lidar地質災害

1. 滑坡災害風險評估與區劃的難點及發展前景

一、風險評估與區劃的難點

1.與滑坡編目相關的困難

滑坡事件通常散布在區域各處，彼此相對獨立，規模相對較小但發生頻率高。滑坡災害不像地震或洪水災害影響范圍大，因此滑坡調查資料庫和編目圖的編制是一個十分繁瑣的過程。要逐一對所有滑坡進行編圖和描述，每個滑坡點的特徵都有所不同。在大多數國家中，沒有一個單獨的機構從事滑坡數據的維護工作。不同部門（如公共事務部或交通部等）都有自己的滑坡資料庫。因他們關注的影響地區和問題不同，因此所建立的滑坡資料庫不夠全面，且彼此之間數據的共享也有障礙。報紙和其他歷史紀錄也只記載那些造成重大破壞的滑坡事件。大學和研究機構所進行的滑坡編目圖的編制也只是他們的研究項目的一部分，在項目有限的時間內完成。所建立的資料庫不可能再進行更新。因此無論從覆蓋區域還是從調查時期的長度來看，很難獲得全面完整的滑坡編目圖（Ibsen和Brunsden，1996）。即便是存在這樣的圖件，也很少有關於坡體失穩的類型和特徵方面的信息。解決問題的辦法之一是，使用航片或衛星影像解譯來獲得滑坡歷史信息。這就需要獲得一定時期的遙感影像數據。但由於對絕大多數編錄的滑坡發生的具體時間不清楚，就難以將滑坡事件與觸發事件（如降雨或地震）關聯起來，特別是不同的滑坡類型有著不同的氣象觸發條件。滑坡編目圖的缺少或質量不高、不完整給建立易損性關系和校正滑坡災害圖帶來了困難。

2.與空間概率評估相關的困難

為了進行定量風險評估，首先需要進行危險性評估。目前大多數危險性圖還一直停留在定性分析的水平上，基本上是確定敏感性，可以將其看成是空間概率的表徵。滑坡的空間概率或敏感性可通過不同的分析方法獲得。

基於統計的滑坡危險性評估已經非常普遍，特別是使用GIS和數據綜合技術，將滑坡編目圖和環境要素圖中的空間信息關聯起來，分析和評估滑坡發生的空間概率分布或滑坡敏感性，這樣的評估是基於這樣的假設，即在與近期發生過滑坡的相似環境條件和觸發條件下發生滑坡的可能性大。然而，滑坡發生的前後地形條件、坡度、土地利用等環境條件都發生了變化，因此基於這樣的假設的空間概率預測顯然是不夠准確的。此外，對於不同類型、深度和體積的滑坡，其產生滑坡的環境條件組合都有其特殊性。

很少見有對不同滑坡類型分別建立統計模型的研究。大多數研究是將所有的活動性滑坡作為一體來建立統計關系。基於統計的滑坡敏感性評估難以將觸發因素（如降雨量、地震加速度）考慮進去，如果考慮觸發因素，也是考慮其空間變化，而不是考慮時間變化。在滑坡敏感性評估中，專家的「主觀」判斷起重要作用，如何使用「客觀」的計算機演算法來取代專家的「主觀」作用目前還沒有令人滿意的結果。GIS在滑坡敏感性統計評估中主要是一種工具，在使用過程中，通常將非常復雜的環境控制因素的信息加以十分簡單的概化。

另一方面，利用水文和坡度穩定性確定性模型可以給出更加可靠的結果，但這樣的模型要求有詳細的空間參數資料庫。最敏感的參數是坡度（通常可從精確的DTM中生成）和土壤厚度。這些參數的空間分布很難進行測量。如果土壤厚度未知，潛水面高度與土壤厚度的比率就無法獲得。該比率值是坡體穩定性最敏感的參數。盡管地貌模型能對土壤深度給出一定的預測，但其空間變化性很大。此外，下伏岩石中的風化作用因素常常被忽視。難以測定的物質參數（內聚力和摩擦角）空間分布變化大。在GIS環境中，僅無限滑坡穩定性模型（具有平行於滑動面的滑坡）適用於較大區域，而對於匯水流域尺度的滑坡模型（具有復雜的活動曲面的滑坡）難以在GIS環境下進行操作。

