GIS/RS技术支持下三峡库区滑坡危险性评价方法研究

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:angeldd
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二十一世纪是地学研究飞速发展的时代,随着多层次、立体化的空间对地观测技术的不断完善和国家空间基础设施的建设以及计算机网络信息技术的飞速发展,以遥感(RS)、地理信息系统技术(GIS)、全球定位观测系统(GPS)、数字自动测高等为代表的空间信息技术在各种地学应用研究的深度、广度不断得到深入,从更大尺度、更高精度研究地球表层作用与过程的规律并以有效的方式对地学现象作出响应已经成为可能。 滑坡是地球表层作用活动过程之一,为人类各种生产社会实践活动带来了一系列的负面影响。人们试图通过建立监测、预测、治理等滑坡研究体系来将这种负面影响减轻到最小,区域滑坡危险性评价是该体系的重要组成部分,GIS、RS技术已经成为区域滑坡危险性评价的关键技术。 三峡大坝的建设是我国跨世纪重大水利工程,库区深受滑坡地质灾害困扰,减轻库区滑坡灾害意义重大。库区滑坡地质灾害既是区域滑坡危险性评价研究的重点对象,也因为具备丰富的野外调查实践成为遥感和地理信息等技术地学应用研究的理想场所。滑坡灾害区域发育分布规律与工程岩组、顺向坡关系密切,工程地质岩组遥感影像分类识别问题、库区顺向坡滑坡危险性评价问题是研究重点,应用遥感技术手段进行工程岩组识别、利用地理信息系统工具进行评价空间数据库的合理组织管理、分析是库区滑坡灾害危险性评价的首要内容。 论文以空间信息处理技术相关理论为指导,结合库区滑坡地质灾害特点,从GIS/RS技术为滑坡灾害应用服务角度出发,阐述了GIS/RS技术相结合应用于区域滑坡灾害危险性评价的主要思路和方法,总结了GIS/RS技术支持下区域滑坡灾害危险性评价的完整框架,在综合分析现有区域滑坡灾害危险性评价理论概念体系优势和不足的基础上,针对库区重点滑坡灾害问题,提出了一些独特的方案和技术,成功地解决了库区区域滑坡危险性评价中面临的一系列技术问题,并通过具体实例显示了这些方法的实用性。研究所取得的成果,无论是从理论上还是从实践上,都为GIS/RS技术支持下库区滑坡危险性评价研究作了很好的探索和开拓,也为我国其他地区的区域滑坡危险性评价研究提供了借鉴、经验和基础。 在整个研究过程中,本论文主要完成了以下一系列工作: 在论文的第一章,论述了区域滑坡危险性评价研究在库区滑坡灾害研究中的重要意义,综述了GIS/RS在滑坡研究中的应用情况和进展,分析了目前GIS/RS技术支持下区域滑坡研究现状和存在的问题,总结了三峡库区滑坡地质灾害的发育特点,指出了目前库区基于GIS/RS技术滑坡危险陛评价研究中存在的不足和尚需进一步研究的主要问题。在此基础上,讨论了GIS/RS技术支持下库区区域滑坡地质灾害危险性评价的重点内容,提出了本文研究的目标和达到这一目标所需的理论、技术方法体系,规划了本文研究的主要内容、期望解决的问题,制定了数据处理分析流程,确定了论文的组织结构。 第二章说明了空间对地观测技术和国家空间基础设施建设是GIS/RS技术用于地学应用的物质基础和前提条件,对国内外空间信息基础设施的发展情况作了简述。此外,对组成国家空间信息基础设施的重要数据源,即遥感数据源和数字高程模型在滑坡研究中的应用情况作了总结和归纳;结合目前国内外关于空间信息技术的发展情况,提出了以数据分类、数据融合、数据挖掘为核心的空间信息处理框架。 第三章阐述了与本文研究密切相关、滑坡危险性评价工作中涉及到的一些基本概念和国内外区域滑坡灾害评价研究模式,指出了滑坡危险性评价方式主要分两大类:确定性模型和统计模型:讨论了以统计模型为基础开展评价工作的假设理论基础;认为,根据GIS空间数据模型的类型,可以将评价单元划分为两种形式:栅格模型和矢量模型,其中矢量模型又可以进一步分为均一条件单元、斜坡单元、地貌单元、地域单元;对国内外众多文献研究涉及到的评价因子类型、评价指标体系的建立原则进行了总结,论述了GIS/RS支持下滑坡危险性评价方法,并完善了空间信息技术支持下区域滑坡危险性评价研究框架。 第四章详细探讨了岩性地面特征的遥感信息表达模型,从岩性光谱特征和空间特征两方面分析了库区主要岩石地层单元的遥感影像特征。在此基础上,通过地学多源信息复合技术,研究了利用遥感影像特征进行遥感岩性识别的方法、流程和框架。