GIS技術(shù)在滑坡災害空間分異特征研究中的應用

(西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院 陜西 西安 710054)

吳起縣是陜西省的石油大縣，石油的采掘及相關(guān)工程建設日益頻繁，大量的人類工程活動導致滑坡災害頻繁。而滑坡災害制約著地區(qū)的發(fā)展，影響投資環(huán)境。本文以“陜西省延安市吳起縣地質(zhì)災害詳細調(diào)查”項目為依托，對研究區(qū)內(nèi)滑坡災害分布進行了實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)滑坡災害的分布具有一定的不均衡性和群集性，滑坡高發(fā)區(qū)域往往是人類工程活動頻繁的地段。文章以吳起縣1980-2010年發(fā)生的119起滑坡災害的空間分異特征進行分析研究[1-2]。

一、研究方法

以吳起縣164個行政村為研究單元，進行實地調(diào)查統(tǒng)計，建立空間數(shù)據(jù)庫，利用ARCGIS9.2提供的ESDA(Exploratory Spatial Data Analysis，探索性空間數(shù)據(jù)分析)工具，對各單元滑坡發(fā)育數(shù)量的空間分異特征進行了分析。通過利用Geoda095i提供的空間自相關(guān)分析工具揭示不同單元間滑坡發(fā)育空間聚集特征與時間的關(guān)系，展現(xiàn)空間數(shù)據(jù)特征，探測數(shù)據(jù)空間關(guān)系模式，辨別異常點或區(qū)域(聚集中心或熱點區(qū)域)并且發(fā)現(xiàn)空間異質(zhì)性特征。GIS空間分析方法具有較強的科學可視化，直觀性，有助于深入研究空間分異現(xiàn)象。

二、空間分異特征(不均衡性)

(一)區(qū)域差異

利用ARCGIS9.2提供的自然斷點工具(Natural breaks)，將吳起縣各研究單元以滑坡密度劃分為4個等級，即低密度區(qū)(<0.05處/km2，共131個村)，較低密度區(qū)(0.05—0.19處/km2，共27個村)，較高密度區(qū)(0.19—0.47處/km2，共5個村)和高密度區(qū)(0.47—10.4處/km2，僅1個村)。由圖1可以看出，吳起縣滑坡災害分布差異性顯著，高密度以及較高密度區(qū)面積很小，但滑坡災害數(shù)量占比大，高達38%；低密度區(qū)以及較低密度區(qū)面積很大，然而滑坡災害數(shù)量相對占比小。

圖1 吳起縣滑坡災害密度差異分布

(二)宏觀差異

本文采用ARCGIS9.2中的趨勢分析工具(Trend analysis)，選取研究區(qū)各單元滑坡數(shù)量為興趣屬性并建立三維透視圖(圖2)。圖中每條黑色豎線表示不同單元的滑坡數(shù)量，綠色與藍色的點分別表示各數(shù)值在xz平面和yz平面上的投影，由這些投影點可以獲得一條最佳擬合曲線。分析結(jié)果表明，滑坡災害的發(fā)育程度與區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展強弱基本一致，吳起縣中部地區(qū)滑坡災害相對發(fā)育的趨勢，恰好中部地區(qū)為縣城所在地。

圖2 滑坡災害三維空間分異

三、空間聚集特征(群集性)

(一)全局空間自相關(guān)

常用的自相關(guān)分析方法有Moran’s I和Geary’C兩種指數(shù)。本文采用Moran’s I指數(shù)，Moran’s I統(tǒng)計量取值范圍介于-1～1，當I(d)>0時代表空間正相關(guān)，表示鄰接單元之間具有相似性；當I(d)<0時代表空間負相關(guān)，表示鄰接單元之間具有差異性；當I(d)趨于0時則表示鄰接單元不相關(guān)或相關(guān)性較弱。利用ARCGIS9.2中的全局空間自相關(guān)分析工具(Spatial autocorrelation)，對1980至2010年吳起縣滑坡災害(累計)的全局空間自相關(guān)變化趨勢進行分析，其中空間關(guān)系設定為多邊形一階鄰接關(guān)系(Polygon contiguity：First order)[3]。

圖3 1980-2010年吳起縣滑坡災害Moran’s I指數(shù)

