖地層和第四系堆積層。

基巖地層。分析基巖地層對泥石流的控制作用，關鍵在于啟動(物源)區段的基巖巖性。一般而言， 要成為泥石流物源，巖體必須較容易風化，發育較厚的風化殼，或者發育大量的節理裂隙而使得其結構較松散，可在水的浸潤下或水介質中發生位移——崩塌、滑坡或漂移。容易出現差異風化的地層巖性組合有可能成為泥石流物源。

第四系堆積層。第四系表層的各類松散堆積物對泥石流的影響較大，主要是松散層能夠直接為泥石流提供大量的物質來源。第四系在山區主要分布在河流兩岸，為殘、坡、沖、洪積物，呈零星窄條帶狀分布，雖然面積、厚度一般都比較小，但足以提供泥石流的啟動物源并不斷補給。在已經發生的泥石流中有不少啟動物源便是由源頭的殘坡積層形成的淺層滑坡所致，溝岸的洪沖積、坡洪積層等松散層以溝岸崩塌或受沖刷等形式直接作為泥石流的補給物質來源。

② 構造。構造條件是泥石流發生的重要制約因素，其中以斷裂作用最為明顯，斷裂對泥石流的影響主要通過2個方面實現：降低巖體完整性與形成有利泥石流運動的地貌條件。構造運動造成巖石錯位、變形、破壞，形成斷裂。斷裂構造使巖石的完整性、堅固性和穩定性遭到破壞。 斷裂帶內軟弱結構面發育，巖石破碎，形成斷層泥、糜棱巖、斷層角礫巖、壓碎巖、碎塊巖等動力變質巖，直接為泥石流提供松散碎屑物質。該地區泥石流等地質災害通常形成于地層比較活躍、斷裂帶較多的地區。

(2) 地震分析。若一個地區的地殼比較活躍，地震較容易發生，則這個地區的巖石地層容易受到較為猛烈的沖擊，使得巖層發生錯位、變形、拉伸等構造活動，從而誘發泥石流、崩塌、地裂等災害。如果泥石流等地質災害體處于地震高發區，或潛在爆發區，則這個泥石流等地質災害再次激活的概率要遠高于其他處于地殼平穩地區的地質災害體，即泥石流的風險值與它所在地區的地震活躍度呈正相關。所以該地區的地震活躍情況也是對該地區泥石流等地質災害進行定量研究所不得不考慮的一個因素。

通過查閱《中國地震動參數區劃圖》第1號修改單(GB 18306—2001)，得知研究區內地震動峰值加速度為 0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度(鐵永波等，2011)。地震烈度是指地震引起的地面震動及其影響的強弱程度。該地區的泥石流等地質災害所受到的地震的潛在影響基本一致。

(3) 植被控制因素分析。若泥石流缺乏植被覆蓋的保護，它極易受到雨水因素的影響，可能一場小雨都能誘發地質災害，即泥石流等的表面植被覆蓋度也是災害的影響因子，所以可以通過定量研究泥石流等地質災害體表面植被的覆蓋度來間接地進行地質災害的定量研究，但需要注意的是泥石流等地質災害發生地區的整體植被覆蓋度對該地質災害點的再次發生與否沒有直接的關系。

通過研究得知，該地區的每一處泥石流、崩塌、滑坡等地質災害的表面都鮮有植被覆蓋，這造成了各個滑坡、泥石流等地質災害在植被覆蓋度這個控制因素上幾乎沒有差異，所以通過研究泥石流等地質災害體表面處的植被覆蓋度間接進行災害的定量研究是不可行的。

(4) 降水水系分析。該地區的河流屬西遼河水系，流經境內的主要河流有西拉沐淪河、查干沐淪河、嘎斯汰河、巴兒汰河。由圖2可知:淺藍色的線狀物為該地區的水系河流，紅色的斑點為泥石流滑坡等地質災害點，該地區的河流較少，且泥石流等地質災害點離河流都較遠。由于河流對泥石流等地質災害體的控制力微乎其微，武斷地對地質災害點至河流的最短距離做緩沖區分析并賦值做控制因子實際是不準確的，這里就不再對水系河流這個因子作過多的研究。

