基于ArcGIS可視化建模方式的區(qū)域滑坡危險性評價

杜幸洋，朱 軍

（西南交通大學(xué) 地 球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院遙感信息工程系，四川 成 都 6 10031）

0 引言

滑坡危險性評價是滑坡災(zāi)害風(fēng)險評價的重要基礎(chǔ)［1］，同時也是滑坡防治工程評價的核心。由于ArcGIS擁有強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)處理和空間分析功能，因此成為最常用的評價平臺之一。在傳統(tǒng)的滑坡危險性評價過程中，一般先提取出研究區(qū)域的各個評價指標(biāo)，再用數(shù)學(xué)方法結(jié)合，經(jīng)過空間疊加分析得到區(qū)域內(nèi)滑坡災(zāi)害的不同危險程度。但是在評價過程中，評價指標(biāo)分類后會產(chǎn)生不同要素的圖層，并對每一個圖層進(jìn)行后續(xù)操作，其大量頻繁的重復(fù)操作不僅會耗費(fèi)大量人力和時間，使得效率低下，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不清晰，乃至出現(xiàn)錯誤［2］。

針對以上問題，本文將利用ArcGIS中的可視化建模工具 Modelbuilder構(gòu)建滑坡危險性評價模型。在隨后的章節(jié)中首先論述進(jìn)行滑坡危險性評價的方法，確定評價因子，進(jìn)而利用 Modelbuilder將數(shù)據(jù)和評價工具按順序連接在一起，創(chuàng)建區(qū)域滑坡危險性評價模型，以期實(shí)現(xiàn)中間圖層生成和再利用的自動銜接，以可視化的形式顯示整個評價流程，最后以四川安縣為研究區(qū)域開展案例試驗(yàn)。

1 基于Modelbuilder的滑坡危險性評價模型構(gòu)建

1.1 滑坡危險性評價方法

指標(biāo)綜合法也稱權(quán)值疊加法，是滑坡危險性評價中常用的方法，即是在確定評價因子的基礎(chǔ)上，以權(quán)值表示它們對滑坡形成的作用程度，然后把權(quán)值按照一定的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行疊加，從而獲得研究區(qū)內(nèi)發(fā)生滑坡可能性的特征指數(shù)，以此進(jìn)行區(qū)域滑坡危險性分區(qū)［3］。其數(shù)學(xué)模型表示為：

式中：Wi——所選指標(biāo)的權(quán)重，其值由層次分析法確定；

Xi——所選評價指標(biāo)量化分級后的值。

在ArcGIS中，參照以上方法，將每個影響滑坡的評價因子用一張專題地圖來顯示，再以大小相等的柵格相元為單位將所有專題圖轉(zhuǎn)換為柵格圖層，在基于柵格的空間疊加分析中，每一個評價因子圖層對應(yīng)的柵格之間做函數(shù)運(yùn)算即加權(quán)疊加，從而得到一張綜合的危險性分區(qū)柵格圖。

1.2 滑坡危險性評價因子確定

滑坡發(fā)生的潛在危險性受多種因素控制，這些因素可分為兩類：一類是內(nèi)部因素即滑坡體本身所具有的內(nèi)部特征，是滑坡形成的必要條件，包括坡度、地層巖性、土壤類型等；另一類是外部因素，是誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生的動力，具備了滑坡發(fā)生的內(nèi)部因素，誘發(fā)因素會增大滑坡的危險程度［4］。因此，本文選取如下六個因素作為評價因子：坡度、地層巖性、坡向、河流地質(zhì)作用、人類交通建設(shè)和地震斷裂帶，其中河流地質(zhì)作用、人類交通建設(shè)和地震斷裂帶分別以距離河流、道路、斷裂帶的遠(yuǎn)近表示［5］。

（1）坡度：滑坡的發(fā)生需要滑坡面具備一定的傾角，當(dāng)斜坡坡度接近滑坡面傾角時，較利于滑坡的發(fā)生。坡度因子在ArcGIS中由研究區(qū)DEM直接提取，每 10°分為一級［6］。

（2）地層巖性：各處的巖層產(chǎn)生的地質(zhì)時代不同，經(jīng)歷的地質(zhì)變化不同，故其風(fēng)化程度也不同，在相同高度與坡度的情況下，軟巖較硬巖強(qiáng)度低，易于風(fēng)化，產(chǎn)生滑坡的可能性也越大［7］。

（3）坡向：坡向指山坡朝向，一般把朝南方向作為標(biāo)準(zhǔn)陽坡，北方向作為標(biāo)準(zhǔn)陰坡。坡向能夠影響斜坡的水熱條件，使植被分布呈現(xiàn)差異，從而也影響不同坡向的地表徑流和溝谷強(qiáng)度等。坡向分區(qū)以45°為一個區(qū)間，共分為8個方向區(qū)間：N、NW、W、SW、S、SN、E、NE。

