基于3S技術的泥石流影響因子權重分析

張具琴，李少達，楊武年,2，楊容浩

（1.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059；2.國土資源信息技術與應用國土資源部重點實驗室，四川 成都 610059）

基于3S技術的泥石流影響因子權重分析

張具琴1，李少達1，楊武年1,2，楊容浩1

（1.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059；2.國土資源信息技術與應用國土資源部重點實驗室，四川 成都 610059）

以往對泥石流影響因子的研究都是先給出可能影響泥石流的因素，再分析其權重，得出泥石流的防治方法，沒有側重點，費工費時。根據泥石流的不確定性與易發性，以汶川縣為實例，結合具有實時、動態、快捷與廣泛等優點的3S技術對泥石流影響因子進行提取分析，得出影響汶川縣泥石流主要因子，從而有針對性地、分區地提出了泥石流的防治措施。

3S技術；汶川縣；泥石流；影響因子；防治

據統計，山地和丘陵面積占我國總面積的69%[1]，且山地和丘陵地區屬季風氣候，降雨多而頻繁，因此泥石流是我國最主要的自然災害之一，具有常發性、突發性、群發性、分布廣泛和活動強烈等特點[2]。蜀地泥石流已超過3 000條，且大多處于不穩定狀態，特別在震后多雨的夏季很容易被激發，具有規模大、破壞性大的特點[3,4]。由此可見，泥石流已嚴重威脅著人民生命和財產安全，對泥石流的防治刻不容緩。

本文運用3S技術（圖1），對泥石流影響因子進行提取分析，從而為泥石流防治提供依據。在總結前人已有的科研成果基礎上[5,6]，結合野外考察成果，利用研究區的TM影像圖、矢量化的等高線圖、地質圖和降雨等值線圖等數據資料，綜合運用相關專業軟件，對汶川縣內泥石流影響因子進行分析，并綜合運用層次分析法（AHP）確定各評價因子的權重系數，進而為汶川縣內[3]的減災防災工作提供切實合理可行的建議和依據 （圖2）。

圖1 GIS、GPS與RS之間的相互作用

1 數據獲取

本次研究處理的遙感影像數據為5.12大地震之后的TM影像數據，其獲取時間為2008年7月，衛星的軌道號為130/038，中心位置經緯度為北緯31°17'和東經103°48'。本文用的TM影像包含7個波段（1～7），空間分辨率為30 m，成像效果較好。TM影像數據先要進行預處理才能進行其他的相關處理。根據各波段的主要用途與實驗需要進行波段的選取，最終選擇5、4和1波段進行合成。

圖2 技術路線圖

2 影響因子指標權重計算

利用TM影像圖、矢量化的等高線圖、地質圖和降雨[5]等值線圖，對汶川縣域內泥石流影響因子進行分析，得出汶川縣泥石流的主要影響因子為地貌類[5]（高程、坡度、坡向）、地質類（地層巖性、地質構造[7]、地震因子）、植被類[8]和水文類。本文將使用AHP來確定指標的權重。

2.1 建立遞階層次結構

AHP[9]是將復雜的問題簡單化、條理化和層次化，從而構造出相對較簡單的層次分明的結構模型。本文評價指標分2層，具體信息及隸屬關系見圖3。

2.2 構造判斷矩陣

圖3 汶川縣泥石流影響因子的指標體系

根據AHP將影響汶川縣泥石流的因子按復雜到簡單的順序構建每個層次每個因子的判斷矩陣（如表1所示）。

表1 第一層次指標重要性判斷矩陣

依次進行第二層次指標比較，由于植被類指標只有一個二級因子，因此不再比較，第二層次比較結果見表2～4。

表2 第二層次地貌類指標重要性比較表

表3 第二層次地質類指標重要性比較表

表4 第二層次水文類指標重要性比較表

綜上所述，可得到第一層次的判斷矩陣為：

第二層次指標重要性判別矩陣為 ：

2.3 計算單一準則下元素的相對權重并檢驗

AHP分析中，確定同一層次指標元素間的排序是很重要的，而排序的過程主要是獲取判別矩陣的特征值及其對應的特征向量。對于矩陣A，設判斷矩陣A的最大特征根為λmax，其相應的特征向量為W，則AW=λmaxW。據此，計算出λmax=4.008 35，特征向量為W=[0.623 1 0.519 9 0.533 6 0.238 2] ，歸一化后的特征向量為W=[0.325 4 0.271 5 0.278 7 0.124 4]。

由于客觀事物的復雜性以及人們對事物認識的模糊性和多樣性，所給出的判斷矩陣不可能完全保持一致，有必要進行一致性檢驗，計算矩陣A的一致性指標其中， n為判斷矩陣階數， n=4，可得CI=0.027 8 。接著計算隨機一致性比率0.1，則判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣的元素取值。隨機一致性指標 RI取值見表5。

表5 隨機一致性指標RI取值表

以此類推，可計算出矩陣 的最大特征根λmax=3.009 2 ,特征向量W=[0.466 0 0.846 8 0.256 5]，歸一化后的特征向量W=[0.297 0 0.539 6 0.163 4]，B1的一致性指標其中n=3，可得CI=0.004 6，再計算則判斷矩陣具有滿意的一致性；B2最大特征根λmax=3.010 0，特征向量W=[0.737 7 0.400 5 0.543 5]，歸一化特征向量B2的其中n=3，可得CI=0.005 0 ，再計算則判斷矩陣具有滿意的一致性；B3最大特征根 λmax=2,特征向量，歸一化后特征向量B3的其中n=2，可得CI=0，

