杨建鹏，韩 晨，王 龙，王景丽

(1.西北大学地质学系，陕西 西安710069;2.渭南师范学院资源环境系，陕西 渭南714000;3.西南大学地理科学学院，重庆404000)

地理信息系统技术在滑坡及泥石流灾害评估中的应用

杨建鹏1，韩 晨2，王 龙3，王景丽1

(1.西北大学地质学系，陕西 西安710069;2.渭南师范学院资源环境系，陕西 渭南714000;3.西南大学地理科学学院，重庆404000)

地理信息系统已广泛应用于矿产资源勘探、管理，土地资源管理与地表覆被变化，环境保护，城市规划与建设，政府部门行政与决策等诸多方面。以韩城为例探讨地理信息系统在滑坡、泥石流等地质灾害中的诸多应用。利用AacGIS图层叠加及图层要素综合计算得出研究区韩城大断裂以东的黄河河道阶地及河谷冲积区为潜在的滑坡、泥石流高发区。

地理信息系统;地质灾害;预测评估

目前大部分地区地质灾害防治工作由于经济技术等因素的限制仍处于艰难的被动防御状态。其中一个重要原因就是缺乏一种以先进技术为依托从而建立起系统化的实用有效的地质灾害防治系统。由于地质灾害发生的地质水文背景与岩土的质地结构、降雨量、地表植被覆盖率以及其它外在因素错综交错且在时间上又有较大的不确定性。所以地质灾害确有其难以预测的一方面，但地灾部门调查手段和管理落后往往造成对地质灾害数量、性质、规模、危害程度等心中无数。常常难以兼顾或时常处于消极的被动防御和善后处理。这样无疑对广大人民群众生命财产和国家经济发展造成不可估量的损失。因此，建立一套基于GIS技术的地质灾害监测、评估和防御系统意义重大，这样各地质灾害决策管理专家就可以通过GIS提供的全方位实时的区域空间信息，全面掌握可能发生地质灾害的位置、时间、性质、规模、危害程度、数量并通过合适的模型匹配分析从而得到相应的整治措施，防患于未然。

1 地理信息系统

地理信息系统(GIS)是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。是介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉科学，同时也是一门新兴的技术学科。它是计算机科学、遥感学、信息技术与现代地学理论和方法的有机结合。此外地理信息系统是基于数据库系统、地理信息的空间分析、模拟和地图可视化的计算机系统。像其他任何信息技术一样，GIS可分为如下四个部分［1］:计算机系统、GIS软件、智囊和设施。

2 地理信息系统技术的应用

2.1 研究区概况

韩城市位于关中平原东北隅，距省会西安240余公里，北依宜川，西邻黄龙，南接合阳，东隔黄河与山西省河津、乡宁、万荣等县市相望。全市总面积1 621 km2，耕地42万亩，地形地貌为“七山一水二分田”［2］。由于本区位于关中平原像陕北黄土高原过度的黄土台塬地带，所以黄土地貌诸如:塬、梁、峁及流水冲刷沟壑区等典型的黄土地貌遍布。由于黄土固有的疏松、黏性较小、垂直节理的岩土特性、本区特大降水多集中余夏秋之交及地表植被覆盖率较小。所以本区发生滑坡、泥石流或山崩的可能性极大。属地区地质灾害重点监测区之一。

构造方面，研究区位于祁(连山)吕(梁山)贺(兰山)山字形构造的前弧东翼与新华夏构造体系第三沉降带的复合部位。以东北～西南向的山前大断裂(即韩城大断层)为界，东南面属汾渭地堑沉降区，西北面则属于鄂尔多斯台向斜的陕北高原边缘褶皱区。构造复杂，矿产丰富，存在着发生中强度以上地震的条件。本区地层，总体上可分两个单元。以东北～西南向的大断层为界，东南部为该正断层的上盘，系下沉地层，为一套厚层第四纪沉积地层;西北部为相对上升的侵蚀地层，以古生代岩层为主，上覆黄土或坡积、残积物［3］(如图1)。

2.2 基于ArcGIS的研究区地形分析

三维地形图，它是遥感、地理信息系统、三维仿真等高新技术的结合。它是以三维电子地图数据库为基础，按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面的三维、抽象的描述。三维地形图根据高程的不同赋予不同颜色值，制作出三维地形图，用以表达不同的地形起伏情况。地理信息系统中主要采用等高线法、地貌晕渲法(一种旨在模拟太阳光与地表要素相互作用下的地形容貌)、分层设色法(用不同颜色表示不同高度带已明显表现出地貌的起伏特征)、透视法(地形的三位视图)。其受控于四个参数:观察方位、观察角度、观察距离、竖向比例尺。ArcGIS中的3－D Analyst扩展模块提供了用于观察参数操作的图形界面。

图1 研究区地层岩性空间分布

2.2.1 区域高程分析

数字高程模型(DEM)作为地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统，不仅可以提取地形起伏度、坡度和坡向等地形参数，同时能够成为定量分析地形地貌和地质灾害评价的基础。格网数字高程模型，即格网DEM，它是把DEM覆盖区划分成规则格网，每个网格大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维地理空间定位，第三维为特性值，可以是高程或属性［4］。