根據(jù)分析結(jié)果(圖3)可以看出，吳起縣滑坡災害只有1980年表現(xiàn)出較弱的負相關(guān)性(80年為統(tǒng)計元年且當年滑坡較不發(fā)育)，其余各年都表現(xiàn)為正相關(guān)。總體來看，吳起縣滑坡災害的正相關(guān)性呈現(xiàn)出強—弱—強的變化規(guī)律，1980-1984年Moran’s I指數(shù)先上升后下降，說明起初吳起縣形成了一個滑坡聚集中心，隨后各單元滑坡災害的發(fā)育較為分散，Moran’s I指數(shù)下降；1985-1989年，Moran’s I指數(shù)的變化，說明了該段時間內(nèi)，滑坡災害在空間上逐漸呈現(xiàn)出聚集趨勢；1990-2003年，Moran’s I指數(shù)相對較低，空間差異程度減弱，說明滑坡災害在該時間段內(nèi)分散發(fā)育，隨機性較強，形成多個分散的聚集中心；2004-2010年，Moran’s I指數(shù)不斷增加，滑坡災害聚集特征顯著，差異性增強，多個聚集中心呈現(xiàn)出一體化趨勢。

(二)局部空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)只能反映研究區(qū)整體的空間聚集程度，不能確定具體聚集區(qū)域，而局部空間自相關(guān)Moran’s I指數(shù)則解決了此問題[4]。本文利用Geoda095i提供的局部空間自相關(guān)分析工具(Univariate LISA)，以10年為一研究時段，分別對1980、1990、2000、2010年的吳起縣滑坡災害的局部自相關(guān)變化趨勢進行分析，建立并調(diào)用一階鄰接空間權(quán)重文件(Contiguity weight:First order),生成Moran散點圖和LISA聚集地圖。

1.Moran散點圖(Moran scatter plot)

圖4 吳起縣滑坡災害Moran散點圖

由圖4可以看出，由于1980年為統(tǒng)計元年，絕大多數(shù)單元散點落入第四象限(散點重疊)，縣內(nèi)各單元滑坡災害多處于不發(fā)育均衡狀態(tài)；1981-1990年期間，這種均衡狀態(tài)逐漸改變，落入二、三象限的單元逐漸增多，局部區(qū)域差異性增大。落入第一象限的單元開始出現(xiàn)，說明滑坡災害高發(fā)地區(qū)與高發(fā)地區(qū)相鄰的空間聚集現(xiàn)象增強；1990-2000年期間，各單元散點出現(xiàn)收斂趨勢(趨于重疊)，說明該段時間各單元滑坡災害發(fā)育較為均衡，這種均衡不僅體現(xiàn)為空間分布均衡而且數(shù)值上也趨于均衡；2000-2010年期間，各單元散點離散性增強，說明該時段內(nèi)滑坡災害發(fā)育的區(qū)域差異性增強，落入第一象限的單元較之前明顯增多，局部區(qū)域滑坡災害聚集現(xiàn)象顯著。

2.LISA聚集地圖(LISA Cluster map)

圖5 吳起縣滑坡災害LISA聚集圖

LISA聚集地圖(圖5)可以清晰的看出研究區(qū)的滑坡災害的聚集特征及演化趨勢。1980年滑坡災害最先發(fā)育在吳起鎮(zhèn)中部宗圪堵村，并與鄰接各村表現(xiàn)出顯著的局部“HL”差異，其他各村滑坡災害均不發(fā)育，全縣以LL區(qū)域為主，差異性小；1981-1990年，在吳起鎮(zhèn)宗圪堵和楊青村形成滑坡災害局部“HH”聚集，與其鄰接的中楊青、西溝塔、榆樹溝、張坪、王臺、侯岔、宗灣子村在局部表現(xiàn)出與熱點地區(qū)的差異(LH)，其他如陳岔、周灣、圪欄溝、吳倉堡、鐵邊城、吳岔、中臺、楊城子、韓臺、白溝等村滑坡少量發(fā)育，并與其周邊地區(qū)表現(xiàn)出“HL”差異；1991-2000年期間，吳起縣中部的滑坡聚集中心范圍有所減少，滑坡災害主要聚集在吳起鎮(zhèn)王臺、張坪和楊青村，“HL”及“LH”區(qū)域在空間上的分布趨于均衡；2000-2010年期間，滑坡災害主要聚集于吳起鎮(zhèn)中西部地區(qū)的劉河灣、宗灣子、宗圪堵、劉渠子、中楊青、楊青村，形成顯著的“HH”聚集，其他局部地區(qū)如薛岔、五谷城、黃澗、五金澗、齊石灣、黃岔、楊廟臺村表現(xiàn)出與鄰接地區(qū)的顯著的“HL”差異。

四、結(jié)語

吳起縣的滑坡災害空間分異特征明顯，在縣城區(qū)域滑坡災害相對發(fā)育，頻繁的人類的工程活動促進滑坡的發(fā)育。因此對于研究區(qū)內(nèi)的滑坡災害防治，要按滑坡發(fā)育程度劃分區(qū)域，對于不同的區(qū)域采取相應的防治措施，為研究區(qū)域的滑坡地質(zhì)災害防治提供決策參考。