基于模糊理論的GIS動(dòng)態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估研究

胡圣武，吳軍超

（1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，河南 焦作 454000）

基于模糊理論的GIS動(dòng)態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估研究

胡圣武1，吳軍超1

（1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，河南 焦作 454000）

選用模糊多層次綜合評(píng)判方法，結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估研究。并以福建省德化縣潯中鎮(zhèn)為實(shí)例進(jìn)行研究，其研究結(jié)果對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的防護(hù)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

動(dòng)態(tài)地質(zhì)災(zāi)害；模糊理論；GIS；評(píng)估

1 基于模糊綜合評(píng)判的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

影響地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的因素是多層次、多方面的，各因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度不同，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的劃分以及不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)因素的界限是模糊的，難以進(jìn)行定量化的精確表達(dá)。本文選用模糊綜合評(píng)判方法，將實(shí)時(shí)更新的降雨、險(xiǎn)情、承災(zāi)體狀態(tài)等因子以及其他靜態(tài)因子進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[7,8]。

1）模糊評(píng)語(yǔ)集的確定。根據(jù)小區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的最終評(píng)價(jià)結(jié)果和建立模糊集合所要滿足的對(duì)稱性原則，將評(píng)判等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為 “較低風(fēng)險(xiǎn)”、“中等風(fēng)險(xiǎn)”、“較高風(fēng)險(xiǎn)”和“高風(fēng)險(xiǎn)”4個(gè)等級(jí)，評(píng)語(yǔ)集為：V ={I Ⅱ Ⅲ Ⅳ}={較低風(fēng)險(xiǎn) 中等風(fēng)險(xiǎn) 較高風(fēng)險(xiǎn) 高風(fēng)險(xiǎn)}。

2）模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的確立。從評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與模糊評(píng)語(yǔ)集出發(fā)，將定性與定量指標(biāo)按照統(tǒng)一量綱，確定評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

3）隸屬函數(shù)的構(gòu)造。在模糊綜合評(píng)判中，模糊集隸屬函數(shù)的建立是單因素評(píng)判的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，既有定性指標(biāo)（離散型），如地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu)類型、險(xiǎn)情等；也有定量指標(biāo)（連續(xù)型），如降雨量、人口密度等。對(duì)于定性指標(biāo)，首先劃分出因子的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，賦予相應(yīng)數(shù)值，采用經(jīng)驗(yàn)賦值的方法確定隸屬度。對(duì)于定量指標(biāo)的隸屬函數(shù)，采用梯形分布函數(shù)來(lái)刻畫[9,10]。

4）模糊變換與綜合評(píng)判。對(duì)各因子賦予權(quán)重W={a1a2… an}，再采用模糊綜合評(píng)判模型B=WiRi進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評(píng)判。然后對(duì)評(píng)判結(jié)果作歸一化處理，根據(jù)最大隸屬原則確定樣本歸屬。為了將各因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響都反映出來(lái)，本文采用加權(quán)平均型M（·，+）模糊算子進(jìn)行模糊變換。評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)流程

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)潯中鎮(zhèn)隸屬福建省泉州市德化縣，亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15～19℃，年平均降雨量1 853.1 mm。全年分為3個(gè)降雨季節(jié)：3～6月為雨季，多年平均降雨量796.5 mm，占全年43.0%；7～9月為臺(tái)風(fēng)雷陣雨季，多年平均降雨量775.2 mm，占全年41.8%，表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)暴雨或大暴雨，雨量大而集中，強(qiáng)度高，也是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)期；10月至翌年2月為少雨季，多年平均降雨量281.4 mm，僅占全年15.2%。

2.2 GIS建模與實(shí)現(xiàn)

動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素及等級(jí)劃分見表1。

表1 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

潯中鎮(zhèn)面積為57.20 km2，屬于面評(píng)價(jià)。根據(jù)面評(píng)價(jià)的特點(diǎn)及該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布特征和研究程度，選擇1∶1萬(wàn)的基礎(chǔ)地圖。