3.與時間概率評估有關的困難

滑坡是發生在局部的災害，通常不會在同一地點重復發生不同頻率和規模的滑坡。也許泥石流和岩崩的發生會違背這種規律。但大多數類型的滑坡一旦發生後，坡度條件就發生了變化，重復發生滑坡的可能性很小。換句話講，不像地震、洪水、泥石流和雪崩災害有其固定的運動路徑，通常無法建立給定位置上滑坡發生的規模與頻率之間的關系。然而，還是可以在較大范圍內（如整個流域）將滑坡發生率與其特定的觸發事件特徵（如降雨）進行關聯，即將滑坡的空間頻率與重現期聯系起來，從而建立滑坡規模與頻率之間的關系。滑坡歷史紀錄的缺少或不完整是滑坡危險性和風險性評估的主要障礙。因此，世界上大多數研究不可能建立滑坡發生率與重要的觸發因素之間的定量關系，這與地震和洪水災害不同，可以對它們建立出規模—頻率函數。

4.與滑坡運動路徑模擬有關的困難

對滑坡初發地區的運動路徑進行模擬一直非常困難。根據以前事件建立最大摩擦角曲線，用它來確定滑坡的運動距離，或建立與環境因素有關的變數摩擦線，以此圈定基於GIS的滑坡影響帶。然而，這樣的經驗分析需要大量的數據。通常雪崩數據豐富，而滑坡數據則不足。在確定性方法中，所需的物質參數在滑坡快速流動條件下很難進行測定。此外，很難模擬出初次發生運動的滑坡（絕大多數滑坡都是初次的）運動路徑和影響范圍，這需要非常詳細的DTM數據，在GIS環境中模擬滑坡的運動路徑還會碰到一些技術問題。

5.與滑坡易損性評估有關的困難

對於大多數滑坡類型（泥石流和岩崩可能是例外）而言，進行承災體的易損性評估是非常困難的。因為滑坡災害損失方面的數據非常有限。此外，可能的滑坡規模的預測很難，這取決於觸發事件的規模及其事件發生時的環境條件（如水位高度）。

與其他災害（地震、洪水、風暴）不同，滑坡災害的損失估計模型不存在。原因同上面一樣，還是因為缺少歷史數據。此外，滑坡造成的損失具有孤立的「點」性特徵，這與其他災害（如地震、洪水）造成的「多邊形面狀」特徵不同。缺少不同類型、不同規模滑坡和不同承災體易損性方面的信息必然成為滑坡風險評估的主要障礙之一。

易損性由建築類型（建築物材料和地基類型）的承載力所決定。此外，由於建築物的使用年限、結構和規模也決定著這些建築物的價值或費用，從而使不同建築物對同一災害（如10年重現期的滑坡）的易損性和風險有所差異。此外，在計算人對災害的易損性時，建築物中的人和道路上行駛車輛中的人是否受到災害影響的時間概率變化也起著重要作用。盡管確定承災體的時間易損性可能會遇到麻煩，並且過程十分耗時，承災體易損性可以進行分類和編圖，不會遇到許多概念性問題。在滑坡風險評估因素中，迄今為止，危險性方面是最復雜的。

二、存在的主要問題

總的來說，過去絕大多數研究成果只是關於過去滑坡發生地點、滑坡的特徵以及用以解釋滑坡發生的定性地貌圖或災害圖。很少有能夠預測未來滑坡發生地的滑坡時空分布圖。即便是有所謂的預測圖，也沒有對預測結果可靠性和有效性進行檢驗，因此，具有很大的不確定性。正如Varnes等（1984）所說的那樣：「盡管滑坡災害在世界各地普遍存在且所造成的損失不斷增加，地球科學家和工程師在進行不斷的研究探索，編制了成百上千張滑坡災害圖，但到目前，表示滑坡危險性、易損性和風險性的概率圖還很少。」