（4）河流地質(zhì)作用：河流地質(zhì)作用是指河流對斜坡坡腳的沖刷侵蝕作用［8］。本文對河流進(jìn)行緩沖區(qū)分析，以200m為一級，分為5級，用距河流的遠(yuǎn)近程度表示河流對斜坡穩(wěn)定性的影響。

（5）人類交通建設(shè)：人類對于道路的建設(shè)和維護(hù)，勢必對一定范圍內(nèi)斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本文對研究區(qū)內(nèi)省道與縣道做緩沖區(qū)分析，每100m分為一級，共分6級，以距道路的遠(yuǎn)近表示影響程度。

（6）地震斷裂帶：靠近地震斷裂帶的地區(qū)受地殼運(yùn)動明顯，巖體也較易破碎，特別是在發(fā)震地區(qū)，距斷裂帶越近，巖體所受的沖擊力越大。對斷裂帶做緩沖區(qū)分析，每1000m作為一級，分為四級。

1.3 滑坡危險性評價模型

Modelbuilder是ArcGIS自帶的模型編輯器，實(shí)際上，它是一個使ArcToolbox里所有功能具體化的一個工具。Modelbuilder是為建立地理處理流程和腳本提供的可視化的建模方式，它提供了一個可視化的建模框架，將一系列工具和數(shù)據(jù)串接起來以創(chuàng)建高級的功能和流程。在一個模型中，可以將全部工具和數(shù)據(jù)集合到一起，然后按照有序的步驟把它們連接起來以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的GIS任務(wù)。模型中的藍(lán)色方框表示輸入的數(shù)據(jù)圖層，黃色橢圓表示處理工具，綠色圓角框表示處理后的數(shù)據(jù)圖層（圖1）。

在藍(lán)色方框中設(shè)置輸入圖層，黃色橢圓中設(shè)置工具參數(shù)，運(yùn)行模型，則能夠得到輸出的目標(biāo)圖層，且能夠在指定目錄生成中間圖層。在Modelbuilder模型編輯器界面上添加評價因子的六個初始數(shù)據(jù)圖層圖框，添加?xùn)鸥窕?、緩沖區(qū)分析、重分類、加權(quán)疊加等工具圖框，使用箭頭依評價流程連接起來，得到滑坡危險性評價模型（圖2）。

圖1 Modelbuilder建模工具Fig.1 The modeling tool of Modelbuilder

2 案例區(qū)域的滑坡危險性評價

2.1 案例區(qū)域選擇

本文選擇四川省安縣作為模型試驗(yàn)的案例區(qū)域。安縣位于四川盆地西北部，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，年均降水量1260mm。境內(nèi)有安昌、雎水、白溪、秀水四條河流，年平均地表徑流總量13.47×108m3，地下徑流3.19×108m3。安縣地處龍門山斷裂帶與四川盆地的過渡帶，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以大光包斜沖斷層為界，西北部屬龍門山地槽，褶皺、斷層極其發(fā)育，地層出露多為泥盆紀(jì)至震旦紀(jì)；東南部屬川西坳陷區(qū)，分布侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)系地層；第四系地層主要沿河流分布，以沖積層為主。研究區(qū)出露地層巖性主要為泥巖、頁巖、砂巖、千枚巖、粉砂巖和各種含礦巖?！?.12”汶川大地震中，位于地震斷裂帶的安縣受到重創(chuàng)，此次地震誘發(fā)了大量崩塌、滑坡等次生災(zāi)害，并進(jìn)一步引發(fā)了堰塞湖等鏈?zhǔn)綖?zāi)害，在震后的重建階段，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害仍時有發(fā)生。

針對所選擇的評價因子，本文以安縣DEM作為坡高和坡度的數(shù)據(jù)來源，并通過對安縣1∶20萬的地質(zhì)圖、交通圖和水系圖的矢量化得到地層巖性、斷裂帶、道路、河流這四個評價因子的初始數(shù)據(jù)圖層。本文將按照圖2所構(gòu)建的模型進(jìn)行安縣滑坡危險性評價。

2.2 滑坡危險性評價

在評價因子圖層?xùn)鸥窕?，考慮到制圖效果和精確性，參考安縣的實(shí)際面積，統(tǒng)一設(shè)置28m×28m作為輸出柵格的大小。

由于各評價指標(biāo)間的量綱不統(tǒng)一，沒有可比性，因此在加權(quán)疊加之前對各個因子進(jìn)行歸一化，模型中采用5級量化標(biāo)準(zhǔn)，即在重分類工具中對數(shù)據(jù)分級，用數(shù)字1～5表示危險性程度，5表示對滑坡的形成影響最大，1表示最?。ū?）所示。

