基于邏輯回歸模型的涼山州滑坡易發性評價★

朱路路，崔玉龍

(安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

0 引言

滑坡作為一種破壞力極強的地質災害,廣泛分布在我國西北和西南的山地地區[1]。滑坡災害嚴重威脅著人民的生命財產安全,如2018年10月和11月西藏江達縣波羅鄉白格村發生的兩次滑坡形成的堰塞湖導致8.6萬人無家可歸,其中潰壩洪水給云南省造成的直接經濟損失為74.3億元[2];2003年三峽庫區千將坪滑坡造成數千人受災,直接損失為5 735萬元[3]。為了減少滑坡造成的危害,學者通過易發性評價對滑坡進行預測,如徐敏等[4]使用信息量模型對伊犁州黃土滑坡進行易發性評價,為黃土高原山地地區的滑坡災害防治和預測工作提供重要科學依據;許沖等[5]使用確定性系數模型對汶川地震引發的滑坡進行易發性評價,此舉有利于災后重建工作。滑坡數據庫是研究區域滑坡的基礎,許多學者為此做出重大貢獻,如袁康等[6]建立了寧國市因臺風暴雨滑坡數據庫,為研究臺風暴雨滑坡做出重大貢獻;許沖等[7]通過遙感影像解譯了汶川地震引發196 007處滑坡,建立了最為完整的地震滑坡。在滑坡數據庫基礎上形成的空間分析結果是區域滑坡研究領域中最廣泛的成果[8],如鮑鵬鵬等[9]對2018年日本北海道地震滑坡分布分析,得到滑坡的發育與地形因子、地震因子和地質因子的密切關系;崔玉龍等[10]分析新疆黃土區滑坡分布,著重于滑坡與地形因子的關系。

在2020年11月18日涼山彝族自治州(簡稱涼山州)的美姑、布拖、昭覺等7個縣退出貧困縣序列,自此涼山州擺脫了“貧困枷鎖”,涼山州內地質環境復雜導致地質災害頻發,為了防止涼山州因災致貧、因災返貧,因此對涼山州滑坡災害進行易發性評價就變得極為重要。本文通過涼山彝族自治州野外實地的詳細調查建立滑坡數據庫,選擇高程、坡度、坡向、坡位、距道路距離、距斷層距離、歸一化植被指數(NDVI)、地形濕度指數(TWI)、工程地質巖組、土地利用類型10個環境因子,對滑坡分布情況分析,最后使用邏輯回歸模型進行易發性評價。

1 地質環境概述

涼山州全州6.04萬km2,下轄2個縣級市、14個縣、1個自治縣(見圖1)。涼山州地處川西南橫斷山脈東北緣,界于四川省盆地和云南高原之間,地質條件復雜,地勢西北高、東南低,山脈多呈南北走向,境內以山地、高原為主,占比90%以上。

涼山州的地貌類型分別為河谷地貌、中山地貌和高山地貌,河谷地貌主要分布于州內中部的安寧河兩側。中山地貌分布涼山州大部分區域,占全州面積的78%。高山地貌主要分布在涼山州西北部的木里藏族自治縣,占全域面積的20%。涼山州地處楊子斷臺邊緣,川滇構造帶南段,境內構造發育,大體以安寧河西側的牦牛山、磨盤山為界,以東主要是南北向構造,以西主要是弧形構造。涼山州四周山區以碳酸鹽巖和巖漿巖為主,地質構造復雜,地形陡峻。州內森林植被跨越“川東盆地及川西南山地常綠闊葉林地帶”和“川西高山峽谷山原針葉林地帶”,其植被分布多樣,類型豐富。根據2021年5月版三調數據,全州現狀農林用地57 544.08 km2,建設用地面積1 012.97 km2,未利用地1 712.96 km2,農林用地占比超過95%,是州用地的主要組成成分。

州內道路復雜,以108國道為中軸線,在西昌市分出3條省道到達州內各個縣市,構成州內的交通脈絡。州區域的氣候屬于亞熱帶季風氣候區,干濕分明,冬半年日照充足,少雨干暖;夏半年云雨較多,氣候涼爽。

2 數據及方法

2.1 數據來源

根據涼山彝族自治州野外實地的詳細調查,共獲取滑坡2 674處,其中巨型滑坡2處、大型滑坡106處、中型滑坡830處、小型滑坡1 735處。滑坡災害主要分布在德昌、會東、會理、木里、寧南,其中會東縣滑坡災害最為發育,共計312處,占滑坡災害的12.51%。

在滑坡易發性評價當中,環境因子的選取是至關重要的。根據涼山州的地質環境特點,選擇相類似的環境的滑坡因子[11]進行滑坡易發性評價,本文從眾多因子中選擇高程,坡度,坡向,坡位,距道路距離,距斷層距離,NDVI,TWI,工程地質巖組,土地利用類型10個環境因子作為易發性評價的因子組合。因子分組如表1所示。