图2 研究区坡度专题图

2.2.2 区域坡度 坡向分析

如图3所示:本文将研究区坡度以十度为间隔分为九个层次，分别以九种不同的渐变色表示。可以明显看出坡度大小多集中在45°～85°之间。而坡向则被分为东、南、西、北、东北、东南、西北、西南、八个方向并分别用八种不同的渐变色表示;研究区坡度以韩城大断裂为界西部中低山区坡度(降)较小，断裂以东的黄河河道冲积区由于处于断层上盘，所以沉降较大，且表面几乎均被第四纪风积黄土及河流冲积物覆盖(图2)，属水土流失严重区。

如图3研究区坡向则大多呈东－东南方向，表现出从西北向东南高度逐渐降低的趋势，直到黄河河道处降为水平。而区域居民聚居区(韩城市区)及公路正好处于山坡谷底低凹处及主要的顺坡向区，这无疑处于滑坡泥石流等地质灾害等的高度威胁区。此外，在这种区域坡度较大的情况下极容易产生重力作用下的岩土塌陷及岩土的蠕动或滑坡陷现象，尤其是在遇上季节性暴雨时无疑是滑坡、泥石流等地质灾害的高度危险区。

图3 研究区东－东南坡向(深色区)专题图

2.2.3 降雨量及地表植被因子分析

根据陕西省地情数据库记载研究区滑坡、泥石流等地质灾害在一年中不同月份发生的次数百分率统计，如图可以看出当降雨量达到一定(40 mm)时发生滑坡、泥石流等地质灾害的频率显著增大，所以降雨的集中出现是影响研究区滑坡、泥石流等地质灾害发生的主要影响因素。此外，空间分布上的特点为在东部夏季风暖湿气流自东向西推进过程中，受西部山区地形的抬升所形成的地形雨影响，研究区内降水量不均衡，其分布趋势是由西北向东南递减，西部最大降雨量达 657.0 mm，东南部最少为 468.4 mm［2］。所以降水多集中于西部山地(海拔较高区)加之断裂带附近坡度的急剧下降也使主要人口聚居区成为发生滑坡泥石流等地质灾害的潜在高发区。

1)地表覆被度的提取

由于植物的光谱特征可使其在遥感影像上有效的与其他地物相区别。同时不同植物各有其自身的光谱特征，从而成为区分研究区地表植被覆盖类型、长势等［5］。如利用Landsat TM光学遥感影像解译提取植被区域、计算归一化植被指数(NDVI)［6］并进而反演植被覆盖率来反映地表植被的覆盖情况。譬如，通过等密度模型可以从遥感影像中反演植被覆盖度:

其中NDVI为像元的归一化植被指数，NDVImax、NDVIsoil分别是遥感影像上裸土的最大和裸土的NDVI值。

图4 降雨量与地质灾害率关系(引自林斌)

图5 研究区植被覆盖度(深色)遥感图像

2)地表归一化植被指数NDVI的提取

归一化植被指数［6］是从Landsat TM影像获得。

计算式为:

其中r3、r4分别为 Landsat TM第三(红光)、第四(近红外)通道的反射率。

图6 研究区NDVI(深色)遥感图像

如图6(两条斜线区)可以看出从西部山地到断裂带以东植被覆盖度明显减小，表明断裂带及其以东为表层剥蚀区植被覆盖度较低。此外，如图7(斜线区)所示研究区植被覆盖率(深色)较低且由于断裂带的存在，地形地貌复杂、剥蚀作用强烈从而极易发生滑坡、泥石流等地质灾害;此外，水土流失也非常严重。

图7 综合预测地质灾害高发区(深色区)

综上，通过对研究区坡度、坡向、地层岩性、植被覆盖度、植被归一化指数及降雨量等因素的综合分析，利用AacGIS图层叠加及图层要素综合计算得出研究区韩城大断裂以东的黄河河道阶地及河谷冲积区为潜在的滑坡、泥石流高发区(图7斜线区)。

3 结语

本文简要介绍了地理信息系统的主要概念、相关工具;同时以韩城为实例简要分析了滑坡、泥石流等地质灾害发生的潜在的地质构造背景、地形地貌因素、岩土质地、结构因素、地表覆被因素，植被覆被情况，降雨因素等;得出韩城存在发生滑坡、泥石流等地质灾害的潜在的高发区域主要位于韩城大断裂以东的河谷地带，即第四纪风积黄土和河道冲积物广泛沉积的黄土台塬及河谷川道地带，而这种地理单元正是人口、公路和工业广泛分布区(如图8)，值得重视。

［1］陈健飞，Kang－tsung Chang等.地理信息系统导论［M］.北京:科学出版社.2003，1－3.

［2］陕西省地情资料库［DB］.

［3］陕西省区域地质志［M］.北京:地质出版社.1989.520－540.

［4］汤国安，张勇，刘咏梅等.不同比例尺DEM提取地面坡度研究.水土保持通报［J］.2001，21(1):53－56.

［5］梅安新，秦其明等遥感导论［M］.北京:高等教育出版社.2001，225－247.

［6］陈云浩，李晓兵，陈晋等.1983－1992年中国陆地植被NDVI演变特征的变化向量分析.遥感学报［J］.2002，6(1):12－17.

P642.2

B

1004－1184(2012)04－0181－03

2012－05－25

杨建鹏(1987－)，男，陕西富平人，在读硕士研究生，主攻方向:矿物学、岩石学、矿床学。