目前滑坡風險評估還屬於探索階段，存在許多不足。概括起來，這些研究存在的主要問題包括以下方面：

（1）在每個物質運動發生地與相應的環境因素之間沒有建立起明確的統計關系，只是建立了預先劃分的斜坡單元和環境因素之間的關系；

（2）沒有分別評估不同類型的滑坡；

（3）對滑坡的初發地和累積帶沒有加以區分；

（4）沒有按照相應的航片解譯時間，將滑坡物質運動時間進行劃分；

（5）基本假設——滑坡發生的「相同」條件太嚴格，實際上滑坡發生的條件都會隨時間而發生變化；

（6）在預測模擬中似乎都某種程度上忽視了理論基礎。如果對未來一定時期內預計發生的滑坡的數量和規模不進行特別假設的話，就不可能估計出未來滑坡的發生概率；

（7）幾乎所有的敏感性評估結果都沒有進行檢驗；

（8）沒有對三種危險性模型得出的相對危險性等級進行定量比較分析，也沒有對危險性不同等級水平進行解釋，對滑坡單元也沒有進行驗證。

根據文獻研究，現有滑坡定量空間預測模型主要存在以下5個方面的問題：

（1）輸入數據的簡化。簡化輸入數據會丟失許多詳細的信息。在滑坡危險性評估中，將坡度和高程等連續型數據轉化為若干個等級的離散型分類數據的做法十分普遍。這種數據的簡化處理主要是為了適應所提出的模型及其計算機程序的要求（不能處理連續型數據，但目前這已不成問題）。例如，Clerici等（2002）提出了基於獨特條件單元（uniqueconditional unit）的預測模型，需要將從原始的1∶10000DEM中提取的坡度和高程連續型數據轉化為離散型數據圖層。許多研究盡管使用了高精度的DEM數據（5m或10m網格單元）來描述諸如「凸凹度」等地貌特徵或滑坡陡崖特徵，但在預測模型中很少直接使用高精度的原始連續型數據。Carrara和Guzzetti等（1995、1999）基於地貌單元或坡度單元進行預測分析。單元大小從幾平方米到數千平方千米。盡管原始DEM解析度達10m，但在每個單元中，僅有一個坡度或一個等級的坡度值。20世紀90年代以前，由於計算機容量和計算能力的限制，這種簡化是必要的，以適應海量空間數據定量空間預測模擬的條件需要。但隨著計算機技術的突飛猛進，目前這種數據的簡化已不再需要。

（2）離散型數據層和連續型數據層的混合處理。在滑坡危險性評估中，要素圖層有的是連續型數據（如坡度、高程），而有的則是離散型數據（如地質、地表物質）。在以往的預測評估中，要麼將所有離散型數據轉換為二值（0，1）數據層，要麼將所有連續型數據轉換為離散型數據層。這種不同數據類型之間的轉換會丟失許多原始數據的屬性特徵，這將大大降低滑坡危險性預測評估的准確性。

（3）在預測模型中沒有對假設條件加以說明。從Clerici等（2002）簡單的「條件分析」，到Carrara和Guzzetti等（1995，1999）以及Chung和Fabbri（1995，1999）復雜的「多變數統計方法」的所有滑坡定量空間預測模型，實際上都隱含著許多假設條件。沒有這些假設條件，就根本無法進行預測分析。例如，Carrara等（1995）基於判別分析得出的「概率」大小，編制了滑坡危險性評估圖。這種「概率」表示的是未來滑坡發生的概率。但在他們發表的文章中並沒有對其進行明確的定義和說明。幾乎所有的滑坡危險性定量預測分析研究都沒有對假設條件加以討論和說明。

（4）對預測結果缺乏有效的檢驗。如果預測結果沒有進行有效的檢驗，其使用的預測方法就不具有科學可靠性。滑坡危險性區劃圖是用來顯示未來滑坡發生的可能位置，需要對預期結果進行檢驗。而絕大多數的研究預測都缺乏這樣的檢驗。可喜的是，Chung和Fabbri（2003）提出將空間資料庫進行時間/空間分組，一組用於建立預測模型；另一組用於預測結果的檢驗。Fabbri等（2003）使用了類似的有效性檢驗技術，對每個圖層及其組合關系的預測靈敏性進行分析。

