地理信息系統(tǒng)技術(shù)在滑坡及泥石流災(zāi)害評估中的應(yīng)用

楊建鵬，韓 晨，王 龍，王景麗

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069;2.渭南師范學(xué)院資源環(huán)境系，陜西 渭南714000;3.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶404000)

地理信息系統(tǒng)技術(shù)在滑坡及泥石流災(zāi)害評估中的應(yīng)用

楊建鵬1，韓 晨2，王 龍3，王景麗1

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069;2.渭南師范學(xué)院資源環(huán)境系，陜西 渭南714000;3.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶404000)

地理信息系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘探、管理，土地資源管理與地表覆被變化，環(huán)境保護(hù)，城市規(guī)劃與建設(shè)，政府部門行政與決策等諸多方面。以韓城為例探討地理信息系統(tǒng)在滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害中的諸多應(yīng)用。利用AacGIS圖層疊加及圖層要素綜合計算得出研究區(qū)韓城大斷裂以東的黃河河道階地及河谷沖積區(qū)為潛在的滑坡、泥石流高發(fā)區(qū)。

地理信息系統(tǒng);地質(zhì)災(zāi)害;預(yù)測評估

目前大部分地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等因素的限制仍處于艱難的被動防御狀態(tài)。其中一個重要原因就是缺乏一種以先進(jìn)技術(shù)為依托從而建立起系統(tǒng)化的實(shí)用有效的地質(zhì)災(zāi)害防治系統(tǒng)。由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)水文背景與巖土的質(zhì)地結(jié)構(gòu)、降雨量、地表植被覆蓋率以及其它外在因素錯綜交錯且在時間上又有較大的不確定性。所以地質(zhì)災(zāi)害確有其難以預(yù)測的一方面，但地災(zāi)部門調(diào)查手段和管理落后往往造成對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量、性質(zhì)、規(guī)模、危害程度等心中無數(shù)。常常難以兼顧或時常處于消極的被動防御和善后處理。這樣無疑對廣大人民群眾生命財產(chǎn)和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成不可估量的損失。因此，建立一套基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、評估和防御系統(tǒng)意義重大，這樣各地質(zhì)災(zāi)害決策管理專家就可以通過GIS提供的全方位實(shí)時的區(qū)域空間信息，全面掌握可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、時間、性質(zhì)、規(guī)模、危害程度、數(shù)量并通過合適的模型匹配分析從而得到相應(yīng)的整治措施，防患于未然。

1 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)(GIS)是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)。是介于信息科學(xué)、空間科學(xué)和地球科學(xué)之間的交叉科學(xué)，同時也是一門新興的技術(shù)學(xué)科。它是計算機(jī)科學(xué)、遙感學(xué)、信息技術(shù)與現(xiàn)代地學(xué)理論和方法的有機(jī)結(jié)合。此外地理信息系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、地理信息的空間分析、模擬和地圖可視化的計算機(jī)系統(tǒng)。像其他任何信息技術(shù)一樣，GIS可分為如下四個部分［1］:計算機(jī)系統(tǒng)、GIS軟件、智囊和設(shè)施。

2 地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

韓城市位于關(guān)中平原東北隅，距省會西安240余公里，北依宜川，西鄰黃龍，南接合陽，東隔黃河與山西省河津、鄉(xiāng)寧、萬榮等縣市相望。全市總面積1 621 km2，耕地42萬畝，地形地貌為“七山一水二分田”［2］。由于本區(qū)位于關(guān)中平原像陜北黃土高原過度的黃土臺塬地帶，所以黃土地貌諸如:塬、梁、峁及流水沖刷溝壑區(qū)等典型的黃土地貌遍布。由于黃土固有的疏松、黏性較小、垂直節(jié)理的巖土特性、本區(qū)特大降水多集中余夏秋之交及地表植被覆蓋率較小。所以本區(qū)發(fā)生滑坡、泥石流或山崩的可能性極大。屬地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)之一。

