基于信息量法的新疆伊寧縣滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

王偉中，曹小紅，汪鑫，于洋，李平平，王偉華

（1.新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(新疆工程學(xué)院)，新疆 烏魯木齊 830000；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

我國(guó)地域廣闊，地形地貌多樣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱[1-2]。近年來(lái)人類工程活動(dòng)加劇，極端氣候頻發(fā)，引發(fā)諸多的地質(zhì)災(zāi)害[3]，我國(guó)成為世界地質(zhì)災(zāi)害分布廣泛、影響嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。伊犁谷地位于新疆天山西段，地形地貌多樣，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境脆弱[4]。區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境[5]。地質(zhì)災(zāi)害是孕災(zāi)地質(zhì)條件與誘發(fā)因子相互作用下產(chǎn)生的威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境的一種自然現(xiàn)象。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，又稱為地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)，主要是通過(guò)對(duì)孕災(zāi)地質(zhì)條件研究和災(zāi)害特征分析，預(yù)測(cè)一定區(qū)域和范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率[6]，對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害防治工作及城市國(guó)土空間規(guī)劃具重要意義[7]。

對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法較多，尚未形成統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8]。目前使用方法有層次分析法、信息量法、證據(jù)權(quán)法、邏輯回歸法及多種方法耦合等[9]。信息量法評(píng)價(jià)不僅物理意義明確、操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)[10]，還能避免主觀判斷，結(jié)果更客觀合理[11]。信息量法僅反映評(píng)價(jià)因子在組合情況下對(duì)災(zāi)害發(fā)生的影響，未考慮影響因子對(duì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)度，即影響因子權(quán)重。本文以新疆伊寧縣為研究區(qū)域，選取高程、坡度、坡向、地表粗糙度等9 個(gè)評(píng)價(jià)因子，使用信息量法為基礎(chǔ)性評(píng)價(jià)模型，采用熵值法計(jì)算每個(gè)影響因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)度，確定評(píng)價(jià)模型加權(quán)信息量，評(píng)價(jià)伊寧縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性，為伊寧縣地質(zhì)災(zāi)害防治提供參考。

1 研究方法

1.1 信息量模型

信息量模型是一種統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)分析方法，首次由晏同珍應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)中[12]。滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中，首先提取滑坡點(diǎn)分布情況，據(jù)研究區(qū)情況選取滑坡影響因子并進(jìn)行分級(jí)，將各因子實(shí)測(cè)數(shù)值轉(zhuǎn)化為量化地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度信息量值，然后使用GIS 對(duì)各影響因子進(jìn)行疊加分析，計(jì)算的信息量值越大，表明地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度越高[13]。

計(jì)算公式：

式中：S——研究區(qū)總的柵格單元數(shù)；

N——研究區(qū)已有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的柵格單元數(shù)；

Ii——地質(zhì)災(zāi)害因子分級(jí)i信息量值；

Ni——應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害因子分級(jí)i地質(zhì)災(zāi)害柵格單元數(shù)；

Si——對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害因子分級(jí)i總柵格單元數(shù)。

1.2 確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重

熵值法是通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)因子的熵值，據(jù)評(píng)價(jià)因子變化程度確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重。計(jì)算的熵值越小，評(píng)價(jià)因子權(quán)重越大。由于評(píng)價(jià)因子對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)度不同，本文選擇熵值法確定評(píng)價(jià)因子貢獻(xiàn)度。

1.2.1 計(jì)算熵值

公式如下：

式中：i——二級(jí)評(píng)價(jià)因子；

j——一級(jí)評(píng)價(jià)因子；

YIJ——一級(jí)評(píng)價(jià)因子中二級(jí)評(píng)價(jià)因子區(qū)域內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)密度歸一值；

Ej——第j項(xiàng)一級(jí)評(píng)價(jià)因子的熵值；

K——常數(shù)，且K=1/ln()n，n為二級(jí)評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)。

