基于證據(jù)權(quán)模型的滑坡影響因子研究

程乙峰，劉志輝

（1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆測繪檔案資料館（新疆基礎(chǔ)地理信息中心），新疆 烏魯木齊 830002）

基于證據(jù)權(quán)模型的滑坡影響因子研究

程乙峰1，2，3，劉志輝1，2

（1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆測繪檔案資料館（新疆基礎(chǔ)地理信息中心），新疆 烏魯木齊 830002）

以新疆新源縣為研究區(qū)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動理論，采用證據(jù)權(quán)模型定量分析滑坡影響因子對滑坡穩(wěn)定性影響關(guān)系。結(jié)果表明，高程、坡度、地層巖性、地質(zhì)斷層、水系為研究區(qū)主要滑坡影響因子，坡向、道路、植被覆蓋對研究區(qū)滑坡災(zāi)害影響不明顯。該結(jié)論對研究區(qū)滑坡危險性區(qū)劃及滑坡監(jiān)測臨滑預(yù)報具參考意義。

3S技術(shù)；證件權(quán)模型；滑坡影響因子

滑坡作為發(fā)生頻率最頻繁的地質(zhì)災(zāi)害，長期受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，Varnes和唐川提出的原理和技術(shù)框架被廣泛接受和遵循[1-16]。因子疊加法原理、灰色系統(tǒng)評價法、模糊數(shù)學評價法、多因子綜合評價等知識驅(qū)動型研究方法[17-18]，要求研究人員具豐富的專業(yè)經(jīng)驗，主觀性和不確定性較強。證據(jù)權(quán)等數(shù)據(jù)驅(qū)動型方法是利用滑坡災(zāi)害歷史分布數(shù)據(jù)，定量分析各環(huán)境影響因子對滑坡災(zāi)害的權(quán)重大小，其結(jié)果更真實準確。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

新源縣位于中國西部，東經(jīng)82°28′～84°56′，北緯43°03′～43°40′，面積7 589 km2，海拔747~4 229 m，屬典型大陸性半干旱氣候，年平均氣溫6.1℃～9.3℃，年降水量270~880 mm。主要山脈有東北方向的安迪爾山，南邊的那拉提山，北面的阿布熱勒山。土壤分布垂直帶譜明顯，灰鈣土、黑鈣土、粟鈣土面積較大。境內(nèi)主要河流有鞏乃斯河、恰甫河、大吉爾尕郎河和特克斯河。

1.2 遙感解譯

正射影像圖（DOM）數(shù)據(jù)采用0.5 m分辨率2012年WorldView-2、Quickbird影像。數(shù)字高程模型（DEM）、TM數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)下載于中國科學院數(shù)據(jù)云，為30 m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)和2011年TM遙感影像。采用幾何精校正、鑲嵌與裁切、大氣校正、圖像增強等預(yù)處理建立三維模型。

1.3 空間分布特征分析

使用ArcGIS10.0軟件從DEM數(shù)據(jù)中提取高程、坡度、坡向數(shù)據(jù)；在1∶100 000地形圖數(shù)據(jù)中提取道路、水系數(shù)據(jù)；從TM影像中提取歸一化植被指數(shù)（NDVI），完成地質(zhì)斷層、地層巖性分布圖的處理。

1.4 滑坡環(huán)境影響因子評價模型構(gòu)建

證據(jù)權(quán)重法是基于研究區(qū)最小單元數(shù)量、二元證據(jù)圖和滑坡災(zāi)害事件前、后概率的分析。每種環(huán)境影響因子都被視為滑坡危險度分區(qū)的一個證據(jù)因子，每個證據(jù)因子對滑坡危險度分區(qū)的貢獻由這個因子的權(quán)重值確定。計算時每個滑坡災(zāi)害區(qū)假設(shè)占據(jù)一小面積或個體單元。計算公式如下：

P表示一個事件概率，前概率P{D}表示證據(jù)缺失條件下一個事件發(fā)生的概率。B表示因子存在區(qū)的單元數(shù)，B的補集表示因子不存在區(qū)的單元數(shù)。影響滑坡災(zāi)害發(fā)生的每個證據(jù)圖層的權(quán)重與前概率對數(shù)相加得到后概率對數(shù)（公式3）。W+、W-分別表示證據(jù)因子存在區(qū)權(quán)重及證據(jù)因子不存在區(qū)的權(quán)重。相關(guān)系數(shù)C是證據(jù)因子和訓練點間相關(guān)性指標。學生化反差C（StudentizedC）表示相關(guān)系數(shù)C的確定性。σ是C的標準偏差，當StudentizedC大于1.5時，表示C值意義重大[19-20]。

劃分單元格為30 m×30 m，經(jīng)重分類，轉(zhuǎn)換連續(xù)8位無符號整型GRID格式，使用ArcGIS SDM（空間數(shù)據(jù)建模工具）中Spatial Data Modeller Tools進行滑坡環(huán)境影響因子權(quán)重分析。