構(gòu)造方面，研究區(qū)位于祁(連山)呂(梁山)賀(蘭山)山字形構(gòu)造的前弧東翼與新華夏構(gòu)造體系第三沉降帶的復(fù)合部位。以東北～西南向的山前大斷裂(即韓城大斷層)為界，東南面屬汾渭地塹沉降區(qū)，西北面則屬于鄂爾多斯臺向斜的陜北高原邊緣褶皺區(qū)。構(gòu)造復(fù)雜，礦產(chǎn)豐富，存在著發(fā)生中強(qiáng)度以上地震的條件。本區(qū)地層，總體上可分兩個單元。以東北～西南向的大斷層為界，東南部為該正斷層的上盤，系下沉地層，為一套厚層第四紀(jì)沉積地層;西北部為相對上升的侵蝕地層，以古生代巖層為主，上覆黃土或坡積、殘積物［3］(如圖1)。

2.2 基于ArcGIS的研究區(qū)地形分析

三維地形圖，它是遙感、地理信息系統(tǒng)、三維仿真等高新技術(shù)的結(jié)合。它是以三維電子地圖數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，按照一定比例對現(xiàn)實(shí)世界或其中一部分的一個或多個方面的三維、抽象的描述。三維地形圖根據(jù)高程的不同賦予不同顏色值，制作出三維地形圖，用以表達(dá)不同的地形起伏情況。地理信息系統(tǒng)中主要采用等高線法、地貌暈渲法(一種旨在模擬太陽光與地表要素相互作用下的地形容貌)、分層設(shè)色法(用不同顏色表示不同高度帶已明顯表現(xiàn)出地貌的起伏特征)、透視法(地形的三位視圖)。其受控于四個參數(shù):觀察方位、觀察角度、觀察距離、豎向比例尺。ArcGIS中的3－D Analyst擴(kuò)展模塊提供了用于觀察參數(shù)操作的圖形界面。

圖1 研究區(qū)地層巖性空間分布

2.2.1 區(qū)域高程分析

數(shù)字高程模型(DEM)作為地理數(shù)據(jù)庫中最為重要的空間信息資料和賴以進(jìn)行地形分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)，不僅可以提取地形起伏度、坡度和坡向等地形參數(shù)，同時能夠成為定量分析地形地貌和地質(zhì)災(zāi)害評價的基礎(chǔ)。格網(wǎng)數(shù)字高程模型，即格網(wǎng)DEM，它是把DEM覆蓋區(qū)劃分成規(guī)則格網(wǎng)，每個網(wǎng)格大小和形狀都相同，用相應(yīng)矩陣元素的行列號來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)的二維地理空間定位，第三維為特性值，可以是高程或?qū)傩裕?］。

圖2 研究區(qū)坡度專題圖

2.2.2 區(qū)域坡度 坡向分析

如圖3所示:本文將研究區(qū)坡度以十度為間隔分為九個層次，分別以九種不同的漸變色表示?？梢悦黠@看出坡度大小多集中在45°～85°之間。而坡向則被分為東、南、西、北、東北、東南、西北、西南、八個方向并分別用八種不同的漸變色表示;研究區(qū)坡度以韓城大斷裂為界西部中低山區(qū)坡度(降)較小，斷裂以東的黃河河道沖積區(qū)由于處于斷層上盤，所以沉降較大，且表面幾乎均被第四紀(jì)風(fēng)積黃土及河流沖積物覆蓋(圖2)，屬水土流失嚴(yán)重區(qū)。

如圖3研究區(qū)坡向則大多呈東－東南方向，表現(xiàn)出從西北向東南高度逐漸降低的趨勢，直到黃河河道處降為水平。而區(qū)域居民聚居區(qū)(韓城市區(qū))及公路正好處于山坡谷底低凹處及主要的順坡向區(qū)，這無疑處于滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害等的高度威脅區(qū)。此外，在這種區(qū)域坡度較大的情況下極容易產(chǎn)生重力作用下的巖土塌陷及巖土的蠕動或滑坡陷現(xiàn)象，尤其是在遇上季節(jié)性暴雨時無疑是滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的高度危險區(qū)。

