基于加權(quán)信息量與GIS的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

胡芹龍，王運(yùn)生

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059)

0 引 言

GIS技術(shù)已經(jīng)普遍運(yùn)用到滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的管理中，特別是區(qū)域滑坡空間分布規(guī)律與易發(fā)性評(píng)價(jià)中。將滑坡的影響因子儲(chǔ)存在GIS中，借助數(shù)學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)有效分析與管理。大批學(xué)者對(duì)三峽庫區(qū)滑坡易發(fā)性進(jìn)行研究[1-5]；石菊松等研究了清江隔河巖庫區(qū)滑坡分布規(guī)律[6]；許沖等對(duì)汶川地震滑坡空間分布規(guī)律進(jìn)行了研究[7-10]；在云南、西藏等地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，也有很多學(xué)者結(jié)合GIS和各類模型對(duì)災(zāi)害分布進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)[11-15]。目前，運(yùn)用較多的模型有層次分析法、信息量模型，邏輯回歸模型等，但部分模型存在一定不足，如層次分析法過分依賴于專家的主觀經(jīng)驗(yàn)；信息量模型則忽略了專家的豐富經(jīng)驗(yàn)；而加權(quán)信息量模型則避免了上述模型的缺點(diǎn)，吸納了兩者的優(yōu)點(diǎn)，將客觀的信息量與專家觀點(diǎn)同時(shí)納入評(píng)價(jià)體系。

本文選取丹巴縣城及其周邊區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于區(qū)內(nèi)滑坡形成條件和發(fā)育特征，運(yùn)用GIS與加權(quán)信息量模型，對(duì)滑坡易發(fā)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為當(dāng)?shù)販p災(zāi)防災(zāi)以及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分析評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)模型

1.1 研究區(qū)概況

丹巴縣位于四川甘孜州東部，在地貌上屬于我國三大階梯中第一、二階梯的過渡帶，為典型高山峽谷地貌，局部地形變化復(fù)雜，屬青藏高原型季風(fēng)氣候區(qū)，且具有明顯的垂直分帶性，年降雨量波動(dòng)較大，且隨海拔高程變化明顯。區(qū)內(nèi)包含大渡河等數(shù)條主要河流，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，典型災(zāi)害如丹巴縣城后建設(shè)街滑坡[16-17]。研究區(qū)地理位置見圖1。

1.2 評(píng)價(jià)方法

信息量法由晏同珍首次在國內(nèi)運(yùn)用到滑坡災(zāi)害的預(yù)測(cè)中[18]，用各影響因子的信息量值來預(yù)估滑坡產(chǎn)生難易程度，可用下式表達(dá)

(1)

式中，S為研究區(qū)單元數(shù)量之和；N為發(fā)育滑坡的單元數(shù)量之和；Si為影響因子Xi中包含的單元數(shù)量之和；Ni為評(píng)價(jià)因素Xi內(nèi)所對(duì)應(yīng)的滑坡單元總數(shù)。某一評(píng)價(jià)單元的信息量值可表示為

(2)

式中，Ii代表相應(yīng)評(píng)價(jià)因素的信息量；n為評(píng)價(jià)因子數(shù)量。該評(píng)價(jià)因素的信息量值代表該因素對(duì)滑坡易發(fā)程度貢獻(xiàn)大小，值越大代表該因素對(duì)滑坡發(fā)生越有利。

層次分析(AHP)法主要根據(jù)層次決策各個(gè)因子的權(quán)重占比，其優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)專家打分，使得專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌騾⑴c決策過程。評(píng)價(jià)具體步驟如下：

(1)構(gòu)造判斷矩陣。對(duì)于X1，X2，…，Xn個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，由專家組將各個(gè)指標(biāo)兩兩作對(duì)比得判斷矩陣X。