1.2.2 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

公式如下：

式中：Wj——各一級(jí)評(píng)價(jià)因子權(quán)重；

N——一級(jí)評(píng)價(jià)因子數(shù)。

1.2.3 計(jì)算加權(quán)信息量

由于信息量模型未考慮評(píng)價(jià)因子對(duì)災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)值，因此，通過(guò)將公式（1）和公式（3）計(jì)算得到的二級(jí)評(píng)價(jià)因子信息量和一級(jí)評(píng)價(jià)因子權(quán)重通過(guò)相乘得以疊加，得到GIS空間分析使用的加權(quán)信息量I。

公式如下：

將計(jì)算出的評(píng)價(jià)因子加權(quán)信息量值I，使用ArcGIS 柵格計(jì)算器對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行疊加，得到伊寧縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。多次調(diào)試，得到伊寧縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)流程圖（圖1）。

2 研究區(qū)概況

伊寧縣位于伊犁河谷中北部，地理坐標(biāo)為北緯43°35′10″～44°29′30″，東經(jīng)81°13′40″～82°42′20″。該區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬春溫暖濕潤(rùn)，夏秋干燥較熱，晝夜溫差明顯，年均氣溫8.4℃，年均降水257 mm。地勢(shì)北高南低，由NE向SW傾斜。整個(gè)地區(qū)大地構(gòu)造位于天山-興安地槽褶皺區(qū)西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶，由3 個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元構(gòu)成。位于北天山地震帶，地震烈度均在Ⅶ以上，東北部地震烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度0.15～0.2 g。地層巖性較復(fù)雜，境內(nèi)巖層從元古界—新生界均有出露。第四系黃土分布范圍廣泛，從山前平原、丘陵區(qū)，到中山-高山區(qū)均有分布，主要沿河流兩岸分布。縣境內(nèi)分布有伊犁河、喀什河、博爾博松河、布力開(kāi)河、吉爾格朗河等。境內(nèi)交通較發(fā)達(dá)，道路分為國(guó)道、省道、縣鄉(xiāng)道、鄉(xiāng)村道及通往各牧點(diǎn)牧道。對(duì)收集資料分析可知，伊寧縣地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、崩塌及泥石流等，其中滑坡78處，崩塌2處，泥石流2處，多分布于低山區(qū)和河流沿岸區(qū)域。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及評(píng)價(jià)因子選擇分析

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用數(shù)據(jù)：①12.5 m 分辨率的DEM 底圖，用于提取地形地貌因子；②地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)主要來(lái)源于新疆維吾爾族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查（1∶50000）項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)；③1∶250萬(wàn)地質(zhì)圖，用于提取地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等評(píng)價(jià)因子；④研究區(qū)地理底圖用于提取主要河流及行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。

3.2 評(píng)價(jià)因子選擇分析

滑坡的發(fā)生受孕災(zāi)地質(zhì)條件和誘發(fā)因子等因素影響，合理選擇評(píng)價(jià)因子是滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵[14]。本次研究在分析研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境及孕災(zāi)地質(zhì)條件、誘發(fā)因素基礎(chǔ)上，結(jié)合伊寧縣實(shí)際情況，選擇高程、坡度、坡向、地勢(shì)起伏度、距斷層距離、工程地質(zhì)巖組、地表粗糙度、距河流距離、地表曲率等9個(gè)評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建伊寧縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)體系（圖2）。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.2 Disaster distribution map of the study area

3.2.1 高程

高程是影響災(zāi)害發(fā)生最重要地形因素之一[15]，不但影響坡體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，還為斜坡類地質(zhì)災(zāi)害提供勢(shì)能。據(jù)研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)，研究區(qū)海拔568～3 582 m，采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將研究區(qū)高程分為5類：568～889 m、889～1 282 m、1 282～1 722 m、1 722～2 215 m、2 215～3 582 m（圖3-a）。隨高程增加，地質(zhì)災(zāi)害密度呈先增加后降低趨勢(shì)，集中在高程1 282～1 722 m范圍，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)約占總數(shù)56.4%。

3.2.2 坡度

坡度為斜坡體變形提供臨空面，坡度大小直接影響下滑力大小，并影響斜坡體的失穩(wěn)[16]。坡度采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法分為5類：0～6.65°、6.65°～14.89°、14.89°～24.07°、24.07°～34.85°、34.85°～80.8°（圖3-b）。地質(zhì)災(zāi)害主要分布在14.89°～24.07°、24.07°～34.85°范圍。