林西地處中溫帶，屬半干旱大陸性季風氣候，降水量較少且時空分布不均，空間上降水差異較大，從降水的角度對這些泥石流等地質災害進行定量評價提供了理論上的可能。抽取2009年4月該地區的降水數據(表3)，表中編號為20的行CO列為北緯42.5°、東經117°的降水數據，編號為23的行CQ列為北緯42.5°、東經118.5°的降水數據，每個單元格所代表的范圍為0.5°×0.5°。

表3中加“*”號的數據為該地區2009年4月的降水量，通過數據的采集、整理、運算，可以得到每個泥石流等地質災害在2006—2010這5年內的平均年降水數據(表4)。

表3　2009年4月的該地區降水數據

注：降水量單位為mm;加“*”號的數據為2009年4月的降水量

表4　每個災害點2006—2010年的平均降水數據

由表4可知，編號為166的泥石流所在地區的年平均降水量最高，因此它受到的雨水沖蝕作用更明顯；相反，編號為171的泥石流所在地區年平均降水量最低，受到的雨水沖蝕影響最小。

(5) 人類活動的影響。人類活動是指人類為了生存、發展和提升生活水平所進行的一系列不同規模、不同類型的活動，包括農、林、漁、牧、礦、工、商、交通、觀光和各種工程建設等。所謂人為原因主要指使地表土壤加速破壞和移動的不合理生產建設活動。引發水土流失的生產建設活動主要有陡坡開荒、不合理的林木采伐、草原過度放牧、開礦、修路、采石等。

目前,對人類工程活動的影響定量化分析較為困難(孫秀菲，2013)。在其他情況一致的條件下，泥石流等地質災害點所在地區的人口密度越高，其可能受到的人類活動影響越大。在選泥石流所在區域時，如果選取的范圍太大，則人口密度對于泥石流等地質災害的影響不明顯。這里通過研究每個泥石流所在具體地區(精確到鄉鎮)的人口密度來定量地反演人類活動對于泥石流等地質災害的影響。通過查閱相關文獻得到每個地質災害所在地的區域面積及人口數，從而求得人口密度(表5)。

表5　每個災害點所在鄉鎮的人口密度表

由表5可知，編號為19的崩塌所在地人口最為密集，其受到人類活動的干擾最大。編號為12的泥石流由于在人煙稀少的偏遠地區，受到人類活動的破壞相應小很多。二者的概況見圖6、圖7。

圖6　編號19崩塌概況圖Fig.6　Overview of the land slide No. 19

圖7　編號12泥石流概況圖Fig.7　Overview of the debris flow No. 12

3.2　易損性控制因子研究

易損性評價的目的是評價這些直接受泥石流災害影響的承災體的損失情況。主要通過對研究區內承災體的種類、數量、分布、價值和對不同強度泥石流災害的抗御能力、可恢復能力進行綜合分析，確定可能遭受泥石流災害危害的人口、建筑物、道路、橋梁、其他固定財產以及國土資源的數量、價值及其破壞損失率。在同等泥石流災害規模條件下，承災體的數量越多，價值越高，對災害的抗御和可恢復能力越差，災害造成的破壞損失就會越嚴重(丁繼新等，2006)。

易損性主要是從經濟財產方面來考慮的。當一個潛在的泥石流等地質災害對其附近的居民生命財產可能造成的損失越大，則該地質災害的易損性的值就越高，地質災害點距離居民活動領域的遠近也直接左右其危險程度。所以通過對泥石流等地質災害附近的居民生活水平即發達程度及其與居民活動領域的直接最短距離加以研究，以期達到對泥石流等地質災害的易損性定量分析的效果。

3.2.1發達程度研究通常情況下，在同一地區，局部經濟發達程度與其小范圍的人口密度有關，人口密度越高，經濟越發達。如果按照農村、城鎮、城市、特大城市來說，人口密度依次增大，經濟的發達度也隨之增高。中心城區較之二、三圈層來說,經濟聚集的程度更高,經濟更為發達,更能夠吸引人口的涌入,進而擁有更高的人口聚集量(韋柳河， 2013)。各城市按照經濟聚集水平和按照人口密度得出的排名幾乎是一致的,這也證實了人口聚集與經濟聚集呈正相關關系,人口聚集程度越高,經濟聚集的水平也越高(表6)。