(2)確定權(quán)值。假設(shè)存在某相同階數(shù)的正向量A，使XA=λmaxA成立，λmax為X的最大特征值，A為λmax的特征向量。解矩陣方程X，其各分量解即為所對(duì)應(yīng)的X1，X2，…，Xn的權(quán)值。本文將AHP法與信息量模型結(jié)合，即得到評(píng)價(jià)因子的加權(quán)信息量模型，進(jìn)而運(yùn)用到滑坡的易發(fā)性程度評(píng)價(jià)之中。

2 基于GIS的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

2.1 因子選取

滑坡通常由自身地質(zhì)環(huán)境控制，外部動(dòng)力環(huán)境因素誘發(fā)。前者主要指地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等，后者主要指降雨、地震及人類工程活動(dòng)等。本文選取巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、坡度、地質(zhì)構(gòu)造、河流水系、變形跡象、人類工程活動(dòng)等7大類因子。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)工程地質(zhì)巖組。根據(jù)研究區(qū)巖組工程地質(zhì)特征，可分為5大巖體，即堅(jiān)硬類巖體、較堅(jiān)硬類巖體、較軟弱類巖體和軟弱類巖體以及松散類巖體。不同工程地質(zhì)巖組分布見圖2。

圖2 不同工程地質(zhì)巖組分布

(2)斜坡結(jié)構(gòu)。研究區(qū)滑坡多發(fā)育于松散土體、順向坡中，根據(jù)斜坡結(jié)構(gòu)特征，將斜坡按斜坡類型劃分為松散體坡、順向坡、斜交坡、橫向坡、逆向坡等5大類。斜坡結(jié)構(gòu)因子分級(jí)見圖3。

圖3 斜坡結(jié)構(gòu)因子分級(jí)

(3)地形坡度。坡度不同，地表水的徑流方式及應(yīng)力分布也不同，這對(duì)滑坡影響較大，將地形坡度分為[0，20)、[20，30)、[30，40)、[40，50)、[50，90)等5個(gè)區(qū)間。地形坡度因子分級(jí)見圖4。

圖4 地形坡度因子分級(jí)

(4)地質(zhì)構(gòu)造。研究區(qū)先后經(jīng)歷了多次造山運(yùn)動(dòng)與地殼抬升，在GIS中根據(jù)斷裂構(gòu)造帶的影響距離進(jìn)行分級(jí)，按0～100、100～200、200～300 m以及>300 m分級(jí)。地質(zhì)構(gòu)造因子分級(jí)見圖5。

圖5 地質(zhì)構(gòu)造因子分級(jí)

(5) 河流影響。河流侵蝕對(duì)兩岸滑坡起到了重要影響，按河流侵蝕切割影響距離，分0～100、100～200、200～300 m以及>300 m等4級(jí)。河流因子分級(jí)見圖6。

圖6 河流因子分級(jí)

(6)變形跡象。研究區(qū)發(fā)生某一滑坡后，常在其附近形成某些新的滑坡。為此，將已發(fā)生滑坡的變形跡象納入局部區(qū)域評(píng)價(jià)指標(biāo)，據(jù)斜坡變形發(fā)展?fàn)顩r將其劃分為強(qiáng)變形、中等變形、弱變形、無變形等4級(jí)。變形歷史因子分級(jí)見圖7。

圖7 變形歷史因子分級(jí)

(7) 人類工程活動(dòng)。區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)主要為公路修建，邊坡開挖誘發(fā)崩塌滑坡，按距離道路距離分0～10、10～20、20～40 m以及>40 m等4級(jí)。人類工程活動(dòng)因子分級(jí)見圖8。

表2 因子權(quán)重的配對(duì)比較矩陣

圖8 人類工程活動(dòng)因子分級(jí)

2.3 滑坡易發(fā)性分區(qū)

根據(jù)AHP法，專家對(duì)各個(gè)因子兩兩對(duì)比打分，得到判斷矩陣，再基于MATLAB對(duì)判斷矩陣進(jìn)行求解，經(jīng)歸一化處理即得各個(gè)因子權(quán)重。因子權(quán)重的配對(duì)比較矩陣見表2。