3.2.3 坡向

不同坡向接受太陽(yáng)輻射角度不同，影響坡面植被發(fā)育、水分蒸發(fā)及風(fēng)化程度大小。坡向分為平面、東北、東、東南、南、西南、西、西北、北9個(gè)方向（圖3-c），研究區(qū)面向東北、東、東南、西北、北方向的斜坡易發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

3.2.4 地勢(shì)起伏度

地勢(shì)起伏度反映地表起伏變化情況，與滑坡分布具一定關(guān)聯(lián)[10]。采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將研究區(qū)地勢(shì)起伏度分為5 類：為0～4 m、4～11 m、11～19 m、19～30 m、30～213 m（圖3-d）。地質(zhì)災(zāi)害主要分布在4～30 m，該范圍內(nèi)易發(fā)生災(zāi)害。

3.2.5 斷層距離

斷層構(gòu)造控制附近巖土體破裂和穩(wěn)定程度，控制滑坡邊界和滑面空間位置。使用ArcGIS 中多環(huán)緩沖功能，進(jìn)行研究區(qū)斷層緩沖區(qū)分析，依次將緩沖區(qū)分為＜1 000 m、1 000～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、4 000～5 000 m、＞5 000 m 6個(gè)區(qū)域（圖3-e）。緩沖距離＜3 000 m范圍，地質(zhì)災(zāi)害相對(duì)發(fā)育，災(zāi)害點(diǎn)密度較高。

3.2.6 工程地質(zhì)巖組

地層巖性是滑坡發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同工程地質(zhì)巖組物理力學(xué)性質(zhì)不同，所發(fā)生災(zāi)害類型不同。將研究區(qū)地層巖性劃分為互層狀較軟弱以砂巖礫巖、黃土狀亞砂土單層土體等7類工程地質(zhì)巖組（圖3-f）。互層狀較軟弱以砂巖礫巖、層狀較堅(jiān)硬的火山碎屑巖組，是研究區(qū)發(fā)育災(zāi)害最多的工程地質(zhì)巖組。

3.2.7 地表粗糙度

地表粗糙度反映一個(gè)地區(qū)抗侵蝕能力，指數(shù)越大，抗侵蝕能力越強(qiáng)[16]。本文使用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將研究區(qū)地表粗糙度分為5類：1～1.04、1.04～1.14、1.14～1.31、1.31～1.64、1.64～6.25（圖3-g）。地表粗糙度在1～1.31 范圍，發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最多，1.31～6.25范圍發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害較少。

3.2.8 距河流距離

河流可對(duì)坡腳侵蝕和下切作用加速坡體變形。河流分布密度和發(fā)育程度對(duì)坡體造成不同程度沖刷及地表侵蝕[17]。對(duì)研究區(qū)主要河流水系進(jìn)行多環(huán)緩沖區(qū)分析，將河流緩沖區(qū)分為＜500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m、1 500～2 000 m、2 000～2 500 m、2 500～3 000 m、＞3 000 m7 個(gè)區(qū)域（圖3-h）。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)主要集中分布在距離河流＜1 000 m范圍內(nèi)，距離河流越遠(yuǎn)災(zāi)害分布越少。

3.2.9 曲率

曲率通常和坡體類型相關(guān)。按曲率大小將坡形分為凹形坡（＞1）、直線坡（0～1）和凸形坡（＜0）3 種。通過(guò)GIS 對(duì)研究區(qū)曲率進(jìn)行分析，可知研究區(qū)曲率值為-74.24～65.28（圖3-i）。按前述方法分為3 類，凸形坡發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最多，凹形坡次之，直線坡最少。

4 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)單元選取

本文以新疆伊寧縣為研究區(qū)域，域內(nèi)分布滑坡災(zāi)害總數(shù)為78處，災(zāi)害規(guī)模以小型居多，使用柵格單元可滿足評(píng)價(jià)精度要求。本次評(píng)價(jià)選擇12.5 m×12.5 m為柵格單元大小，將研究區(qū)共劃分為28 650 367個(gè)柵格單元。

