汶川大光包滑坡遥感分析

汶川大光包滑坡遥感分析

1大光包滑坡的遥感遥感研究“5.12”川药大地震引发数万例滑坡和其他灾害。其中，位于龙门山中部断裂带（北川-映秀断裂）的大光带滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动滑动框架的最大坡度之一。这也是中国和世界上最大的滑坡之一。大光包滑坡位于四川省绵阳市安县高川乡西北侧,东距安县县城32km,地理坐标为东经104°05′49.7″～104°08′35.9″,北纬31°37′47.2″～31°39′32.2″(图1)。不少学者对大光包滑坡形成机理、运动过程、滑坡类型及体积开展过不同程度的研究,但在滑坡体积计算上存在较大差异,估算结果最大相差3.5×109m3。主要原因是:(1)滑坡体积巨大,其最大纵长约4.3km,横宽约3.5km,而且滑坡堆积体地形起伏大,又缺乏震后大比例尺地形图;(2)滑坡堆积厚度变化大,加之原始斜坡地形起伏大,不易准确计算滑坡堆积体的厚度;(3)滑坡剪出口及其前部滑面深埋于滑坡体数百米之下,缺乏钻探验证,难以准确定位剪出口和滑覆区的位置。遥感技术在大型滑坡研究中已得到广泛应用。本文通过航天遥感和无人机航空遥感技术相结合,采用地震前后的遥感数据源,对大光包滑坡滑动前后进行了4期遥感图像对比解译和分析。采用震前2期卫星图像,完成了大光包滑坡发生所在原始斜坡地形、地貌、人类工程活动等解译,然后,采用震后2期航空影像,对大光包滑坡进行了遥感测绘与研究;并对大光包滑坡进行了现场调查和像控点测量,获取了大光包滑坡原始斜坡北、南侧边界、前缘微地貌特征及原矿硐、矿渣、工棚等在滑动前后的位置,准确地确定了滑坡边界、滑动方向和滑距、并推断了剪出口位置。通过对大光包滑坡堆积区中未解体的巨大主滑体(长1100m,宽490m)的解译,结合其与周边堆积体的相互关系、堆积体的结构组成和滑移过程等,对大光包滑坡进行了分区解译,并对滑坡分区、滑面形态、剪出口位置及滑坡体体积等进行了研究。2地质环境条件2.1斜坡陡猛深切割类型大光包滑坡地处龙门山中段,地势雄伟、地形高差大,属构造侵蚀高山地貌类型,具有斜坡陡峻,深切割的特点。该区域山脉走向总体为NE-SW向,局部受东西向山脊和南北向山脊的交叉控制,原大光包北、东、南三面临空,最高海拔3047m,为安县境内最高峰(图2a、图2b)。2.2岩石、泥盆、波场大光包滑坡区岩性主要为碳酸盐岩和少量碎屑岩组成。地层岩性由上到下依次为三叠系薄-中层状泥晶灰岩、紫红色泥岩;二叠系灰岩夹页岩、铝铁岩、煤、页岩;石炭系灰岩夹白云岩、粉砂岩;泥盆系白云岩、灰岩夹磷矿层;震旦系白云岩、薄层状泥灰岩、页岩等(图3)。大光包滑坡地处龙门山构造带上,位于龙门山前陆推覆体内的大水闸推覆体中,具逆冲-推覆-滑脱-走滑特点。该推覆体主要为脆性兼韧性推覆体,其北西界与高川推覆体接触,南东界为映秀—北川断裂(陈家坪—白云山断裂)。在推覆过程中产生了一系列推覆断裂和褶皱。大光包滑坡位于NE向延伸的大水闸背斜的NW翼。3遥感技术方法3.1遥感影像数据及来源主要采用了震前2007年1月29日美国QuickBird卫星数据、2007年5月6日法国SPOT5卫星数据,以及震后2008年5月18日DMC航空影像数据、2010年11月29日无人机航空影像数据等多平台、多时相、高分辨率的遥感数据源(表1)。3.2gps控制网、后rtk测量像控点的测量作者等于2011年5月11～20日首次对大光包滑坡区进行了像控点测量。像控点测量采用先布设测区首级GPS控制网、后RTK测量像控点的方法,采用1954北京坐标系和1985国家高程基准。按照1:5000的精度要求,共布设了6个首级GPS控制点,测量了84个航片像控点。利用像控点数据对无人机航空影像进行处理,生产制作了大光包滑坡区无人机航空正射影像图和1:5000震后地面数字高程模型(DEM)。3.3遥感数据处理3.3.1dem融合数据正射校正对QuickBird卫星数据进行全色与多光谱数据融合;采用震前1:50000地形数据生成DEM,利用1:50000地形图和DEM对融合数据进行正射校正;对正射影像数据进行几何精校正;对精校正影像进行色彩调整和增强,制作卫星正射影像图。