表6　發達程度分級

因此，研究泥石流等地質災害點的易損性與發達程度之間的關系便轉化為其易損性與所在區域的人口密度之間的關系，即可以通過研究泥石流等地質災害點的人口密度來定量研究災害的易損性。前面已經得到了每處泥石流等地質災害點所在區域的人口密度，對人口密度進行分級，以確定每處泥石流等地質災害點所在地區的發達程度(表7)。

表7　每個災害點所屬鄉鎮的發達程度

3.2.2距離分析研究泥石流等地質災害的易損性時不可忽略的因素是泥石流災害點與其附近建筑占地的最近距離的大小，距離居民生活區越近，所帶來的易損性可能就越高。泥石流等地質災害點與附近居民生活區的最近距離在ArcGIS中能夠實現，最終得到每處的最短距離(表8)。

表8　每個災害點與居民地的最近距離

4數據的綜合處理

綜上所述，得出下列結論。

(1) 泥石流等地質災害的自身數據包括其表面積、坡度值和高程差。

(2) 影響地質災害爆發的外部因素數據包括所在地區的降水數據、人類活動數據。

(3) 泥石流等地質災害控制的易損性數據包括該地區的經濟發達程度、距離居民區的最短距離。

經過整理與綜合，將這些控制因子數據整理后如表9所示。

表9　每個災害點的控制因子數據

通常為了簡化計算，在這里對一些比較復雜的數據如面積、最短距離進行分級(表10)，這樣便于后面的加權計算。

表10　面積、最短距離分級

用已經分級好的面積等級及最短距離等級分別替換控制數據表中的面積和最短距離控制因子，然后分別對各個控制因素賦權重新歸一化，并計算每個控制因子在已經得到的數據下對泥石流等地質災害的影響(表11)。

表11　每個災害點的加權數據值

注：“X”表示高程差為負值，無危險性

計算公式如下：

風險性=危險性×易損性

(5)

危險性=危險性面積等級+危險性坡度+危險性高程差+危險性降水+危險性地震+危險性人類

(6)

易損性=易損性發達程度+易損性最短距離

(7)

通過以上3個公式可以得到每條泥石流的風險性(表12)。

表12　每個災害點最終的風險值

注：“X”表示高程差為負值，無危險性

由表12可以看出：編號為19的崩塌風險性最大，對居民的生命財產安全的潛在威脅最大，然后依次為編號92、80、91、90、166、149、5、40、75、171。其中編號為182的泥石流災害點，由于其與附近居民區的高差為-8 m，即居民區比泥石流的災害點高。因此該編號的泥石流在理論上對附近的居民區不構成威脅，所以危害性被排除。

下面對風險較大的編號為92的泥石流進行三維展示，可以在ArcScene中通過將泥石流的影像圖與其對應的DEM表面高程數據相疊加得以實現(圖8)。

圖8　編號為92的高風險泥石流三維展示圖Fig.8　Three-dimensional display of the high-risk debris flow No.92

5結論

通過對該地區的泥石流等地質災害的定量分析得知，這12處泥石流等地質災害高風險性的占比較高，占總體的1/3。其中編號為19的崩塌及編號為92的泥石流的風險值最高，亟需進行安全治理，其次是編號為81、91等的泥石流。

為了保障該地區人民的生命及財產安全，加強泥石流等地質災害的治理工作已經刻不容緩。對于泥石流等地質災害，應及時在其周圍做加固處理，或對其進行封網式治理。此外，要不定期進行觀察，發現異常情況應及時妥善解決，防微杜漸，拒絕放過任何小的隱患。

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Three-dimensional quantitative evaluation of debris flow disasters based on RS and GIS

YAO Shu-peng1,2, CHEN Jian-ping1,2, TANG Chao3, LI Ke3

(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2. Key Laboratory of Land Resources Information Research & Development in Beijing，Beijing 100083，China; 3. Beijing Urban Construction Exploration & Surveying Design Research Institute Company, Ltd, Beijing 100101, China)

Abstract：With the increasingly frequent geological disasters such as debris flows, the quantitative analysis of disaster risk has become a more and more important topic in the field of geological work. This study used integrated remote sensing (RS) and Geographic Information System (GIS) technologies to collect, store, retrieve, model and analyze the geological disaster data, in order to quantitatively evaluate the risk of disasters. According to this, we put forward reasonable suggestions for the regions with potential disasters such as debris flow.

Keywords：debris flow; RS; GIS; quantitative assessment； riskiness； Inner Mongolia