基于格網(wǎng)GIS的地質(zhì)災害地形因子危險評估方法

關 穎，趙 榮，陶坤旺，朱 翊

（1．遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新123000；2．中國測繪科學研究院，北京100830）

地質(zhì)災害是指在自然或者人為因素的作用下形成的，對人類生命財產(chǎn)、環(huán)境造成破壞和損失的地質(zhì)作用（現(xiàn)象）［1］。我國是世界上自然災害最嚴重的少數(shù)國家之一，災害種類多，分布地域廣，造成損失大［2］。其中地質(zhì)災害的影響尤為突出。

隨著地質(zhì)災害日益受到各國的關注和重視，研究方法上也取得很大進展。遙感、地理信息系統(tǒng)、數(shù)學以及統(tǒng)計學等一些新的理論、技術和方法不斷被引入到地質(zhì)災害研究中［3－6］。

格網(wǎng)GIS是網(wǎng)絡技術發(fā)展的必然產(chǎn)物，很多學者用來分析社會和經(jīng)濟現(xiàn)象。格網(wǎng)GIS的研究對象是空間信息格網(wǎng)，是在空間統(tǒng)計單元的基礎上研究空間信息、社會經(jīng)濟信息以及組織等問題［7］。將統(tǒng)計信息分布到一定單元格網(wǎng)內(nèi)，不僅有利于統(tǒng)計數(shù)據(jù)與地理要素的應用，而且可以提高計算精度，發(fā)現(xiàn)格網(wǎng)間信息的差異，更加符合真實情況。因此，本文將格網(wǎng)GIS技術引入到地質(zhì)災害評估中，以泥石流和滑坡為研究對象，新源縣為試驗區(qū)域，根據(jù)研究區(qū)的具體的地質(zhì)地貌特點建立一套相適應的指標體系。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1．1 研究區(qū)域概況

新源縣位于新疆西部天山北麓被譽為“塞外江南”的伊犁河谷東端，隸屬于伊犁哈薩克自治州。東部邊緣的天山北麓，地處北緯43°01′～43°40′，東經(jīng)82°28′～84°57′之間，總面積約6 446．7 k m2，海拔高度781～4 250 m。新源縣三面環(huán)山，西部敞開，形狀如箕，構成東西長、南北窄、東高西低的特殊地形。自西向東為河谷平原、低山丘陵、中山帶和高山帶，可分為平原、丘陵、山地3個地貌單元。新源地勢變差較大，獨特的地形地貌決定了新源縣地區(qū)地質(zhì)災害頻發(fā)，嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。

1．2 數(shù)據(jù)源

研究的資料包括新源縣1：5萬DEM，土地利用數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、交通道路及歷史災害點和隱患點等。由于數(shù)據(jù)來源不同，需要在Arc GIS中將它們轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的地理坐標系及投影，以方便空間統(tǒng)計和疊加運算。

2 研究方法

首先根據(jù)實驗區(qū)實際情況建立指標體系，然后將研究區(qū)域網(wǎng)格化，用熵值法計算出各級指標的權重，最后對評估結果進行可視化表達，技術路線如圖1所示。

2．1 建立評價指標體系

1）高程：滑坡、泥石流會在重力的作用下，沿著內(nèi)部的滑動面向下滑動。所以高程是滑坡、泥石流等地質(zhì)災害的重要影響因素。

2）坡度：坡度是基本的自然地理要素，也是影響滑坡發(fā)育的重要因素，直接影響著斜坡的穩(wěn)定性，在一定條件下，坡度越陡，地表松散的堆積物質(zhì)在雨水的作用下容易帶走，從而形成泥石流、滑坡等地質(zhì)災害［2］。

圖1 技術路線

圖2 指標體系圖

3）斷層構造：斷裂發(fā)育地區(qū)，往往是引發(fā)地質(zhì)災害的重要因素。斷裂層的破碎程度會影響坡體巖石的穩(wěn)定性，所以斷裂帶地質(zhì)構造在一定距離的緩沖區(qū)范圍內(nèi)對地質(zhì)災害的發(fā)生有影響。

4）地層巖性：地層巖性是孕育一切地質(zhì)災害的物質(zhì)基礎。對于土石性質(zhì)較為軟弱、結構比較松散而不易排水的地層易產(chǎn)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災害。

5）土地利用與道路網(wǎng)密度：體現(xiàn)人類工程活動與地質(zhì)災害的關系。工程活動可以破壞坡體，當斜坡支撐不了斜坡上部質(zhì)量時就會失去平衡［8］，如修筑公路、開墾土地、修建農(nóng)田水利等活動都會導致地質(zhì)災害的發(fā)生。