（5）缺乏對未來滑坡概率的估計。通常在滑坡危險性圖基礎上，加入詳細的社會-經濟空間屬性特徵（如人口和基礎設施分布及相應的經濟參數）得到滑坡風險圖。為了綜合進行社會-經濟分析（包括預期的「費用-效益」分析），需要將不同的滑坡危險性等級轉換成滑坡未來發生的概率，以用於隨後的承災體易損性分析和風險分析。大多數滑坡災害區劃一般僅限於滑坡敏感性區劃，往往沒有估計滑坡未來發生的概率。Fabbri等（2002）在這方面進行了探索研究，通過其案例研究，可以了解如何應用檢驗技術，綜合考慮滑坡危險性水平和易損性情景來表示滑坡風險大小。

在應用滑坡風險分析成果時，要認識到滑坡風險分析存在不確定性，主要體現在以下幾個方面：

任何滑坡的空間信息都包含著難以估計的不確定性；

社會-經濟數據的精度和質量差異大，直接影響風險評估結果的准確性；

在大多數情況下，只能對建築物和社會的易損性進行粗略的估計；

風險模型總是對現實的概化，模型的性能在很大程度上受數據的限制；

計算的滑坡風險是對一定時間的現實分析的靜態表徵。

三、未來發展前景

1.地形數據的改進

隨著地理信息科學和地球觀測技術的迅猛發展，有越來越多的工具可用於更可靠的滑坡危險性和風險評估。在滑坡危險性和風險分析中，地形是重要因素之一。數字高程模型（DEM）起著重要作用。在過去15年，無論是在高精度的地形數據可得性方面，還是在地形數據處理軟體開發方面都有重大進展。使用航片的成像方法生成DEM、GPS的應用、地形圖的數字化及其插值專業軟體，現已成為大多數滑坡研究人員工作的標准程序。來自NASA航天雷達地形工作組（SRTM）的DEM數據已覆蓋全球，在美國境內解析度為30m，在世界其他地方為90m（Rabus等，2003）。這為開展區域尺度的滑坡研究奠定了基礎。干涉雷達（InSAR）日益成為准確、快速採集地形數據的重要技術。目前正在運行的星載InSAR系統有：ERS、ENVISAT、RADASAT。近年來該技術已被用於滑坡位移的監測和測量（Fruneau等，1996；Rott等，1999；Kimura和Yamaguchi，2000；Rizo和Tesauro，2000；Squarzoni等，2003）。目前使用DInSar技術進行植被覆蓋地區的斜坡位移探測還有許多限制（如大氣條件干擾）。業已證明，干涉雷達技術是生成DEM和監測緩速滑坡的一種好方法，但它對於滑坡編目填圖不是十分有效。

另一種用於高精度地形填圖的新技術是激光測距（LiDAR）。通常LiDAR的點測量可以提供DSMs，其中包含有關地球表面的所有物體（建築物、樹木等）的信息。Montgomery等（2000）、Dietrich等（2001）、Crosta和Agliardi（2002）將LiDAR技術應用於滑坡敏感性評估中。Norheim等（2002）在同一地區對LiDAR和InSAR技術進行了比較，結果表明，LiDAR生成的DEM精度遠比InSAR高，而且與航片成像技術相比，LiDAR更經濟些。陸地激光掃描技術已經研製出來並被用於滑坡體或岩石坡體的3維結構表徵（Rowlands等，2003）。一旦激光掃描技術更加便宜，就可獲取高精度、大面積覆蓋的DEM，這將為新滑坡的編目提供強有力的技術支持。

2.滑坡編目填圖的改進

如上所述，滑坡編目圖是滑坡風險評估的主要組成部分，特別是如果滑坡編目圖包含滑坡發生時間、滑坡類型和體積的信息以及當發生重大滑坡觸發事件後相關數據得到及時更新的話，滑坡編目圖就更加重要。盡管滑坡編目所需的地面數據採集具有重要作用，但大多數信息來自遙感信息。在過去10年中，利用衛星遙感數據識別小規模滑坡失穩並進行編圖的可能性已有了實質性的進展。現在多光譜、全色衛星數據的空間解析度已達1m，其應用前景廣闊（CEOS，2001）。