3.3.2空三批数据处理利用2010年11月29日无人机航空影像数据创建模型间拓扑关系并生产出空三批处理数据;自动/半自动空三测量;自由网平差并剔除粗差和绝对定向;生成核线影像以及影像匹配;建立DTM/DEM并拼接DEM,立体精编DEM;原始影像匀光、匀色处理;生成单张正射影像并镶嵌制作正射影像图。3.3.3地表地形模型在SpacEyes3D软件中利用震前1:50000DEM数据和震后1:5000DEM数据建立地表地形模型;利用震前卫星影像数据、震后DMC航空影像和无人机航空影像数据生成地表纹理;建立真实地表三维场景。3.4遥感解释性内容采用人机交互式解译方法,在ENVI、ERDAS、MapGis、SpacEyes3D等软件平台上,进行了震前与震后遥感对比解译。3.4.1地震前的遥感解释内容大光包滑坡发生前斜坡的地形地貌、斜坡微地貌及地层岩性、地质构造;原磷矿层开采矿硐、矿渣、工棚等典型人类工程活动地物等;3.4.2地震后的遥感解释内容滑坡堆积体特征、分区及分布面积;典型剖面分割和滑坡体体积计算等。4比较的意义4.1原始斜坡冲淤形貌采用2007年1月29日QuickBird卫星数据和2007年5月6日SPOT5卫星数据制作了正射影像图及其三维影像图。从震前三维影像图(图2a)上显示,滑坡区原始斜坡地形西高东低,斜坡大致平行发育3条冲沟,南东侧为门槛石沟,北东侧为黑沟,中间发育长石板沟。3沟之间被2山脊相隔,山脊线走向北东,两山脊前缘各发育1条次级冲沟,与门槛石沟、长石板沟大致平行。滑坡区东侧为切割较深的黄洞子沟,沟底高程1400～1550m,与大光包山顶最大相对高差1647m。在震前遥感影像上能准确判识出大光包地震前矿点、矿硐、矿渣、厂房、公路以及居民房屋位置。4.2滑坡体区划分在2008年5月18日航空影像图和2010年11月29日无人机航空影像图上(图4),明显可见大光包滑坡在滑源区形成了高陡的后缘拉裂边界和北侧拉裂边界,南侧滑床边界为岩层面。堆积区范围大、物质成分复杂。室内解译时首先确定了滑坡体中部未解体的主滑体边界,然后根据各堆积区与主滑体区的位置关系划分为滑坡洼地区、下游堆积区、上游堆积区和前缘堆积区;再根据影像所反映的堆积体形态特征、颜色、植被等情况又将各区分成若干亚区;最后通过现场调查来验证各区的边界和特征。4.2.1大光包可滑坡下滑床特征分析根据震后航空影像图和无人机航空影像图显示,滑坡后缘拉裂边界延伸长度2571m,后缘边界近于直立,为不规则锯齿状断壁;后缘南段上部陡壁近直立,坡度65°～90°,中部为陡坡,坡度38°～50°,下部为陡壁,坡度50°～90°;后缘北段上部陡壁近直立,坡度65°～90°,下部陡壁50°～65°。影像上可见明显张裂隙,走向140°～230°,倾角∠82°～90°。由此可见,大光包滑坡后缘主要受陡倾角张性裂隙控制,滑坡后缘拉裂区主要表现为张性破坏特征。根据震前QuickBird卫星影像图(2007年)(图2a),大光包滑坡北侧拉裂边界原始斜坡山脊延伸方向为NE70°,斜坡北侧平均坡度25°～38°,南侧坡度38°～50°;再根据2010年无人机航空影像图,滑坡北侧拉裂边界表现为呈脊状陡坎,陡坎延伸方向为NE70°,与原山脊走向一致,延伸长度1517m,平均坡度50°～65°。滑坡北侧可见明显剪切裂隙,本次遥感解译出14条剪切裂隙,走向15°～75°,该组裂隙延伸长度14～110m。拉裂陡坎下部分布大量倒石堆,单体堆积最大顺坡长450m,最宽250m,其中堆积范围较大倒石堆有5处,均沿滑坡北侧拉裂陡坎呈串珠状分布。大光包滑坡南侧滑床在无人机航空影像上显示出2个光滑斜面(图5a、图5b),其中靠西侧光面呈三角形,顺门槛石沟长约1501m,最宽处约480m,水平投影面积达40.36×104m2,靠东侧光面呈带状,顺门槛石长约322m,最宽处约40m,水平投影面积达0.81×104m2。以上2个光滑斜面组成了大光包巨型滑坡南侧主滑动面和滑床,滑面产状350°～358°∠30°～35°,与该区岩层产状一致,为岩层面。