2．2 研究區(qū)域格網(wǎng)化

運用Arc GIS中的創(chuàng)建魚網(wǎng)功能，制作一張能夠覆蓋新源縣地區(qū)的方形網(wǎng)格，結合研究區(qū)的實際情況 將網(wǎng)格的大小設置為500 m×500 m再利用Clip（裁剪）功能用新源縣邊界圖裁剪網(wǎng)格，使得格網(wǎng)形狀與研究區(qū)域一致。由于版面限制，放大部分格網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 區(qū)域網(wǎng)格圖

運用Arc GIS中union疊置分析功能，將各層評價因子的指標數(shù)據(jù)分別分布在格網(wǎng)單元中。在疊置過程中，網(wǎng)格中會出現(xiàn)某因子層的多個類別的信息，這就需要考慮如何賦值問題。本文在這里主要根據(jù)“面積最大”原則，利用GIS統(tǒng)計分析功能將分別統(tǒng)計網(wǎng)格單元內(nèi)各類別屬性的面積，將面積最大值的屬性信息賦值給網(wǎng)格（見圖4），實現(xiàn)網(wǎng)格信息化。

圖4 信息格網(wǎng)圖

2．3 指標量化方法

定性的各指標因子不能直接用來計算，需要變換后轉(zhuǎn)為定量計算?？紤]到地質(zhì)災害的復雜性，本文利用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的思想對數(shù)據(jù)進行量化。數(shù)據(jù)驅(qū)動權重模型方法的主要原理是利用地質(zhì)災害歷史分布數(shù)據(jù)，建立災害點分布與各影響因子之間的統(tǒng)計關系［9］，即根據(jù)在各影響因子不同類別中滑坡和泥石流分布的統(tǒng)計情況來確定各影響因子對滑坡和泥石流災害的貢獻率大小 計算公式為

淀粉的回生分為短期回生和長期回生兩個階段。短期回生要是由直鏈淀粉的膠凝有序和結晶所引起，發(fā)生在淀粉回生的前期，該過程在糊化后較短的時間內(nèi)完成；而長期的回生(以天計)則主要是由支鏈淀粉外側(cè)短鏈的重結晶所引起，該過程是一個緩慢長期的過程，一般發(fā)生在極端條件下，如溫度很高或冰點溫度時，支鏈淀粉側(cè)鏈間才會結合。淀粉回生作用與淀粉的種類、直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的比例、支鏈淀粉側(cè)鏈的鏈長、分子量、糊化淀粉冷卻儲藏溫度、水分等因素有關。

式中：a為各二級因子中統(tǒng)計出的災害點的個數(shù)；Aij為二級因子的面積。

量化后的數(shù)據(jù)需要歸一化處理，以消除指標間量綱的差異性，使數(shù)據(jù)規(guī)范化。歸一化公式為

2．4 熵值法

地質(zhì)災害風險評估的過程中，確定影響因素的權重是非常重要的，它直接關系到評價結果的合理性和真實性［10－11］。熵值理論是對不確定性的度量，可以定量表示狀態(tài)的混亂程度，在一定的時間范圍內(nèi)預測發(fā)展趨勢［12］。熵值法賦權具有客觀性，一般情況下它能夠反映指標信息熵值的效用價值，具有較高的可信度［13］。具體計算過程為

二級影響因子權重根據(jù)一級影響因子的權重值按平均加權的方法進行計算。

3 研究區(qū)域地質(zhì)災害危險性評估

3．1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)新源縣的地形地貌特點及滑坡、泥石流災害點的分布情況，將各指標細化為若干不同等級的二級指標，利用Arc GIS10．0專業(yè)軟件將指標因子進行處理并以重分類的形式顯示。部分指標因子及其重分類如圖5～圖8所示。

新源縣西高東低，最高點與最低點的高差達3 000 m以上。根據(jù)地形變化和與災害點分布的位置對應關系，將高程分為5個等級，如圖5所示；新源縣巖性數(shù)據(jù)屬性信息顯示，多以砂、砂土、礫石、火山巖屑巖及深灰質(zhì)碎屑巖為主，巖性穩(wěn)定性低，易在降雨條件下引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災害，根據(jù)巖層類型把巖性的穩(wěn)定程度將其分為5個等級，由于部分巖性成分復雜，穩(wěn)定程度較難確定，為保持數(shù)據(jù)的真實性將其分為“易滑巖組”“較易滑巖組 偶易滑巖組 穩(wěn)定巖組 和 不確定性 如圖6所示；土地利用情況在一定程度上影響著地質(zhì)災害的發(fā)生，依據(jù)數(shù)據(jù)屬性信息，將新源縣的土地利用類型分為“林地”“草地”“居民用地”等5個級別，如

圖5 高程分類圖

圖7 土地利用分類圖

綜合應用Arc GIS的疊置分析和空間統(tǒng)計功能將各空間數(shù)據(jù)和網(wǎng)格數(shù)據(jù)疊加，并統(tǒng)計各因子的二級指標包含的災害點數(shù)目，利用式（1）、式（2）對指標進行量化和歸一化處理。結果如表1所示。