經歸一化處理后得到影響汶川縣泥石流主要因子的指標權重值，見表6。

表6 指標類別及其相對應的權重值

2.4 指標權重的綜合計算

由表7可知，汶川縣泥石流的主要影響因子的權重系數排序為：降雨狀況＞山坡坡度＞植被＞地層巖性＞高程＞水系分布＞地震烈度＞地質構造＞山坡坡向。因此，影響汶川縣泥石流最主要的因子為降雨，其次為山坡坡度，再次為植被，這將為汶川縣泥石流的治理提供重要依據。

表7 各因子總權重

3 汶川縣泥石流的防治方法

目前泥石流防治方法主要有3類：工程措施、生物措施和管理措施[10]。由§2.4的分析結果和實地勘察可知，影響汶川縣泥石流的因子權重由大到小依次為：降雨狀況、山坡坡度、植被、地層巖性、高程、水系分布、地震烈度、地質構造、山坡坡向。因此，汶川縣泥石流的防治重點是要進行震后植被的恢復與重建，即重點抓汶川縣泥石流防治的生物措施，以工程治理為輔，二者相互結合效果將會更好。生物治理的目的在于恢復地震破壞的生態環境，具有耗資少、效果好、簡單易行、附加經濟效益高等優點。此外，還有必要封山育林，以穩固土壤，涵養水源，加強地表抗沖刷的能力，如在滑坡體內以及泥石流活動區種植闊葉樹木和灌木，以保持其穩定性。根據國家退耕還林政策，對于己經開發的且水土流失較嚴重的區域要修水平截水溝，坡度大于25°的要還林還草，以保持水土的穩定。對于溝頭，要建立防護體系（如溝頭防護工程、溝頭防護林等），以抑制溝頭前進，防治溝頭發展；對于溝坡，要在適合種樹的區域進行樹木的種植，同時布設溝坡防護工程措施，以穩定溝頭。對于汶川縣泥石流的治理，不僅需要措施的鞏固，還需要當地居民的自我保護意識。因此，需要廣泛開展泥石流災害的宣傳和防治工作，增強居民的防災意識，同時使當地居民意識到環境與泥石流之間的緊密關系，自覺參與植被恢復行動，自覺保護已有植被。

4 結 語

以汶川縣震后泥石流災害防治為例,以3S技術和已有的研究結果及資料為基礎，運用專業軟件（ArcGIS、ENVI）和AHP分析法得出影響汶川縣泥石流的主要因子及其權重，從而有針對性地為汶川泥石流的防災減災的工作提供理論依據。實踐證明，影響泥石流的自然因素有很多，且各因素間的關系錯綜復雜，選取一種合理的數學模型對影響因子進行分析，并計算其權重，對泥石流的研究和有針對性地進行防治具有很好應用價值與前景。

[1] 張俊.北川縣擂鼓鎮五星溝泥石流特征與危險性及成因分析[D].綿陽:西南大學,2011

[2] 黃潤秋,許向寧.地質環境評價與地質災害管理[M].北京:科學出版社,2008

[3] 汪月鵑.汶川震區北川縣暴雨泥石流危險性評價[D].成都:成都理工大學,2009

[4] 段永候.中國地質災害[M].北京:中國建筑工業出版社,1993 [5] 洪偉.3S技術在潛在泥石流中的應用——以汶川縣為例[D].成都:成都理工大學,2011

[6] 周必凡,楊慶溪.四川省漢源縣流沙河流域泥石流的分類及防治原則[M].重慶:科學技術文獻出版社重慶分社,1981

[7] 胡國超.遙感技術在“5.12”地震重災區汶川縣地質災害調查中的應用[D].成都:成都理工大學,2009

[8] 鄧書斌.遙感圖像處理方法[M].北京:科學出版社,2010

[9] 胡浩鵬.北京市泥石流災害風險評估指標體系及方法研究[D].北京:中國地質大學,2007

[10] 蒲達成.汶川震區典型崩塌、滑坡、泥石流分析及防治措施探討[D].成都:成都理工大學,2010

[11] 郭娜,劉劍秋.TM遙感影像植被信息提取的最佳波段組合選擇——以福建省松溪至建甌高速公路為例[J].福建師范大學學報:自然科學版,2012,28(1):106-107

[12] Saaty T L. The Analytic Hierarchy Process[M].Mcgraw-hill (Tx),1980

[13] Lin C W. Impact of Chi-Chi Earthquake on the Occurrence of Landslides and Debris Flows:Example from the Chenyulan River Wastershed, Nantou, Taiwan[J].Engineering Geology,2003, 71(1):49-61

[14] Chen H, Hawkins A B. Relstiondhip between Earthquake Disturbance, Ropical Rainstorms and Debris Movement:an Overview from Taiwan[J].Bull Eng Geol Environ,2009,68(3): 161-186

[15] Dikau R, Cavalin A,Jager S.Databases and GIS for Land Slide Research in Europe[J].Geomorpho-logy,1996,15(3-4):227-229 [16] Dai Fuchu, Lee C F,Wang Sijing. Analysis of Rainstorm Induced Slide Debris Flows on Natural Terrain of Lantau Island, Hong Kong[J].Engineering Geology,1999,52(4):279-290

P23

B

1672-4623（2016）03-0070-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.022

張具琴，碩士，主要從事攝影測量和地質災害研究。

2015-03-19。

項目來源：四川省科技計劃資助項目（13ZC0785）。