表1 因子分類

2.2 評價方法

邏輯回歸是一種經典的數據統計模型,相對于其他的統計模型,它的預測效果較好,相對于機器學習模型,邏輯回歸模型的建模過程較為簡便,因此本文選擇該模型對滑坡進行易發性評價。邏輯回歸可以在二元因變量和影響因子之間建立多變量回歸關系,其本質是將每個自變量轉換為合適的概率。邏輯回歸的自變量可以是連續或離散變量也可以是部分離散部分連續,而且不要求自變量符合正態分布,對識別變量的分布無限制[12],這是區別于統計模型的。其公式如式(1),式(2)所示:

(1)

(2)

其中,β0為常數項;β1,β2,…,βn為影響因子的邏輯回歸系數值;Xi為各個影響因子;Z為所有影響因子的加權總和;P為滑坡發生的概率。

在邏輯回歸模型中,本文選擇非滑坡點與滑坡點比例為1∶1,為了保證非滑點取樣的合理性,提取涼山州地質災害影響范圍外200 m的區域,在該區域內隨機取樣。并在取樣的過程使非滑坡點間距離大于200 m。模型中的自變量為各個影響因子,因變量為滑坡是否發生,滑坡點為1,非滑坡點為0。

3 結果分析

3.1 滑坡分布規律分析

滑坡分布高程范圍為252 m～5 860 m,在1 800 m～2 300 m的范圍內滑坡分布最多為944處,在800 m～1 300 m內密度最大0.179 6處/km2。州內地形復雜,坡度范圍大,滑坡主要集中在10°～30°,共2 029處滑坡,占總滑坡的75.88%。州內地形為西北高、東南低,東方向上的坡體受到風力和雨水作用往往比其他方向更嚴重,坡向為東方向的滑坡為417處,占總滑坡的15.59%。坡位是影響土壤水分含量的重要地形因子,發育在中坡滑坡有2 006處,占總數的75.02%。距離道路2 km內滑坡尤為發育,有1 695處滑坡,滑坡發育受道路影響較大。州內不穩定的地質活動導致滑坡分布于斷裂帶兩側,在距離斷裂帶2 km內,滑坡數量最多為1 291處,占總數的48.50%。在NDVI0.7～0.8范圍內滑坡數量最多為976,占總數的36.50%,在TWI2～4范圍內滑坡較為發育為1 133處,占總數的42.37%。在工程地質巖組中,有1 537處滑坡體為碎屑巖,占總數的57.48%。滑坡發育最多的土地類型為耕地,滑坡數量為1 066處,占總數的39.86%。

3.2 易發性分析

根據式(1)、式(2)得出概率圖,如圖2所示。易發性較高區域在孜-理塘斷裂帶南部、黑水河斷裂帶南部、則木河斷裂帶、安寧河斷裂帶、菁河斷裂帶、綠汁江斷裂帶、漢源-甘洛斷裂帶、峨邊-金陽斷裂帶周邊地區以及木里縣與鹽源縣交界處,會理、甘洛兩縣內高易發區超過縣域面積的50%。

3.3 模型評價

自然間斷法將易發圖分為5類:極低易發區、低易發區、中易發區、高易發區、極高易發區。在表2中,頻率比值隨易發等級提高而提高,其增長趨勢是先慢后快,因此可以說明邏輯回歸模型在本文中的精度較高。ROC曲線是檢驗模型精度最常用的方法,它通過曲線下面積(AUC)判斷模型的總體指標,當AUC>0.5時,說明預測精度與現實一致,AUC越接近1意味著模型預測效果越好,如圖3所示,AUC為0.847,可以說明模型精度較高,分區結果合理。

表2 滑坡與分區面積統計

4 結論

本文根據涼山州滑坡的詳細的調查,選擇10個環境因子,分析滑坡分布情況,并基于邏輯回歸模型構建易發性評價。分析滑坡與易發分區的關系,運用ROC曲線評估模型,得到以下結論:

1)涼山州滑坡分布于高程1 800 m～2 300 m;坡度10°～30°;坡向為東方向;坡位為中坡;距道路和斷層距離為小于2 km,NDVI為0.7～0.8;TWI為2～4;巖組為碎屑巖;土地利用為耕地。

2)滑坡高易發區位于涼山州中部安寧河、則木河斷裂帶兩側和東部漢源-甘洛帶、峨邊-金陽斷裂帶兩側。滑坡密度隨易發等級提高而增大,且AUC=0.847,表明本次易發性評價有較高的合理性。

3)對涼山州全境進行滑坡易發性評價,可直接用于滑坡災害的防治,此外還能夠對大型水利設施選址、城鎮建設提供參考意見。提高易發性評價的精度可以增強對滑坡災害預測的準確性,以此下一步將使用更為先進的模型進行易發性評價。