3．2 確定指標權重

根據(jù)量化后的指標值，利用熵值法計算出各一、二級指標的權重，如表1所示。

根據(jù)表1中統(tǒng)計的各二級指標所包含的災害點的數(shù)目可以發(fā)現(xiàn)新源縣易引起滑坡、泥石流地質(zhì)災害的影響條件有：高程分布中，災害點主要集中在1 200～1 600，1 600～2 000 m之 間；坡 度 分 布中，坡度小于40°時，地質(zhì)災害爆發(fā)的頻度隨著坡度增大而增大，大于40°時卻會明顯降低；土地利用類型中，從災害點數(shù)目看，草地對地質(zhì)災害的影響最大，其次是林地；斷層構造中，與斷層構造越近越容易引發(fā)地質(zhì)災害，主要集中在距離斷層線0～圖7所示 新源縣大部分區(qū)域為斷裂帶發(fā)育區(qū) 本文依據(jù)災害點與主要斷裂帶之間的距離關系，在Arc GIS中將斷層設定5個不同距離的緩沖區(qū)，如圖8所示。2 000 m之間；巖性結構中，災害點主要落在易滑和較易滑的巖組中，穩(wěn)定巖組中也有部分在災害點落入，可見單一地質(zhì)條件對地質(zhì)災害的影響并非絕對，而是多因素共同作用的結果；道路密度在0～3（k m／k m2）之間對滑坡、泥石流有一定影響。

圖6 巖性分類圖

圖8 斷層分類

3．3 綜合評估

綜合評估計算一般采用指標值與權重值的加權求和模型。具體算式為

其中zi與zij為一、二級指標權重。根據(jù)單元格網(wǎng)內(nèi)各因子的量化值和計算的權重值，利用GIS中的地圖代數(shù)功能計算每個單元格網(wǎng)的地質(zhì)災害易發(fā)危險程度值，從而進行綜合評估。本文采用Arc－GIS中的自然裂點法（Natural Breaks）分級。該方法的特點是在分級數(shù)確定的情況下，通過聚類分析將相似性最大的數(shù)據(jù)分在同一個等級 差異最大的數(shù)據(jù)分在不同的等級，可以較好地保持數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征，能夠更準確地揭示地質(zhì)災害的空間分布格局 因此依據(jù)自然裂點法將危險程度劃分為 低度危險，較低危險，較高危險，高危險｝4個等級，用專題圖可視化表達，如圖9所示。

表1 權重計算結果

由熵值法計算出的各指標一級權重結果（見表1），發(fā)現(xiàn)各指標因子對滑坡和泥石流影響程度不同，由高到低依次為：高程0．329 2，土地利用0．291 6，坡度0．149 4，巖性0．144 3，斷層0．079 5，道路網(wǎng)密度0．006 0，并且高程和土地利用的“總貢獻”值達0．61，而 且 在 高 程“1 200～1 600 m、1 600～2 000 m”的分類二級指標和土地利用“草地”的二級指標因子的權重值都較高。因此不難發(fā)現(xiàn)，綜合評估危險程度區(qū)劃結果圖受其影響較大，同時也受到其它因子不同程度的影響。

分別統(tǒng)計各危險級別包含的災害點數(shù)目占歷史災害點總數(shù)的比例，具體結果如表2所示。

圖9 綜合評估圖

表2 危險級別統(tǒng)計

從綜合評估圖和危險統(tǒng)計表可以看出，新源縣滑坡、泥石流地質(zhì)災害具有以下特點：

1）滑坡、泥石流地質(zhì)災害高危險區(qū)主要分布在新源縣北部、中部及西南部的山區(qū)；較高風險區(qū)主要分布在東部和高風險區(qū)附近的狹長區(qū)域；低風險區(qū)和較低風險區(qū)集中分布在中部的平原地區(qū)。這說明山區(qū)的危險性明顯高于平原地區(qū)，由于山區(qū)地形復雜，高差大，坡度陡，并且時有降雪與降雨天氣，遇到氣溫升高，積雪融化或在汛期遇到強降雨，在雪水、雨水與復雜的地形作用下極易引發(fā)滑坡、泥石流地質(zhì)災害。

2）從危險級別統(tǒng)計表中的統(tǒng)計結果看，較高和高危險區(qū)域中災害點的比例為90．17%，較低危險區(qū)災害點的比例為8．96%，而低危險區(qū)域災害點的比例為0．87%，大多數(shù)災害點被包含在較高風險區(qū)和高風險的區(qū)域中。

4 結 論

基于格網(wǎng)GIS技術，本文以新源縣為研究區(qū)域，建立相關地形危險評估指標體系，將GIS統(tǒng)計分析功能和數(shù)學算法相結合建立以滑坡、泥石流為主的地質(zhì)災害地形風險區(qū)域的的評估模型，并對新源縣的危險區(qū)域進行評估，對評估結果給出解釋。實驗結果表明格網(wǎng)GIS技術對地質(zhì)災害的研究具有可行性和實踐意義。

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