基于AHP模型的地質災害易發性分析

何 超， 曾 森， 劉漢湖

(1.成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術重點實驗室，成都 610059；2.四川省國土資源廳信息中心，成都 610072)

0 引言

社會建設有序進行的同時，地質災害日益嚴重，易發性分析成為當今研究的熱點。易發性分析是地質災害災情評估的重要組成部分，在獲取災害易發情況的基礎上，對研究區地質災害的易發程度進行劃分，充分了解其空間分布規律，可為當地政府提供防災減災依據。目前已有多種方法可實現地質災害易發性分析，神經網絡模型、模糊綜合評價法、空間信息量模型、層次分析法及基于空間數據庫的空間分析方法等均廣泛應用于各項災害評估[1-4]。

參考國內、外相關研究，空間信息量模型和AHP模型在災害易發性分析中應用相對成熟，杜軍等[5]基于信息量模型對汶川次生地質災害進行了危險性評價；杜春蘭等[6]采用層次分析法和空間信息量模型兩種方法進行渝北區地質災害危險度研究，并對其結果進行了對比分析；任玉輝等[7]研究了層次分析法在校園火災危險性分析中的應用。

綜合上述，考慮到研究區地質災害影響因素復雜繁多的特點，筆者在評價指標的可獲取范圍內,盡可能全面地展開了基于AHP模型的萬源市地質災害易發性分析，并在查明萬源市地質災害發育空間分布特征的基礎上，提出合理的地質災害防治建議，以確保當地居民人身財產安全，進一步維持社會經濟穩定。

1 研究區概況

萬源市位于四川東北邊緣，幅員面積4 065 km2(圖1)。地理范圍介于30°39′N ～32°20′N，107°28′E～108°31′E之間，位于大巴山腹心地帶，總體地勢東西向高低相間，為低中山、丘陵地貌，是中國南北氣候的分界線和嘉陵江、漢江的分水嶺。地處川、陜、渝三省、市共7個縣市交匯處，國道G210、G65線及省道S302縱橫貫穿全市，是進出川的主要通道和重要門戶。西南地區人類工程活動最為密集，其次為中部地區以及東北地區，區內多為軟巖組、較軟巖組，使得萬源市多有地質災害現象發生。

圖1 萬源市區域概況圖Fig.1 The regional overview of Wanyuan city

2 研究方法

2.1 數據源及指標選取

本次研究的數據包括：國家基礎地理信息中心提供的1∶50 000地形圖和1∶200 000地質圖、高分辨率對地觀測系統四川數據與應用中心提供的高分一號衛星遙感影像(空間分辨率為2 m)、中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站提供的ETM影像(空間分辨率為15 m)及2016年野外調查結合遙感解譯所得259處滑坡、崩塌、泥石流地質災害點。

遵循指標選取的科學性，結合研究區實際地理情況及地質災害易發性影響因子，筆者選取斷層、巖土類型和地貌特征作為研究的地質條件，高程、地形起伏、坡度、坡向和曲率作為地形因子，道路作為人類工程活動影響因子以及水系作為河流侵蝕影響因子。其中地質條件相關因子的獲取參考了1∶200 000 地質圖，根據ETM影像室內解譯及野外驗證共同確定；利用1∶50 000地形圖生成DEM[8]，進而衍生出地形起伏、坡度等地形因子；道路及水系通過高分一號高分辨率遙感影像目視解譯獲得。

2.2 AHP模型確定權重

作為一種相對精準快捷的權重確定方法，層次分析法旨在利用較少的定量信息將思維過程數學化，定向分解各項研究指標至不同目標層次，將復雜問題系統化，為目標因子影響程度的劃分提供便捷的決策方法。

鄧雪等[9]著重研究了層次分析法確定權重的四種計算方法，包括幾何平均法、算術平均法、特征向量法和最小二乘法。最終得出采用最小二乘法得出的結果偏差較大，其他三種方法效果較好。其中幾何平均法即數學中的方根法，其原理是對構造矩陣逐行求幾何平均值，再將所得向量歸一化的過程；算術平均法也叫求和法，是先對構造矩陣按列歸一化，然后相加求平均值；特征向量法是在上述方法的基礎上，對所得權重向量與構造矩陣的乘積進行歸一化處理；最小二乘法則是用擬合方法確定權重向量，使殘差平方和為最小。綜合考慮以上研究成果，我們采用層次分析法中的幾何平均法。