評(píng)價(jià)單元主要有地貌單元、斜坡單元、行政區(qū)劃和規(guī)則網(wǎng)格單元，根據(jù)可操作性和簡(jiǎn)易性原則，采用10 mm×10 mm的方格進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，依?jù)基礎(chǔ)圖件為1∶1萬(wàn)的地形圖和工程地質(zhì)圖，總共劃分為5 968個(gè)評(píng)價(jià)單元。

基于ArcGIS 軟件平臺(tái)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行模型量化，采用梯形模糊數(shù)構(gòu)造的隸屬函數(shù)對(duì)定量指標(biāo)進(jìn)行隸屬度計(jì)算，其中對(duì)于表土層厚度與坡度兩個(gè)中間值最易發(fā)的指標(biāo)，采用x'=|xi-xmid|公式轉(zhuǎn)化為“越大越優(yōu)”或“越小越優(yōu)”情況，然后代入隸屬度函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。其他值一律根據(jù)上面公式轉(zhuǎn)化為x'后代入隸屬度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到坡度隸屬度分布如圖2a。表土層厚度參照上面的步驟進(jìn)行，得到表土層厚度隸屬度分布如圖2b。

圖2 定量因子隸屬度分布

對(duì)于其他定量指標(biāo)，如1 h雨強(qiáng)、人口密度等，代入隸屬度函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，得到隸屬度分布。

對(duì)定性指標(biāo)，如坡向、坡型、險(xiǎn)情、承災(zāi)體狀態(tài)等指標(biāo)直接采用經(jīng)驗(yàn)賦值，在ArcGIS中采用編輯屬性表的方式進(jìn)行。得到的坡型隸屬度分布圖如圖3所示。

根據(jù)上述步驟可得到3個(gè)時(shí)刻的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)區(qū)劃圖，如圖4所示。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

2.3.1 3個(gè)時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2所示的3個(gè)時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果可知：

1）8月2日15時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不高，沒有高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布，除鎮(zhèn)中心東北部、樂陶村小面積為較高風(fēng)險(xiǎn)外，其他地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)都在一、二等級(jí)。主要是因?yàn)?5時(shí)降雨剛開始，除東南部樂陶村、鳳洋村、后所村降中雨外，其他地區(qū)為小雨，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低。鎮(zhèn)東北部人口密集，災(zāi)害為較易發(fā)，風(fēng)險(xiǎn)為較高級(jí)。

2）8月3日10時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)情況為：①高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，廣泛分布在石山村、仙境村、石鼓村、龍翰村、鳳池、富東大部分地區(qū)以及鳳洋南部、蒲坂村周邊地區(qū)。主要由于這些地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)，人口較密集，省道S206和省道S203樂陶段從此經(jīng)過(guò)，其中省道S206石鼓至石山段以及省道S203樂陶段為風(fēng)險(xiǎn)最高。②較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分布在鳳洋村、后所村、蒲坂村大部、石山村、世科村、祖厝村南部以及龍翰村東南部與西北部。主要由于地質(zhì)災(zāi)害較易發(fā)，人口相對(duì)較集中。③中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分布在鳳洋村、石山村南部、縣道X346沿線。此地區(qū)在浐溪流域周邊，坡度較緩，地質(zhì)災(zāi)害中等易發(fā)。④低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分布在祖厝村北部大部分地區(qū)，世科村、后所村部分地區(qū)以及石鼓、后所兩處隱患點(diǎn)區(qū)。祖厝村北部大部分地區(qū)海拔較高，人口較稀疏，人類工程活動(dòng)相對(duì)較少，地質(zhì)災(zāi)害較不易發(fā)，風(fēng)險(xiǎn)較低。石鼓、后所兩處隱患點(diǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

3）8月3日23時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)分布區(qū)域大體與8月3日10時(shí)相同，主要分布在S206省道、S203省道沿線和石山、仙境、石鼓、富東、后所等村莊以及樂陶村地區(qū)。石鼓、后所兩處隱患點(diǎn)以及龍翰村9組滑坡區(qū)域?yàn)榈惋L(fēng)險(xiǎn)。

圖3 坡型因子隸屬度分布

圖4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果圖

表2 3個(gè)時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表

2.3.2 對(duì)比分析

1）8月2日15時(shí)，降雨等級(jí)較低，雖然人員狀態(tài)與道路狀態(tài)為自然狀態(tài)，具有較高的易損性，但危險(xiǎn)性等級(jí)低，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性小，風(fēng)險(xiǎn)普遍偏低。