在無植被覆蓋地區，使用中等解析度系統（如LANSAT、 SPOT、IRS-1）的遙感影像，可以根據不同的光譜波段鑒別出滑坡體。

ASTER是目前最經濟的、可用於滑坡填圖的中等解析度衛星數據之一。ASTER』s14多光譜波段（VNIR、SWIR、熱IR三個波段）和立體影像功能使其成為區域尺度滑坡填圖前景廣闊的技術，特別是在缺少地質圖和地形圖的地區（Liu等，2004）。

在滑坡編目填圖中，還可利用高解析度的立體影像（如IKONOS或Quickbird）進行地貌解譯和滑坡填圖（De la Ville等，2002；Petley等，2002）。利用目前GIS和影像處理軟體（如ERDAS立體分析模塊或ILWIS）也可將平面衛星影像轉化為立體影像。這為提高滑坡編目填圖水平提供了技術支持。

3.模擬滑坡啟動機制研究的改進

在目前的研究中，滑坡危險性評估通常限制為經驗降雨臨界值方法或多邊量統計技術（Caine，1980；Corominas，2000；Fan等，2003）。這些方法忽視了降雨觸發滑坡的啟動機制，大大降低了滑坡危險性的預測和定量分析水平。在缺少滑坡歷史數據或沒有明顯的統計關系的地方，利用現有方法預測滑坡危險性是不可能的。 因人類活動、土地利用變化、森林砍伐或氣候變化的緣故導致滑坡邊界條件發生變化，滑坡的歷史數據就不再有關，也不再有用（Van Beek和Van Asch，1999；Van Beek，2002）。因此，建立降雨入滲、坡體地下水補給與坡體滑動之間的物理動力機制模型，特別是聯系著植被和位於滑坡體內較深的地下水儲存之間的過渡帶—包氣帶的作用以及優先流的作用必須加以考慮，以便能更好地預測因土地利用和氣候變化引起的失穩頻率的變化（Bogaard和VanAsch，2002）。

4.模擬滑坡活動范圍的改進

滑坡活動范圍模擬相當復雜，因為涉及坡體開始滑動的物源組成、行動路徑的地貌形態，以及在滑坡運動過程中所攜帶的物質（Savage和Hutter，1991; Rickenmann，2000；Iverson等，2004）。通常滑坡的沉積物特徵與初始滑動的物質不同。大多數情況下缺少關於滑坡速度或流動類型方面的信息，因而難以估計流變動態特徵，並應用物理模型對相應的物質流動進行模擬。

另一方面，模擬泥石流物源區的准確位置以及沉積扇物質的擴展。不同的滑坡活動模型與GIS結合，可以模擬出准3D的運動物質分布。然而，在地形條件復雜的地區，利用GIS中的不同演算法，會得出不同的活動范圍。可以利用隨機技術來克服這些技術問題。

5.滑坡危險性時間概率評估的改進

為得到真正的滑坡危險性圖，應在匯水流域尺度的敏感性圖件中加入時間維度，這必將是一個挑戰。使用確定性方法與概率統計技術或許可以提供一種解決方案。一種辦法是將不同類型滑坡的場地尺度的確定性水文動力學模型升級為適用於流域尺度的模型，用來評估滑坡發生的時間概率，也有可能評估滑坡發生的規模（體積、面積）和/或滑坡活動范圍。需要有確定不同氣候情景下滑坡和岩崩危險性和風險的時空模式的方法和模型。

6.滑坡易損性評估的改進

滑坡易損性評估是滑坡風險評估中遇到的主要難題之一。不像地震、洪水或風暴等災害，滑坡易損性定量評估所做的工作很少。地震、洪水或風暴等災害的損失估計決策支持系統建立非常完備，有較簡單的損失評估工具，也有多災種復雜的損失評估系統（如HAZUS）（FEMA，2004）。滑坡易損性評估遇到的問題是，滑坡有許多類型，應該分別進行評估。滑坡易損性方面的信息應來自滑坡發生的歷史資料，然後利用模擬方法和經驗方法進行易損性評估。