本次判斷矩陣解算得λmax=8.352、一致性指標(biāo)CI=0.05、 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.14、CR=CI/RI=0.04。由CR<0.1可知，該判斷矩陣具備滿意的一致性。結(jié)合加權(quán)信息量模型，運(yùn)用GIS空間分析功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃。滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)見圖9。從圖9可知：

圖9 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

(1)高危險(xiǎn)區(qū)。位于丹巴縣城、大渡河及其主要支流兩岸邊上的斜坡，面積0.582 km2，占研究區(qū)面積的0.27%。該分布段緩坡較多，溝口沖洪積扇適合人類居住，人口較多，城鎮(zhèn)建設(shè)活動(dòng)較多，地質(zhì)條件與人類工程活動(dòng)共同導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)育。

該區(qū)內(nèi)發(fā)育滑坡6處。其中，小型滑坡1處，中型滑坡2處，大型滑坡3處。

(2)中等危險(xiǎn)區(qū)。多分布在高程2 000～3 100 m的斜坡帶，面積12.16 km2，占研究區(qū)面積的5.74%。該區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)明顯減弱，主要是一些農(nóng)業(yè)耕植和零散的房屋建設(shè)，滑坡少有發(fā)生，一般不具危害性，區(qū)內(nèi)發(fā)育滑坡4個(gè)。

(3)低危險(xiǎn)區(qū)。分布于丹巴縣城5大水系周邊海拔高度3 000 m以上地區(qū)，包括丹巴縣各鄉(xiāng)部分地區(qū)，面積120.69 km2，占總面積的57%。該區(qū)內(nèi)滑坡很少發(fā)生，一般不具危害性。

(4)極低危險(xiǎn)區(qū)。分布于丹巴縣5大水系較遠(yuǎn)的海拔高度3 000 m以上地區(qū)，面積78.47 km2，占總面積37%。該區(qū)內(nèi)滑坡不發(fā)生，一般不具危害性。

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果精度

選用ROC曲線對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，ROC曲線是以假陽性率即1-特異度為橫坐標(biāo)，以真陽性率即靈敏度為縱坐標(biāo)繪制而成。1-特異度即未發(fā)生災(zāi)害單元被正確預(yù)測(cè)的比例，靈敏度即災(zāi)害單元被正確預(yù)測(cè)的比例。使用曲線下面積(AUC)來衡量評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)精度，AUC值越大說明模型應(yīng)用越成功、預(yù)測(cè)效果將越好[14]。在MATLAB中輸入加權(quán)信息量模型的預(yù)測(cè)值和診斷值，并繪制得到ROC曲線(見圖10)。從圖10可知，AUC值達(dá)83.6%，認(rèn)為該評(píng)價(jià)結(jié)果精度較高，效果良好，可用于該地區(qū)的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)。

圖10 滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)的ROC曲線

3 結(jié) 語

本文選取了巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、斜坡坡度、地質(zhì)構(gòu)造、河流水系、變形跡象、人類工程活動(dòng)等7大類因子，在GIS平臺(tái)中建立影響因子數(shù)據(jù)庫，對(duì)丹巴縣滑坡空間分布規(guī)律的分析，得出以下結(jié)論：

(2)將AHP法求解得到各指標(biāo)的因子權(quán)重結(jié)果與信息量模型進(jìn)行結(jié)合，得到了既有專家經(jīng)驗(yàn)，又遵循客觀數(shù)據(jù)的加權(quán)信息量模型，為滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

(3)基于GIS與加權(quán)信息量模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)研究區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃，高危險(xiǎn)區(qū)與中等危險(xiǎn)區(qū)分別占總面積的0.27%、5.74%，絕大部分地區(qū)(94%)為低或極低易發(fā)區(qū)。