2）8月3日10時(shí)，全鎮(zhèn)范圍降雨從2日15時(shí)的小雨轉(zhuǎn)為暴雨，前期有效降雨達(dá)到臨界值1，風(fēng)險(xiǎn)普遍增高。根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，此時(shí)隱患點(diǎn)威脅區(qū)域人員已經(jīng)轉(zhuǎn)移，威脅區(qū)域外圍人員將處于警惕狀態(tài)。由于承災(zāi)對(duì)象不存在，因此石鼓、后所兩處隱患點(diǎn)由高風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)。

3）8月3日23時(shí)與10時(shí)相比，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積擴(kuò)大。雖然本時(shí)刻降雨已由暴雨轉(zhuǎn)為小雨，然而前期有效降雨量達(dá)到了臨界值，為最高等級(jí)，且地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有滯后效應(yīng)，此時(shí)危險(xiǎn)等級(jí)仍然很高，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與10時(shí)相近。此時(shí)石鼓、后所兩處隱患點(diǎn)以及龍翰村滑坡區(qū)域人員已經(jīng)轉(zhuǎn)移，雖具有高危險(xiǎn)，但無(wú)承災(zāi)對(duì)象，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積擴(kuò)大是由于龍翰村9組發(fā)生滑坡災(zāi)害，與此滑坡相似的地質(zhì)環(huán)境區(qū)域（圖4c紫色區(qū)域）為極易發(fā)區(qū)。其中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與極易發(fā)區(qū)重合區(qū)域（圖4c中紅色與紫色重合區(qū)域）應(yīng)為極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要分布在石鼓村、仙境村、潯中村以及龍翰村。

2.4 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理

就潯中鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果提出以下風(fēng)險(xiǎn)管理建議:

1）轉(zhuǎn)移避讓。當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到8 mm/h或有效降雨量達(dá)90 mm，斜坡出現(xiàn)裂縫、隆起、沉陷、小型崩塌、冒渾水等險(xiǎn)情時(shí)，將隱患點(diǎn)或威脅區(qū)域的人員進(jìn)行轉(zhuǎn)移避讓。

2）監(jiān)測(cè)預(yù)警。具體措施為：①對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域安排責(zé)任人進(jìn)行險(xiǎn)情巡查、監(jiān)測(cè)、報(bào)警、速報(bào)；②對(duì)極高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)實(shí)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與加密監(jiān)測(cè)；③對(duì)處于高風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)區(qū)域（如學(xué)校、公路等）降雨期間設(shè)立警示標(biāo)志，警示或禁止人員與車輛通行。

3）應(yīng)急準(zhǔn)備。將防災(zāi)重點(diǎn)放在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，快速調(diào)度車輛、人員及物資，合理分配救援力量，提前做好應(yīng)急準(zhǔn)備，并根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化調(diào)整方案。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用模糊綜合評(píng)判理論，通過(guò)GIS 建模的方式對(duì)福建省德化縣潯中鎮(zhèn)2012年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇拉”影響期間地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，利用網(wǎng)格劃分、柵格模型量化、疊加運(yùn)算等方法，得到3個(gè)時(shí)刻的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，提出動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理建議，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的可行性。

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P208

B

1672-4623（2015）04-0004-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.002我國(guó)在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中已經(jīng)取得了豐碩的成果，但現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是基于靜態(tài)過(guò)程，動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還屬于探索階段，監(jiān)測(cè)體系與預(yù)警系統(tǒng)還不夠完善[1-6]。本文用模糊多層次綜合評(píng)判方法，結(jié)合GIS進(jìn)行動(dòng)態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的研究，并選福建省泉州市德化縣的潯中鎮(zhèn)為實(shí)例進(jìn)行動(dòng)態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的分析。

胡圣武，博士，副教授，主要從事GIS基礎(chǔ)理論和圖像處理技術(shù)研究。

2014-03-18。

項(xiàng)目來(lái)源：江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目（DLLJ201401）。