總之，有關滑坡風險評估的文獻研究表明，在過去10年中，開展了大量的滑坡風險評估研究，定量滑坡風險評估主要是針對場地尺度和線性構築物場所（如管道和道路）開展的。而定量滑坡風險區劃編圖，特別是中等尺度（1∶10,000～1∶50000）滑坡風險區劃圖的編制還有很長的路要走。這種中等尺度的滑坡風險區劃圖可用於土地開發規劃和災害應急響應（Michael-Leiba等，2003）。利用該類圖件，可以確定出不適宜開發的地區，也可以用來選擇相對風險高的地區，以進一步開展詳細調查定量確定風險，進行費用-效益分析，以確定未來開發方案。

鑒於上述區域滑坡風險評估的諸多困難，建議對中等尺度的滑坡風險評估進行定性或半定量評估，將滑坡風險劃分為「非常高」、「高」、「中等」、「低」、「非常低」不同的定性等級，這些等級的確定是根據專家知識和經驗以及利用統計模型和確定性模型得出的結果。不同風險等級還應包括其實際應用含義的描述性語言。建議對每種滑坡類型進行單獨的風險評估，因為每種滑坡類型的失穩效應彼此差異很大。編制的風險圖件應直接指示出在一定的環境背景條件下影響風險的 地貌證據，如滑坡運動距離、規模、滑坡深度、滑坡的回退運動。

地理信息系統（GIS）已成為滑坡危險性、易損性和風險評估必不可少的基本工具。在大尺度研究中，確定性模型最適合於確定斜坡的安全系數，動態模型適合於描繪滑坡的運動軌跡。當與概率方法相結合時（觸發事件的輸入數據的變化性和重現期），便可獲得滑坡失穩的概率。由於土壤深度是確定性滑坡危險性評估的重要參數，可以通過淺層地球物理方法獲取該參數，可採用的方法包括：地電方法、高解析度地震反射勘查、地面穿透雷達（GPR）、電磁法（EM）和激發極化（SP）測量。

在中等尺度上，最重要的輸入數據是基於事件的滑坡編目圖。該類圖應強調滑坡特徵（類型、體積）以及不同承災體的損失。將這些滑坡信息與要素圖（如坡度、岩性等）相結合，利用啟發式或統計方法，便可生成滑坡敏感性圖。將敏感性圖與滑坡頻率分析（與降雨和地震記錄有關的時間資料庫連接）相結合，也可獲得滑坡發生的時間概率。地球觀測數據應成為滑坡研究常規數據基礎，以定期進行新滑坡編目和資料庫的更新。在確定滑坡易損性和損失函數方面還有許多工作要做。需要研究突破的是，如何確定預期的滑坡規模或體積，最後，將滑坡風險分析與評估的各個組成部分綜合在一起，形成滑坡風險信息/管理系統，從而為地方政府進行滑坡風險管理和空間決策提供技術支持系統。

四、小結

實踐證明，地質災害風險評估是地質災害勘查、研究的一項重要的基礎內容，它對認識地質災害程度，制定減災規劃，部署防治工程，提高災害管理水平具有十分重要的意義。然而，盡管近年來國內外地質災害評估得到迅速發展，但由於這方面工作是一個新的領域，而且它所涉及的內容廣泛，不僅包括自然科學，而且包括社會科學，所以已有的研究遠沒有形成系統完善的科學體系，已有的應用水平也遠不能滿足社會經濟發展的減災需要。

由於減災事業發展的需要和社會對災害風險評估認識的提高，為了更加科學有效地防範地質災害，今後，地質災害風險評估必將得到進一步發展。主要趨向表現在下列方面：

（1）研究內容進一步擴展，將逐漸形成跨學科、跨領域的相互交叉的綜合研究體系。

（2）研究方法和手段進一步豐富、先進。除計算機技術得到更廣泛應用、發揮更大作用外，遙感技術、衛星定位技術等多種高科技手段也將為地質災害風險評估所利用。

（3）關注和參加的部門和專家進一步擴展。除政府減災管理部門、地質災害專業研究部門外，保險和防災治災的產業部門等也將在更大程度上關注或直接參與地質災害風險評估工作。

（4）國際交流合作將進一步發展，特別是在理論、方法、技術方面的交流合作將會有較大發展。

（5）理論研究將得到較大提高，逐步形成自身的理論體系。

（6）與減災規劃、防治工程及其他社會經濟的結合越來越緊密，實用性越來越強。