2 結(jié)果分析

2.1 滑坡空間分布

經(jīng)目視解譯及使用手持GPS儀器進行野外核實，研究區(qū)共計514個滑坡災(zāi)害點。

高程 800～3 500 m分布最多。1 100～2 600 m占總滑坡數(shù)的96.69%。800～1 100 m、2 600～2 900 m及3 200～3 500 m內(nèi)有個別滑坡點。

坡度 0°～40°分布最多，占總滑坡數(shù)的97.86%。

坡向 337.5°～22.5°有72個，22.5°～67.5°有66個，67.5°～112.5°有64個，112.5°～157.5°有58個，202.5°～247.5°有55個，247.5°～292.5°有75個，292.5°～337.5°有53個。

地層巖性 在石英巖、玄武安山巖、砂巖堅硬的層狀碎屑巖組和沖洪積、礫石、砂、亞砂土黃土及花崗巖堅硬的結(jié)晶巖組中，滑坡點占總數(shù)的97.67%。砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖夾礫巖堅硬與軟弱相間的碎屑巖組、粉土質(zhì)亞砂土單層結(jié)構(gòu)的礫質(zhì)土體及沖洪積、礫石、砂、亞砂土多層結(jié)構(gòu)的礫質(zhì)土體分布較少，共占9.14%。

地質(zhì)斷層 5 000 m內(nèi)有487個。500 m有131個，500～2 500 m有267個，2 500～4 000 m共70個，4 000～5 000 m共19個。

水系 5 000 m內(nèi)共468個。1 000 m內(nèi)194個，1 000～2 000 m129個，2 000～3 000 m86個，3 000～4 000 m59個。

道路 100 m內(nèi)有15個，100～200 m19個，200～300 m14個，300～400 m16個，400～500 m12個，500～1 000 m63個，1 500～2 000 m71個，2 000 m內(nèi)共210個。道路數(shù)據(jù)對研究區(qū)滑坡災(zāi)害影響不占主導(dǎo)作用。

植被覆蓋 選用NDVI（歸一化植被指數(shù)）作為研究區(qū)植被覆蓋分析指數(shù)，研究區(qū)NDVI值在-1~0.5有滑坡點68個，0.5～0.6有99個，0.6～0.7有169個，0.7～0.8有176個，0.8~1沒有滑坡發(fā)生。研究區(qū)滑坡災(zāi)害分布隨NDVI值升高而增加。

2.2 滑坡影響評價模型建立及評價

2.2.1 滑坡影響因子權(quán)重計算

高程 第一類：0～800 m、2 900～3 200 m、3 500～4 229 m Studentized C均為0；第二類：800～1 100 m、2 000～2 900 m、3 200～3 500 m Studentized C小于0；第三類：Studentized C在1 700～2 000 m為4.642 4、1 100～1 400 m為6.758 2、1 400～1 700 m為21.992 1。

坡度 第一類：0°～10°、10°～15°、45°～90° Studentized C為負值；第二類：30°～35°Studen?tized C為1.00 82；第三類：Studentized C值15°～20°為3.394 9、20°～25°為4.472 9、25°～30°為4.012 7、35°～40°為2.799 9、40°～45°為2.396。

坡向 第一類：202.5°~247.5°、247.5°~292.5°、292.5°~337.5°、337.5°~360°Studentized C為負值；第二類：Studentized C值22.5°～67.5°為0.348 4、67.5°~112.5°為0.231、112.5°~157.5°為0.525 4；第三類：Studentized C值0°～22.5°為1.340 1，157.5°~ 202.5°為1.215 3。

地層巖性 Studentized C在石英巖、玄武安山巖、砂巖堅硬的層狀碎屑巖組為3.725 1，沖洪積、礫石、砂、亞砂土黃土為1.565 4，花崗巖堅硬的結(jié)晶巖組為1.921 6，砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖夾礫巖堅硬-軟弱相間的碎屑巖組為6.143 3。粉土質(zhì)亞砂土單層結(jié)構(gòu)的礫質(zhì)土體為-0.825 8，沖洪積、礫石、砂、亞砂土多層結(jié)構(gòu)的礫質(zhì)土體為-7.046。

地質(zhì)斷層 第一類：500 m內(nèi)Studentized C為4.522 5；第二類：500～1 000 m Studentized C為1.428 7；第三類：Studentized C 1 000～1 500 m為0.200 1、1 500～2 000 m為0.990 8、2 000～2 500 m為0.943 5；第四類：Studentized C值2 500～3 000 m為-1.312 1、3 000～4 000 m為-2.858 2、4 000～5 000 m為-4.807 2。

水系 第一類：Studentized C在水系200 m內(nèi)為0.873 5、800～1 000 m為0.9271、2 000～3 000 m為0.484、3 000～4 000 m為0.794；第二類：Studen?tized C 200～400 m為-1.067 2、400～600 m為-0.309 6、600～800 m為-0.002 1、1 000～1 500 m為-0.747 1、1 500～2 000 m為-0.816 6。

2.2.2 重分類

以Studentized C大于1.5表示較高顯著性水平為分類標準，將各滑坡影響因子重新分類，計算權(quán)重值見表1~6，滑坡影響因子權(quán)重分類見圖1。

表1 重新分類高程與滑坡訓練點權(quán)值計算結(jié)果Table 1 The weight calculation result of reclass Height and landslide