圖2 滑坡災(zāi)害危險性評價模型Fig.2 The model of landslide hazard assessment

表1 危險性評價指標(biāo)分級Table 1 Classification of assessment indexes

在加權(quán)疊加工具中輸入各因子的權(quán)值。權(quán)值由層次分析法［9］確定，通過建立判斷矩陣和一致性分析，計(jì)算出各因子的權(quán)值（表2）。

表2 指標(biāo)權(quán)重值Table 2 The weigh t of assessm ent indexes

在藍(lán)色圖框中添加對應(yīng)的評價因子初始數(shù)據(jù)后，運(yùn)行模型，數(shù)據(jù)由藍(lán)色圖框開始，按流程生成需要的圖層，并繼續(xù)下一步指令的執(zhí)行。各初始數(shù)據(jù)圖層經(jīng)各自的處理流程執(zhí)行后，生成滑坡危險性分析所需的各評價因子重分類柵格圖（圖3～8），再通過加權(quán)疊加得到滑坡災(zāi)害危險性分級圖（圖9）。其中滑坡危險性指數(shù)為1～5，對應(yīng)的危險性級別分別為極低、低、中、高、極高。

根據(jù)模型的評價結(jié)果可以看出，極高危險區(qū)和高危險區(qū)集中在西北方向龍門山地帶，頻臨河道，總面積為93.9km2，約占全區(qū)總面積的6.7％；中危險區(qū)面積402.1km2，約占全區(qū)總面積的28.7％，主要分布在西北山地地區(qū)；低危險區(qū)和極低危險區(qū)面積905km2，約占全區(qū)總面積的64.6％，主要分布在東南方向坡度平緩的平原和丘陵地區(qū)。

從總體上看，滑坡災(zāi)害的發(fā)生受坡度條件的控制明顯，評價結(jié)果中，滑坡危險程度在中度以上的地區(qū)坡度大都在40°以上；地層巖性也是影響滑坡發(fā)生的重要因素，在高危險區(qū)和極高危險區(qū)內(nèi)地層基本巖性為泥巖以及泥、砂巖混合巖層，巖石硬度低，易風(fēng)化。此外，河流切割作用是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素，高危險區(qū)域分布與河流有明顯相關(guān)性。

圖3 坡度分級柵格圖Fig.3 Classification of slope buffer

圖4 地層巖性分級柵格圖Fig.4 Classification of lithology buffer

圖5 坡向分級柵格圖Fig.5 Classification of aspect buffer

圖6 水系緩沖區(qū)分級柵格圖Fig.6 Classification of river buffer

圖7 道路緩沖區(qū)分級柵格圖Fig.7 Classification of road buffer

圖8 斷裂帶緩沖區(qū)分級柵格圖Fig.8 Classification of fault buffer

根據(jù)獲取的野外調(diào)查滑坡資料，大部分滑坡都分布于極高危險區(qū)和高危險區(qū)范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合情況良好，說明以指標(biāo)綜合法為基礎(chǔ)建立起來的評價模型能夠較好地適用于滑坡災(zāi)害危險性評價。

圖9 安縣滑坡危險性評價分級圖Fig.9 The classification of Landslide hazard assessment in Anxian County

3 結(jié)語

本文論述了在基于GIS的滑坡災(zāi)害危險性評價研究中，建立空間模型完成評價的重要性。本文采用指標(biāo)綜合法作為評價方法，在ArcGIS中建立了一個基于Modelbuilder的滑坡災(zāi)害危險性評價模型，并將安縣作為案例區(qū)域，將模型應(yīng)用到其中。論文主要結(jié)論如下：

（1）以模型為支撐的滑坡災(zāi)害危險性分析，從數(shù)據(jù)處理到空間分析，都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的管理，在科學(xué)的計(jì)算方法上實(shí)現(xiàn)了滑坡災(zāi)害危險性的分級圖。從已獲得的滑坡災(zāi)害點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)來看，符合分析的結(jié)果，可以為安縣有關(guān)部門預(yù)防滑坡的發(fā)生提供有效的參考。

（2）ArcGIS中的Modelbuilder是一個簡單實(shí)用的建模工具，通過模型的建立，避免了圖層的大量讀取和重復(fù)操作，使數(shù)據(jù)的流向變得清晰易讀，避免了因某一圖層的誤操作而使最后結(jié)果失準(zhǔn)的狀況，且模型具有可刪改性，基于動態(tài)數(shù)據(jù)的更新，能夠及時更改模型，快速得到新的修改結(jié)果。在以GIS為平臺的滑坡災(zāi)害危險性評價中，以建模的形式不僅可以節(jié)約大量的人工操作，更能夠應(yīng)對復(fù)雜多變的自然環(huán)境，這無疑是理想的手段之一。

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