基于GIS的地質災害危險性區劃方法的細節問題研究

黃瑋　仲佳鑫

【摘 要】地質災害危險性區劃依賴于多目標決策的模糊綜合評判（fuzzy comprehensive judgement），即通過設立地形地貌、地層巖性、地質構造、人類工程活動和地質災害發育程度等評價因子建立決策評價集（decision evaluation set）和因子權重集（factor weight set），再根據評價矩陣計算地質災害活動程度。但是，在建立評價矩陣時，由于決策者很難掌握客觀的標準，加之各評價因子自身存在的問題，導致最終處理結果往往與實際情況存在較大偏差。

【關鍵詞】GIS；地質災害危險性區劃；歸一化；柵格分析

本文就多年來寧夏地質環境調查成果、第二次全國土地調查工作成果及寧夏地質災害綜合研究項目，結合實際工作情況，從數據、流程、技術限制等方面闡述了該方法的關鍵性細節問題。

隨著地理信息技術的迅速發展，地理信息系統（GIS）被廣泛應用于評價和預測地質災害，尤其是崩塌、滑坡、泥石流災害的活動頻度。地質災害危險性區劃依賴于多目標決策的模糊綜合評判，即通過設立地形地貌、地層巖性、地質構造、人類工程活動和地質災害發育程度等評價因子建立決策評價集和因子權重集，再根據評價矩陣計算地質災害活動程度。作為一種能將主觀思想利用數學形式表現的科學手段，層次分析下的模糊綜合評判避免了傳統的主觀決策中由于調查對象的專業背景和實踐經驗的不同得出大相徑庭的結果，使整體更加系統化。但是，此方法在歸一化區間、閾值限定等方面仍存在一定主觀偏差性，數據質量要求較高，不滿足個別條件將使最終處理結果與實際情況存在較大偏差。經試驗及研究，認為關鍵性問題如下：

1 評價因子的準確性

1.1 柵格精確度

模糊綜合評判依賴于層次分析法，即構建多目標柵格圖層。決定柵格運算質量的是單位面積的精確度，即最小像元（pixel）分辨率。精確度不足將對后續計算、系統分析能力和最終結果產生直接影響。以DEM為例，1：5萬比例尺DEM空間分辨率為25m，而小型滑坡體平面面積一般不大于25×25㎡，即1柵格，因此在柵格的疊加運算中很難直接識別其災害發生點，僅能根據周邊災害發育條件加以推斷。而例如降雨、地震動參數區劃、巖土體類型等柵格圖層一般由小比例尺矢量線段轉換而來，單值范圍大，精度差，在疊加運算中勢必會在某區域造成巨大的系統誤差（圖1）。

1.2 收集數據的時效性。

考慮到實際條件及收集難度，各因子數據一般以已有成果的形式收集，其時效性是否適應最近情況則需要技術人員慎重考量。以寧夏某山為例，該區DEM數據約5年前測量獲得，提取坡度區間在49°—73°不等，該山經過大規模露天開采，地形地貌已發生較大變化，現部分山體坡度僅5°—25°不等。原有匯水面的消失、匯流積量的變化將對河網（山脊線）及分析單元劃分產生直接影響（圖2），而采礦產生的渣堆及采坑又成為新致災鏈的重要一環。

數據時效性的降低需盡早補正，否則影響后續所有計算過程。就層次分析的角度而言，該例修正誤差的手段可補測DEM，或重新計算該區人類活動因子的隸屬度。然而前者人力消耗大，制圖周期長；后者則因為采礦工程的復雜影響而難以評價權重，需要收集大量數據進行計算。此兩類方法從生產和技術角度的都難以在短期內實現。

2 技術方法

2.1 歸一化（normalization）處理

評價因子各區間段對災害的敏感性不同，為便于計算分析，技術人員常根據已有災害的因子數 據為依據進行的統計分析并做出模糊處理，而此類方法帶來的弊端性也很明顯。以寧夏某縣地質災害因子歸一化為例，將坡度、坡高、坡型作為基于DEM提取的三項因子，分別設以坡度10-35°，坡高0-80m，及曲率0-1進行線性歸一化。此結果雖限定了災害發育對應的有效變化范圍，卻無法在線性歸一化過程中考慮實際災害發育的密度區間將有效值合理分配。如在坡度10-35°的區間內，25°與30°坡度上發育的地質災害卻并非0.6與0.8的大小關系（見表1）。同理，坡高約25m的崩塌在寧夏境內極為常見，卻僅得到0.3125的模糊邏輯值。線性歸一化在多項因子的累積作用下，勢必導致原始數據的客觀性丟失。

2.2 重采樣

重采樣是評價因子整理的基礎，容易被絕大多數GIS工作者忽略的一點是，在不同柵格層的重采樣處理中，為保持離散數據為整型，一般多采用nearest（最鄰近法）進行處理，將輸入柵格上最近的單元中心位置的值分配給輸出柵格上的單元。此方法將在相關性重疊（cohesion overlay）的處理上帶來較大誤差（圖3），在河網劃分、災害單元劃分等過程中體現的尤為明顯。

3 主觀因子與其它因子之間的矛盾性

不同的評價因子，尤其是主觀性較強的評價因子將與其他因子存在矛盾性。以地質災害發育程度為例，該因子多以“地質災害發育點、面密度”的形式表示，數據以一定比例尺下地質災害調查成果作為參考。根據地質災害核查成果的分布顯示，實際調查工作中受地形、障礙物等條件的影響很大，如原始森林及山區（圖4左）。如此將導致現象點分布不均，無法做為系統參考。此外，由于不同調查人員的認識差異，對災害點的定義和描述也有較大偏差，部分地區小型溝岸崩塌點定義過密也將對系統運算產生一定的誤導性（圖4右）。

4 結語

本文從實際工作的角度出發，闡述了在利用GIS平臺進行地質災害危險性區劃中的幾個關鍵技術問題。在此類處理中，最好嚴格把握數據質量，仔細處理各個因子，并堅持科學、合理的統計方法。處理過程中應注意方法，選擇正確的歸一化形式，綜合考量各類因子，才能得出較客觀的結果。相較此類方法，傳統的決策分析法往往能在成因復雜的區域得到比數學方法更加接近災害情況的結果，在實際工作中應予結合應用。

【參考文獻】

[1]Wei， H，Chengbin，D & Michael，D，‘Differentiating tower karst（fenglin） and cockpit karst（fengcong）using DEM contour， slope， and centroid， Environmental Earth Sciences， 2014， Vol.72（2）： 407-416， Australia[Z].

[2]Guri， P， Champati， P & Patal， R et al 2015，‘Spatial prediction of landslide susceptibility in parts of Garhwal Himalaya， using the weight of evidence modelling， Environmental monitoring and assessment， Vol.187（6）： 324， India[Z].

[3]Ningtao， W， Tingting， S & Ke， P et al 2015，‘Assessment of geohazard susceptibility based on RS and GIS analysis in Jianshi County of the Three Gorges Reservoir， Arabian Journal of Geosciences， 2015， Vol.8（1）： 67-86， China[Z].

[4]張黎，倪萬魁，張欽，等.寧夏彭陽縣地質災害[M].寧夏人民出版社，2010.

[責任編輯：楊玉潔]