表2 重新分類坡度與滑坡訓練點權(quán)值計算結(jié)果Table 2 The weight calculation result of reclass Slope and landslide

表3 重新分類坡向與滑坡訓練點權(quán)值計算結(jié)果Table 3 The weight calculation result of reclass Aspect and landslide

表4 重新分類地層巖性與滑坡訓練點權(quán)值計算結(jié)果Table 4 The weight calculation result of reclass Lithology and landslide

表5 分類地質(zhì)斷層與滑坡訓練點權(quán)值計算結(jié)果Table 5 The weight calculation result of reclass geological faults and landslide

表6 分類水系與滑坡訓練點權(quán)值計算結(jié)果Table 6 The weight calculation result of reclass river and landslide

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）研究區(qū)滑坡環(huán)境影響因子主要為高程、坡度、地層巖性、地質(zhì)斷層、水系。高程1 100～2 600 m、坡度小于40°地層巖性為石英巖、玄武安山巖、砂巖堅硬的層狀碎屑巖組、沖洪積、礫石、砂、亞砂土黃土及花崗巖堅硬的結(jié)晶巖組，距地質(zhì)斷層和水系5 000 m內(nèi)范圍，滑坡災(zāi)害發(fā)育最突出。坡向、道路等對研究區(qū)滑坡災(zāi)害影響不占主導(dǎo)作用。

圖1 證據(jù)權(quán)重法滑坡與環(huán)境影響因子重分類分布圖Fig.1 The distribution of landslide hazard and environment impact factors in weight of evidencea——高程；b——坡度；c——坡向；d——地層巖性；e——地質(zhì)斷層；f——水系

（2）高程1 100～2 000 m，坡度15°~30°、35°~ 45°，坡向0°~22.5°、157.5°~202.5°，地層巖性為石英巖、玄武安山巖、砂巖堅硬的層狀碎屑巖組，沖洪積、礫石、砂、亞砂土黃土，花崗巖堅硬的結(jié)晶巖組，砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖夾礫巖堅硬-軟弱相間的碎屑巖組，地質(zhì)斷層緩沖距離小于500 m內(nèi)，水系緩沖距離200 m以內(nèi)、800~1 000 m、2 000~4 000 m，Studen?tized C均大于1.5，具很高的顯著性水平。道路數(shù)據(jù)對研究區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害影響不占主導(dǎo)作用。植被覆蓋對研究區(qū)滑坡災(zāi)害影響區(qū)分不明顯。

3.2 討論

（1）研究區(qū)滑坡災(zāi)害分布隨NDVI值升高而增加。據(jù)國內(nèi)學者研究可知，根系對存在的土體力學加固效顯著，此效應(yīng)一般存在地表下1.5 m深度范圍[21]。從根系力學加固效應(yīng)來看，植被對遏制面狀水土流失及部分淺層滑坡是有效的，但在分布普遍、危害性大、滑面埋深大于4.5 m的深層滑坡防治方面，其功效十分有限[22-23]。植被極大地優(yōu)化了地下水的補給環(huán)境，提高了地下水的徑流模量。地下水是斜坡蠕變、滑坡孕育及失穩(wěn)的最主要誘發(fā)因素，對滑坡失穩(wěn)起促進作用。研究區(qū)地質(zhì)多為二元結(jié)構(gòu)，上部是松散的土體，下部是堅硬的巖石，該結(jié)構(gòu)在強降雨浸泡下，極易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

（2）由于缺乏相關(guān)資料，研究區(qū)環(huán)境影響因子中，未考慮降雨量、礦產(chǎn)開發(fā)等環(huán)境影響因子。今后進一步研究中應(yīng)添加這些因子以提高準確率。

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A Research Based on Weight of Evidence Model Landslide Impact Factor

Cheng Yifeng1,2,3,Liu Zhihui1,2
（1.College of Resources and Environment,Xinjiang University,Urumqi,Xinjiang,830046,China;2.Key Laboratory of Oasis Ecology of Ministry of Education,Urumqi,Xinjiang,830046,China;3.Xinjiang mapping archives museum,Xinjiang basic geographic information center,Urumqi,Xinjiang,830002,China）

In this study,Xinyuan County,Xinjiang as the study area,based on data-driven theory,quantitative evidence of the right model to analyze the landslide study area each factor on landslide stability of the relationship,formed a preliminary research results.The results showed that:elevation,slope,lithology,geological faults,landslides River study area is mainly affecting factors,slope,roads,vegetation cover in the study area landslide hazard is not obvious.The findings of the study area landslide hazard zonation and monitoring landslide forecast just before sliding a reference value and significance.

3S technology;The weights of evidence model;Landslide impact factor

1000-8845(2016)02-275-05

P628

A

2016-04-09;

2016-04-28;作者E-mail：83896995@qq.com

程乙峰（1985-），男，陜西留壩人，工程師，新疆大學地理學專業(yè)在讀博士，研究方向為遙感與3S技術(shù)應(yīng)用

劉志輝，男，新疆大學博士生導(dǎo)師，E-mail:lzh@xju.edu.cn.