2.2.1 構造判斷矩陣

表1 指標相對重要性判斷規則

根據上述規則定義各指標之間相對重要性，構造如下判斷矩陣A：

2.2.2 計算指標權重

計算判斷矩陣各行幾何平均值：

(1)

(2)

2.2.3 檢驗判斷矩陣一致性

構造判斷矩陣過程中，由于對各項指標進行重要性對比時難以做到完全一致的度量，且主觀因素較強，判斷結果通常存在一定誤差，為提高權重確定可靠性，須對判斷矩陣進行一致性檢查[10]。

計算判斷矩陣最大特征值：

(3)

式中：λmax為判斷矩陣A的最大特征值；AW為判斷矩陣與各項指標權重的乘積。根據判斷矩陣RI值及一致性指標進行判斷矩陣一致性檢驗：

(4)

式中:CR為隨機一致性比率，CR<0.1時，則認為判斷矩陣具有一致性，表示其判斷結果誤差在可控制范圍內，由其所得權重符合研究標準，否則需要重新構造判斷矩陣；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，對于不同數量的指標有不同取值，9階以內判斷矩陣RI值如表2所示。

表2 不同階數判斷矩陣RI值

2.3 綜合評價

通過上述模型即可得到各項指標權重(表3)，為降低各項指標量綱差異的影響，我們在現有研究成果的基礎上，結合研究區實際地理特征，對地質條件、地形因子相關指標及水系道路影響范圍進行了分級賦值實現數據的標準化[11-13]，其值越大，則表明對地質災害影響越大。

表3 指標權重計算結果

在ArcGIS分析功能的支持下，利用各分層指標對研究區地質災害進行綜合分析，綜合評價模型如下：

Z=W1V1+W2V2+W3V3+…+WnVn

(5)

式中，Z為研究區地質災害易發程度綜合指數，數值越大則易發性越高；Wn為第n項指標權重；Vn為第n項研究指標標準化取值。

3 結果分析

3.1 易發區分類定級

通過上述綜合評價模型對研究區各指標圖層進行加權疊加分析,可得到區內地質災害易發區分布結果(圖2)，對其進行等級劃分，以凸顯易發性分布規律，從而有針對性的進行深入研究，制定科學防治計劃。當前最具代表性的數據分類定級方法主要為經驗判定法及自然間斷點分級法，前者主要參考已有研究成果，受人為主觀影響較大。我們采用自然間斷點分級法實現研究區的易發性分級，該方法是在對具有相似像元值的柵格像元進行整合及分類的基礎上，最大化的凸顯各類別差異，是地質災害評價類研究最常用的分級方法[3-4,14-15]。

圖2 綜合分析結構圖Fig.2 The structure of comprehensive analysis

圖3 萬源市地質災害點與易發區關系圖Fig.3 The relationship between the susceptible area and geological disaster point of Wanyuan

3.2 驗證分析

為確保分析結果的合理性和可靠性，筆者對萬源市2016年地質災害點與災害易發區分級結果進行疊加分析，得到地質災害點與易發區關系圖(圖3)。從表4可以看出，隨著易發程度增加，研究區內災害點密度呈現出增長趨勢，其中低易發區內無災害點發育，密度最小，表示該區域極少有地質災害現象發生；較低易發區所占面積較大，但其災害點數量

表4 萬源市地質災害點與易發區關系表

僅占總量的7%，平均密度為0.018 6個/km2，可見該區域內地質災害發生概率較小；中易發區內災害點數量明顯增多，區域面積有少量變化，對應災害點密度為0.049 8個/km2；災害密度最大的區域為高易發區，平均0.168 7個/km2，其災害點數量占總量的23%，區域面積僅占總面積的8.76%，是萬源市地質災害高發區；其次是較高易發區，災害點密度為0.122 0個/km2，其易發程度僅次于高易發區。