具体实例上,选择库区巴东龙船河流域为研究对象,对研究区ETM+影像采用融合分类技术进行岩石影像单元、工程岩组单元进行分类,分类结果和野外调查成果吻合度达83%。将分类结果作为因子参数参与滑坡灾害评价模型运算,并利用野外调查的滑坡分布对评价结果进行验证,结果表明,极高危险区滑坡出现的可能性是高危险区的1.36倍,是中危险度区的2.73倍,极高危险区高危险区滑坡出现的几率是其他地区滑坡出现几率的8.16倍。研究表明,根据已有的滑坡先验知识,以遥感数据、区域地质调查资料作为滑坡因子数据源,结合部分野外调查数据,快速进行大中尺度的区域滑坡危险性评价是可行的。随着空间信息处理和计算机技术的快速发展以及高分辨率、雷达、高光谱遥感、数字自动测高等遥感遥测数据获取能力大幅度的提高,利用遥感影像能够为区域滑坡研究提供地物类型信息更为丰富的图像。在野外工程地质、室内实验室测试资料辅助下,结合遥感技术优势进行中小尺度的滑坡灾害危险性评价工作潜力巨大。斜坡类型中,滑坡更容易在顺向坡发育这一规律早已为人们所认识,库区岸坡类型变形强度具有顺向坡>逆向坡>切向坡的规律,顺向坡区域滑坡危险性评价亟待深入研究。 第五章根据三峡库区顺向坡滑坡广泛发育的特点,选取库区重点地区秭归-巴东段青干河流域,在滑坡编目数据库基础上,通过(1)DEM获取高程、坡度、地形聚水能力因子;(2)遥感影像获取植被覆盖度指数;(3)区域地质调查资料、DEM计算斜坡类型定量因子TOBIA指数及获取岩性因子。采用二分类变量逻辑回归评价方法对上述6种因子建立滑坡危险性评价模型,开展GIS/RS技术支持下顺向坡滑坡危险性评价研究。研究表明,根据模型概率值分布和已知滑坡发育关系,可以将研究区划分为高危险区、中等危险区、低危险区三个等级,高危险区包含了70%已知滑坡,中等危险区包含了14%已知滑坡,评价结果和实际滑坡发育情况吻合,合理地反映了区内滑坡灾害发育的总体特征。对于关键因子之一,即斜坡类型,引入太阳辐射模型进行定量表达。本文的研究为库区顺向坡滑坡灾害评价提供了示范。 第六章阐述了面向对象空间数据库的基本特征,提出了面向实体对象的滑坡灾害空间数据库模和区域滑坡危险性评价研究中斜坡单元划分基本方法。本文选取青干河流域和巴东龙船河流域为例进行了试验分析,分析了以斜坡单元为研究对象进行滑坡危险性评价的优势和不足,初步探讨了基于斜坡单元的滑坡危险性评价框架和数据组织、面向多边形单元对象的整体型空间数据库构建等关键技术的实现等内容。 最后,对本文所作的工作和已经取得的成果进行了总结,并指出了论文的不足和尚需进一步解决的问题。 本论文的研究特色、工作成果与创新点主要体现在以下几个方面: 1、论文比较系统地总结、归纳和提出了GIS/RS技术集成框架和GIS/RS技术支持下区域滑坡危险性评价的流程框架,对国内外GIS/RS支持下滑坡危险性评价研究中的应用情况和进展作了比较深入的分析综合。 2、遥感技术手段在滑坡研究中的应用,传统大多局限于滑坡体的识别上。本文首次尝试将遥感图像分类提取得到的工程岩组单元作为滑坡影响因子直接参与滑坡危险性评价模型,评价结果比较好的反映了实际滑坡发生规律。研究表明,在野外调查数据辅助下,利用ETM+等遥感影像快速进行中小尺度的区域滑坡危险性评价是可行的,研究成果为遥感技术在库区滑坡危险性评价研究开辟了新的思路。 3、顺向坡滑坡既是滑坡科学研究应该关注的问题,也是库区滑坡危险性评价研究的重点。本文首次以顺向坡滑坡作为评价研究对象,一定程度上克服了目前国内外评价研究工作中不注重区分滑坡类型的弊端。在评价指标体系建立方面,首次运用遥感影像估算植被度指数因子、太阳辐射逻辑模型定量计算斜坡类型、地表汇水模型计算地形聚水能力因子,从数据处理方法上作了大胆的创新。研究结果表明,本文的评价工作和模式取得了很好的评价效果,不但对于库区区域滑坡危险性评价研究具有重要意义,对我国其他地区的顺向坡滑坡危险性评价研究同样具有借鉴意义。 4、基于统计模型的危险性评价指标体系建立过程某种意义上可以认为是各滑坡因子综合权重系数的确定过程。系数确定一般采用两种方式,一是以已知滑坡编目为基础,采用线性回归、逻辑回归、判别分析、层次分析法、人工神经网络等方法,建立已知滑坡和各因子之间的关系,推测一定因子组合环境下滑坡发生的可能性。另一种是采用经验法或专家打分法。本文对两种方法都作了有益的尝试。 5、初步探讨了利用遥感和地理信息系统技术快速划分斜坡单元的基本流程和以斜坡单元为研究对象的评价空间数据库建设的方法。
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