4.2 評(píng)價(jià)因子信息量計(jì)算

據(jù)信息量模型計(jì)算評(píng)價(jià)因子信息量值，使用熵值法確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重，按公式（4）計(jì)算二級(jí)評(píng)價(jià)因子加權(quán)信息量值（表1）。

表1 滑坡各影響因子權(quán)重及加權(quán)信息量Table 1 Weight and weighted information of each influencing in landslide

4.3 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

在評(píng)價(jià)因子加權(quán)信息量和分級(jí)圖基礎(chǔ)上，利用ArcGIS柵格重分類功能將二級(jí)評(píng)價(jià)因子加權(quán)信息量輸入，使用柵格計(jì)算器將每個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行疊加，獲得伊寧縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指數(shù)圖。采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將伊寧縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指數(shù)圖劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)（圖4）。

圖4 伊寧縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Evaluation results of the susceptibility to geological hazards in Yining County

4.4 精度檢驗(yàn)

據(jù)易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)易發(fā)區(qū)面積、面積占比、災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量、災(zāi)害點(diǎn)密度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2）。由表2可知，伊寧縣地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)面積為291.045 6 km2，占整個(gè)縣域面積的6.5%，分布滑坡災(zāi)害數(shù)量37 處，占比47.44%，災(zāi)害點(diǎn)密度0.127 1 處/km2；中易發(fā)區(qū)面積753.695 6 km2，占整個(gè)縣域面積的16.84%，分布滑坡災(zāi)害數(shù)量22 處，占比28.21%，災(zāi)害點(diǎn)密度0.029 2 處/km2；低易發(fā)區(qū)面積995.093 9 km2，占整個(gè)縣域面積的22.23%，分布滑坡災(zāi)害數(shù)量12 處，占比15.38%，災(zāi)害點(diǎn)密度0.012 1 處/km2；不易發(fā)區(qū)面積2 436.785 km2，占整個(gè)縣域面積的54.43%，分布滑坡災(zāi)害數(shù)量7處，占比8.97%，災(zāi)害點(diǎn)密度0.002 9處/km2。

表2 研究區(qū)滑坡易發(fā)性區(qū)劃統(tǒng)計(jì)表Table 2 Zoning statistics of susceptibility to lanside

將研究區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果使用ROC曲線進(jìn)行精度檢驗(yàn)。ROC曲線是將易發(fā)分區(qū)面積從高到低累計(jì)百分比作為橫坐標(biāo)，災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)累計(jì)百分比作為縱坐標(biāo)繪制一條曲線，曲線下方面積大小為易發(fā)性結(jié)果的評(píng)價(jià)精度，面積越大，精度越高。研究曲線下方面積（AUC）為0.854 1，即評(píng)價(jià)精度85.41%。說(shuō)明使用信息量模型為基礎(chǔ)，熵值法計(jì)算權(quán)重，加權(quán)信息量模型對(duì)伊寧縣滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)適用性較好，可為伊寧縣滑坡災(zāi)害防治提供參考（圖5）。

圖5 信息量模型的ROC曲線Fig.5 ROC curve of the information model

5 結(jié)論

（1）以伊寧縣為例，選取高程等9個(gè)評(píng)價(jià)因子，采用信息量模型，將該縣滑坡災(zāi)害易發(fā)等級(jí)劃分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和不易發(fā)4個(gè)等級(jí)，高易發(fā)區(qū)面積291.045 6 km2、中易發(fā)區(qū)面積753.695 6 km2、低易發(fā)區(qū)面積995.093 9 km2、不易發(fā)區(qū)面積2 436.785 km2，分別占伊寧縣總面積的6.50%、12.35%、32.29%、47.94%。

（2）伊寧縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果AUC=0.8541，評(píng)價(jià)精度為85.41%。說(shuō)明使用信息量模型為基礎(chǔ)，熵值法計(jì)算權(quán)重，加權(quán)信息量模型對(duì)伊寧縣滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)適用性較好。