滑坡南侧滑床边界受岩层层面控制,岩性主要为震旦系灯影组泥质灰岩。4.2.2滑坡地区划分根据遥感解译图(图4),大光包滑坡堆积体堆积最大长度4.3km,最大宽度3.5km,滑坡区(包括后缘拉裂面、北侧拉裂面及南侧滑床)平面投影面积7.11km2,其中堆积区平面投影面积6.0km2。滑坡堆积体阻断主沟黄洞子沟和白果林沟、川林沟、门槛石沟等支沟,滑坡堆积体形成堰塞湖(堰塞塘)5个。从影像上可见滑坡堆积体中部有1个平整的光面,与滑坡南侧滑床相似,应为原斜坡岩层面,且该部分山体较完整,可见纵横交错的裂缝,与四周巨石林立的情况截然不同,解译判定为基本保持了原有形态的未解体的主滑体。主滑体后部堆积区明显要低很多,呈1洼地,因此,将其判定为滑坡洼地区。根据主滑体与周边堆积体的位置关系,将其余堆积体首先分成下游堆积区、上游堆积区和前缘堆积区。然后根据影像图反映的堆积体形态、表部颜色等影像特征划分若干亚区,并通过现场调查验证,确定各区边界和基本特征。这样,共划分了5个区、20个亚区(表2),其中,Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3区组成大光包滑坡滑源区(Ⅰ);Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3区组成滑坡洼地分布区(Ⅱ);未解体的较完整岩体区(Ⅲ)有Ⅲ1、Ⅲ2区;而Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3区组成下游堆积区(Ⅳ);Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅴ3、Ⅴ4、Ⅴ5、Ⅴ6、Ⅴ7区组成上游堆积区(Ⅴ);Ⅵ1、Ⅵ2区组成前缘堆积区(Ⅵ)。5大光包结构滑向滑体的倾斜角度结合遥感解译,作者等多次对大光包滑坡开展了较详细的野外调查与验证。取得了以下几点认识:(1)对大光包滑坡出露边界进行了调查,其南侧边界确认为岩层面,平直光滑,产状350°～358°∠30°～40°,后缘拉裂面及北侧拉裂面皆高陡,呈锯齿状,拉裂面附近可见大量拉裂缝(由2组陡倾结构面组成),没有成组发育的缓倾结构面。(2)滑坡体中部未解体的主滑体北侧为大光面,现场验证其为岩层面,产状345°∠31°,与基岩产状一致,因此,该主滑体不仅未解体,且下滑过程中主要沿岩层面走向方向直线滑动。在主滑体前部岩层倾角逐渐变缓,并向上游偏转形成明显的鞍部。分析认为主滑体在高速滑入黄洞子沟与对面山体碰撞遇阻后,由于强大的惯性向上游临空面发生偏转。(3)野外调查确定了主滑体的边界,并通过主滑体与周边堆积体的关系、堆积体的特征、物质组成等验证了解译分区的边界,同时描述了各堆积区的基本特征。(4)对原大光包的去向进行了初步验证。原大光包山顶岩性主要为飞仙关组砂岩、紫红色泥岩、泥晶灰岩等,下部山体岩性主要为灰岩和白云岩;在滑坡主滑体堆积区、上、下游堆积区和前缘堆积区野外调查中未发现紫红色的泥岩及砂岩;而在滑坡洼地堆积体(Ⅱ3区)发现紫红色泥岩、砂岩。同时,野外调查发现主滑体后部边界附近遗存原矿棚、矿渣、钢索,这些地物滑前皆位于原大光包前部。据此判断,大光包主滑体后缘拉裂边界位于原大光包山顶前部,在主滑体下滑后,原大光包山顶随即坠入滑坡洼地。(5)在震后遥感解译的基础上,通过野外调查验证,确定了目前开采磷矿层、原磷矿硐、矿渣、矿棚、主滑体后缘磷矿层等典型地物在滑后的位置,结合震前三维影像图中判识的大光包山顶下部的矿硐、矿渣及工棚位置,通过对比其位置的变化,确定了大光包滑坡的主滑方向NE53°、主滑体滑动距离1750m。6确定滑动销的出口位置，计算滑动体积6.1大光包滑坡剪出位置大光包滑坡南侧边界及冲沟与滑动前的地形十分吻合(图6),由此可以推断滑动前该滑坡南侧边界。在1900m高程以下,滑坡南侧边界被滑体掩埋,在滑动前的影像图上,1900m高程以下为1平直光面,其产状与岩层面产状一致,并与1900m以上的滑面在同一平面上,由此可知,该平直光面与滑坡南侧底滑面为同一岩层面,且因该处岩体沿此层面和两组陡倾结构面形成楔形体滑出致使该滑面出露。