圖3 研究區(qū)東－東南坡向(深色區(qū))專題圖

2.2.3 降雨量及地表植被因子分析

根據(jù)陜西省地情數(shù)據(jù)庫記載研究區(qū)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害在一年中不同月份發(fā)生的次數(shù)百分率統(tǒng)計，如圖可以看出當(dāng)降雨量達(dá)到一定(40 mm)時發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的頻率顯著增大，所以降雨的集中出現(xiàn)是影響研究區(qū)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素。此外，空間分布上的特點(diǎn)為在東部夏季風(fēng)暖濕氣流自東向西推進(jìn)過程中，受西部山區(qū)地形的抬升所形成的地形雨影響，研究區(qū)內(nèi)降水量不均衡，其分布趨勢是由西北向東南遞減，西部最大降雨量達(dá) 657.0 mm，東南部最少為 468.4 mm［2］。所以降水多集中于西部山地(海拔較高區(qū))加之?dāng)嗔褞Ц浇露鹊募眲∠陆狄彩怪饕丝诰劬訁^(qū)成為發(fā)生滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的潛在高發(fā)區(qū)。

1)地表覆被度的提取

由于植物的光譜特征可使其在遙感影像上有效的與其他地物相區(qū)別。同時不同植物各有其自身的光譜特征，從而成為區(qū)分研究區(qū)地表植被覆蓋類型、長勢等［5］。如利用Landsat TM光學(xué)遙感影像解譯提取植被區(qū)域、計算歸一化植被指數(shù)(NDVI)［6］并進(jìn)而反演植被覆蓋率來反映地表植被的覆蓋情況。譬如，通過等密度模型可以從遙感影像中反演植被覆蓋度:

其中NDVI為像元的歸一化植被指數(shù)，NDVImax、NDVIsoil分別是遙感影像上裸土的最大和裸土的NDVI值。

圖4 降雨量與地質(zhì)災(zāi)害率關(guān)系(引自林斌)

圖5 研究區(qū)植被覆蓋度(深色)遙感圖像

2)地表歸一化植被指數(shù)NDVI的提取

歸一化植被指數(shù)［6］是從Landsat TM影像獲得。

計算式為:

其中r3、r4分別為 Landsat TM第三(紅光)、第四(近紅外)通道的反射率。

圖6 研究區(qū)NDVI(深色)遙感圖像

如圖6(兩條斜線區(qū))可以看出從西部山地到斷裂帶以東植被覆蓋度明顯減小，表明斷裂帶及其以東為表層剝蝕區(qū)植被覆蓋度較低。此外，如圖7(斜線區(qū))所示研究區(qū)植被覆蓋率(深色)較低且由于斷裂帶的存在，地形地貌復(fù)雜、剝蝕作用強(qiáng)烈從而極易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害;此外，水土流失也非常嚴(yán)重。

圖7 綜合預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)(深色區(qū))

綜上，通過對研究區(qū)坡度、坡向、地層巖性、植被覆蓋度、植被歸一化指數(shù)及降雨量等因素的綜合分析，利用AacGIS圖層疊加及圖層要素綜合計算得出研究區(qū)韓城大斷裂以東的黃河河道階地及河谷沖積區(qū)為潛在的滑坡、泥石流高發(fā)區(qū)(圖7斜線區(qū))。

3 結(jié)語

本文簡要介紹了地理信息系統(tǒng)的主要概念、相關(guān)工具;同時以韓城為實(shí)例簡要分析了滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的潛在的地質(zhì)構(gòu)造背景、地形地貌因素、巖土質(zhì)地、結(jié)構(gòu)因素、地表覆被因素，植被覆被情況，降雨因素等;得出韓城存在發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的潛在的高發(fā)區(qū)域主要位于韓城大斷裂以東的河谷地帶，即第四紀(jì)風(fēng)積黃土和河道沖積物廣泛沉積的黃土臺塬及河谷川道地帶，而這種地理單元正是人口、公路和工業(yè)廣泛分布區(qū)(如圖8)，值得重視。

［1］陳健飛，Kang－tsung Chang等.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社.2003，1－3.

［2］陜西省地情資料庫［DB］.

［3］陜西省區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京:地質(zhì)出版社.1989.520－540.

［4］湯國安，張勇，劉詠梅等.不同比例尺DEM提取地面坡度研究.水土保持通報［J］.2001，21(1):53－56.

［5］梅安新，秦其明等遙感導(dǎo)論［M］.北京:高等教育出版社.2001，225－247.

［6］陳云浩，李曉兵，陳晉等.1983－1992年中國陸地植被NDVI演變特征的變化向量分析.遙感學(xué)報［J］.2002，6(1):12－17.

P642.2

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1004－1184(2012)04－0181－03

2012－05－25

楊建鵬(1987－)，男，陜西富平人，在讀碩士研究生，主攻方向:礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)。