綜上所述，綜合評價后的易發區分布規律符合萬源市2016年地質災害點的分布規律，AHP模型支持下的地質災害易發性分析可較準確地預測出研究區地質災害高發區，可為萬源市地質災害的深入研究以及具體防治規劃的制定提供有力條件。

3.3 評價分析

萬源市地質災害整體易發程度較高，約60%的區域處于中易發區以上，主要集中于西部及中部地區，呈現出自東向西依次遞增的趨勢。

1)低易發區及較低易發區主要位于研究區東北部及中部部分地區。該區域地質災害發生概率較小，地形地質條件相對穩定，雖然海拔高，坡度大，地貌以低中山為主，北東-北西向斷層較密集，但其巖土類型主要為以灰巖、白云巖、砂巖、鹽溶角礫巖為主的較硬巖組及由玄武巖、硅質巖夾灰巖、頁巖組成的硬巖組，水文稀疏，人類工程活動也相對較少。在受到地形條件及斷層構造限制的同時，也在巖土類型和人類活動等有利條件下減小了地面下滑變形導致的滑坡、裂縫塌陷以及道路邊坡開挖導致的崩塌。

2)中易發區分散于整個研究區域，超過總面積的三分之一，其中東北部及中部地區分布最為稀疏。該區域具有海拔低，地形起伏較小，坡度較小的地形特點，低山地貌，巖土類型以較硬巖組及由淺紫色塊狀長石砂巖、灰綠色砂、礫巖、泥灰巖夾灰巖組成的較軟巖組為主，人類干擾相對增加。地形的優勢作用及巖土類型與人類工程活動等的共同影響，使該區域的地質災害現象維持在一個相對平衡的狀態。

3)較高易發區及高易發區，主要呈大斑塊狀分布于研究區西南部以及西北向條帶狀平行分布于中部地區，低山、丘陵地貌。較高的坡度和曲率以及密集的北東-北西向斷層為該地區地質災害的發育提供了有利條件；從巖土類型來看，較軟巖組及由鮮紅色泥巖夾粉砂巖組成的軟巖組決定了該區域巖體疏松的特點；此處水文密集，河流侵蝕嚴重，加之人類工程活動較多，道路修建、邊坡開挖、農業耕種均加大了地質災害的形成幾率，使其成為災害防治的重點區域。

4 結論與建議

考慮到對分析結果的準確性需求，針對萬源市實際地形地貌及地質特點，選取了地形、地質、人類工程活動及河流侵蝕相關的10個指標，采用目前使用相對成熟的AHP模型對萬源市進行了地質災害易發性分析，并通過自然間斷點法對易發區進行了分級，結果如下：

1)為驗證萬源市地質災害易發區劃分的可靠性，在GIS分析功能的支持下，對研究區2016年地質災害點與地質災害易發區進行了疊加分析。結果表明，采用AHP模型與自然間斷點法，對萬源市進行地質災害易發性分析及分級能較準確地預測出研究區地質災害易發性。

2)從整體來看，萬源市地質災害易發程度較高，大部分區域處于中易發區以上，在地質災害發育概率上呈現出自東向西依次遞增的趨勢。低易發區及較低易發區主要位于研究區東北部及中部部分地區，該區域地質災害發生概率較小，地形地質條件相對穩定；中易發區分散于整個研究區域，超過總面積的三分之一，該區域的地質災害現象維持在一個相對平衡的狀態；較高易發區及高易發區主要呈大斑塊狀分布于研究區西南部以及西北向條帶狀平行分布于中部地區，該區域地質災害發育概率高，地形地質條件不穩定，人為干擾力度大，是災害防治的重點區域。

3)為確保萬源市居民人身財產安全，對于地質災害高發區，建議加強生態環境保護，盡量避免不合理的人類工程活動，從根本上降低地質災害的發生頻率；并依據研究區各現有地質災害體的不同特點采取不同的防治措施，并制訂相應的防災規劃，以最大限度減輕或避免地質災害造成的損失和危害；詳細勘察區內危害程度較大的地質災害體，了解其基本特征，為進一步開展地質災害工程治理提供科學依據。

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