因此,大光包滑坡南侧边界应该沿此层面向主沟内延伸。大光包滑坡北侧边界刚过原长石板沟上游山脊并与山脊大致平行(图7),因此,该滑坡北侧边界与原长石板沟上游山脊一样受第一组陡倾结构面的控制,且该山脊的失稳厚度不大。在滑动后的影像图上,1840m高程以下的北侧边界被滑体掩埋;而在滑动前的影像图上,1840m高程以下为1条小冲沟,冲沟的南侧岸坡为平直光面,其产状与岩层面一致,应为岩层面,冲沟的北侧岸坡的产状与第一组结构面一致。因此,该冲沟应该是由岩层面和两组陡倾结构面切割组成的楔形体滑出而形成的,滑坡北侧边界在1840m以下应该在此冲沟并顺此往主沟延伸。在长石板沟的上、下游山脊前缘均发育1条小冲沟,冲沟的下游侧边界为岩层面,上游侧和后缘均受控于2组陡倾结构面(图8)。冲沟的形成同样是因为由岩层面和两组陡倾结构面切割而成的楔形体失稳,图8中可见失稳楔形体的边界。由于长石板沟上、下游山脊前缘楔形体失稳导致大光包滑坡左、南侧边界被揭露出来并向中间收紧,大光包滑坡的整体形态也因此而成为后宽前窄的“簸箕”状,其后部最宽处达1500m,前缘1840m高程处的宽度为1200m,主沟沟床附近最窄,仅700余m,不足后部的1/2。因此,大光包滑坡剪出口位置应该在主沟黄洞子沟床至高程1840m之间。从黄洞子沟沟床到高程1620m之间地形坡度较陡,在1620m以上地形逐渐变缓,滑坡体上的长石板沟及右侧边界冲沟均没有切割到主沟沟床,而是在1620m高程附近出露,由此判断,大光包滑坡很有可能在1620m高程剪出。因此,在缺乏钻探资料的情况下,将滑坡的前缘剪出口最低位置定为黄洞子沟沟床,最高位置定为高程1620m。6.2滑坡体的几何模型利用无人机航空影像及其立体相对数据,结合航片像控点测量,制作了震后1:5000地面数字高程模型(DEM)。通过震后无人机航空正射影像图和DEM数据,不仅可以获得大光包滑坡堆积体的准确分布位置和分布面积,还能获得堆积体的高程。在确定了大光包滑坡的滑面形态和剪出口位置以后,利用滑动后的DEM数据和无人机航空正射影像图,可直接确定滑坡南侧滑面、后缘拉裂壁及北侧拉裂壁出露的范围,对于被滑坡体掩埋的滑面,则利用纵横剖面图控制(图9),其中,等高线为滑坡后缘及两侧直接出露的滑面、拉裂面,空白部分滑面则被滑坡体掩埋。在滑坡体上布置了8条纵剖面,其剖面方向为62°,间距130m,垂直纵剖面方向布置了10条横剖面,间距260m。这样,可以了解不同部位的滑坡形态及结构特征(图10)。为了能准确计算大光包滑坡的体积,作者利用了AutoCAD软件,分别建立大光包滑坡不同阶段的三维实体模型,通过实体模型之间的运算建立滑坡体的三维实体模型,从而通过AutoCAD软件可直接计算出该滑坡体的体积,这样可避免计算滑坡体平均厚度时所产生的误差。滑坡体积计算具体方法如下:(1)利用滑动前的1:50000地形图,建立大光包滑坡滑动前的三维实体模型。(2)利用滑动后的1:5000地形图,建立大光包滑坡滑动后的三维实体模型。(3)通过滑动前的卫星影像图分析滑坡前缘的地形条件,初步确定剪出口的可能位置,再利用滑坡滑动后已经出露的滑面及边界,通过多条纵、横剖面图综合确定剪出口位置及滑面形态,建立滑面的三维实体模型。(4)通过滑动后三维实体模型和滑面三维实体模型的差集运算,直接获得B+C的体积(即大光包滑坡的体积);通过滑动前的三维实体模型和滑面三维实体模型的差集运算,直接获得A+C的体积(大光包滑坡滑动前的体积)。显然滑坡滑动后的体积应略大于滑动前的体积,因此,通过对比滑动前后的体积,还可以验证滑动后滑坡堆积体地形的准确性。如图11所示,大光包滑坡的体积为图中B部分(原黄洞子沟中堆积体)体积与C部分(由滑面、原黄洞子沟右岸地形线及滑动后地形线所围限)体积之和。通过对比滑坡滑动前后的地形变化可以直接获得图中B部分的体积和A部分的体积。滑动后的三维实体模型与滑面的三维实体模型(图12)的差集,即为滑坡堆积体的三维实体模型。若大光包滑坡沿黄洞子沟沟床剪出,计算方量为11.99×109m3;若大光包滑坡沿1620m高程剪出,计算方量为11.52×109m3。滑动前的三维实体模型与滑面的三维实体模型的差集,